本发明专利技术提供一种零差一维光栅位移测量装置，包括单频激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、平面镜组、1/4波片、两个信号接收单元和信号处理系统，其中，单频激光器用于发出一束固定频率的线偏振光入射至偏振分光棱镜进行分光，一束反射至平面镜组，经1/4波片垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射生成衍射光，经平面镜组、1/4波片、偏振分光棱镜入射至分光棱镜；另一束与之对称生成衍射光，两束衍射光干涉形成干涉光经分光棱镜分光后分别进入两个信号接收单元。本发明专利技术不仅能实现大行程直线度测量，还可实现单次衍射四倍细分的位移测量，采用直角棱镜或角锥棱镜，可实现八倍细分的位移测量。
【技术实现步骤摘要】
零差一维光栅位移测量装置
本专利技术涉及超精密位移测量
，特别涉及一种基于单次衍射实现4倍光学细分的同时也可以构成传统的四步相移结构测量的零差一维光栅位移测量装置。
技术介绍
光栅位移测量系统被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，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。而光栅位移测量系统以光栅的栅距为测量基准，消除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要求低、成本低廉、结构简单，特别适合于超精密仪器和高端的实验设备中。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的测量维度发展，其中采用最多的是多加一路测量信号，来实现多维度的测量。为了达到更高精度的测量，不仅可以采用多条路径测量方式来实现，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，其中最多采用的就是直角棱镜、角锥棱镜等。在国内外零差式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，另一个作为测量光栅，参考光栅产生的衍射光与测量光栅产生的衍射光在偏振分光棱镜处进行干涉，虽然降低了成本，但增加了光栅测量系统的体积，且测量精度被限制。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术存在的缺陷，提出以一种以同一衍射光栅为基准的双通道光栅位移测量装置，其中两束光都用作测量光，在空间位置上，两束光平行垂直入射至衍射光栅，实现单次衍射四倍光学细分的同时，也可实现八倍光学细分；在测量上，实现长行程测量的同时，也保证小范围测量的准确性。具体地，本专利技术提供的零差一维光栅位移测量装置，采用以下技术方案：零差一维光栅位移测量装置包括：单频激光器、第一偏振分光棱镜、分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一1/4波片、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，其中，第一偏振分光棱镜设置在单频激光器的出射方向上，第一平面反射镜与第四平面反射镜对称设置在第一偏振分光棱镜的反射方向和透射方向上，第一1/4波片设置在第一平面反射镜与第四平面反射镜的反射方向上，第一信号接收单元与第二信号接收单元对称设置在分光棱镜的反射方向和透射方向上；以及，单频激光器发出一束固定频率为f的线偏振光入射至第一偏振分光棱镜进行分光，一束反射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜垂直反射至第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射生成包括±1级衍射光的第一衍射光，分别经第二平面反射镜和第三平面反射镜垂直反射至第一1/4波片，再经第一平面反射镜反射至第一偏振分光棱镜，再透射至分光棱镜；另一束透射至第四平面反射镜，经第四平面反射镜垂直反射至第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射产生包括±1级衍射光的第二衍射光，分别经第五平面反射镜和第六平面反射镜垂直反射至第一1/4波片，再经第二平面反射镜反射至第一偏振分光棱镜，再反射到分光棱镜；第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的-1级衍射光发生干涉形成第一干涉光，第一干涉光经分光棱镜分为两束，一束反射进入第一信号接收单元，另一束透射进入第二信号接收单元；第一衍射光的-1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光发生干涉形成第二干涉光，第二干涉光经分光棱镜分为两束，一束反射进入第一信号接收单元，另一束透射进入第二信号接收单元；信号处理系统用于对第一信号接收单元和第二信号接收单元接收到的干涉信号进行差分处理，实现对衍射光栅的单次衍射四倍光学细分的位移测量。优选地，第一信号接收单元包括1/2波片、第二偏振分光棱镜和第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器；其中，入射至1/2波片的第一干涉光和第二干涉光分别经第二偏振分光棱镜分光后，分别入射至第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器。优选地，第二信号接收单元包括第二1/4波片、第三偏振分光棱镜、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器；其中，入射至第二1/4波片的第一干涉光和第二干涉光分别经第三偏振分光棱镜分光后，分别入射至第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器。优选地，1/2波片使第一干涉光和第二干涉光成90°分布，经过第二偏振分光棱镜形成四步相移结构，分别为0°和180°。优选地，第二1/4波片使第一干涉光和第二干涉光成45°椭圆或圆分布，经过第三偏振分光棱镜形成四步相移结构，分别为90°和-90°。优选地，当衍射光栅发生移动，第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的-1级衍射光产生的频移量为2Δf，第一衍射光的-1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光产生的频移量为-2Δf。优选地，第一干涉光以2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号，第二干涉光以-2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号。优选地，将第二平面反射镜与第四平面反射镜替换为直角棱镜或角锥棱镜，衍射光栅产生的衍射光分别经直角棱镜或角锥棱镜进行两次衍射，实现八倍光学细分。优选地，将衍射光栅替换为参考光栅和测量光栅，经第一平面反射镜反射的线偏振光入射至参考光栅，经第二平面反射镜反射的线偏振光入射至测量光栅。与现有技术相比，本专利技术能够实现大行程直线度的测量，其中沿光栅运动方向的位移量测量采用的是±1级衍射光的干涉测量，可实现单次衍射四倍光学细分的位移测量；在满足测量方案的同时，衍射光栅可分离为固定式结构，一个为测量光栅，一个为参考光栅，也可实现本专利技术的单次衍射四倍光学细分的位移测量；采用直角棱镜或角锥棱镜，可实现八倍光学细分的位移测量。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的零差一维光栅位移测量装置的原理示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的产生第一干涉信号的光路原理示意图；图3是根据本专利技术一个实施例的产生第二干涉信号的光路原理示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的分离零差一维光栅位移测量的原理示意图；图5是根据本专利技术一个实施例的实现八倍光学细分的原理示意图。其中的附图标记包括：单频激光器1、第一偏振分光棱镜2、第一平面反射镜301、第二平面反射镜302、第三平面反射镜303、第四平面反射镜304、第五平面反射镜305、第六平面反射镜306、第一1/4波片4、分光棱镜5、第一信号接收单元6、1/2波片601、第二偏振分光棱镜602、第一光电探测器603、第二光电探测器604、第三光电探测器605、第四光电探测器606、第二信号接收单元7、第二1/4波片701、第三偏振分光棱镜702、第五光电探测器703、第六光电探测器704、第七光电探测器705、第八光电探测器706、衍射光栅801、测量光栅802、参考光栅803、直角棱镜9。具体实施方式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，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：单频激光器、第一偏振分光棱镜、分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一1/4波片、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，其中，所述第一偏振分光棱镜设置在所述单频激光器的出射方向上，所述第一平面反射镜与所述第四平面反射镜对称设置在所述第一偏振分光棱镜的反射方向和透射方向上，所述第一1/4波片设置在所述第一平面反射镜与所述第四平面反射镜的反射方向上，所述第一信号接收单元与所述第二信号接收单元对称设置在所述分光棱镜的反射方向和透射方向上；以及，/n所述单频激光器发出一束固定频率为f的线偏振光入射至所述第一偏振分光棱镜进行分光，一束反射至所述第一平面反射镜，经所述第一平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经所述衍射光栅衍射生成包括±1级衍射光的第一衍射光，分别经所述第二平面反射镜和所述第三平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再经所述第一平面反射镜反射至所述第一偏振分光棱镜，再透射至所述分光棱镜；另一束透射至所述第四平面反射镜，经所述第四平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再垂直入射至所述衍射光栅，经所述衍射光栅衍射产生包括±1级衍射光的第二衍射光，分别经所述第五平面反射镜和所述第六平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再经所述第二平面反射镜反射至所述第一偏振分光棱镜，再反射到所述分光棱镜；/n第一衍射光的+1级衍射光与所述第二衍射光的-1级衍射光发生干涉形成第一干涉光，所述第一干涉光经所述分光棱镜分为两束，一束反射进入所述第一信号接收单元，另一束透射进入所述第二信号接收单元；/n所述第一衍射光的-1级衍射光与所述第二衍射光的+1级衍射光发生干涉形成第二干涉光，所述第二干涉光经所述分光棱镜分为两束，一束反射进入所述第一信号接收单元，另一束透射进入所述第二信号接收单元；/n所述信号处理系统用于对所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元接收到的干涉信号进行差分处理，实现对所述衍射光栅的单次衍射四倍光学细分的位移测量。/n...
【技术特征摘要】
1.一种零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：单频激光器、第一偏振分光棱镜、分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一1/4波片、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，其中，所述第一偏振分光棱镜设置在所述单频激光器的出射方向上，所述第一平面反射镜与所述第四平面反射镜对称设置在所述第一偏振分光棱镜的反射方向和透射方向上，所述第一1/4波片设置在所述第一平面反射镜与所述第四平面反射镜的反射方向上，所述第一信号接收单元与所述第二信号接收单元对称设置在所述分光棱镜的反射方向和透射方向上；以及，
所述单频激光器发出一束固定频率为f的线偏振光入射至所述第一偏振分光棱镜进行分光，一束反射至所述第一平面反射镜，经所述第一平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经所述衍射光栅衍射生成包括±1级衍射光的第一衍射光，分别经所述第二平面反射镜和所述第三平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再经所述第一平面反射镜反射至所述第一偏振分光棱镜，再透射至所述分光棱镜；另一束透射至所述第四平面反射镜，经所述第四平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再垂直入射至所述衍射光栅，经所述衍射光栅衍射产生包括±1级衍射光的第二衍射光，分别经所述第五平面反射镜和所述第六平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再经所述第二平面反射镜反射至所述第一偏振分光棱镜，再反射到所述分光棱镜；
第一衍射光的+1级衍射光与所述第二衍射光的-1级衍射光发生干涉形成第一干涉光，所述第一干涉光经所述分光棱镜分为两束，一束反射进入所述第一信号接收单元，另一束透射进入所述第二信号接收单元；
所述第一衍射光的-1级衍射光与所述第二衍射光的+1级衍射光发生干涉形成第二干涉光，所述第二干涉光经所述分光棱镜分为两束，一束反射进入所述第一信号接收单元，另一束透射进入所述第二信号接收单元；
所述信号处理系统用于对所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元接收到的干涉信号进行差分处理，实现对所述衍射光栅的单次衍射四倍光学细分的位移测量。
2.如权利要求1所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一信号接收单元包括1/2波片、第二偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光...
【专利技术属性】
技术研发人员：吉日嘎兰图，尹云飞，李文昊，刘兆武，王玮，
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
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