CN115824061A - 一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于超精密位移测量技术领域，具体提供一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置及方法，该装置包括：光源系统、光学系统、光栅、光电接收模块及信号处理系统，光栅为平面反射式的闪耀光栅，光源系统发出正交的第一和第二线偏振光；光学系统将第一和第二线偏振光以不同级次的Littrow角度入射至光栅表面，将第一和第二线偏振光经光栅衍射产生的第一和第二衍射光入射至光电接收模块；光电接收模块接收第一和第二衍射光并形成干涉位移信号，将干涉位移信号传输到信号处理系统；信号处理系统对干涉位移信号进行相移解算，测得光栅的位移量。本申请的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，避免了反射光与衍射光产生混叠，提高了测量精度。

Description

一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置及方法

技术领域

本申请涉及超精密位移测量技术领域，具体涉及一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置及方法。

背景技术

随着光栅制造水平的提升，光栅位移测量技术的测量精度和测量分辨力也逐渐提高，应用范围愈加广泛。光栅位移测量系统的信号处理单元工作原理基本相同，通常利用高精度探测器接收干涉信号，并根据相位细分卡解算求出光栅实际位移，光栅位移测量系统中入射到探测器前的光路设计具有差异，不同的光路设计影响着整个光栅位移测量系统的误差。

在高精度光栅位移测量中，利特罗入射（即Littrow入射）可以使用更高刻线密度的基准光栅，有利于提高测量系统的分辨力。但是，在基于对称级次的Littrow式光栅位移测量系统中，当发生利特罗衍射时，光栅的入射角和衍射角相等，以对称的Littrow角度入射到基准光栅的同一个点的两束光，在发生衍射的同时会有相应的衍射光和反射光，衍射光沿原路返回，但反射光会射入对向的光路中，分别与对向光路的衍射光同时返回至测量系统的高精度探测器。因此，反射光与衍射光容易产生混叠，从而引入额外的测量误差。为了避免此种误差影响，现有的解决办法是将两束光入射到基准光栅的不同位置，但是这样会将光栅的面型误差引入到测量数据中，而且随着光栅运动过程的不断积累，也会给后续误差标校带来较大困难。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是：针对现有基于对称级次的Littrow式光栅位移测量方法中反射光与衍射光容易产生混叠的问题，提供一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置及方法。

为解决上述技术问题，本申请实施例提供一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，包括：光源系统、光学系统、光栅、光电接收模块及信号处理系统，光栅为平面反射式的闪耀光栅，光源系统用于发出相互正交的第一线偏振光和第二线偏振光；

光学系统用于将第一线偏振光和第二线偏振光以不同级次的Littrow角度入射至所述光栅表面，以及将第一线偏振光和第二线偏振光分别经光栅衍射后产生的第一衍射光和第二衍射光入射至光电接收模块；

光电接收模块用于接收第一衍射光和第二衍射光并形成干涉位移信号，以及将干涉位移信号进行光电转换后传输到信号处理系统；信号处理系统用于对干涉位移信号进行相移解算，测得光栅的位移量。

可选地，光源系统包括双频激光光源和偏振分光棱镜，双频激光光源用于发出正交偏振的双频激光，偏振分光棱镜用于将双频激光分为第一线偏振光和第二线偏振光，第一线偏振光经偏振分光棱镜透射产生，第二线偏振光经偏振分光棱镜反射产生。

可选地，光学系统包括第一四分之一波片、第一反射镜、第二四分之一波片及第二反射镜，第一四分之一波片和第一反射镜用于将第一线偏振光以m级次的Littrow角度入射至光栅表面，以及将第一线偏振光产生的第一衍射光入射至光电接收模块；

第二四分之一波片和第二反射镜用于将第二线偏振光以n级次的Littrow角度入射至所述光栅表面，以及将第二线偏振光产生的第二衍射光入射至光电接收模块，且m≠n。

可选地，第一线偏振光先后经第一四分之一波片和第一反射镜入射至光栅表面，且第一线偏振光经光栅衍射后产生的第一衍射光先后经第一反射镜和第一四分之一波片入射至偏振分光棱镜，并经偏振分光棱镜反射后入射至光电接收模块；

第二线偏振光先后经第二四分之一波片和第二反射镜入射至光栅表面，且第二线偏振光经光栅衍射后产生的第二衍射光先后经第二反射镜和第二四分之一波片入射至偏振分光棱镜，并经偏振分光棱镜透射后入射至光电接收模块。

可选地，第一衍射光和第二衍射光以相同的出射方向从偏振分光棱镜中射出并入射至光电接收模块。

可选地，第一线偏振光以2级Littrow角度入射至光栅表面，第二线偏振光以1级Littrow角度入射至光栅表面。

可选地，光电接收模块包括探测器，探测器接收第一衍射光和第二衍射光并形成干涉位移信号。

可选地，基于利特罗衍射的光栅位移测量装置还包括精密运动工作台，光栅固定在精密运动工作台上，测得的光栅的位移量即为精密运动工作台的位移量。

可选地，信号处理系统包括测量板卡，信号处理系统对干涉位移信号进行相移解算的方法包括：

先按以下式子1计算第一衍射光和第二衍射光的频差信号积分脉冲个数N，

[式子1]

式子1中，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，m为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，且m≠n；V为所述光栅的运动速度，C为光速，f表示光源中心频率；

再按以下式子2计算所述光栅的位移量S，

[式子2]

式子2中，N为通过式子1计算得到的所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分脉冲个数，d表示所述光栅的栅距，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，m为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次。

另一方面，本申请实施例还提供一种基于利特罗衍射的光栅位移测量方法，该方法采用上述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置进行位移测量。

根据本申请实施例的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，将第一线偏振光和第二线偏振光以不同级次的Littrow角度入射至光栅表面，其分别经光栅衍射后产生的第一衍射光和第二衍射光会沿着各自原来的入射光路返回至光电接收模块，并借由光电接收模块和信号处理模块测得光栅的位移量；而第一线偏振光和第二线偏振光由光栅反射的两束光线则因为入射角度不相同，不会反射至对向的第一衍射光或第二衍射光中，避免了现有的基于对称级次的Littrow式光栅位移测量方法中反射光与衍射光之间容易产生混叠的问题，避免了将光栅的面型误差引入到测量数据中，从而提高了光栅位移测量装置的测量精度。

附图说明

图1是本申请实施例提供的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置的结构示意图。

说明书中的附图标记如下：

1、光栅；2、精密运动工作台；3、双频激光光源；4、偏振分光棱镜；5、第一四分之一波片；6、第一反射镜；7、第二四分之一波片；8、第二反射镜；9、探测器；10、光栅法线；α为第一线偏振光的m级Littrow入射角；β为第二线偏振光的n级Littrow入射角。

具体实施方式

尽管在本申请的说明书文字及附图中已经对上述各实施例进行了描述，但并不能因此限制本申请的专利保护范围。凡是基于本申请的实质理念，利用本申请说明书文字及附图记载的内容所作的等效结构或等效流程替换或修改产生的技术方案，以及直接或间接地将以上实施例的技术方案实施于其他相关的技术领域等，均包括在本申请的专利保护范围之内。

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申请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。

请参阅图1，本申请实施例提供了一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，包括光源系统、光学系统、光栅1、光电接收模块及信号处理系统。

所述光栅1为平面反射式的闪耀光栅，不对其具体规格型号进行限定，只要能够满足位移测量的精度要求即可。

需要说明的是，闪耀光栅是指一种特殊形式的衍射光栅，它的刻槽面与光栅面不平行，两者之间有一夹角γ，称为闪耀角。当入射光线以垂直于闪耀光栅的刻槽面的方向入射时，入射光的角度i和衍射光的角度θ相同，即i=θ=γ。

优选地，所述光栅1为常用的500gr/mm光栅，根据光栅方程可知，其一级Littrow角为9.10°，二级Littrow角为18.45°，三级Littrow角为28.34°。

所述光源系统用于发出相互正交的第一线偏振光和第二线偏振光。

所述光学系统用于将所述第一线偏振光和所述第二线偏振光以不同级次的Littrow角度入射至所述光栅表面，以及将所述第一线偏振光和所述第二线偏振光分别经所述光栅衍射后产生的第一衍射光和第二衍射光入射至所述光电接收模块。

需要说明的是，因为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面，所以第一线偏振光的入射角和它产生的第一衍射光的衍射角相同，第一衍射光会沿入射方向返回；同理，第二线偏振光的入射角和它产生的第二衍射光的衍射角相同，第二衍射光也沿入射方向返回。但因为所述第一线偏振光和所述第二线偏振光以Littrow角度入射的级次不同，所以二者由所述光栅1反射的光线不会进入对方的衍射光线中，也即所述第一衍射光中不会混叠有所述第二线偏振光经光栅1产生的反射光线，所述第二衍射光中不会混叠有所述第一线偏振光经光栅1产生的反射光线。

所述光电接收模块用于接收所述第一衍射光和所述第二衍射光并形成干涉位移信号，以及将所述干涉位移信号进行光电转换后传输到所述信号处理系统。

所述信号处理系统用于对所述干涉位移信号进行相移解算，测得所述光栅的位移量。

本申请实施例提供的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，将第一线偏振光和第二线偏振光以不同级次的Littrow角度入射至光栅表面，其分别经光栅衍射后产生的第一衍射光和第二衍射光会沿着各自原来的入射光路返回至光电接收模块，并借由光电接收模块和信号处理模块测得光栅的位移量；而第一线偏振光和第二线偏振光由光栅反射的两束光线则因为入射角度不相同，不会反射至对向的第一衍射光或第二衍射光中，避免了现有的基于对称级次的Littrow式光栅位移测量方法中反射光与衍射光之间容易产生混叠的问题，避免了将光栅的面型误差引入到测量数据中，从而提高了光栅位移测量装置的测量精度。

请参阅图1，在一实施例中，所述光源系统包括双频激光光源3和偏振分光棱镜4，所述双频激光光源3用于发出正交偏振的双频激光，所述偏振分光棱镜4用于将所述双频激光分为所述第一线偏振光和所述第二线偏振光。

所述第一线偏振光经所述偏振分光棱镜4透射产生，所述第一线偏振光为P偏振光，频率为f _A；所述第二线偏振光经所述偏振分光棱镜4反射产生，所述第二偏振光为S偏振光，频率为f _B 。

请参阅图1，在一实施例中，所述光学系统包括第一四分之一波片5、第一反射镜6、第二四分之一波片7及第二反射镜8。

所述第一四分之一波片5和所述第一反射镜6用于将所述第一线偏振光以m级次的Littrow角度入射至所述光栅1表面，以及将所述第一线偏振光产生的第一衍射光入射至所述光电接收模块。

所述第二四分之一波片7和所述第二反射镜8用于将所述第二线偏振光以n级次的Littrow角度入射至所述光栅1表面，以及将所述第二线偏振光产生的第二衍射光入射至所述光电接收模块，且m≠n。

具体地，所述第一线偏振光先后经所述第一四分之一波片5和所述第一反射镜6入射至所述光栅1表面，且所述第一线偏振光经所述光栅1衍射后产生的所述第一衍射光先后经所述第一反射镜6和所述第一四分之一波片5入射至所述偏振分光棱镜4，并经所述偏振分光棱镜4反射成为S偏振光后入射至所述光电接收模块。

所述第二线偏振光先后经所述第二四分之一波片7和所述第二反射镜8入射至所述光栅1表面，且所述第二线偏振光经所述光栅1衍射后产生的所述第二衍射光先后经所述第二反射镜8和所述第二四分之一波片7入射至所述偏振分光棱镜4，并经所述偏振分光棱镜4透射成为P偏振光后入射至所述光电接收模块。

具体地，所述第一线偏振光以2级Littrow角度入射至所述光栅1表面，所述第二线偏振光以1级Littrow角度入射至所述光栅1表面。

请参阅图1，在一实施例中，所述第一衍射光和所述第二衍射光以相同的出射方向从所述偏振分光棱镜4中射出并入射至所述光电接收模块。

请参阅图1，在一实施例中，所述光电接收模块包括探测器9，所述探测器9接收所述第一衍射光和所述第二衍射光并形成所述干涉位移信号。

请参阅图1，在一实施例中，所述基于利特罗衍射的光栅位移测量装置还包括精密运动工作台2，所述光栅1固定在所述精密运动工作台2上，测得的所述光栅1的位移量即为所述精密运动工作台2的位移量。换句话说，所述光栅1的位移量完全跟所述精密运动工作台2运动产生的位移量相同。并且，所述精密运动工作台2沿所述光栅1的矢量方向（例如X方向）运动。

能够理解地，当所述精密运动工作台2以速度V沿着X方向运动时，根据激光多普勒原理，所述光栅1会发生Δf的频移，Δf的计算式子如下：

式子中，V是所述精密运动工作台的运动速度，C为光速，f为光源中心频率，m所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，且m≠n。

在一实施例中，所述信号处理系统包括测量板卡和锁相倍频器。

所述第一衍射光和所述第二衍射光进入所述探测器9之后，通过所述信号处理系统的测量板卡计数，输出值即可代表所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分脉冲个数N。

能够理解地，所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分脉冲个数N可按以下式子1计算：

[式子1]

式子1中，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，m为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，且m≠n；V为所述光栅的运动速度，C为光速，f表示光源中心频率。

同时，将第一衍射光产生的频移记作Δf _1,1，则Δf _1,1=mV/d，将第二衍射光产生的频移记作Δf _2,-1，则Δf _2,-1=-nV/d。此时，所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分的脉冲个数N可按以下式子计算：

式子中，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，d表示所述光栅1的栅距。

然后，根据以上两种计算频差信号积分的脉冲个数N的式子即可得到以下式子2，按以下式子2便能准确、快速地计算出所述光栅1的位移量S，从而提高光栅位移测量装置的测量精度。

[式子2]

式子2中，N为通过式子1计算得到的所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分脉冲个数，d表示所述光栅的栅距，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，m为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次。

此外，本申请实施例还提供一种基于利特罗衍射的光栅位移测量方法，该方法采用如上述实施例的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置进行位移测量，以提高测量精度。

尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本申请的具体实施方式，并不构成对本申请保护范围的限定。任何根据本申请的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本申请权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，包括：光源系统、光学系统、光栅、光电接收模块及信号处理系统，所述光栅为平面反射式的闪耀光栅，所述光源系统用于发出相互正交的第一线偏振光和第二线偏振光；

所述光学系统用于将所述第一线偏振光和所述第二线偏振光以不同级次的Littrow角度入射至所述光栅表面，以及将所述第一线偏振光和所述第二线偏振光分别经所述光栅衍射后产生的第一衍射光和第二衍射光入射至所述光电接收模块；

所述光电接收模块用于接收所述第一衍射光和所述第二衍射光并形成干涉位移信号，以及将所述干涉位移信号进行光电转换后传输到所述信号处理系统；所述信号处理系统用于对所述干涉位移信号进行相移解算，测得所述光栅的位移量。

2.根据权利要求1所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光源系统包括双频激光光源和偏振分光棱镜，所述双频激光光源用于发出正交偏振的双频激光，所述偏振分光棱镜用于将所述双频激光分为所述第一线偏振光和所述第二线偏振光，所述第一线偏振光经所述偏振分光棱镜透射产生，所述第二线偏振光经所述偏振分光棱镜反射产生。

3.根据权利要求1所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光学系统包括第一四分之一波片、第一反射镜、第二四分之一波片及第二反射镜，所述第一四分之一波片和所述第一反射镜用于将所述第一线偏振光以m级次的Littrow角度入射至所述光栅表面，以及将所述第一线偏振光产生的第一衍射光入射至所述光电接收模块；

所述第二四分之一波片和所述第二反射镜用于将所述第二线偏振光以n级次的Littrow角度入射至所述光栅表面，以及将所述第二线偏振光产生的第二衍射光入射至所述光电接收模块，且m≠n。

4.根据权利要求3所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一线偏振光先后经所述第一四分之一波片和所述第一反射镜入射至所述光栅表面，且所述第一线偏振光经所述光栅衍射后产生的所述第一衍射光先后经所述第一反射镜和所述第一四分之一波片入射至所述偏振分光棱镜，并经所述偏振分光棱镜反射后入射至所述光电接收模块；

所述第二线偏振光先后经所述第二四分之一波片和所述第二反射镜入射至所述光栅表面，且所述第二线偏振光经所述光栅衍射后产生的所述第二衍射光先后经所述第二反射镜和所述第二四分之一波片入射至所述偏振分光棱镜，并经所述偏振分光棱镜透射后入射至所述光电接收模块。

5.根据权利要求4所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一衍射光和所述第二衍射光以相同的出射方向从所述偏振分光棱镜中射出并入射至所述光电接收模块。

6.根据权利要求1所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一线偏振光以2级Littrow角度入射至所述光栅表面，所述第二线偏振光以1级Littrow角度入射至所述光栅表面。

7.根据权利要求1所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述光电接收模块包括探测器，所述探测器接收所述第一衍射光和所述第二衍射光并形成所述干涉位移信号。

8.根据权利要求1所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述基于利特罗衍射的光栅位移测量装置还包括精密运动工作台，所述光栅固定在所述精密运动工作台上，测得的所述光栅的位移量即为所述精密运动工作台的位移量。

9.根据权利要求1所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置，其特征在于，所述信号处理系统包括测量板卡，所述信号处理系统对所述干涉位移信号进行相移解算的方法包括：

先按以下式子1计算所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分脉冲个数N，

[式子1]

式子1中，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，m为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，且m≠n；V为所述光栅的运动速度，C为光速，f表示光源中心频率；

再按以下式子2计算所述光栅的位移量S，

[式子2]

式子2中，N为通过式子1计算得到的所述第一衍射光和所述第二衍射光的频差信号积分脉冲个数，d表示所述光栅的栅距，K为所述测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，m为所述第一线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次，n为所述第二线偏振光以Littrow角度入射至所述光栅表面的级次。

10.一种基于利特罗衍射的光栅位移测量方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任意一项所述的基于利特罗衍射的光栅位移测量装置进行位移测量。

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