光栅外差干涉系统及其滚转角测量方法技术方案

本发明专利技术公开一种光栅外差干涉系统，属于激光精密测量技术领域。该系统包括设置于待测量对象的第一侧的激光源、偏振分光棱镜、反射器、角锥棱镜、第一波片和第二波片；设置于所述待测量对象上的第一光栅和第二光栅；以及设置于所述待测量对象的第二侧的平面反射镜组。

Grating heterodyne interferometer and its roll angle measurement method

The invention discloses a grating heterodyne interference system, which belongs to the field of laser precision measurement technology. The system includes a laser source, a polarization splitting prism, a reflector, a pyramid prism, a first wave plate and a second wave plate set on the first side of the object to be measured, a first grating and a second grating set on the object to be measured, and a group of planar mirrors set on the second side of the object to be measured.

【技术实现步骤摘要】
光栅外差干涉系统及其滚转角测量方法
本专利技术涉及激光精密测量
，尤其涉及一种光栅外差干涉系统及其滚转角测量方法。
技术介绍
精密导轨运动副是现代精密工程的关键共性运动部件，广泛应用于高档装备制造、航空航天、先进同步辐射光源等高科
其中，先进滚转角测量技术预方法是该领域亟待解决和提升的瓶颈技术之一。由于滚转角的弧(位移)平面与(仪器)测量轴正交的结构特点，导致传统方法如激光干涉仪、自准直仪等无法满足测量要求。为此，针对滚转角测量提出了许多新方法，主要有基于渥拉斯顿棱镜激光干涉法、基于自准直的结构光法和基于偏振特性的光强/相位法等三类。第一类方法其本质是基于几何光学原理利用特殊光学元件作为干涉系统的传感和目标镜，将角度转换为位移进行滚转角测量。因此，它对光学元件的精度及质量要求高，工艺上难以实现，难以实现高精度测量。第二类方法工作本质为基于自准直原理，通过几何光路结构设计将滚转角转换为光斑位置变化被PSD(PositionSensitiveDetector，光电探测器件)探测，从而实现滚转角测量。该方法虽然实现简单，但易受直线度等其他因素耦合影响，尤其是难以满足于高精度滚转角单项误差测量与补偿要求。第三类方法其本质是通过偏振器件对滚转角的敏感进行测量的，主要包含光强探测法和相位探测法，前者易实现精度较低，属于早期提出；后者为高精度测量方法，为目前发展方向。该方法可实现高分辨率，但非线性响应曲线需要标定，以及相应的完美光学元件难以获得限受了其应用，如中国专利公开号为CN103292744A《一种基于衍射光栅位移技术的滚转角测量装置及方法》和CN104535019A《一种双衍射光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法》等。因此，需要一种新的光栅外差干涉系统及其滚转角测量方法。在所述
技术介绍
部分公开的上述信息仅用于加强对本专利技术的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高分辨率、易加工的光栅外差干涉系统及其滚转角测量方法。本专利技术的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本专利技术的实践而习得。根据本专利技术的一方面，提供一种光栅外差干涉系统，包括：激光源，所述激光源设置于待测量对象的第一侧；偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜设置于所述激光源的光轴上且位于所述待测量对象的第一侧；反射器，所述反射器设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述反射器和所述偏振分光棱镜之间具有预定水平间距；角锥棱镜，所述角锥棱镜设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴的反方向上且位于所述待测量对象的第一侧；第一波片，所述第一波片设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述第一波片位于所述偏振分光棱镜和第一光栅之间，且所述第一波片靠近所述偏振分光棱镜；第二波片，所述第二波片设置于所述反射器的反射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述第二波片位于所述反射器和第二光栅之间，且所述第二波片靠近所述反射器；第一光栅，所述第一光栅设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上，且所述第一光栅固定在所述待测量对象上；第二光栅，所述第二光栅设置于所述反射器的反射光轴上，且所述第二光栅固定在所述待测量对象上，其中所述第一光栅和所述第二光栅分别位于所述待测量对象的滚转中心两侧，且所述第一光栅和所述第二光栅位于同一平面，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅常数；平面反射镜组，所述平面反射镜组设置于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光轴上且位于所述待测对象的第二侧；其中所述第一侧和所述第二侧为相对两侧。于一实施例中，所述平面反射镜组包括：第一平面反射镜，所述第一平面反射镜设置于所述第一光栅的预设级衍射光轴上，且所述第一平面反射镜的法线平行于所述第一光栅的预设级衍射光；所述第一平面反射镜相对设置的第一侧边和第二侧边平行于第一入射面，所述第一入射面由所述第一光栅的预设级衍射光与所述第一平面反射镜的法线组成；第二平面反射镜，所述第二平面反射镜设置于所述第二光栅的预设级衍射光轴上，且所述第二平面反射镜的法线平行于所述第二光栅的预设级衍射光；所述第二平面反射镜相对设置的第一侧边和第二侧边平行于第二入射面，所述第二入射面由所述第二光栅的预设级衍射光与所述第二平面反射镜的法线组成。于一实施例中，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜为相同的条形平面反射镜；其中，所述第一侧边和所述第二侧边具有预定长度。于一实施例中，所述平面反射镜组包括：整面平面反射镜，所述整面平面反射镜设置于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光轴上，且所述整面平面反射镜的法线平行于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光；所述整面平面反射镜相对设置的第一侧边和第二侧边平行于第三入射面，所述第三入射面由所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光与所述整面平面反射镜的法线组成。于一实施例中，所述第一侧边和所述第二侧边具有预定长度。于一实施例中，所述第一波片和所述第二波片为相同的1/4波片，配置为将正入射的线偏振光转换成圆偏振光或者将正入射的圆偏振光转换成线偏振光。于一实施例中，所述第一光栅和所述第二光栅为相同的衍射光栅。根据本专利技术的再一方面，提供一种基于上述任一实施例所述的光栅外差干涉系统的滚转角测量方法，包括：通过所述激光源发射激光束；经过所述偏振分光棱镜将所述激光束分成第一偏振光和第二偏振光，其中所述第一偏振光和所述第二偏振光的线偏振方向正交且频率不同；所述第一偏振光入射至所述第一波片变为第一圆偏振光，所述第一圆偏振光入射至所述第一光栅发生第一次衍射产生第一预设级衍射光；所述第一预设级衍射光入射至所述平面反射镜组经反射沿原路径返回，入射至所述第一光栅发生第二次衍射产生第二预设级衍射光；所述第二预设级衍射光入射至所述第一波片由所述第一圆偏振光变回所述第一偏振光，并被所述偏振分光棱镜反射至所述角锥棱镜，经所述角锥棱镜反射后平行返回并被所述偏振分光棱镜再次反射后透过所述第一波片，由所述第一偏振光变为第二圆偏振光，入射至所述第一光栅发生第三次衍射产生第三预设级衍射光；所述第三预设级衍射光入射至所述平面反射镜组经反射沿原路径返回，入射至所述第一光栅发生第四次衍射产生第四预设级衍射光；所述第四预设级衍射光经过所述第一波片由所述第二圆偏振光变回为所述第一偏振光，透射过所述偏振分光棱镜，形成第一测量光束；所述第二偏振光经所述反射器反射后，入射至所述第二波片变为第三圆偏振光，所述第三圆偏振光入射至所述第二光栅发生第一次衍射产生第五预设级衍射光；所述第五预设级衍射光入射至所述平面反射镜组经反射沿原路径返回，入射至所述第二光栅发生第二次衍射产生第六预设级衍射光；所述第六预设级衍射光入射至所述第二波片由所述第三圆偏振光变回所述第二偏振光，并依次被所述反射器和所述偏振分光棱镜反射至所述角锥棱镜，经所述角锥棱镜反射后平行返回并依次被所述偏振分光棱镜和所述反射器再次反射后透过所述第二波片，由所述第二偏振光变为第四圆偏振光，入射至所述第二光栅发生第三次衍射产生第七预设级衍射光；所述第七预设级衍射光入射至所述平面反射镜组经反射沿原路径返回，入射至所述第二光栅发生第四次衍射产生第八预设级衍射光；所述第八预设级衍射光经本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光栅外差干涉系统，其特征在于，包括：激光源，所述激光源设置于待测量对象的第一侧；偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜设置于所述激光源的光轴上且位于所述待测量对象的第一侧；反射器，所述反射器设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述反射器和所述偏振分光棱镜之间具有预定水平间距；角锥棱镜，所述角锥棱镜设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴的反方向上且位于所述待测量对象的第一侧；第一波片，所述第一波片设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述第一波片位于所述偏振分光棱镜和第一光栅之间，且所述第一波片靠近所述偏振分光棱镜；第二波片，所述第二波片设置于所述反射器的反射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述第二波片位于所述反射器和第二光栅之间，且所述第二波片靠近所述反射器；第一光栅，所述第一光栅设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上，且所述第一光栅固定在所述待测量对象上；第二光栅，所述第二光栅设置于所述反射器的反射光轴上，且所述第二光栅固定在所述待测量对象上，其中所述第一光栅和所述第二光栅分别位于所述待测量对象的滚转中心两侧，且所述第一光栅和所述第二光栅位于同一平面，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅常数；平面反射镜组，所述平面反射镜组设置于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光轴上且位于所述待测对象的第二侧；其中所述第一侧和所述第二侧为相对两侧。...

【技术特征摘要】
1.一种光栅外差干涉系统，其特征在于，包括：激光源，所述激光源设置于待测量对象的第一侧；偏振分光棱镜，所述偏振分光棱镜设置于所述激光源的光轴上且位于所述待测量对象的第一侧；反射器，所述反射器设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述反射器和所述偏振分光棱镜之间具有预定水平间距；角锥棱镜，所述角锥棱镜设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴的反方向上且位于所述待测量对象的第一侧；第一波片，所述第一波片设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述第一波片位于所述偏振分光棱镜和第一光栅之间，且所述第一波片靠近所述偏振分光棱镜；第二波片，所述第二波片设置于所述反射器的反射光轴上且位于所述待测量对象的第一侧，所述第二波片位于所述反射器和第二光栅之间，且所述第二波片靠近所述反射器；第一光栅，所述第一光栅设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上，且所述第一光栅固定在所述待测量对象上；第二光栅，所述第二光栅设置于所述反射器的反射光轴上，且所述第二光栅固定在所述待测量对象上，其中所述第一光栅和所述第二光栅分别位于所述待测量对象的滚转中心两侧，且所述第一光栅和所述第二光栅位于同一平面，所述第一光栅和所述第二光栅具有光栅常数；平面反射镜组，所述平面反射镜组设置于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光轴上且位于所述待测对象的第二侧；其中所述第一侧和所述第二侧为相对两侧。2.根据权利要求1所述的光栅外差干涉系统，其特征在于，所述平面反射镜组包括：第一平面反射镜，所述第一平面反射镜设置于所述第一光栅的预设级衍射光轴上，且所述第一平面反射镜的法线平行于所述第一光栅的预设级衍射光；所述第一平面反射镜相对设置的第一侧边和第二侧边平行于第一入射面，所述第一入射面由所述第一光栅的预设级衍射光与所述第一平面反射镜的法线组成；第二平面反射镜，所述第二平面反射镜设置于所述第二光栅的预设级衍射光轴上，且所述第二平面反射镜的法线平行于所述第二光栅的预设级衍射光；所述第二平面反射镜相对设置的第一侧边和第二侧边平行于第二入射面，所述第二入射面由所述第二光栅的预设级衍射光与所述第二平面反射镜的法线组成。3.根据权利要求2所述的光栅外差干涉系统，其特征在于，所述第一平面反射镜和所述第二平面反射镜为相同的条形平面反射镜；其中，所述第一侧边和所述第二侧边具有预定长度。4.根据权利要求1所述的光栅外差干涉系统，其特征在于，所述平面反射镜组包括：整面平面反射镜，所述整面平面反射镜设置于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光轴上，且所述整面平面反射镜的法线平行于所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光；所述整面平面反射镜相对设置的第一侧边和第二侧边平行于第三入射面，所述第三入射面由所述第一光栅和所述第二光栅的预设级衍射光与所述整面平面反射镜的法线组成。5.根据权利要求4所述的光栅外差干涉系统，其特征在于，所述第一侧边和所述第二侧边具有预定长度。6.根据权利要求1所述的光栅外差干涉系统，其特征在于，所述第一波片和所述第二波片为相同的1/4波片，配置为将正入射的线偏振光转换成圆偏振光或者将正入射的圆偏振光转换成线偏振光。7.根据权利要求1所述的光栅外差干涉系统，其特征在于，所述第一光栅和所...

【专利技术属性】
技术研发人员：汤善治，李明，盛伟繁，王赫影，
申请(专利权)人：中国科学院高能物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11