外差一维光栅位移测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种外差一维光栅位移测量装置，采用上下对称的结构分布，消除测量装置在光程上所引入影响；利用双频激光器发出的两束正交的线偏振光，其中频率为f

【技术实现步骤摘要】
外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倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置。
技术介绍
光学测量法在如今的国际世界得到广泛应用，其中最常见的是激光测量和光栅测量，为了追求测量的精度、测量的多维度、降低成本和小型化设计而引入的光栅，正好可以满足测量需求，光栅刻槽的平均作用可弱化环境影响，高刻划精度光栅的栅线数可提高测量系统分辨力。而基于一维光栅的二维位移测量在国内外很多学者进行探究，可并没有一个最佳的办法来直接的探测。Hsu研究团队对日本学者Lee提出的外差式光栅位移测量装置进行改进，制作出灵敏度优于1.5pm的二维外差式光栅和在3nm到2.5mm范围内最优灵敏度可达1pm的全息衍射光栅位移测量装置，可引入的Z轴向测量为自身的衍射光进行检测。现如今，普遍采用引入角锥棱镜和直角棱镜的方式进行二次衍射，可进行衍射对称分布，这必会引入衍射所带来的误差，此误差由对称分布的1级衍射光经过角锥棱镜反射，再一次入射至衍射光栅产生的2级衍射光的0级衍射光所产生，因为垂直入射垂直出射的原因，此误差在水平方向上不可避免。因此，亟需一种在实现单次衍射实现四倍光学细分的同时，消除杂散光的测量装置。
技术实现思路
本专利技术旨在克服现有技术存在的缺陷，提出以一种对称式4倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置，相对于现有技术，本专利技术在实现单次衍射4倍光学细分的同时，可消除杂散光对测量系统的影响。具体地，本专利技术提供的外差一维光栅位移测量装置，包括：双频激光器、偏振分光棱镜、第一转折单元、第二转折单元、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，偏振分光棱镜设置在双频激光器的出射方向上，第一转折单元与第二转折单元沿偏振分光棱镜的反射方向和透射方向对称设置；其中，双频激光器发出两束正交的频率分别为f1和f2的线偏振光，频率为f1的线偏振光经偏振分光棱镜反射至第一转折单元，再经过第一转折单元垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f1的±1级衍射光分别经第一转折单元入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射分别进入第一信号接收单元和第二信号接收单元；频率为f2的线偏振光经偏振分光棱镜反射至第二转折单元，再经过第二转折单元垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f2的±1级衍射光分别经第二转折单元入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射分别进入第一信号接收单元和第二信号接收单元；频率为f1的+1级衍射光与频率为f2的-1级衍射光在第一信号接收单元内干涉形成f1-f2的频率信号，频率为f1的-1级衍射光与频率为f2的-级衍射光在第二信号接收单元内干涉形成f1-f2的频率信号；信号处理系统对第一信号接收单元和第二信号接收单元接收到的频率信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。优选地，第一转折单元包括第一平面反射镜、第一折转元件、第二折转元件和第一四分之一波片；其中，频率为f1的线偏振光经第一平面反射镜、第一四分之一波片垂直入射至衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经第一折转元件、第一四分之一波片、第一平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射至第一信号接收单元；-1级衍射光依次经第二折转元件、第一四分之一波片、第一平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射至第二信号接收单元。优选地，第二转折单元包括第二平面反射镜、第三折转元件、第四折转元件和第二四分之一波片；其中，频率为f2的线偏振光经第二平面反射镜、第二四分之一波片垂直入射至衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经第三折转元件、第二四分之一波片、第二平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射至第二信号接收单元；-1级衍射光依次经第四折转元件、第一四分之一波片、第二平面反射镜入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射至第一信号接收单元。优选地，第一折转元件、第二折转元件、第三折转元件和第四折转元件均为双一维透射光栅、平面反射镜、角锥棱镜、直角棱镜或聚光透镜。优选地，第一信号接收单元包括第一光电接收器和第三四分之一波片，频率为f2的-1级衍射光和频率为f1的+1级衍射光分别经第三四分之一波片进入第一光电接收器。优选地，第二信号接收单元包括第二一光电接收器和第四四分之一波片，频率为f2的+1级衍射光和频率为f1的-1级衍射光分别经第四四分之一波片进入第二光电接收器。优选地，当衍射光栅沿光栅矢量方向移动时，频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成f1-f2-2Δf的多普勒频移信号，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成f1-f2+2Δf的多普勒频移信号，信号处理系统对f1-f2-2Δf的多普勒频移信号与f1-f2+2Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。优选地，将衍射光栅替换为参考光栅和测量光栅，当测量光栅沿光栅矢量方向运动时，频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成f1-f2-Δf的多普勒频移信号，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成f1-f2+Δf的多普勒频移信号，信号处理系统对f1-f2-Δf的多普勒频移信号与f1-f2+Δf的多普勒频移信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。与现有技术相比，本专利技术采用上下对称的结构分布，消除测量系统在光程上所引入影响；利用双频激光器发出的两束正交的线偏振光，其中频率为f1的-1级衍射光和频率为f2的+1级衍射光干涉形成-2Δf的多普勒频移，频率为f1的+1级衍射光和频率为f2的-1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，信号处理系统对信号进行差分处理，可实现单次衍射的四倍光学细分；也可以采用直角棱镜或角锥棱镜实现八倍的光学细分，同时利用空间上结构微小差异来消除杂光影响，实现位移测量装置高分辨率的目的；并且分析各个器件对系统影响的最优方式，实现位移测量装置的精度。附图说明图1是根据本专利技术一个实施例的外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第一干涉信号产生的光路原理示意图；图3是根据本专利技术一个实施例的第二干涉信号产生的光路原理示意图；图4是根据本专利技术一个实施例的分离外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分离外差的第一干涉信号产生的光路原理示意图；图6是根据本专利技术一个实施例的分离外差的第二干涉信号产生的光路原理示意图；图7是根据本专利技术一个实施例的双一维透射光栅的结构示意图；图8是根据本专利技术一个实施例的聚光透镜的结构示意图；图9是根据本专利技术一个实施例的直角棱镜的结构示意图；图10是根据本专利技术一个实施例的平面反射镜的结构示意图。其中的附图标记包括：双频激光器1、偏振分光棱镜2、第一转折单元3、第一平面反射镜301、第一折转元件302、第二折转元件303、第一四分之一波片304、第二转折单元4、第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：双频激光器、偏振分光棱镜、第一转折单元、第二转折单元、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，所述偏振分光棱镜设置在所述双频激光器的出射方向上，所述第一转折单元与所述第二转折单元沿所述偏振分光棱镜的反射方向和透射方向对称设置；其中，/n所述双频激光器发出两束正交的频率分别为f

【技术特征摘要】
1.一种外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：双频激光器、偏振分光棱镜、第一转折单元、第二转折单元、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，所述偏振分光棱镜设置在所述双频激光器的出射方向上，所述第一转折单元与所述第二转折单元沿所述偏振分光棱镜的反射方向和透射方向对称设置；其中，
所述双频激光器发出两束正交的频率分别为f1和f2的线偏振光，频率为f1的线偏振光经所述偏振分光棱镜反射至所述第一转折单元，再经过所述第一转折单元垂直入射至衍射光栅，经所述衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f1的±1级衍射光分别经所述第一转折单元入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜透射分别进入所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元；频率为f2的线偏振光经所述偏振分光棱镜反射至所述第二转折单元，再经过所述第二转折单元垂直入射至所述衍射光栅，经所述衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f2的±1级衍射光分别经所述第二转折单元入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜反射分别进入所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元；
频率为f1的+1级衍射光与频率为f2的-1级衍射光在所述第一信号接收单元内干涉形成f1-f2的频率信号，频率为f1的-1级衍射光与频率为f2的-级衍射光在所述第二信号接收单元内干涉形成f1-f2的频率信号；
信号处理系统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频率信号进行差分计算，实现所述衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。


2.如权利要求1所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一转折单元包括第一平面反射镜、第一折转元件、第二折转元件和第一四分之一波片；其中，频率为f1的线偏振光经所述第一平面反射镜、所述第一四分之一波片垂直入射至所述衍射光栅，衍射出±1级衍射光，+1级衍射光依次经所述第一折转元件、所述第一四分之一波片、所述第一平面反射镜入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜透射至所述第一信号接收单元；-1级衍射光依次经所述第二折转元件、所述第一四分之一波片、所述第一平面反射镜入射至所述偏振分光棱镜，经所述偏振分光棱镜透射至所述第二信号接收单元。


3.如权利要求2所述的外差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第二转折单元包括第二平面反射镜、第三折转元件、第四折转元件和第二四分之一波片；其中，频率为f2...

【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，刘林，白宇，
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