实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，包括一个双频激光器、一块二维反射光栅、读数头以及信号处理系统。读数头采用对称的结构设计，由一块二维透射光栅和四个相同的部分组成，每一部分都包括相同的光学元件：一块偏振分束棱镜、两块四分之一波片、两块平面反射镜、一块偏振片、一个接收器。读数头四部分的位置为正方形的四个顶点，对角线的两部分为一组。本发明专利技术的实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统可以测量两个正交的光栅矢量方向和一个光栅法线方向三个维度的位移，而且光栅法线方向的位移不再受探测器和光斑尺寸影响，实现了扩大光栅法线方向的位移测量量程的有益效果。

Grating displacement measuring system and method for realizing long distance 3D displacement measurement

The present invention provides a grating displacement measurement system for long-range three-dimensional displacement measurement, including a dual-frequency laser, a two-dimensional reflection grating, a reading head and a signal processing system. The reading head is symmetrically designed, consisting of a two-dimensional transmission grating and four identical parts. Each part includes the same optical elements: a polarization beam splitter prism, two quarter-wave plates, two planar mirrors, a polarizer and a receiver. The location of the first four parts of the reading is the four vertices of the square, and the two part of the diagonal is a set. The grating displacement measuring system realizing long-range three-dimensional displacement measurement can measure the displacement of two orthogonal grating vector directions and one grating normal direction in three dimensions, and the displacement of the grating normal direction is no longer affected by the size of the detector and the spot, so the displacement measuring range of the grating normal direction is enlarged. The beneficial effects.

【技术实现步骤摘要】
实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统及方法
本专利技术属于精密位移测量
，涉及一种实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统及方法。
技术介绍
衍射光栅位移测量系统以光栅栅距为测量基准，采用对称级次衍射光干涉实现位移测量，光路对称且光程短，该位移测量系统受环境制约小，测量重复性好，配合高倍的电子细分能够实现高分辨率和高精度测量。目前衍射光栅位移测量系统多采用一维测量光栅实现一维位移测量，采用二维光栅实现二维位移测量，也有些文献提出了用二维光栅实现平行于光栅平面以及垂直于光栅平面的三维位移测量。但是在测量垂直于光栅平面(光栅法线)方向的位移时，由于光路结构的原因，该维度测量受制于光斑以及探测器的尺寸，量程很小。因此，针对采用二维光栅实现三维位移测量的技术，需要寻求一种新型的位移测量测量方法以及测量系统，在实现高精度三维位移测量的同时，提高沿光栅法线方向的位移测量量程。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种新型的衍射光栅三维位移测量系统，在实现两个光栅矢量方向和一个光栅法线方向的三维位移测量的同时，提高沿光栅法线方向的位移测量量程。一方面，提供一种实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，包括双频激光器、读数头、二维反射光栅及信号处理系统；所述双频激光器发出的正交线偏振光经所述读数头后，形成四束参考光及四束对称的测量光，所述四束测量光分别以利特罗角入射到所述二维反射光栅上，并在所述二维反射光栅上产生衍射光，所述衍射光按原路返回所述读数头，与所述参考光相干涉并进入所述读数头中，所述读数头输送信号到所述信号处理系统，所述信号处理系统对所述信号进行处理；当所述二维反射光栅沿x轴、y轴及z轴移动时，所述信号处理系统计算得到所述二维反射光栅在x轴、y轴及z轴三个方向上的位移测量值。一些实施例中，所述读数头包括二维透射光栅、第一位移测量结构、第二位移测量结构、第三位移测量结构及第四位移测量结构，所述第一位移测量结构、第二位移测量结构、第三位移测量结构及第四位移测量结构对称布设在正方形的四个顶点上，且所述第一位移测量结构和第二位移测量结构互为对角线，构成第一测量单元；所述第三位移测量结构和第四位移测量结构互为对角线，构成第二测量单元。一些实施例中，所述正交线偏振光经所述二维透射光栅后分为x轴左侧衍射光、x轴右侧衍射光、y轴左侧衍射光、y轴右侧衍射光；其中，x轴左侧衍射光通过所述第一位移测量结构分为x轴左侧测量光和x轴左侧参考光，所述x轴左侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生的衍射光原路返回所述第一位移测量结构与所述x轴左侧参考光干涉，所述第一位移测量结构发送信号给所述信号处理系统；x轴右侧衍射光通过所述第二位移测量结构分为x轴右侧测量光和x轴右侧参考光，所述x轴右侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生衍射光原路返回所述第二位移测量结构与所述x轴右侧参考光干涉，所述第二位移测量结构发送信号给所述信号处理系统；y轴左侧衍射光进入所述第三位移测量结构分为y轴左侧测量光和y轴左侧参考光，所述y轴左侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生衍射光原路返回所述第三位移测量结构与所述y轴左侧参考光干涉，所述第三位移测量结构发送信号给所述信号处理系统；y轴右侧衍射光进入所述第四位移测量结构分为y轴右侧测量光和y轴右侧参考光，所述y轴右侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生衍射光原路返回所述第四位移测量结构并与所述y轴右侧参考光干涉，所述第四位移测量结构发送信号给所述信号处理系统。一些实施例中，所述第一位移测量结构、所述第二位移测量结构、所述第三位移测量结构及所述第四位移测量结构的光学元件相同，各包括一个偏振分束棱镜、两个四分之一波片、两个平面反射镜、一个偏振片及一个接收器。一些实施例中，对于第一位移测量结构和第二位移测量结构：当所述二维反射光栅沿x轴发生位移Δx时，所述x轴左侧测量光相位变化为-4πsinθΔx/λ，所述x轴右侧测量光相位变化为4πsinθΔx/λ，其中m为衍射级次的绝对值，d为所述二维反射光栅的周期，θ为光线入射到光栅上的利特罗角；当所述二维反射光栅沿z轴发生位移Δz时，所述x轴左侧测量光及所述x轴右侧测量光在z轴上的相位变化均为4πcosθΔz/λ；令所述x轴右侧参考光和x轴左侧参考光的初始相位为0，当所述二维反射光栅发生位移时，所述x轴左侧测量光和所述x轴左侧参考光之间的相位差为：φxleft＝-4πsinθΔx/λ+4πcosθΔz/λ；x轴右侧测量光和所述x轴右侧参考光之间的相位差为：φxright＝4πsinθΔx/λ+4πcosθΔz/λ；结合光栅方程2dsinθ＝mλ,x轴上的位移为Δx＝d(φxright-φxleft)/(4πm)，z轴上的位移为Δz＝d(φxright+φxleft)/(4πmcotθ)。一些实施例中，对于第三位移测量结构和第四位移测量结构：当所述二维反射光栅沿y轴发生位移Δy时，所述y轴左侧测量光相位变化为-4πsinθΔy/λ，所述y轴右侧测量光相位变化为4πsinθΔy/λ，其中m为衍射级次的绝对值，d为所述二维反射光栅的周期，θ为光线入射到光栅上的利特罗角；当所述二维反射光栅沿z轴发生位移Δz时，所述y轴左侧测量光及所述y轴右侧测量光在z轴上的相位变化均为4πcosθΔz/λ；令所述y轴右侧参考光和y轴左侧参考光初始相位为0，当所述二维反射光栅发生位移时，所述y轴左侧测量光和所述y轴左侧参考光之间的相位差为：φyleft＝-4πsinθΔy/λ+4πcosθΔz/λ；所述y轴右侧测量光和所述y轴右侧参考光之间的相位差为：φyright＝4πsinθΔy/λ+4πcosθΔz/λ；结合光栅方程2dsinθ＝mλ，y轴上的位移为Δy＝d(φyright-φyleft)/4πm，z轴上的位移为Δz＝d(φyright+φyleft)/(4πmcotθ)。另一方面，本专利技术还提供一种实现长行程三维位移测量的光栅位移测量方法，采用上述的实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统对所述二维反射光栅的位移进行测量。有益效果：本专利技术的实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，采用了二维反射光栅及对称设计的读数头，可实现三个方向的位移测量。并且，光栅法线方向的位移测量量程不再受限于光斑以及探测器尺寸，而是由光栅尺寸决定，这就大大增加了该维度的位移测量量程。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的明显变形方式。图1为本专利技术光栅位移测量系统整体结构示意图；图2为本专利技术光栅位移测量系统测量读数头xoz面结构示意图；图3为本专利技术光栅位移测量系统测量读数头yoz面结构示意图。具体实施例为了使本专利技术的目的、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，对本专利技术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专利技术，而不构成对本专利技术的限制。图1-3示出了本专利技术实现长行程三维位移测量的光栅位本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，其特征在于，包括双频激光器、读数头、二维反射光栅及信号处理系统；所述双频激光器发出的正交线偏振光经所述读数头后，形成四束参考光及四束对称的测量光，所述四束测量光分别以利特罗角入射到所述二维反射光栅上，并在所述二维反射光栅上产生衍射光，所述衍射光按原路返回所述读数头，与所述参考光相干涉并进入所述读数头中，所述读数头输送信号到所述信号处理系统，所述信号处理系统对所述信号进行处理；当所述二维反射光栅沿x轴、y轴及z轴移动时，所述信号处理系统计算得到所述二维反射光栅在x轴、y轴及z轴三个方向上的位移测量值。

【技术特征摘要】
1.一种实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，其特征在于，包括双频激光器、读数头、二维反射光栅及信号处理系统；所述双频激光器发出的正交线偏振光经所述读数头后，形成四束参考光及四束对称的测量光，所述四束测量光分别以利特罗角入射到所述二维反射光栅上，并在所述二维反射光栅上产生衍射光，所述衍射光按原路返回所述读数头，与所述参考光相干涉并进入所述读数头中，所述读数头输送信号到所述信号处理系统，所述信号处理系统对所述信号进行处理；当所述二维反射光栅沿x轴、y轴及z轴移动时，所述信号处理系统计算得到所述二维反射光栅在x轴、y轴及z轴三个方向上的位移测量值。2.如权利要求1所述的实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，其特征在于，所述读数头包括二维透射光栅、第一位移测量结构、第二位移测量结构、第三位移测量结构及第四位移测量结构，所述第一位移测量结构、第二位移测量结构、第三位移测量结构及第四位移测量结构对称布设在正方形的四个顶点上，且所述第一位移测量结构和第二位移测量结构互为对角线，构成第一测量单元；所述第三位移测量结构和第四位移测量结构互为对角线，构成第二测量单元。3.如权利要求2所述的实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，其特征在于，所述正交线偏振光经所述二维透射光栅后分为x轴左侧衍射光、x轴右侧衍射光、y轴左侧衍射光、y轴右侧衍射光；其中，x轴左侧衍射光通过所述第一位移测量结构分为x轴左侧测量光和x轴左侧参考光，所述x轴左侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生的衍射光原路返回所述第一位移测量结构与所述x轴左侧参考光干涉，所述第一位移测量结构发送信号给所述信号处理系统；x轴右侧衍射光通过所述第二位移测量结构分为x轴右侧测量光和x轴右侧参考光，所述x轴右侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生衍射光原路返回所述第二位移测量结构与所述x轴右侧参考光干涉，所述第二位移测量结构发送信号给所述信号处理系统；y轴左侧衍射光进入所述第三位移测量结构分为y轴左侧测量光和y轴左侧参考光，所述y轴左侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生衍射光原路返回所述第三位移测量结构与所述y轴左侧参考光干涉，所述第三位移测量结构发送信号给所述信号处理系统；y轴右侧衍射光进入所述第四位移测量结构分为y轴右侧测量光和y轴右侧参考光，所述y轴右侧测量光入射到所述二维反射光栅上，所述二维反射光栅上产生衍射光原路返回所述第四位移测量结构并与所述y轴右侧参考光干涉，所述第四位移测量结构发送信号给所述信号处理系统。4.如权利要求3所述的实现长行程三维位移测量的光栅位移测量系统，其特征在于，所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文昊，吕强，巴音贺希格，唐玉国，刘兆武，于宏柱，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22