光栅栅距测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术光栅栅距测量装置及方法涉及光栅检测领域，解决了人为操作对精度的影响，和高精度检测时系统的复杂程度的问题。利用光栅衍射干涉原理结合光栅相移定理解决以上问题，采用对称结构的Littrow衍射光相干涉，当光栅移动一个栅距时，其衍射光的相位变化一个周期，对称结构的Littrow衍射光干涉相位变化两个周期，利用差频相位检测原理和高倍的电子细分技术检测衍射光干涉相位变化，再利用双频激光测距系统检测光栅移动距离，通过高精度二维工作台的快速扫描可以对不同刻线密度光栅栅距进行高精度检测。行高精度检测。行高精度检测。

【技术实现步骤摘要】
光栅栅距测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及光栅检测领域，具体涉及一种光栅栅距测量装置及方法。

技术介绍

[0002]衍射光栅是一种可对光波的振幅或相位进行空间调制的周期性光学元件，具有分束、色散、偏振和相位匹配的性质，在光谱学、计量学等众多领域均有重要应用。光栅栅距是光栅重要性能指标之一，其标称精度和均匀性在光谱领域直接影响光谱光栅的光谱分辨率，在计量领域则会影响测量结果的准确性，需要进行光栅距离测量。
[0003]原子力显微镜AFM、扫描电子显微镜SEM等可以对光栅栅距进行检测，但显微镜更重要的作用是对光栅槽型进行采样观测，扫描成像的方式检测效率低、数据量大，不可能对光栅进行全幅面的检测，并且其检测精度很大程度上取决于操作者的数量程度；利用衍射角度计算是最常用的方法，一般是采用CCD或者光斑探测器对衍射光斑进行定位，通过电动旋转台带动光栅转动，测量入射光和衍射光角度，代入光栅方程sin(α)+sin(β)＝mλ/d计算光栅栅距，而此方法栅距测量精度直接取决于角度测量精度，高精度的角度测量需要高精度转台和足够长的测量臂，增加了系统复杂程度；莫尔条纹法是随着光栅尺的发展衍生出的一种光栅栅距测量方法，是利用两块栅距相同或相近的光栅叠合时产生的莫尔条纹效应，利用光电元件接收、计数、显示两光栅相对位移计算光栅栅距，此方法一方面只能针对特定的光栅栅距进行检测，检测不同栅距的光栅需要更换不同栅距的副光栅，另一方面对于高刻线密度光栅，衍射现象会影响到几何莫尔条纹信号，对于高刻线密度光栅的栅距检测，莫尔条纹法便不再适用。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术提供了一种光栅栅距测量装置及方法，解决了人为操作对精度的影响，和高精度检测时系统的复杂程度的问题。
[0005]本专利技术解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0006]光栅栅距测量装置，该装置包括：工作台、双频激光光源、第一半反半透镜、第一反射镜组、双频测距干涉仪、测量镜、偏振分束片、第二反射镜组、第三反射镜组、第二半反半透镜和接收器；待测光栅和测量镜设置在所述工作台上，且待测光栅和测量镜之间的相对位置固定；所述双频激光光源发出重合的，偏振方向正交的两束双频激光，经过第一半反半透镜分光，透射光通过第一反射镜组反射，入射到双频测距干涉仪中，测量待测光栅与测量镜之间的相对位移；反射光经由偏振分束片后偏振光P光透射，偏振光S光反射；所述P光经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组不再考虑，反射光入射至第三反射镜组，反射入射到第二半反半透镜反射光入射到接收器；所述S光经过第三反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第三反射镜组，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，反射入射到第二半反半透镜反射光入射到接收器。
[0007]优选的，所述工作台为x
‑
y平面二维运动工作台。
[0008]优选的，所述待测光栅的刻线方向与工作台的运动方向垂直。
[0009]优选的，所述第一反射镜组包括：第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；所述第一半反半透镜将透射光依次传递至第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜后，入射进入双频测距干涉仪。
[0010]优选的，所述第二反射镜组和第三反射镜组分别包括多个反射镜和一个光学导轨。
[0011]光栅栅距测量装置的测量方法，该方法包括如下步骤：
[0012]步骤一：当被测光栅以速度V运动时，测量光束发生Δf的频移：
[0013][0014]式中，V是被测物体运动速度，C为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；
[0015]步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
l
：
[0016][0017]式中，K为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量的时间。
[0018]步骤三：当被测物以速度V沿x方向运动时，测量光束发生Δf的频移：
[0019][0020]式中，V是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光P光的反射光频移Δf
1,0
＝0，偏振光S光的衍射光频移Δf
2,
‑1＝
‑
nV/d。
[0021]步骤四：所述接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
g
：
[0022][0023]步骤五：结合步骤二和步骤四，得到则光栅栅距为式中，λ是激光波长。
[0024]优选的，该装置还包括：两个四分之一波片；所述P光入射到第一四分之一波片后变成右旋光，经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组，经过第一四分之一波片透射后变成S偏振光，反射光入射至第三反射镜组不再考虑，所述S偏振光入射到所述偏振分束片和反射镜反射后入射到接收器；所述S光入射到第二四分之一波片后变成左旋光，经过第三反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光满足利特罗条件自准直衍射原路返回第三反射镜组，经过第二四分之一波片透射后变成P偏振光，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，所述P偏振光入射到所述偏振分束片透射和反射镜反射后入射到接收器。
[0025]优选的，光栅栅距测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0026]步骤一：当被测光栅以速度V运动时，测量光束发生Δf的频移：
[0027][0028]式中，V是被测物体运动速度，C为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；
[0029]步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
l
：
[0030][0031]式中，K为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量的时间。
[0032]步骤三：当被测物以速度V沿x方向运动时，测量光束发生Δf的频移：
[0033][0034]式中，V是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光P光的衍射光频移Δf
1,1
＝nV/d，偏振光S光的衍射光频移Δf
2,
‑1＝
‑
nV/d。
[0035]步骤四：所述接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
g
：
[0036][0037]步骤五：结合步骤二和步骤四，得到则光栅栅距为
[0038][0039]优选的，该装置还包括：两个二分之一波片、第二偏振分束片和第二接收器；所述P光经第一二分之一波片后顺时针旋转45
°
；旋转后的所述P光入射到第一四分之一波片后变成右旋光，经过第二本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.光栅栅距测量装置，其特征在于，该装置包括：工作台、双频激光光源、第一半反半透镜、第一反射镜组、双频测距干涉仪、测量镜、偏振分束片、第二反射镜组、第三反射镜组、第二半反半透镜和接收器；待测光栅和测量镜放置在所述工作台上，且待测光栅和测量镜之间的相对位置固定；所述双频激光光源发出重合的，偏振方向正交的两束双频激光，经过第一半反半透镜分光，透射光通过第一反射镜组反射，入射到双频测距干涉仪中，测量待测光栅与测量镜之间的相对位移；反射光经由偏振分束片后偏振光P光透射，偏振光S光反射；所述P光经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经待测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组不再考虑，反射光入射至第三反射镜组，反射光入射到第二半反半透镜后反射入射到接收器；所述S光经过第三反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第三反射镜组，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，衍射光入射到第二半反半透镜后反射入射到接收器。2.根据权利要求1所述的光栅栅距测量装置，其特征在于，所述工作台为x
‑
y平面二维运动工作台。3.根据权利要求1所述的光栅栅距测量装置，其特征在于，所述待测光栅的刻线方向与工作台的运动方向垂直。4.根据权利要求1所述的光栅栅距测量装置，其特征在于，所述第一反射镜组包括：第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；所述第一半反半透镜将透射光依次传递至第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜后，入射进入双频测距干涉仪。5.根据权利要求1所述的光栅栅距测量装置，其特征在于，所述第二反射镜组和第三反射镜组分别包括多个反射镜和一个光学导轨。6.基于权利要求1
‑
5任一项所述的光栅栅距测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：当被测光栅以速度V运动时，测量光束发生Δf的频移：式中，V是被测物体运动速度，C为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
l
：式中，K为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量的时间。步骤三：当被测物以速度V沿x方向运动时，测量光束发生Δf的频移：式中，V是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光P光的反射光频移Δf
1,0
＝0，偏振光S光的衍射光频移Δf
2,
‑1＝
‑
nV/d。步骤四：所述接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
g
：
步骤五：结合步骤二和步骤四，得到则光栅栅距为式中，λ是激光波长。7.根据权利要求1
‑
5所述的光栅栅距测量装置，其特征在于，该装置还包括：两个四分之一波片；所述P光入射到第一四分之一波片后变成右旋光，经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组，经过第一四分之一波片透射后变成S偏振光，反射光入射至第三反射镜组不再考虑，所述S偏振光入射到所述偏振分束片和反射镜反射后入射到接收器；所述S光入射到第二四分之一波片后变成左旋光，经过第三反射镜组入射到待测光栅后，经待测光栅衍射和反射分为两束，衍射光满足利特罗条件自准直衍射原路返回第三反射镜组，经过第二四分之一波片透射后变成P偏振光，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，所述P偏振光入射到所述偏振分束片透射并经反射镜反射后入射到接收器。8.基于权利要求7所述的光栅栅距测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：步骤一：当被测光栅以速度V运动时，测量光束发生Δf的频移：式中，V是被测物体运动速度，C为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数N
l
：式中，K为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量时间。步骤三：当被测物以速度V沿x方向运动时，测量光束发生Δf的频移：式中，V是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光P光的衍...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘兆武，姜岩秀，孙宇佳，刘林，李文昊，姜珊，王玮，张桐，于硕，
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：