CN112504131B - 外差一维光栅位移测量装置 - Google Patents

外差一维光栅位移测量装置 Download PDF

Info

Publication number
CN112504131B
CN112504131B CN202011287160.0A CN202011287160A CN112504131B CN 112504131 B CN112504131 B CN 112504131B CN 202011287160 A CN202011287160 A CN 202011287160A CN 112504131 B CN112504131 B CN 112504131B
Authority
CN
China
Prior art keywords
frequency
diffracted light
order diffracted
receiving unit
turning
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202011287160.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112504131A (zh
Inventor
吉日嘎兰图
尹云飞
李文昊
刘兆武
刘林
白宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Original Assignee
Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS filed Critical Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority to CN202011287160.0A priority Critical patent/CN112504131B/zh
Publication of CN112504131A publication Critical patent/CN112504131A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112504131B publication Critical patent/CN112504131B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明提供一种外差一维光栅位移测量装置，采用上下对称的结构分布，消除测量装置在光程上所引入影响；利用双频激光器发出的两束正交的线偏振光，其中频率为f1的‑1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成‑2Δf的多普勒频移，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的‑1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，信号处理系统对信号进行差分处理，可实现单次衍射的四倍光学细分。本发明可实现单次衍射的四倍光学细分，也可采用直角棱镜或角锥棱镜实现八倍的光学细分，同时利用空间上结构微小差异来消除杂光影响，实现位移测量装置高分辨率的目的。

Description

外差一维光栅位移测量装置
技术领域
本发明涉及超精密位移测量技术领域，特别涉及一种基于单次衍射实现4倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置。
背景技术
光学测量法在如今的国际世界得到广泛应用，其中最常见的是激光测量和光栅测量，为了追求测量的精度、测量的多维度、降低成本和小型化设计而引入的光栅，正好可以满足测量需求，光栅刻槽的平均作用可弱化环境影响，高刻划精度光栅的栅线数可提高测量系统分辨力。而基于一维光栅的二维位移测量在国内外很多学者进行探究，可并没有一个最佳的办法来直接的探测。
Hsu研究团队对日本学者Lee提出的外差式光栅位移测量装置进行改进，制作出灵敏度优于1.5pm的二维外差式光栅和在3nm到2.5mm范围内最优灵敏度可达1pm的全息衍射光栅位移测量装置，可引入的Z轴向测量为自身的衍射光进行检测。
现如今，普遍采用引入角锥棱镜和直角棱镜的方式进行二次衍射，可进行衍射对称分布，这必会引入衍射所带来的误差，此误差由对称分布的1级衍射光经过角锥棱镜反射，再一次入射至衍射光栅产生的2级衍射光的0级衍射光所产生，因为垂直入射垂直出射的原因，此误差在水平方向上不可避免。因此，亟需一种在实现单次衍射实现四倍光学细分的同时，消除杂散光的测量装置。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，提出以一种对称式4倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置，相对于现有技术，本发明在实现单次衍射4倍光学细分的同时，可消除杂散光对测量系统的影响。
具体地，本发明提供的外差一维光栅位移测量装置，包括：双频激光器、偏振分光棱镜、第一转折单元、第二转折单元、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，偏振分光棱镜设置在双频激光器的出射方向上，第一转折单元与第二转折单元沿偏振分光棱镜的反射方向和透射方向对称设置；其中，双频激光器发出两束正交的频率分别为f1和f2的线偏振光，频率为f1的线偏振光经偏振分光棱镜反射至第一转折单元，再经过第一转折单元垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f1的±1级衍射光分别经第一转折单元入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射分别进入第一信号接收单元和第二信号接收单元；频率为f2的线偏振光经偏振分光棱镜反射至第二转折单元，再经过第二转折单元垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f2的±1级衍射光分别经第二转折单元入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射分别进入第一信号接收单元和第二信号接收单元；频率为f1的+1级衍射光与频率为f2的-1级衍射光在第一信号接收单元内干涉形成f1-f2的频率信号，频率为f1的-1级衍射光与频率为f2的-级衍射光在第二信号接收单元内干涉形成f1-f2的频率信号；信号处理系统对第一信号接收单元和第二信号接收单元接收到的频率信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
优选地，第一转折单元包括第一平面反射镜、第一折转元件、第二折转元件和第一四分之一波片；其中，频率为f1的线偏振光经第一平面反射镜、第一四分之一波片垂直入射至衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经第一折转元件、第一四分之一波片、第一平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射至第一信号接收单元；-1级衍射光依次经第二折转元件、第一四分之一波片、第一平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射至第二信号接收单元。
优选地，第二转折单元包括第二平面反射镜、第三折转元件、第四折转元件和第二四分之一波片；其中，频率为f2的线偏振光经第二平面反射镜、第二四分之一波片垂直入射至衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经第三折转元件、第二四分之一波片、第二平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射至第二信号接收单元；-1级衍射光依次经第四折转元件、第一四分之一波片、第二平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射至第一信号接收单元。
优选地，第一折转元件、第二折转元件、第三折转元件和第四折转元件均为双一维透射光栅、平面反射镜、角锥棱镜、直角棱镜或聚光透镜。
优选地，第一信号接收单元包括第一光电接收器和第三四分之一波片，频率为f2的-1级衍射光和频率为f1的+1级衍射光分别经第三四分之一波片进入第一光电接收器。
优选地，第二信号接收单元包括第二一光电接收器和第四四分之一波片，频率为f2的+1级衍射光和频率为f1的-1级衍射光分别经第四四分之一波片进入第二光电接收器。
优选地，当衍射光栅沿光栅矢量方向移动时，频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成f1-f2-2Δf的多普勒频移信号，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成f1-f2+2Δf的多普勒频移信号，信号处理系统对f1-f2-2Δf的多普勒频移信号与f1-f2+2Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
优选地，将衍射光栅替换为参考光栅和测量光栅，当测量光栅沿光栅矢量方向运动时，频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成f1-f2-Δf的多普勒频移信号，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成f1-f2+Δf的多普勒频移信号，信号处理系统对f1-f2-Δf的多普勒频移信号与f1-f2+Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
与现有技术相比，本发明采用上下对称的结构分布，消除测量系统在光程上所引入影响；利用双频激光器发出的两束正交的线偏振光，其中频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成-2Δf的多普勒频移，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，信号处理系统对信号进行差分处理，可实现单次衍射的四倍光学细分；也可以采用直角棱镜或角锥棱镜实现八倍的光学细分，同时利用空间上结构微小差异来消除杂光影响，实现位移测量装置高分辨率的目的；并且分析各个器件对系统影响的最优方式，实现位移测量装置的精度。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的外差一维光栅位移测量装置的原理示意图；
图2是根据本发明一个实施例的第一干涉信号产生的光路原理示意图；
图3是根据本发明一个实施例的第二干涉信号产生的光路原理示意图；
图4是根据本发明一个实施例的分离外差一维光栅位移测量的原理示意图；
图5是根据本发明一个实施例的分离外差的第一干涉信号产生的光路原理示意图；
图6是根据本发明一个实施例的分离外差的第二干涉信号产生的光路原理示意图；
图7是根据本发明一个实施例的双一维透射光栅的结构示意图；
图8是根据本发明一个实施例的聚光透镜的结构示意图；
图9是根据本发明一个实施例的直角棱镜的结构示意图；
图10是根据本发明一个实施例的平面反射镜的结构示意图。
其中的附图标记包括：双频激光器1、偏振分光棱镜2、第一转折单元3、第一平面反射镜301、第一折转元件302、第二折转元件303、第一四分之一波片304、第二转折单元4、第二平面反射镜401、第三折转元件402、第四折转元件403、第二四分之一波片404、第一信号接收单元5、第二信号接收单元6、衍射光栅7、参考光栅701、测量光栅702、双一维透射光栅801、聚光透镜802、直角棱镜803、平面反射镜804。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例的外差一维光栅位移测量装置的原理。
如图1所示，本发明提供实施例提供的外差一维光栅位移测量装置，包括：双频激光器1、偏振分光棱镜2、第一转折单元3、第二转折单元4、第一信号接收单元5、第二信号接收单元6和信号处理系统，偏振分光棱镜2设置在双频激光器1的出射方向上，第一转折单元3与第二转折单元4对称设置在偏振分光棱镜2的反射方向和透射方向上。
双频激光器1发出两束正交的频率分别为f1和f2的线偏振光，频率为f1的线偏振光经偏振分光棱镜2反射至第一转折单元3，再经过第一转折单元3垂直入射至衍射光栅7，经衍射光栅7衍射出±1级衍射光，频率为f1的±1级衍射光分别经第一转折单元3入射至偏振分光棱镜1，经偏振分光棱镜1透射分别进入第一信号接收单元5和第二信号接收单元6；频率为f2的线偏振光经偏振分光棱镜2反射至第二转折单元4，再经过第二转折单元4垂直入射至衍射光栅7，经衍射光栅7衍射出±1级衍射光，频率为f2的±1级衍射光分别经第二转折单元4入射至偏振分光棱镜2，经偏振分光棱镜2反射分别进入第一信号接收单元5和第二信号接收单元6；频率为f1的+1级衍射光与频率为f2的-1级衍射光在第一信号接收单元3内干涉形成f1-f2的频率信号，频率为f1的-1级衍射光与频率为f2的-级衍射光在第二信号接收单元4内干涉形成f1-f2的频率信号；信号处理系统对第一信号接收单元3和第二信号接收单元4接收到的频率信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
衍射光栅7采用长行程的一维衍射光栅，分别对频率为f1和f2的入射光衍射产生±1级衍射光。
图2示出了根据本发明一个实施例的第一干涉信号产生的光路原理。
如图2所示，第一转折单元3包括第一平面反射镜301、第一折转元件302、第二折转元件303和第一四分之一波片304；其中，频率为f1的线偏振光经偏振分光棱镜2反射至第一平面反射镜301，再第一平面反射镜301反射，透过第一四分之一波片304垂直入射至衍射光栅7，经衍射光栅7衍射出±1级衍射光，频率为f1的+1级衍射光经第一折转元件302转折后，透过第一四分之一波片304入射至第一平面反射镜301，经第一平面反射镜301反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第一信号接收单元5。
第二转折单元4包括第二平面反射镜401、第三折转元件402、第四折转元件403和第二四分之一波片404；其中，频率为f2的线偏振光经偏振分光棱镜2透射至第二平面反射镜401，再第一平面反射镜301反射，透过第二四分之一波片404垂直入射至衍射光栅7，经衍射光栅7衍射出±1级衍射光，频率为f2的-1级衍射光经第四折转元件403转折后，透过第二四分之一波片404入射至第二平面反射镜401，经第二平面反射镜401反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第一信号接收单元5。
第一信号接收单元5包括第一光电接收器和第三四分之一波片，频率为f2的-1级衍射光和频率为f1的+1级衍射光分别经第三四分之一波片进入第一光电接收器内，干涉形成f1-f2的频率信号。
当衍射光栅7沿着光栅矢量方向发生运动时，根据多普勒频移效应，频率为f1的+1级衍射光沿轴向运动产生一个正向的Δf，频率为f2的-1级衍射光沿轴向运动产生一个负向的Δf，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，则位移测量装置产生的多普勒频移量可表示为f1-f2+2Δf，即频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成f1-f2+2Δf的多普勒频移信号。
图3是根据本发明一个实施例的第二干涉信号产生的光路原理。
如图3所示，频率为f1的-1级衍射光经第二折转元件303转折后，透过第一四分之一波片304入射至第一平面反射镜301，经第一平面反射镜301反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第二信号接收单元6。
频率为f2+的1级衍射光经第三折转元件402转折后，透过第二四分之一波片404入射至第二平面反射镜401，经第二平面反射镜401反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第二信号接收单元6。
第二信号接收单元包括第二一光电接收器和第四四分之一波片，频率为f2的+1级衍射光和频率为f1的-1级衍射光分别经第四四分之一波片进入第二光电接收器内，干涉形成f1-f2的频率信号。
当衍射光栅7沿着光栅矢量方向发生运动时，根据多普勒频移效应，频率为f1的-1级衍射光沿轴向运动产生一个负向的Δf，频率为f2的+1级衍射光沿轴向运动产生一个正向的Δf，频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，则位移测量装置产生的多普勒频移量可表示为f1-f2-2Δf，即频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成f1-f2-2Δf的多普勒频移信号。
信号处理系统对f1-f2-2Δf的多普勒频移信号与f1-f2+2Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
本发明中的四个四分之一波片均用于改变线偏振光的偏振态。
在满足上述测量方案的同时，可将衍射光栅7分离为两个一维衍射光栅，一个作为测量光栅，一个作为参考光栅，也可实现本发明的单次衍射四倍光学细分的位移测量。
图4示出了根据本发明一个实施例的分离外差一维光栅位移测量的原理。
如图4所示，双频激光器1发出两束正交的频率分别为f1和f2的线偏振光，频率为f1的线偏振光经偏振分光棱镜2反射至第一转折单元3，再经过第一转折单元3垂直入射至参考光栅701，经参考光栅701衍射出±1级衍射光，频率为f1的±1级衍射光分别经第一转折单元3入射至偏振分光棱镜1，经偏振分光棱镜1透射分别进入第一信号接收单元5和第二信号接收单元6；频率为f2的线偏振光经偏振分光棱镜2反射至第二转折单元4，再经过第二转折单元4垂直入射至测量光栅702，经测量光栅702衍射出±1级衍射光，频率为f2的±1级衍射光分别经第二转折单元4入射至偏振分光棱镜2，经偏振分光棱镜2反射分别进入第一信号接收单元5和第二信号接收单元6；频率为f1的+1级衍射光与频率为f2的-1级衍射光在第一信号接收单元3内干涉形成f1-f2的频率信号，频率为f1的-1级衍射光与频率为f2的+1级衍射光在第二信号接收单元4内干涉形成f1-f2的频率信号；信号处理系统对第一信号接收单元3和第二信号接收单元4接收到的频率信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
图5示出了根据本发明一个实施例的分离外差的第一干涉信号产生的光路原理。
频率为f1的线偏振光经偏振分光棱镜2反射至第一平面反射镜301，再第一平面反射镜301反射，透过第一四分之一波片304垂直入射至参考光栅701，经参考光栅701衍射出±1级衍射光，频率为f1的+1级衍射光经第一折转元件302转折后，透过第一四分之一波片304入射至第一平面反射镜301，经第一平面反射镜301反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第一信号接收单元5。
频率为f2的线偏振光经偏振分光棱镜2透射至第二平面反射镜401，再第一平面反射镜301反射，透过第二四分之一波片404垂直入射至测量光栅702，经测量光栅702衍射出±1级衍射光，频率为f2的-1级衍射光经第四折转元件403转折后，透过第二四分之一波片404入射至第二平面反射镜401，经第二平面反射镜401反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第一信号接收单元5。
频率为f2的-1级衍射光和频率为f1的+1级衍射光分别经第三四分之一波片进入第一光电接收器内，干涉形成f1-f2的频率信号。
图6示出了根据本发明一个实施例的分离外差的第二干涉信号产生的光路原理。
频率为f1的-1级衍射光经第二折转元件303转折后，透过第一四分之一波片304入射至第一平面反射镜301，经第一平面反射镜301反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第二信号接收单元6。
频率为f2的+1级衍射光经第三折转元件402转折后，透过第二四分之一波片404入射至第二平面反射镜401，经第二平面反射镜401反射入射至偏振分光棱镜2，再经偏振分光棱镜2的透射，入射至第二信号接收单元6。
频率为f2的+1级衍射光和频率为f1的-1级衍射光分别经第四四分之一波片进入第二光电接收器内，干涉形成f1-f2的频率信号。
参考光栅701位于读数头内侧，不产生多普勒频移，当测量光栅702沿着光栅矢量方向发生运动时，根据多普勒频移效应，频率为f2的-1级衍射光沿轴向运动产生一个负向的Δf，与频率为f1的+1级衍射光干涉形成-Δf的多普勒频移，则位移测量装置产生的多普勒频移量可表示为f1-f2-Δf，即频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成f1-f2-Δf的多普勒频移信号；频率为f2的+1级衍射光沿轴向运动产生一个正向的Δf，与频率为f1的-1级衍射光干涉形成Δf的多普勒频移，则位移测量装置产生的多普勒频移量可表示为f1-f2+Δf，即f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成f1-f2+Δf的多普勒频移信号。
信号处理系统对f1-f2-Δf的多普勒频移信号与f1-f2+Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现单次衍射4倍光学细分的位移测量。
本发明可以根据所要实现的功能或效果选择不同类型的第一折转元件302、第二折转元件303、第三折转元件402、第四折转元件403。
第一折转元件302、第二折转元件303、第三折转元件402、第四折转元件403可以选用双一维透射光栅、角锥棱镜、直角棱镜、聚光透镜或平面反射镜。
图7示出了根据本发明一个实施例的双一维透射光栅的结构。
如图7所示，当第一折转元件302、第二折转元件303、第三折转元件402、第四折转元件403采用双一维透射光栅801时，双一维透射光栅801设置为中心为空白的透镜组件，可实现衍射光栅0级衍射光的平行出射，透镜组件的两边分别为相互平行栅线的两个一维透射光栅，可实现±1级衍射光的平行出射。双一维透射光栅801可增加光强来减少衍射光栅衍射所带来的能量损失。
图8示出了根据本发明一个实施例的聚光透镜的结构。
如图8所示，当第一折转元件302、第二折转元件303、第三折转元件402、第四折转元件403采用聚光透镜802时，聚光透镜802由于自身焦距的限制，测量距离限制很大，对Z轴的位移测量只能限制在聚光透镜802的焦距范围之内。
图9示出了根据本发明一个实施例的直角棱镜的结构。
如图9所示，当第一折转元件302、第二折转元件303、第三折转元件402、第四折转元件403采用直角棱镜803时，直角棱镜803折返会引入一个2级衍射光的0级杂散光，会给测量系统引入杂光，使干涉信号为多个信号的叠加，但同时实现了两次衍射，达到8倍光学细分的目的。
角锥棱镜同理可知，但角锥棱镜可使测量装置在空间之中偏移一个微小角度或者采用出射光以一个微小角度出射，采用空间的倒置来实现杂光的消除。
图10示出了根据本发明一个实施例的平面反射镜的结构。
如图10所示，当第一折转元件302、第二折转元件303、第三折转元件402、第四折转元件403采用平面反射镜804时，平面反射镜804可实现±1级衍射光的直接出射，同时消除了衍射光栅所附带的其他杂光的影响，但仅实现一次衍射，达到4倍光学细分的目的。
综上所述，本发明提供的对称式4倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置，采用上下对称的结构分布，消除测量装置在光程上所引入影响；利用双频激光器发出的两束正交的线偏振光，其中，频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成-2Δf的多普勒频移，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，信号处理系统对信号进行差分处理，可实现单次衍射的四倍光学细分；也可以采用直角棱镜或角锥棱镜实现八倍的光学细分，同时利用空间上结构微小差异来消除杂光影响，达到位移测量装置高分辨率的目的。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：双频激光器、偏振分光棱镜、第一转折单元、第二转折单元、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，所述偏振分光棱镜设置在所述双频激光器的出射方向上，所述第一转折单元与所述第二转折单元沿所述偏振分光棱镜的反射方向和透射方向对称设置；其中，
所述双频激光器发出两束正交的频率分别为f 1和f 2的线偏振光，频率为f 1的线偏振光经所述偏振分光棱镜反射至所述第一转折单元，再经过所述第一转折单元垂直入射至衍射光栅，经所述衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f 1的±1级衍射光分别经所述第一转折单元入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜透射分别进入所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元；频率为f 2的线偏振光经所述偏振分光棱镜反射至所述第二转折单元，再经过所述第二转折单元垂直入射至所述衍射光栅，经所述衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f 2的±1级衍射光分别经所述第二转折单元入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜反射分别进入所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元；
所述第一转折单元包括第一平面反射镜、第一折转元件、第二折转元件和第一四分之一波片；其中，频率为f 1的线偏振光经所述第一平面反射镜、所述第一四分之一波片垂直入射至所述衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经所述第一折转元件、所述第一四分之一波片、所述第一平面反射镜入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜透射至所述第一信号接收单元；-1级衍射光依次经所述第二折转元件、所述第一四分之一波片、所述第一平面反射镜入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜透射至所述第二信号接收单元；
所述第二转折单元包括第二平面反射镜、第三折转元件、第四折转元件和第二四分之一波片；其中，频率为f 2的线偏振光经所述第二平面反射镜、所述第二四分之一波片垂直入射至所述衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经所述第三折转元件、所述第二四分之一波片、所述第二平面反射镜入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜反射至所述第二信号接收单元；-1级衍射光依次经所述第四折转元件、所述第一四分之一波片、所述第二平面反射镜入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜反射至所述第一信号接收单元；
频率为f 1的+1级衍射光与频率为f 2的-1级衍射光在所述第一信号接收单元内干涉形成f 1-f 2的频率信号，频率为f 1的-1级衍射光与频率为f 2的-1级衍射光在所述第二信号接收单元内干涉形成f 1-f 2的频率信号；
信号处理系统对所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元接收到的频率信号进行差分计算，实现所述衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
2.如权利要求1所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一折转元件、所述第二折转元件、所述第三折转元件和所述第四折转元件均为双一维透射光栅、平面反射镜、角锥棱镜、直角棱镜或聚光透镜。
3.如权利要求1所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一信号接收单元包括第一光电接收器和第三四分之一波片，频率为f 2的-1级衍射光和频率为f 1的+1级衍射光分别经所述第三四分之一波片进入所述第一光电接收器。
4.如权利要求1所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第二信号接收单元包括第二光电接收器和第四四分之一波片，频率为f 2的+1级衍射光和频率为f 1的-1级衍射光分别经所述第四四分之一波片进入所述第二光电接收器。
5.如权利要求1所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，当所述衍射光栅沿光栅矢量方向移动时，频率为f 1的-1级衍射光和频率为f 2的+1级衍射光干涉形成f 1-f 2-2Δf的多普勒频移信号，频率为f 1的+1级衍射光和频率为f 2的-1级衍射光干涉形成f 1-f 2+2Δf的多普勒频移信号，信号处理系统对所述f 1-f 2-2Δf的多普勒频移信号与f 1-f 2+2Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现所述衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
6.如权利要求1所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，将所述衍射光栅替换为参考光栅和测量光栅，当所述测量光栅沿光栅矢量方向运动时，频率为f 1的-1级衍射光和频率为f 2的+1级衍射光干涉形成f 1-f 2-Δf的多普勒频移信号，频率为f 1的+1级衍射光和频率为f 2的-1级衍射光干涉形成f 1-f 2+Δf的多普勒频移信号，信号处理系统对所述f 1-f 2-Δf的多普勒频移信号与f 1-f 2+Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现所述衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
CN202011287160.0A 2020-11-17 2020-11-17 外差一维光栅位移测量装置 Active CN112504131B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011287160.0A CN112504131B (zh) 2020-11-17 2020-11-17 外差一维光栅位移测量装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011287160.0A CN112504131B (zh) 2020-11-17 2020-11-17 外差一维光栅位移测量装置

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112504131A CN112504131A (zh) 2021-03-16
CN112504131B true CN112504131B (zh) 2022-01-28

Family

ID=74956528

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011287160.0A Active CN112504131B (zh) 2020-11-17 2020-11-17 外差一维光栅位移测量装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112504131B (zh)

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113865480A (zh) * 2021-09-18 2021-12-31 桂林电子科技大学 一种基于zemax仿真的外差式光栅干涉仪读头系统信号分析方法
CN115824061B (zh) * 2023-02-14 2023-05-12 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置及方法
CN117367291B (zh) * 2023-12-08 2024-02-13 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102944176B (zh) * 2012-11-09 2015-06-17 清华大学 一种外差光栅干涉仪位移测量系统
CN103604375B (zh) * 2013-11-19 2017-02-01 哈尔滨工业大学 抗光学混叠的双频激光光栅干涉二维测量方法及系统
CN103759656B (zh) * 2014-01-23 2017-01-18 清华大学 一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统
CN104897270B (zh) * 2015-06-12 2017-11-10 哈尔滨工业大学 基于单声光调制和偏振分光的迈克尔逊外差激光测振仪
CN105203031A (zh) * 2015-09-14 2015-12-30 中国科学院上海光学精密机械研究所 四倍光学细分的两轴外差光栅干涉仪
CN105823422B (zh) * 2016-03-01 2018-08-28 清华大学 一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法
CN106091940A (zh) * 2016-06-20 2016-11-09 哈尔滨工业大学 一种外差式四自由度光栅运动测量系统
CN106289068B (zh) * 2016-07-22 2018-10-30 清华大学 一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法
CN109579694B (zh) * 2018-12-26 2021-03-16 哈尔滨工业大学 一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统

Also Published As

Publication number Publication date
CN112504131A (zh) 2021-03-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112504131B (zh) 外差一维光栅位移测量装置
US9879979B2 (en) Heterodyne grating interferometer displacement measurement system
CN109579694B (zh) 一种高容差的二自由度外差光栅干涉测量方法及系统
US11525673B2 (en) Five-degree-of-freedom heterodyne grating interferometry system
JP2586120B2 (ja) エンコーダー
CN112484646B (zh) 零差一维光栅位移测量装置
CN112484648B (zh) 外差光纤干涉仪位移测量系统及方法
CN112097652B (zh) 光栅位移测量装置
CN115046482B (zh) 二维光栅位移测量装置
CN112097648B (zh) 光栅位移测量方法
JP6702666B2 (ja) 変位検出装置
CN114877811B (zh) 一维光栅位移测量装置
CN112484647B (zh) 干涉仪位移测量系统及方法
CN111536882B (zh) 读数头和二维位移测量系统及测量方法
US20220228890A1 (en) Heterodyne two-dimensional grating measuring device and measuring method thereof
CN112229332B (zh) 基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统
JP2002213913A (ja) レーザ測長器及びレーザ測長方法
CN112097647B (zh) 外差光栅位移测量装置
JPS63277926A (ja) 測長装置
CN117031769A (zh) 干涉仪镜组及位移测量系统
CN116202622A (zh) 一种用于探测气态行星高阶震荡模式的可见光波段干涉偏振成像光谱仪
CN116007503A (zh) 一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置
CN112097650A (zh) 外差光栅位移测量方法
US11860057B2 (en) Heterodyne one-dimensional grating measuring device and measuring method thereof
CN117948897B (zh) 一种混合位移测量装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant