一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统技术方案

本发明专利技术涉及一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，所述自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，所述相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，所述相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。与现有技术相比，本发明专利技术克服了位移测量溯源难度大和光栅刻线密度低的缺点，其直接溯源的测量途径具有位移测量准确性高、鲁棒性强的优势。强的优势。强的优势。

【技术实现步骤摘要】
一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统


[0001]本专利技术涉及精密位移测量领域，尤其是涉及一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统。

技术介绍

[0002]精密及超精密测量技术是现代加工及制造领域的基础，其量程和精度决定着制造的尺寸和精度。进入21世纪以后，集成电路、半导体制造等领域发展迅速，高尖端精密制造水平代表着一个国家装备制造以及现代工业生产水平。
[0003]随着人们对纳米测量领域的探究不断深入，衍生出了各种不同的精密位移测量方法。其中由于激光干涉仪和光栅干涉仪具有大量程、高精度、测量速度快的特点，被广泛应用于各个生产领域的制造产业当中。激光干涉仪以激光的波长作为测量基准，具有非接触、量程大、精度高的特点，被应用于各式机械结构定位中。由于激光干涉仪的位移测量原理，其对波长的稳定性要求非常高，波长的干扰将直接影响到测量的精度。当测量环境中的温度、湿度、气体浓度发生变化时波长也会随之改变，且在测量的过程中读数头与待测物之间的距离会发生改变，进一步增加了波长对环境的敏感程度。这一缺点限制了激光干涉仪的应用范围，在一般的环境下无法发挥激光干涉仪高精度的测量能力。
[0004]而光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距作为测量基准，相比于单纯以波长作为基准的激光干涉仪，以光栅周期为基准的光栅位移测量系统对环境的敏感程度低，并且当光束入射到光栅表面时会发生衍射效应，光栅周期性的结构起到了平均的作用。此外，光栅干涉仪的读数头内部设计简单紧凑、光路对称，可以做到读数头与光栅之间的距离达到毫米量级，不会随着待测物移动而发生改变，进一步降低了环境对光栅位移系统测量精度的影响。随着技术的发展，光栅的制造水平进一步提高，这使得以光栅栅距作为测量基准的系统应用越来越广泛。
[0005]传统的光栅位移系统是利用莫尔条纹的原理制备而成，由于光栅的测量分辨力与光栅周期直接相关，所以当光栅的周期减小时，衍射现象会越明显，直接影响到莫尔条纹的信号，使得测量精度降低。当光栅刻线密度达到一定数量时，采用衍射式光栅干涉位移测量技术的方法即可提升光栅的测量精度，从而实现高分辨率、高精度的位移测量。衍射式光栅位移测量系统主要存在以下关键问题：1.光栅周期的准确性、一致性受限于工业光栅制造的工艺水平。传统的光栅干涉仪中使用的衍射光学元件通常为普通光栅，比如全息光栅或者线划光栅，这类光栅受其制备工艺的限制，无法保证工艺中的每一环节都达到具有高精度以及重复性的定位，其光栅周期误差较大，通常在1nm以上，这使得所制造的光栅周期具有不一致性，如果将周期不确定度大的光栅应用于位移测量系统当中，会使得以光栅周期作为测量基准的位移测量系统准确性大幅度降低。2.高刻线光栅的制造工艺复杂，制造困难。由于光栅的刻线密度直接影响了衍射光栅位移测量的分辨率，且随着刻线密度的增加，所制备的光栅面型和刻线质量也无法得到改正，因此，提出一种可以重复制备且能保证光栅周期严格准确的高刻线密度光栅是提高光栅位移测量系统精确度的关键。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了提供一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，克服了现有位移测量结果无法溯源，且刻线密度低的问题，提高了精密位移测量的可信程度。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，所述自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，所述相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，所述相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。
[0009]进一步地，所述相干光源与光电探测模块自由空间连接或通过光纤连接。
[0010]进一步地，所述光电探测模块包括衍射光生成单元和信号接收单元，其中，所述衍射光生成单元包括第一波片、第一偏振分光棱镜、第二波片、第三波片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一波片接收的激光经第一偏振分光棱镜等比例分解为垂直偏振光和水平偏振光，垂直偏振光依次经第三波片和第一平面反射镜后以Littrow角入射至自溯源光栅发生衍射，水平偏振光依次经第二波片和第二平面反射镜后以Littrow角入射至自溯源光栅发生衍射，两束衍射光分别沿原光路返回，合束后一同射入信号接收单元。
[0011]进一步地，所述第一波片为二分之一波片，使入射激光的偏振方向与入射平面呈45
°
，所述第二波片和第三波片为四分之一波片，快轴与光入射平面呈45
°
。
[0012]进一步地，所述信号接收单元包括非偏振分光平片、第四波片、第五波片和两组探测子单元，每组探测子单元分别与所述第四波片和第五波片对应设置，经非偏振分光平片的衍射光被非偏振的以光强等比例的条件分为两路，一路依次射入第四波片和一组探测子单元，另一路依次射入第五波片和另一组探测子单元，所述探测子单元与信号处理模块连接。
[0013]进一步地，所述第四波片为四分之一波片，快轴与光入射平面成45
°
，所述第五波片为二分之一波片，快轴与光入射平面成22.5
°
。
[0014]进一步地，所述探测子单元包括第二偏振分光棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别对应接收经所述第二偏振分光棱镜等比例分解的垂直偏振光和水平偏振光，形成干涉信号。
[0015]进一步地，所述信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向具体为：
[0016]获取干涉信号的光强，基于关系式获得自溯源光栅所在光栅平面的一维运动距离x，其中，I为干涉信号的光强，d为自溯源光栅(3)的周期；通过相位解包裹、反正切的方法求解每一路干涉信号的相位信息，以判断运动的正负方向。
[0017]进一步地，所述自溯源光栅由原子光刻技术在真空环境下将金属材料加热升华至气体状态并以泻流方式引出金属原子束制备得到。
[0018]进一步地，所述相干光源的激光波长小于2倍自溯源光栅的周期。
[0019]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0020]1、本专利技术采用自溯源光栅形成干涉信号以得到位移测量结果，具有溯源于自然界常数的特性，自溯源型光栅干涉仪不仅具备与现有光栅干涉仪相比同等的测量测量速度和
分辨力，而且克服了现有的光栅干涉仪中位移测量结果无法溯源，且刻线密度低的问题，提高了精密位移测量的可信程度；
[0021]2、自溯源光栅刻线密度高，提高了光学细分下位移测量分辨能力；
[0022]3、自溯源光栅结构稳定，面型均匀，制造一致性高，位移测量可以广泛的应用于各种环境；
[0023]4、本专利技术通过光电探测模块波片的设置，改变衍射光的偏振态，能够获得有效的干涉信号，从而提高位移测量的准确度。
附图说明
[0024]图1为本专利技术的结构示意图；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，包括相干光源(1)、光电探测模块(2)、自溯源光栅(3)和信号处理模块(5)，所述自溯源光栅(3)设置于待测的位移运动平台(4)上，所述相干光源(1)、光电探测模块(2)和信号处理模块(5)依次连接，所述相干光源(1)产生的激光经光电探测模块(2)传播后，入射至自溯源光栅(3)，与自溯源光栅(3)发生衍射作用，返回至光电探测模块(2)中继续传播，进入信号处理模块(5)，信号处理模块(5)采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。2.根据权利要求1所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述相干光源(1)与光电探测模块(2)自由空间连接或通过光纤连接。3.根据权利要求1所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述光电探测模块(2)包括衍射光生成单元和信号接收单元，其中，所述衍射光生成单元包括第一波片(201)、第一偏振分光棱镜(202)、第二波片(203)、第三波片(204)、第一平面反射镜(205)和第二平面反射镜(206)，所述第一波片(201)接收的激光经第一偏振分光棱镜(202)等比例分解为垂直偏振光和水平偏振光，垂直偏振光依次经第三波片(204)和第一平面反射镜(205)后以Littrow角入射至自溯源光栅(3)发生衍射，水平偏振光依次经第二波片(203)和第二平面反射镜(206)后以Littrow角入射至自溯源光栅(3)发生衍射，两束衍射光分别沿原光路返回，合束后一同射入信号接收单元。4.根据权利要求3所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述第一波片(201)为二分之一波片，使入射激光的偏振方向与入射平面呈45
°
，所述第二波片(203)和第三波片(204)为四分之一波片，快轴与光入射平面呈45
°
。5.根据权利要求3所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓晓，程鑫彬，林子超，顾振杰，姚玉林，李同保，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：