CN117091513B - 一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光栅测量领域，具体涉及一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法。光源发射的基础光束通过分光组件分成参考光束以及测量光束，测量光束经过第二分光镜分成第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束经过第二扩束组件进行扩束，第一测量光束经过第一扩束组件进行扩束，使得第二测量光束的光斑尺寸以及第一测量光束的光栅尺寸成倍增加，以利特罗角度入射至衍射光栅表面，最后原路返回，形成携带位移信息的稳定干涉信号，被第二探测器以小光斑形式接收，利用扩束组件扩大入射衍射光栅的光束大小，既可以保留整个光栅干涉测量装置的小型化与集成化设计，又可以极大地减小因光栅均匀性误差与污点对实验精度的影响。

Description

一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及光栅测量领域，具体涉及一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法。

背景技术

现阶段高精度位移测量技术主要包括激光干涉测量法和光栅干涉测量法。其中，激光干涉测量法的测量基准为激光波长，其缺点是对空气折射率较为敏感、外界环境条件要求严格，在短行程下易获得高精度，但随着测量行程的逐渐增大，温度、湿度和气压等测量环境的微小变化都将严重影响测量结果的准确性，米级以上行程的测量误差甚至高达几百纳米。而光栅干涉测量法的测量基准为光栅栅距，光栅基底可选用零膨胀材料，此时外界环境对其影响甚微，其测量精度几乎不受行程增大的影响，不需要严格进行恒温、恒压、恒湿等环境控制。鉴于以上优势，光栅干涉位移测量设备在高档数控机床、航空航天领域有迫切的应用需求。

由于光栅干涉测量设备的测量基准是光栅栅距，当光栅基底选择零膨胀材料时，外界环境的温度、湿度、气压等因素改变时对光栅干涉测量的精度影响较小。但是，基于现有光栅制造的技术水平，光栅在加工过程中会引入刻划误差，这将直接给光栅测量的基准“光栅栅距”带来不可矫正的误差。与此同时，对于敞开式光栅尺而言，光栅表面直接暴露在空气中，空气中的尘埃等悬浮颗粒物会附着在光栅表面，这种固体颗粒的尺度大多在微米级，分子间吸附力极强，且借助肉眼无法分辨，这些固体污渍的附着会影响光栅干涉测量的精度，降低光栅尺的使用寿命。

现有光栅干涉测量设备为了降低光栅刻线误差与固体颗粒污渍带来的影响，会对光源进行扩束，增加入射至光栅表面的光束直径，利用平均效应来降低“光栅刻线误差与固体颗粒污渍”对干涉测量精度的影响，但是这样的结果是会导致读数头结构中传播的光束尺度增加，进而造成整体尺寸的增加，一般而言，光束直径扩大倍数与读数头整体增加的体积倍数一致，这将直接制约读数头的小型化与集成化设计。另一方面，为了减小污渍的影响，部分光栅干涉测量装置选择使用抗污光栅，这种光栅可以进行定期清洗以去除污渍，但是这样的缺点在于抗污光栅的制造技术尚且不够成熟，所制作光栅的衍射效率低、寿命短，无法用于实际工业生产领域。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法，解决了现有的光栅干涉测量装置长时间使用具有污渍而影响光栅干涉测量精度的问题。

为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，包括光栅、光源、分光组件、扩束组件以及探测组件，光源用于产生基础光束；分光组件包括第一分光镜、第二分光镜以及第一反射镜，第一分光镜用于将基础光束分成参考光束以及测量光束，测量光束经第一分光镜透射后进入第二分光镜，第二分光镜用于将测量光束分为第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束具有第一偏振角度，第一测量光束具有第二偏振角度，第一测量光束经第二分光镜透射后进入第一反射镜；

扩束组件包括第二扩束组件以及第一扩束组件，第二测量光束经第二分光镜反射后进入第二扩束组件的输入端，并经第二扩束组件扩束后以第二预设角度射入光栅，光栅将第二测量光束转换为第二衍射光束，并以第二预设角度射入第二扩束组件的输出端，第一测量光束经第一反射镜反射后进入第一扩束组件的输入端，并经第一扩束组件扩束后以第一预设角度射入光栅，光栅将第一测量光束转换为第一衍射光束，并以第一预设角度射入第一扩束组件的输出端；

探测组件包括第一探测器、第二探测器、第一偏振片以及第二偏振片，第一偏振片设置在第一探测器的输入端，第二偏振片设置在第二探测器的输入端，参考光束经第一分光镜反射后通过第一偏振片以预设偏振角度射入第一探测器的输入端，第二衍射光束经第二扩束组件缩束后以第二偏振角度射入第二分光镜，并经第二分光镜透射后通过第二偏振片以预设偏振角度进入第二探测器的输入端，第一衍射光束经第一扩束组件缩束后以第一偏振角度射入第一反射镜，经第一反射镜反射后进入第二分光镜，并经第二分光镜反射后通过第二偏振片以预设偏振角度进入第二探测器的输入端。

在一些实施例中，扩束组件还包括像方远心透镜，像方远心透镜用于对第二测量光束以及第一测量光束进行扩束，第二扩束组件包括第一准直透镜，第一准直透镜的输出端朝向像方远心透镜的输入端设置；第一扩束组件包括第二准直透镜，第二准直透镜的输出端朝向像方远心透镜的输入端设置。

在一些实施例中，第二扩束组件包括第二反射镜，第二反射镜用于将第二分光镜反射的第二测量光束反射入第二扩束组件中；第一扩束组件包括第三反射镜，第三反射镜用于将第一反射镜反射的第一测量光束反射入第一扩束组件中。

在一些实施例中，第二扩束组件还包括第一正透镜以及第二正透镜，第一正透镜用于将第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；第二正透镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；

第一扩束组件还包括第三正透镜以及第四正透镜，第三正透镜用于将第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；第四正透镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

在一些实施例中，第二扩束组件包括第一负透镜以及第一准直正透镜，第一负透镜用于将第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；第一准直正透镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；第一扩束组件包括第二负透镜以及第二准直正透镜，第二负透镜用于将第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；第二准直正透镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

在一些实施例中，第二扩束组件包括第一棱镜以及第二棱镜，第一棱镜用于将第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；第二棱镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；第一扩束组件包括第三棱镜以及第四棱镜，第三棱镜用于将第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；第四棱镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

在一些实施例中，分光组件还包括第一四分之一波片以及第二四分之一波片，第一四分之一波片设置在第二扩束组件的输入端，第一四分之一波片用于将缩束后的第二测量光束的第一偏振角度调制为第二偏振角度；第二四分之一波片设置在第一扩束组件的输入端，第二四分之一波片用于将缩束后的第一测量光束的第二偏振角度调制为第一偏振角度。

在第二方面，本发明还提供一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量方法，适用于第一方面所述的光栅干涉测量装置，方法包括：

获取第一探测器所采集的基础光束的光束频率，基础光束包括第一基础光束以及第二基础光束，记第一基础光束的光束频率为，记第二基础光束的光束频率为/>，并根据/>与/>生成第一干涉信号；

获取第二探测器所采集的第二衍射光束的光束频率以及第一衍射光束的光束频率，记第二衍射光束的光束频率为，记第一衍射光束的光束频率为/>，并根据/>与/>生成第二干涉信号；

根据多普勒频移效应，求解第一干涉信号以及第二干涉信号，生成光栅的移动位移测量值。

在一些实施例中，记第一干涉信号为，第一干涉信号通过公式（1）表示，公式（1）如下：

；

式中，为第一基础光束的复振幅值，/>为第二基础光束的复振幅值，/>为光栅移动时间，/>为光栅移动时所产生的光束频率变化值，/>为光栅移动时所产生的光束相位变化值；

记第二干涉信号为，第二干涉信号通过公式（2）表示，公式（2）如下：

；

式中，为第一衍射光束的复振幅值，/>为第二衍射光束的复振幅值，/>为第一衍射光束的初始相位，/>为第二衍射光束的初始相位。

在一些实施例中，多普勒频移效应产生的光束频率变化值通过公式（3）表示，公式（3）如下：

；

多普勒频移效应产生的光束相位变化值通过公式（4）表示，公式（4）如下：

;

式中，为光栅衍射级次，/>为光栅沿光栅矢量移动的移动速度，/>为光栅栅距，/>为光栅的移动位移测量值；

根据公式（4）可得、/>与光栅的移动位移测量值的关系为：

；

；

则光栅的移动位移测量值通过公式（5）表示，公式（5）如下：

。

与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

光源发射的基础光束通过分光组件分成参考光束以及测量光束，参考光束被第一探测器吸收，测量光束经过第二分光镜分成第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束经过第二扩束组件进行扩束，第一测量光束经过第一扩束组件进行扩束，使得第二测量光束的光斑尺寸以及第一测量光束的光栅尺寸成倍增加，以利特罗角度入射至衍射光栅表面，最后原路返回，形成携带位移信息的稳定干涉信号，被第二探测器以小光斑形式接收。利用扩束组件扩大入射衍射光栅的光束大小，既可以保留整个光栅干涉测量装置的小型化与集成化设计，又可以极大地减小因光栅均匀性误差与污点对实验精度的影响。本技术方案适用于高集成、小体积、高精度测量需求的光栅干涉测量装置。

附图说明

图1是根据本发明实施例提供的所述光栅干涉测量装置示意图；

图2是根据本发明实施例提供的所述光栅干涉测量装置第一原理图；

图3是根据本发明实施例提供的所述扩束组件第一示意图；

图4是根据本发明实施例提供的所述扩束组件第二示意图；

图5是根据本发明实施例提供的所述扩束组件第三示意图；

图6是根据本发明实施例提供的所述扩束组件第四示意图；

图7是根据本发明实施例提供的所述光栅干涉测量方法步骤图。

附图标记：

1、光源；2、第一分光镜；3、第二分光镜；4、第一反射镜；5、第一偏振片；6、第二偏振片；7、第一四分之一波片；8、第二四分之一波片；9、第一探测器；10、第二探测器；11、第一准直透镜；12、第二准直透镜；13、像方远心透镜；14、第二反射镜；15、第三反射镜；16、第一正透镜；17、第三正透镜；18、第二正透镜；19、第四正透镜；20、第一负透镜；21、第二负透镜；22、第一准直正透镜；23、第二准直正透镜；24、第一棱镜；25、第三棱镜；26、第二棱镜；27、第四棱镜。

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。

请参阅图1，在第一方面，本发明提供了一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，包括光栅、光源1、分光组件、扩束组件以及探测组件，光源1用于产生基础光束；分光组件包括第一分光镜2、第二分光镜3以及第一反射镜4，第一分光镜2用于将基础光束分成参考光束以及测量光束，测量光束经第一分光镜2透射后进入第二分光镜3，第二分光镜3用于将测量光束分为第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束具有第一偏振角度，第一测量光束具有第二偏振角度，第一测量光束经第二分光镜3透射后进入第一反射镜4；

扩束组件包括第二扩束组件以及第一扩束组件，第二测量光束经第二分光镜3反射后进入第二扩束组件的输入端，并经第二扩束组件扩束后以第二预设角度射入光栅，光栅将第二测量光束转换为第二衍射光束，并以第二预设角度射入第二扩束组件的输出端，第一测量光束经第一反射镜4反射后进入第一扩束组件的输入端，并经第一扩束组件扩束后以第一预设角度射入光栅，光栅将第一测量光束转换为第一衍射光束，并以第一预设角度射入第一扩束组件的输出端；

探测组件包括第一探测器9、第二探测器10、第一偏振片5以及第二偏振片6，第一偏振片5设置在第一探测器9的输入端，第二偏振片6设置在第二探测器10的输入端，参考光束经第一分光镜2反射后通过第一偏振片5以预设偏振角度射入第一探测器9的输入端，第二衍射光束经第二扩束组件缩束后以第二偏振角度射入第二分光镜3，并经第二分光镜3透射后通过第二偏振片6以预设偏振角度进入第二探测器10的输入端，第一衍射光束经第一扩束组件缩束后以第一偏振角度射入第一反射镜4，经第一反射镜4反射后进入第二分光镜3，并经第二分光镜3反射后通过第二偏振片6以预设偏振角度进入第二探测器10的输入端。

本实施例中，光源1为双频激光器，双频激光器能够发出两种不同频率的激光，基础光束也即该双频激光器发出的具有两种频率且偏振态相互垂直的两束光束，为便于说明，将基础光束中的两束光束对应的频率分别记为第一频率以及第二频率，将第一频率对应的光束的偏振态记为水平方向的偏振，也即水平偏振态，将第二频率对应的光束的偏振态记为垂直方向的偏振，也即垂直偏振态。

需要说明的是，分光组件中，第一分光镜2为分光棱镜，第二分光镜3为偏振分光棱镜。基础光束通过第一分光镜2后被分成参考光束以及测量光束，其中，基础光束被第一分光镜2的分光面反射至第一探测器9中的为参考光束，基础光束被第一分光镜2的分光面透射至第二分光镜3处的为测量光束，此处应注意的是，第一分光镜2所划分的参考光束与测量光束中均具有两束频率不同偏振态相互垂直的光束，也即，两束频率不同且偏振态垂直的两束光束所组成的基础光束在第一分光镜2反射后，部分基础光束（包含频率不同且偏振态垂直的两束光束）被反射，部分基础光束被透射。

具体的，参考光束中的频率不同且偏振态相互垂直的两束光束垂直射入第一偏振片5，第一偏振片5将两个频率的光束的偏振态调解至同一预设偏振角度后，被第一探测器9接收。测量光束中的频率不同且偏振态相互垂直的两束光束透射后射入第二分光镜3，第二分光镜3为偏振分光棱镜，则第二频率的测量光束将被第二分光镜3反射，形成第二测量光束，第一频率的测量光束将被第二分光镜3透射，形成第一测量光束。

具体的，第二扩束组件对第二测量光束进行扩束，使其形成大尺寸光斑，第一扩束组件对第一测量光束进行扩束，使其形成大尺寸光斑，此处应注意，第一扩束组件与第二扩束组件可以为现有的扩束功能的光学元件，也可以为后文所述的具体结构，本实施例不对第二扩束组件、第一扩束组件的具体结构进行限制。

本实施例中，第二预设角度与第一预设角度均为利特罗角度，第一衍射光束与第二衍射光束的传播原理一致，此处对第一衍射光束的传播方向进行具体说明：扩束后的第一测量光束按照第一预设角度射入光栅，光栅产生衍射后形成第一衍射光束，并原路返回至第一扩束组件的输出端，则第一扩束组件由于光路方向的改变，具有缩束功能，将第一扩束组件的输出端处的第一衍射光束进行缩束，并返回至第一扩束组件的输出端，进而进入第一反射镜4反射后重新射入第二分光镜3中，需要说明的是，进入第二分光镜3前，第一衍射光束的偏振方向已经改变，从水平偏振态转换成垂直偏振态，则第二分光镜3对该垂直偏振态下的第一衍射光束进行反射，使其进入第二偏振片6中，被第二偏振片6调解后以预设偏振角度进入第二探测器10的输入端。

同样的，第二衍射光束经过第二扩束组件反向缩束后，进入第二分光镜3之前，其偏振态从垂直偏振态转换为水平偏振态，则第二分光镜3对该水平偏振态下的第二衍射光束进行衍射，使其进入第二偏振片6中，被第二偏振片6调解后以同一预设偏振角度进入第二探测器10的输入端。需要说明的是，此处预设偏振角度与前文所述预设偏振角度为同一偏振角度，后文关于预设偏振角度的表述以此为准。预设偏振角度根据第一偏振片5、第二偏振片6的型号不同而不同。在同一预设偏振角度的前提下，第一衍射光束与第二衍射光束会产生干涉，从而被第二探测器10捕捉到干涉信号，同样的，参考光束中的两个频率不同的光束也会在同一预设偏振角度下形成干涉，从而被第一探测器9捕捉到干涉信号。

第一测量光束与第二测量光束在经过扩束后以利特罗角度入射至衍射光栅表面，最后原路返回，形成携带位移信息的稳定干涉信号，被第二探测器10以小光斑形式接收。利用扩束组件扩大入射衍射光栅的光束大小，既可以保留整个光栅干涉测量装置的小型化与集成化设计，又可以极大地减小因光栅均匀性误差与污点对实验精度的影响，适用于高集成、小体积、高精度测量需求的光栅干涉测量装置。

请参阅图1至图3，在一些实施例中，扩束组件还包括像方远心透镜13，像方远心透镜13用于对第二测量光束以及第一测量光束进行扩束，第二扩束组件包括第一准直透镜11，第一准直透镜11的输出端朝向像方远心透镜13的输入端设置；第一扩束组件包括第二准直透镜12，第二准直透镜12的输出端朝向像方远心透镜13的输入端设置。

本实施例给出了利用像方远心透镜13作为扩束组件的具体方案。具体的，像方远心透镜13的输入端朝向第二分光镜3设置，且像方远心透镜13的输入范围覆盖第二分光镜3的输出端以及第一反射镜4的输出端，也即，像方远心透镜13的输入端应能够接收到第一测量光束以及第二测量光束，像方远心透镜13的输出端朝向光栅设置。

具体的，在像方远心透镜13的输入端与分光组件之间还设有第一准直透镜11以及第二准直透镜12，第一准直透镜11的输出端与第二准直透镜12的输出端均朝向像方远心透镜13的输入端设置，也即，第一测量光束通过第二准直透镜12准直后射入像方远心透镜13，第二测量光束通过第一准直透镜11准直后射入像方远心透镜13。通过设置像方远心透镜13，完成了第一衍射光束、第二衍射光束的扩束和缩束功能，满足测量需求。

请参阅图4至图6，在一些实施例中，第二扩束组件包括第二反射镜14，第二反射镜14用于将第二分光镜3反射的第二测量光束反射入第二扩束组件中；第一扩束组件包括第三反射镜15，第三反射镜15用于将第一反射镜4反射的第一测量光束反射入第一扩束组件中。

在本实施例中，第二反射镜14能够改变第二测量光束的传播方向，使得第二测量光束能够在扩束后以利特罗角度射入光栅，需要说明的是，第二反射镜14为平面反射镜。第三反射镜15能够改变第一测量光束的传播方向，使得第一测量光束能够在扩束后以利特罗角度射入光栅，需要说明的是，第三反射镜15为平面反射镜。

请参阅图4，在一些实施例中，第二扩束组件还包括第一正透镜16以及第二正透镜18，第一正透镜16用于将第二反射镜14反射的第二测量光束进行一级扩束；第二正透镜18用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；

第一扩束组件还包括第三正透镜17以及第四正透镜19，第三正透镜17用于将第三反射镜15反射的第一测量光束进行一级扩束；第四正透镜19用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

在本实施例中，第一正透镜16与第二正透镜18沿第二测量光束的传播方向依次设置，具体如图4所示，第二测量光束经过第一正透镜16与第二正透镜18的二次扩束后从小光斑变为大光斑；第三正透镜17与第四正透镜19沿第一测量光束的传播方向依次设置，具体如图4所示，第一测量光束经过第三正透镜17与第四正透镜19的二次扩束后从小光斑变为大光斑。本实施例所示的镜片排布方式能够实现第一测量光束与第二测量光束的光斑尺寸的变化调节。

请参阅图5，在一些实施例中，第二扩束组件包括第一负透镜20以及第一准直正透镜22，第一负透镜20用于将第二反射镜14反射的第二测量光束进行一级扩束；第一准直正透镜22用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；第一扩束组件包括第二负透镜21以及第二准直正透镜23，第二负透镜21用于将第三反射镜15反射的第一测量光束进行一级扩束；第二准直正透镜23用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。本实施例所示的镜片排布方式能够实现第一测量光束与第二测量光束的光斑尺寸的变化调节。

请参阅图6，在一些实施例中，第二扩束组件包括第一棱镜24以及第二棱镜26，第一棱镜24用于将第二反射镜14反射的第二测量光束进行一级扩束；第二棱镜26用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；第一扩束组件包括第三棱镜25以及第四棱镜27，第三棱镜25用于将第三反射镜15反射的第一测量光束进行一级扩束；第四棱镜27用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

需要说明的是，本实施例中采用的第一棱镜24、第二棱镜26、第三棱镜25以及第四棱镜27的均为棱镜，但每个棱镜的型号和尺寸可以不同，此处需要说明的是，棱镜的型号与尺寸、角度的安装要求受限于衍射角、反射镜角度、棱镜折射率等参数的限制，如图6所示，第二反射镜14所反射的光入射到第一棱镜24朝向第二反射镜14所在的一侧斜面，经过第一棱镜24折射后垂直出射至第二棱镜26，再经过第二棱镜26朝向第一棱镜24所在的一侧斜面，经过第二棱镜26折射后垂直出射，以利特罗角度入射至光栅，此处应注意的是，在对光束进行扩束时，需要根据每个棱镜的色散方向进行调节，调节完毕后的多个棱镜的分布如图6所示。本实施例所示的镜片排布方式能够实现第一测量光束与第二测量光束的光斑尺寸的变化调节。

请参阅图1，在一些实施例中，分光组件还包括第一四分之一波片7以及第二四分之一波片8，第一四分之一波片7设置在第二扩束组件的输入端，第一四分之一波片7用于将缩束后的第二测量光束的第一偏振角度调制为第二偏振角度；第二四分之一波片8设置在第一扩束组件的输入端，第二四分之一波片8用于将缩束后的第一测量光束的第二偏振角度调制为第一偏振角度。

需要说明的是，本实施例所示第一偏振角度也即前文所述垂直偏振态所对应的偏振角度，第二偏振角度也即前文所述水平偏振态所对应的偏振角度。

请参阅图7，在第二方面，本发明还提供一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量方法，适用于第一方面所述的光栅干涉测量装置，方法包括：

S11、获取第一探测器9所采集的基础光束的光束频率，基础光束包括第一基础光束以及第二基础光束，记第一基础光束的光束频率为，记第二基础光束的光束频率为/>，并根据/>与/>生成第一干涉信号；

S12、获取第二探测器10所采集的第二衍射光束的光束频率以及第一衍射光束的光束频率，记第二衍射光束的光束频率为，记第一衍射光束的光束频率为/>，并根据/>与/>生成第二干涉信号；

S13、根据多普勒频移效应，求解第一干涉信号以及第二干涉信号，生成光栅的移动位移测量值。

具体的，根据数量统计学原理，假设参数干涉测量的栅线数量为，光栅制造过程中给每条栅线引入的标准偏差为/>，干涉信号处的偏差为/>，则三者满足公式（6）所示关系，所述公式（6）如下：

；

当使用光栅的刻线密度为，入射光斑直径为/>时，根据公式（6）代入计算可得：

；

式中，9000是光栅的总刻线数量，总刻线数量=刻线密度×入射光斑直径，代入参数可得：总刻线数量=1800×5=9000，可知，由于单条光栅的刻线误差是微量，则/>的值更小，此时光栅栅线的刻划误差总量可以忽略不计。

记第一基础光束的初始相位为，第二基础光束的初始相位为/>；

本实施例中，采用双频激光器输出的具有一定频差的正交线偏振光的复振幅可用公式（7）表示，公式（7）如下：

；

式中，表示振幅，此处需要说明的是，第一基础光束与第二基础光束的振幅相同，均为/>。

在一些实施例中，记第一干涉信号为，第一干涉信号通过公式（1）表示，公式（1）如下：

；

式中，为第一基础光束的复振幅值，/>为第二基础光束的复振幅值，/>为光栅移动时间，/>为光栅移动时所产生的光束频率变化值，/>为光栅移动时所产生的光束相位变化值；

记第二干涉信号为，第二干涉信号通过公式（2）表示，公式（2）如下：

；

式中，为第一衍射光束的复振幅值，/>为第二衍射光束的复振幅值，/>为第一衍射光束的初始相位，/>为第二衍射光束的初始相位。

具体的，请参阅图2与图3，由光路传播方向可知，第一探测器9与第二探测器10所接收的共有两束干涉光，分别为、/>（也即第一基础光束、第二基础光束）和包含多普勒频移的两束利特罗衍射光（也即第一衍射光束、第二衍射光束），为便于表述，将第一基础光束、第二基础光束干涉形成的干涉光记为第一干涉信号，将第一衍射光束、第二衍射光束干涉形成的干涉光记为第二干涉信号，则将第一干涉信号与第二干涉信号代入公式（7）中可分别得出如下复振幅：

；

；

上式中，为第一衍射光束的相位变化值，/>为第二衍射光束的相位变化值。

在一些实施例中，多普勒频移效应产生的光束频率变化值通过公式（3）表示，公式（3）如下：

；

多普勒频移效应产生的光束相位变化值通过公式（4）表示，公式（4）如下：

;

式中，为光栅衍射级次，/>为光栅沿光栅矢量移动的移动速度，/>为光栅栅距，/>为光栅的移动位移测量值；

根据公式（4）可得、/>与光栅的移动位移测量值的关系为：

；

；

则光栅的移动位移测量值通过公式（5）表示，公式（5）如下：

。

上述技术方案中，光源1发射的基础光束通过分光组件分成参考光束以及测量光束，参考光束被第一探测器9吸收，测量光束经过第二分光镜3分成第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束经过第二扩束组件进行扩束，第一测量光束经过第一扩束组件进行扩束，使得第二测量光束的光斑尺寸以及第一测量光束的光栅尺寸成倍增加，以利特罗角度入射至衍射光栅表面，最后原路返回，形成携带位移信息的稳定干涉信号，被第二探测器10以小光斑形式接收。利用扩束组件扩大入射衍射光栅的光束大小，既可以保留整个光栅干涉测量装置的小型化与集成化设计，又可以极大地减小因光栅均匀性误差与污点对实验精度的影响。本技术方案适用于高集成、小体积、高精度测量需求的光栅干涉测量装置。

应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发明公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本发明公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，包括：

光栅；

光源，所述光源用于产生基础光束；

分光组件，包括第一分光镜、第二分光镜以及第一反射镜，所述第一分光镜用于将所述基础光束分成参考光束以及测量光束，所述测量光束经所述第一分光镜透射后进入第二分光镜，所述第二分光镜用于将所述测量光束分为第二测量光束以及第一测量光束，所述第二测量光束具有第一偏振角度，所述第一测量光束具有第二偏振角度，所述第一测量光束经所述第二分光镜透射后进入所述第一反射镜；

扩束组件，包括第二扩束组件以及第一扩束组件，所述第二测量光束经所述第二分光镜反射后进入所述第二扩束组件的输入端，并经所述第二扩束组件扩束后以第二预设角度射入所述光栅，所述光栅将所述第二测量光束转换为第二衍射光束，并以第二预设角度射入所述第二扩束组件的输出端，所述第一测量光束经所述第一反射镜反射后进入所述第一扩束组件的输入端，并经所述第一扩束组件扩束后以第一预设角度射入所述光栅，所述光栅将所述第一测量光束转换为第一衍射光束，并以第一预设角度射入所述第一扩束组件的输出端；

探测组件，包括第一探测器、第二探测器、第一偏振片以及第二偏振片，所述第一偏振片设置在所述第一探测器的输入端，所述第二偏振片设置在所述第二探测器的输入端，所述参考光束经所述第一分光镜反射后通过所述第一偏振片以预设偏振角度射入所述第一探测器的输入端，所述第二衍射光束经所述第二扩束组件缩束后以第二偏振角度射入所述第二分光镜，并经所述第二分光镜透射后通过所述第二偏振片以预设偏振角度进入所述第二探测器的输入端，所述第一衍射光束经所述第一扩束组件缩束后以第一偏振角度射入所述第一反射镜，经所述第一反射镜反射后进入所述第二分光镜，并经所述第二分光镜反射后通过所述第二偏振片以预设偏振角度进入所述第二探测器的输入端。

2.根据权利要求1所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，所述扩束组件还包括像方远心透镜，所述像方远心透镜用于对所述第二测量光束以及所述第一测量光束进行扩束，所述第二扩束组件包括：

第一准直透镜，所述第一准直透镜的输出端朝向所述像方远心透镜的输入端设置；

所述第一扩束组件包括：

第二准直透镜，所述第二准直透镜的输出端朝向所述像方远心透镜的输入端设置。

3.根据权利要求1所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，所述第二扩束组件包括：

第二反射镜，所述第二反射镜用于将所述第二分光镜反射的第二测量光束反射入所述第二扩束组件中；

所述第一扩束组件包括：

第三反射镜，所述第三反射镜用于将所述第一反射镜反射的第一测量光束反射入所述第一扩束组件中。

4.根据权利要求3所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，所述第二扩束组件还包括：

第一正透镜，所述第一正透镜用于将所述第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；

第二正透镜，所述第二正透镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；

所述第一扩束组件还包括：

第三正透镜，所述第三正透镜用于将所述第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；

第四正透镜，所述第四正透镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

5.根据权利要求3所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，所述第二扩束组件包括：

第一负透镜，所述第一负透镜用于将所述第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；

第一准直正透镜，所述第一准直正透镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；

所述第一扩束组件包括：

第二负透镜，所述第二负透镜用于将所述第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；

第二准直正透镜，所述第二准直正透镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

6.根据权利要求3所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，所述第二扩束组件包括：

第一棱镜，所述第一棱镜用于将所述第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；

第二棱镜，所述第二棱镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；

所述第一扩束组件包括：

第三棱镜，所述第三棱镜用于将所述第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；

第四棱镜，所述第四棱镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

7.根据权利要求1所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，其特征在于，所述分光组件还包括：

第一四分之一波片，设置在所述第二扩束组件的输入端，所述第一四分之一波片用于将缩束后的第二测量光束的第一偏振角度调制为第二偏振角度；

第二四分之一波片，设置在所述第一扩束组件的输入端，所述第二四分之一波片用于将缩束后的第一测量光束的第二偏振角度调制为第一偏振角度。

8.一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量方法，其特征在于，适用于权利要求1-7任一项所述的光栅干涉测量装置，所述方法包括：

获取所述第一探测器所采集的基础光束的光束频率，所述基础光束包括第一基础光束以及第二基础光束，记所述第一基础光束的光束频率为，记所述第二基础光束的光束频率为/>，并根据/>与/>生成第一干涉信号；

获取所述第二探测器所采集的第二衍射光束的光束频率以及第一衍射光束的光束频率，记所述第二衍射光束的光束频率为，记所述第一衍射光束的光束频率为/>，并根据所述/>与/>生成第二干涉信号；

根据多普勒频移效应，求解所述第一干涉信号以及所述第二干涉信号，生成所述光栅的移动位移测量值。

9.根据权利要求8所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量方法，其特征在于，记所述第一干涉信号为，所述第一干涉信号通过公式（1）表示，所述公式（1）如下：

；

式中，为第一基础光束的复振幅值，/>为第二基础光束的复振幅值，/>为光栅移动时间，/>为光栅移动时所产生的光束频率变化值，/>为光栅移动时所产生的光束相位变化值；

记所述第二干涉信号为，所述第二干涉信号通过公式（2）表示，所述公式（2）如下：

；

式中，为第一衍射光束的复振幅值，/>为第二衍射光束的复振幅值，/>为所述第一衍射光束的初始相位，/>为所述第二衍射光束的初始相位。

10.根据权利要求9所述的基于大尺寸光斑的光栅干涉测量方法，其特征在于，所述多普勒频移效应产生的光束频率变化值通过公式（3）表示，所述公式（3）如下：

；

所述多普勒频移效应产生的光束相位变化值通过公式（4）表示，所述公式（4）如下：

；

式中，为光栅衍射级次，/>为光栅沿光栅矢量移动的移动速度，/>为光栅栅距，/>为光栅的移动位移测量值；

根据所述公式（4）可得所述、/>与所述光栅的移动位移测量值的关系为：

；

；

则所述光栅的移动位移测量值通过公式（5）表示，所述公式（5）如下：

。