CN114877811A - 一维光栅位移测量装置 - Google Patents

一维光栅位移测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种一维光栅位移测量装置，包括：激光装置、偏振分光棱镜、第一折光装置、衍射光栅、第二折光装置、探测器装置；激光装置用于发出两束线偏振光束垂直入射至偏振分光棱镜中，被偏振分光棱镜分为互相垂直的第一光束和第二光束、第三光束和第四光束；第一光束和第三光束经过第一折光装置的折射后以Littrow角度入射至衍射光栅中分别得到+1级衍射光束和‑1级衍射光束，+1级衍射光束和‑1级衍射光束再次经过第一折光装置的折射和偏振分光棱镜的反射后进入探测器装置中；第二光束和第四光束经过第二折光装置的两次反射和偏振分光棱镜的透射后进入探测器装置中。本发明提高了光栅位移测量系统的稳定性和精度，使读数头的结构更加简便。

Description

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，特别涉及一种一维光栅位移测量装置。
背景技术
光栅位移测量系统以光栅栅距为测量基准，消除了激光波长变化带来的误差影响，由于光栅位移测量系统对环境稳定性要求低、成本低廉、结构简单，所以广泛应用于航天航空、半导体加工制造、超精密加工等领域。随着工业技术的迅速发展，加工制造过程中对超精密位移测量技术的测量维度、测量速度、测量精度、测量范围等方面的要求越来越高。
目前，随着高刻划精度光栅制造技术的提高和光栅拼接技术的完善，光栅位移测量朝着更高的测量精度和更广地测量维度发展。为了达到更高精度的测量，较为广泛的操作方式是多加一路测量信号，来实现多维度测量。除此之外，也可以采用不同的转折器件进行多次衍射来实现高倍细分测量，其中最常见的方式就是在光路中添加直角棱镜、角锥棱镜等。
国内外光栅位移测量系统中多采用传统的四步相移结构，一个作为参考光栅，一个作为测量光栅，两两衍射光在偏振分光棱镜处进行干涉，虽然降低了成本但是增加了光栅测量系统的体积，而且测量精度受限。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种一维光栅位移测量装置。更容易实现对快速移动的目标进行测量，对于多组测量系统或者多轴测量系统，只需要一组光学参考。提高了光栅位移测量系统的稳定性和精度，使得读数头的结构更加简便与灵活。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种一维光栅位移测量装置，包括：激光装置、偏振分光棱镜、第一折光装置、衍射光栅、第二折光装置、探测器装置；
所述探测器装置位于偏振分光棱镜的第一侧面处；激光装置固定在偏振分光棱镜的第二侧面处；
第一折光装置和第二折光装置固定在偏振分光棱镜的第四侧面和第三侧面处；
激光装置用于发出两束相同正交线偏振光束，两束线偏振光束垂直入射至偏振分光棱镜中，被偏振分光棱镜分为互相垂直的第一光束和第二光束、互相垂直的第三光束和第四光束；
第一光束和第三光束经过第一折光装置的折射后以Littrow角度入射至衍射光栅中分别得到+1级衍射光束和-1级衍射光束，+1级衍射光束和-1级衍射光束再次经过第一折光装置的折射和偏振分光棱镜的反射后进入探测器装置中；
第二光束和第四光束经过第二折光装置的两次反射后，经偏振分光棱镜的透射后进入探测器装置中。
优选地，探测器装置包括：第一光电探测器和第二光电探测器；
+1级衍射光束和第四光束被第一光电探测器接收；
第二光束和-1级衍射光束被第二光电探测器接收。
优选地，探测器装置包括：第二平面反射镜、第二偏振分光棱镜、第三光电探测器和第四光电探测器；
+1级衍射光束从偏振分光棱镜出射后，经第二平面反射镜的反射和第二偏振分光棱镜的反射后被第四光电探测器接收；
第二光束从偏振分光棱镜出射后，经第二偏振分光棱镜的透射后被第四光电探测器接收；
-1级衍射光束从偏振分光棱镜出射后，经第二偏振分光棱镜的反射后被第三光电探测器接收；
第四光束从偏振分光棱镜出射后，经第二平面反射镜的反射和第二偏振分光棱镜的透射后被第三光电探测器接收。
优选地，激光装置包括：双频激光器、分光棱镜和平面反射镜；
双频激光器具有频差的正交线偏振光束后垂直入射至分光棱镜中，分光棱镜将线偏振光束分为两束相同且互相垂直的正交线偏振光束，其中一束为反射光束，另一束为透射光束；
反射光束垂直入射至偏振分光棱镜中，透射光束经平面反射镜的反射后垂直入射至偏振分光棱镜中。
优选地，反射光束被偏振分光棱镜分为互相垂直的第一光束和第二光束；
透射光束被偏振分光棱镜分为互相垂直的第三光束和第四光束。
优选地，第一光束为平行于反射光束的平行分量，第二光束为垂直于反射光束的垂直分量；
第三光束为平行于透射光束的平行分量，第四光束为垂直于透射光束的垂直分量。
优选地，第一折光装置包括：第一四分之一波片和折射棱镜；
第一四分之一波片胶合固定在偏振分光棱镜的第四侧面；折射棱镜胶合固定在第一四分之一波片上。
优选地，第二折光装置包括：第二四分之一波片和二次反射棱镜；
第二四分之一波片胶合固定在偏振分光棱镜的第三侧面；二次反射棱镜胶合固定在第二四分之一波片上。
优选地，+1级衍射光束和-1级衍射光束按照入射时的路径原路返回；
当入射至衍射光栅的光束相互分离时，+1级衍射光束和-1级衍射光束彼此分离；
当入射至衍射光栅的光束相互交叉时，+1级衍射光束和-1级衍射光束相互交叉。
与现有的技术相比，本发明更容易实现对快速移动的目标进行测量，对于多组测量系统或者多轴测量系统，只需要一组光学参考。提高了光栅位移测量系统的稳定性和精度，使得读数头的结构更加简便与灵活。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置第一实施例的结构示意图。
图2是根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置第二实施例的结构示意图。
图3是根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置中衍射光束分离传输原理示意图。
图4是根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置中衍射光束交叉传输原理示意图。
图5是根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置一维光栅的二维测量示意图。
其中的附图标记包括：双频激光器1、分光棱镜2、平面反射镜3、偏振分光棱镜4、第一四分之一波片5、折射棱镜6、衍射光栅7、第一四分之一波片8、二次反射棱镜9、第一光电探测器10、第二光电探测器11、第二平面反射镜12、第二偏振分光棱镜13、第三光电探测器14和第四光电探测器15。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
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示出了根据本发明提供的一维光栅位移测量装置第一实施例的结构。
如图1所示，一维光栅位移测量装置包括：激光装置、平面反射镜3、偏振分光棱镜4、第一折光装置、衍射光栅7、第二折光装置、探测器装置。
探测器装置位于偏振分光棱镜4的第一侧面处，其中第一实施例中的探测器装置包括：第一光电探测器10和第二光电探测器11。
激光装置位于偏振分光棱镜4的第二侧面处，用于发出与偏振分光棱镜4的第二侧面垂直的正交线偏振光束。激光装置包括：双频激光器1和分光棱镜2。
双频激光器1发出一束具有频差的正交线偏振光束后垂直入射至分光棱镜2中，分光棱镜2将线偏振光束分为一束反射光束和一束透射光束。
反射光束垂直入射至偏振分光棱镜4中，偏振分光棱镜4将反射光束分为互相垂直的第一光束和第二光束；
第一光束为平行于反射光束的平行分量，第二光束为垂直于反射光束的垂直分量。
第一光束经偏振分光棱镜4出射后，垂直入射至第一折光装置中。
第一折光装置位于偏振分光棱镜4的第四侧面处，第一折光装置包括：第一四分之一波片5和折射棱镜6。
第一四分之一波片5的直径与偏振分光棱镜4宽度相同，固定胶合在偏振分光棱镜4的第四侧面。折射棱镜6的底面直径与第一四分之一波片5的直径相同，胶合固定在第一四分之一波片5上。
第一光束依次经第一四分之一波片5的透射和折射棱镜6的折射后以Littrow角度入射至衍射光栅7中。经衍射光栅7的衍射后得到+1级衍射光束；+1级衍射光束依次经折射棱镜6的折射和第一四分之一波片5的透射后再次进入偏振分光棱镜4，经偏振分光棱镜4的反射后进入第一光电探测器10中。
第二光束经偏振分光棱镜4出射后，垂直入射至第二折光装置中。
第二折光装置位于偏振分光棱镜4的第三侧面处，第二折光装置包括：第二四分之一波片8和二次反射棱镜9。
第二四分之一波片8的直径与偏振分光棱镜4宽度相同，固定胶合在偏振分光棱镜4的第三侧面。二次反射棱镜9的底面直径与第二四分之一波片8的直径相同，胶合固定在第二四分之一波片8上。
第二光束依次经第二四分之一波片8的透射和二次反射棱镜9的两次反射后，第二光束的传播方向转变180后再次垂直入射至偏振分光棱镜4中，经偏振分光棱镜4的透射后进入第二光电探测器11中。
透射光束经平面反射镜3的反射后垂直入射至偏振分光棱镜4中，偏振分光棱镜4将透射光束分为互相垂直的第三光束和第四光束；
第三光束为平行于透射光束的平行分量，第四光束为垂直于透射光束的垂直分量。
第三光束经偏振分光棱镜4出射后，垂直入射至第一折光装置中。
第三光束依次经第一四分之一波片5的透射和折射棱镜6的折射后以Littrow角度入射至衍射光栅7中。经衍射光栅7的衍射后得到-1级衍射光束；-1级衍射光束依次经折射棱镜6的折射和第一四分之一波片5的透射后再次进入偏振分光棱镜4，经偏振分光棱镜4的反射后进入第二光电探测器11中。
第四光束经偏振分光棱镜4出射后，垂直入射至第二折光装置中。
第四光束依次经第二四分之一波片8的透射和二次反射棱镜9的两次反射后，第四光束的传播方向转变180后再次垂直入射至偏振分光棱镜4中，经偏振分光棱镜4的透射后进入第一光电探测器10中。
图2示出了根据本发明提供的一维光栅位移测量装置第二实施例的结构。
其中第二实施例中的探测器装置包括：第二平面反射镜12、第二偏振分光棱镜13、第三光电探测器14和第四光电探测器15。
+1级衍射光束从偏振分光棱镜4出射后，经第二平面反射镜12的反射和第二偏振分光棱镜13的反射后进入第四光电探测器15中。
第二光束从偏振分光棱镜4出射后，经第二偏振分光棱镜13的透射后进入第四光电探测器15中。
-1级衍射光束从偏振分光棱镜4出射后，经第二偏振分光棱镜13的反射后进入第三光电探测器14中。
第四光束从偏振分光棱镜4出射后，经第二平面反射镜12的反射和第二偏振分光棱镜13的透射后进入第三光电探测器14中。
图3示出了根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置中衍射光束分离传输原理图。
图4示出了根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置中衍射光束交叉传输原理图。
如图3和图4所示，当衍射光栅7接收的Littrow入射光束是相互分离时，衍射出的+1级衍射光束和-1级衍射光束将按照入射时的路径原路返回，两束衍射光束也彼此分离，互不干扰。
当衍射光栅7接收的Littrow入射光束是相互交叉的，衍射出的+1级衍射光束和-1级衍射光束将按照入射时的路径原路返回，两束衍射光束也相互交叉。
图5示出了根据本发明实施例提供的一维光栅位移测量装置一维光栅的二维测量图。
如图5所示，当衍射光栅7沿着衍射光栅7的法线方向移动时，+1级衍射光束和-1级衍射光束的相位将发生变化，根据多普勒频移，可求解衍射光束的相位变化量，结合Littrow入射的光栅方程，最终得到衍射光栅沿法线方向移动的位移量D。
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 (9)

1.一种一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：激光装置、偏振分光棱镜、第一折光装置、衍射光栅、第二折光装置、探测器装置；
所述探测器装置位于所述偏振分光棱镜的第一侧面处；所述激光装置固定在所述偏振分光棱镜的第二侧面处；
所述第一折光装置和第二折光装置固定在所述偏振分光棱镜的第四侧面和第三侧面处；
所述激光装置用于发出两束相同正交线偏振光束，所述两束线偏振光束垂直入射至偏振分光棱镜中，被偏振分光棱镜分为互相垂直的第一光束和第二光束、互相垂直的第三光束和第四光束；
所述第一光束和第三光束经过所述第一折光装置的折射后以Littrow角度入射至所述衍射光栅中分别得到+1级衍射光束和-1级衍射光束，所述+1级衍射光束和-1级衍射光束再次经过所述第一折光装置的折射和所述偏振分光棱镜的反射后进入所述探测器装置中；
所述第二光束和第四光束经过所述第二折光装置的两次反射和所述偏振分光棱镜的透射后进入所述探测器装置中；
在所述探测器装置中，所述+1级衍射光束与第二光束发生干涉形成第一路干涉信号，所述-1级衍射光束与所述第四光束发生干涉形成第二路干涉信号；所述探测器装置用于对上述两路干涉信号进行处理，实现单次衍射的两倍细分二维位移测量。
2.根据权利要求1所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述探测器装置包括：第一光电探测器和第二光电探测器；
所述+1级衍射光束和第四光束被所述第一光电探测器接收；
所述第二光束和-1级衍射光束被所述第二光电探测器接收。
3.根据权利要求1所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述探测器装置包括：第二平面反射镜、第二偏振分光棱镜、第三光电探测器和第四光电探测器；
所述+1级衍射光束从所述偏振分光棱镜出射后，经所述第二平面反射镜的反射和所述第二偏振分光棱镜的反射后被所述第四光电探测器接收；
所述第二光束从所述偏振分光棱镜出射后，经所述第二偏振分光棱镜的透射后被所述第四光电探测器接收；
所述-1级衍射光束从所述偏振分光棱镜出射后，经所述第二偏振分光棱镜的反射后被所述第三光电探测器接收；
所述第四光束从所述偏振分光棱镜出射后，经所述第二平面反射镜的反射和所述第二偏振分光棱镜的透射后被所述第三光电探测器接收。
4.根据权利要求2或3所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述激光装置包括：双频激光器、分光棱镜和平面反射镜；
所述双频激光器具有频差的正交线偏振光束后垂直入射至所述分光棱镜中，所述分光棱镜将所述线偏振光束分为两束相同且互相垂直的正交线偏振光束，其中一束为反射光束，另一束为透射光束；
所述反射光束垂直入射至所述偏振分光棱镜中，所述透射光束经所述平面反射镜的反射后垂直入射至所述偏振分光棱镜中。
5.根据权利要求4所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，
所述反射光束被所述偏振分光棱镜分为互相垂直的第一光束和第二光束；
所述透射光束被所述偏振分光棱镜分为互相垂直的第三光束和第四光束。
6.根据权利要求5所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，
所述第一光束为平行于所述反射光束的平行分量，所述第二光束为垂直于所述反射光束的垂直分量；
所述第三光束为平行于所述透射光束的平行分量，所述第四光束为垂直于所述透射光束的垂直分量。
7.根据权利要求6所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，
所述第一折光装置包括：第一四分之一波片和折射棱镜；
所述第一四分之一波片胶合固定在所述偏振分光棱镜的第四侧面；所述折射棱镜胶合固定在所述第一四分之一波片上。
8.根据权利要求7所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，
所述第二折光装置包括：第二四分之一波片和二次反射棱镜；
所述第二四分之一波片胶合固定在所述偏振分光棱镜的第三侧面；所述二次反射棱镜胶合固定在所述第二四分之一波片上。
9.根据权利要求8所述的一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述+1级衍射光束和所述-1级衍射光束按照入射时的路径原路返回；
当入射至所述衍射光栅的光束相互分离时，所述+1级衍射光束和所述-1级衍射光束彼此分离；
当入射至所述衍射光栅的光束相互交叉时，所述+1级衍射光束和所述-1级衍射光束相互交叉。
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