技术领域：
：本发明涉及激光精密测量
技术领域：
：，尤其涉及一种基于双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法。
背景技术：
：：精密导轨运动副是现代精密工程的关键共性运动部件，广泛应用于同步辐射、数控机床、航天军工等高科
技术领域：
：。所有导轨运动副都存在3个自由度的转角误差即俯仰角、偏摆角和滚转角。滚转角测量是误差补偿、精度改善的前提和基础，也是精密基准计量和几何量测量的关键技术之一。相对于前两者，现有滚转角测量方法或仪器难以满足高精度的测量需求，如同步辐射面形检测中导轨滚转角要求2″范围内精度好于0.2″,主要是因为滚转的角位移垂直于导轨运动方向,造成双频激光干涉仪/自准直仪等高精度成熟测角仪无法直接用于滚转角测量。目前，针对滚转角测量难题，主要研究探索集中在如下几方面：第一，激光干涉法。R.R.Baldwin的美国专利US3790284提出了一种双渥拉斯顿棱镜的干涉方法，但反射镜和双渥拉斯顿棱镜的装调对齐要求高且成本较高，所以限制了其应用推广；W.Hou的美国专利US2010/0141957和中国专利公开号为CN101650166A在此基础上提出了一种滚转角干涉测量系统，利用楔形棱镜代替渥拉斯顿棱镜作为传感元件随待测对象一起运动，这降低了成本但却增加了相位计使系统结构复杂了，且仍严格要求光斑与楔形棱镜中心对称，这在滚转中心非恒定的测量场合难以应用；R.J.Chaney的美国专利US5056921也提出一种多光束的平面镜干涉仪法，由于平面镜贯穿整个线性运动的行程，所以较长且高精度的平面反射镜是技术实现的瓶颈。第二，自准直与PSD结合的方法。WeiGao等人的“Measurementandcontrolofrollingofaprecisionmovingtable”(ProceedingsoftheIEEEInternationalconferenceonintelligentprocessingsystems,1997,28-31:70-74)提出一种基于激光自准直和PSD结合的方法，利用两个差动式PSD探测器，实现滚转角测量，该方法对平面反射镜的表面质量提出了较高的要求，且其易受温度、应力变形等因素的影响，从而降低了测量可靠性；匡萃方等的中国专利公开号为CN101846506A《基于共路平行光线的滚转角测量方法》基于激光自准直原理采用对称光路提高灵敏度，通过测量反射后的光斑位置信息，获得滚转角测量值，共光路结构虽然提高了抗干扰性，但该方法结构相对复杂，增加调节难度，且易受直线度影响。第三，基于偏振特性的光强法。章恩耀等人的中国专利公开号为CN1396435A《基于正交双偏振光的滚转角光电检测方法及装置》揭示了采用相位差为180°的两列方法，分别调制光路中的两个半导体激光器产生两束分时交替的正交偏振光，经检偏器后产生光强差值，从而得到滚转角的值；匡萃方等的中国专利公开号为CN1687701A《一种滚转角测量方法与装置》公开了以1/4波片为传感元件，由渥拉斯顿棱镜分光，通过多象限探测器探测两光强差即电压差而实现滚转角测量的方法；史恩秀等人的中国专利公开号为CN101354243A《导轨滚转角的非接触激光检测方法》公开了以1/2波片为传感元件，通过偏振分光棱镜对线偏振光进行分光，探测两束的光强差的滚转角测量方法；冯其波等人的中国专利公开号为CN101339012A《一种基于光栅的滚转角测量方法与装置》揭示了一种将一维平面透射光栅作为传感元件进行分光，通过探测两光斑位置变化获得滚转角测量值。它对反射镜精度要求较高，且为非线性响应需标定；匡萃方等人的中国专利公开号为CN103162645A《一种基于椭偏度测量的滚转角误差测量方法》公开了以1/2波片为传感元件，利用线偏振光经1/4波片变为椭圆偏振光，通过光电探测器探测光强最大和最小值进行初始椭偏度计算得到实时滚转角信息。测量时检偏器的旋转寻找最大和最小光强值将影响效率和精度。该方法基于光强，易受环境、光源等因素影响，通常其分辨率受到限制。第四，基于偏振特性的相位法。殷纯永等人的中国专利公开号为CN1335483A《滚转角测量方法及其滚转角测量仪》公开了基于横向塞曼激光器，以1/4波片使正交偏振光发生微椭偏化，再以1/2波片作为传感元件，在非线性灵敏区内探测1/2波片引起的相位变化，通过相位计与参考信号进行相位差测量获得滚转角值，该方法虽具有较高灵敏度，但非线性区需要标定，影响测量精度；以及王昭等的中国专利公开号为CN102654392A《一种基于阵列式多次反射的滚转角测量装置及方法》和公开号为CN102818541A《一种高分辨率的滚转角测量装置及测量方法》提出基于多次反射的相位法达到提高分辨率的目的，并分别公开了基于阵列式和基于透镜式的两种多次反射器的测量光路及原理。该方法可实现高分辨率，但非线性响应曲线需要标定，降低了其精度，稳定性欠缺。因此，需要一种新的基于双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法。在所述
背景技术：
：部分公开的上述信息仅用于加强对本发明的背景的理解，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。技术实现要素：本发明提供一种基于双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置及方法，以提升衍射光的衍射效率。本发明的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本发明的实践而习得。根据本发明的一方面，提供一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括：激光源，用于提供激光束和参考信号，其中所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；双闪耀光栅单元，其包括第一闪耀光栅和第二闪耀光栅，其中所述第一闪耀光栅和所述第二闪耀光栅能够随待测对象一起运动；干涉单元，用于将所述激光束分为第一偏振光和所述第二偏振光，其设置于所述双闪耀光栅单元的一侧与所述激光源之间；以及回射单元，其设置于所述双闪耀光栅单元的另一侧；其中，所述第一偏振光入射至所述第一闪耀光栅，经所述第一闪耀光栅出射具有一衍射角的第一衍射光，并在其预设级光谱闪耀，所述第一衍射光入射至所述回射单元，经所述回射单元反向平行反射至所述第一闪耀光栅，经所述第一闪耀光栅出射第二衍射光，该第二衍射光回射至所述干涉单元生成第一测量光束；所述第二偏振光沿与所述第一偏振光相平行的方向入射至所述第二闪耀光栅，经所述第二闪耀光栅出射具有一衍射角的第三衍射光，并在其预设级光谱闪耀，所述第三衍射光入射至所述回射单元，经所述回射单元反向平行反射至所述第二闪耀光栅，经所述第二闪耀光栅出射第四衍射光，该第四衍射光回射至所述干涉单元生成第二测量光束；所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉生成测量信号，并根据所述测量信号和所述参考信号获得所述待测对象的滚转角。于一实施例中，其中所述第一闪耀光栅包括第一刻槽面和第一光栅面，所述第一偏振光垂直于所述第一光栅面入射至所述第一闪耀光栅，所述第二衍射光垂直于所述第一光栅面从所述第一闪耀光栅出射；所述第二闪耀光栅包括第二刻槽面和第二光栅面，所述第二偏振光垂直于所述第二光栅面入射至所述第二闪耀光栅，所述第四衍射光垂直于所述第二光栅面从所述第二闪耀光栅出射。于一实施例中，其中所述第一闪耀光栅和所述第二闪耀光栅设置于所述待测对象的滚转中心的两相对侧边或同一侧边。于一实施例中，其中所述预设级为+1级或-1级。于一实施例中，其中所述回射单元包括第一组合式反射镜和第二组合式反射镜，所述第一组合式反射镜设置于所述第一闪耀光栅的衍射光轴上，所述第二组合式反射镜设置于所述第二闪耀光栅的衍射光轴上。于一实施例中，其中所述回射单元包括第一反射棱镜和第二反射棱镜，所述第一反射棱镜设置于所述第一闪耀光栅的衍射光轴上，所述第二反射棱镜设置于所述第二闪耀光栅的衍射光轴上。于一实施例中，还包括：信号处理单元，其通过一预定算法计算所述滚转角。根据本发明的再一方面，提供一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括：激光源，用于提供激光束和参考信号，其中所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；偏振分光棱镜，用于将所述激光束分为第一偏振光和所述第二偏振光，其设置于所述激光源的光轴上；反射器，所述第二偏振光入射至所述反射器，其设置于所述偏振分光棱镜的反射光轴上；第一闪耀光栅，所述第一偏振光正入射至所述第一闪耀光栅，其设置于所述偏振分光棱镜的透射光轴上；第二闪耀光栅，所述第二偏振光经所述反射器反射后正入射至所述第二闪耀光栅，其设置于所述反射器的反射光轴上；第一回射子单元，其设置于所述第一闪耀光栅的衍射光轴上，用于将所述第一偏振光回射至所述第一闪耀光栅和所述偏振分光棱镜，生成第一测量光束；第二回射子单元，其设置于所述第二闪耀光栅的衍射光轴上，用于将所述第二偏振光回射至所述第二闪耀光栅和所述反射器、所述偏振分光棱镜，生成第二测量光束；其中所述激光源还包括接收孔，其用于接收所述第一测量光束和所述第二测量光束回射重合生成的测量信号，根据所述测量信号与所述参考信号获得所述滚转角的值。于一实施例中，其中所述反射器包括直角反射棱镜、平面反射镜和五角棱镜中的任意一种。于一实施例中，其中所述第一回射子单元和所述第二回射子单元为反射棱镜、组合式反射镜中的任意一种。根据本发明的另一方面，提供一种基于上述双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置的滚转角测量方法，包括：根据所述激光源发出的激光束的波长与所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的光栅常数，分别获得所述第一衍射光和所述第三衍射光的衍射角；当所述第一闪耀光栅和所述第二闪耀光栅因待测对象滚转而以预定速度运动时，根据所述预定速度、所述激光束的波长和所述衍射角分别获得所述第一测量光束和所述第二测量光束的频移量；根据所述第一测量光束和所述第二测量光束的频移量获得所述测量信号相对于所述参考信号的偏移量；根据所述测量信号相对于所述参考信号的偏移量和所述第一闪耀光栅和第二闪耀光栅的光栅常数获得所述双闪耀光栅的相对角位移；根据所述相对角位移和所述双闪耀光栅的相对滚转半径计算获得所述滚转角的值。于一实施例中，其中计算所述滚转角的值的公式为：α=sL=±d4L∫0TΔf·dt]]>其中，α为滚转角，T为计数时间周期，s为所述第一闪耀光栅和所述第二闪耀光栅的相对角位移，L为相对滚转半径，d为所述第一闪耀光栅和所述第二闪耀光栅的光栅常数，Δf为所述测量信号和所述参考信号的频率差。综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明通过采用双闪耀光栅将激光源发射的激光束衍射并发生在预定级光谱发生闪耀，可以极大的提高衍射光的衍射效率，降低光路调节的难度，改善接收信号的信噪比。附图说明此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。图1示意性示出根据本发明示例实施方式的一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置的三维结构示意图；图2为图1的左视图及滚转平面的线性运动示意图；图3为图1的俯视图；图4是闪耀光栅的+1级或-1级衍射级的闪耀示意图；图5示意性示出根据本发明示例实施方式的一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量方法的流程图。其中，附图标记说明如下：1-激光源；2-干涉单元；201-偏振分光棱镜；202-直角反射棱镜；3-双闪耀光栅单元；301-第一闪耀光栅；302-第二闪耀光栅；4-回射单元；401-第一组合式反射镜；402-第二组合式反射镜；5-滚转平面；α-待测滚转角；θ-光栅的±1级衍射角；D-Z向线性运动范围；H-第一组合式反射镜401和第二组合式反射镜402的长度；L-相对滚转半径；d-光栅常数；γ-闪耀光栅的闪耀角；V-光栅线速度。具体实施方式现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本发明将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本发明的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本发明的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、组元、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本发明的各方面变得模糊。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。于实施方式与申请专利范围中，除非文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或多个。图1所示的本发明示例实施方式的一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置的三维结构示意图。图2为图1的左视图及滚转平面的线性运动示意图。图3为图1的俯视图。图4是闪耀光栅的+1级或-1级衍射级的闪耀示意图。参照图1、图2和图3，该滚转角测量装置包括：激光源1，用于提供激光束和参考信号，其中所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量(如图1中光路上的箭头所示)，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；双闪耀光栅单元3作为传感元件，其包括第一闪耀光栅301和第二闪耀光栅302，其中所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302能够随待测对象(图1中以滚转平面5为示例性说明)一起运动；干涉单元2，用于将所述激光束分为第一偏振光和所述第二偏振光，其设置于所述双闪耀光栅单元3的一侧与所述激光源1之间；以及回射单元4，其设置于所述双闪耀光栅单元3的另一侧；其中，所述激光束经第一光路L11入射至所述干涉单元2，所述第一偏振光经第二光路L12入射至所述第一闪耀光栅301，经所述第一闪耀光栅301衍射沿第三光路L13出射具有一衍射角θ的第一衍射光，并在其预设级光谱闪耀，所述第一衍射光沿该第三光路L13入射至所述回射单元4，经所述回射单元4沿第四光路L14反向平行反射至所述第一闪耀光栅301，经所述第一闪耀光栅301出射第二衍射光，该第二衍射光经第五光路L15回射至所述干涉单元2生成第一测量光束；所述第二偏振光沿与所述第一偏振光相平行的方向即第七光路L22入射至所述第二闪耀光栅302，经所述第二闪耀光栅302出射具有一衍射角的第三衍射光，并在其预设级光谱闪耀，所述第三衍射光经第八光路L23入射至所述回射单元4，经所述回射单元4反向平行即第九光路L24反射至所述第二闪耀光栅302，经所述第二闪耀光栅302出射第四衍射光，该第四衍射光经第十光路L25回射至所述干涉单元2生成第二测量光束；所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉生成测量信号，并根据所述测量信号和所述参考信号获得所述待测对象的滚转角α。在本发明实施例中，闪耀光栅是指当光栅刻划成锯齿形的线槽断面时，光栅的光能量便集中在预定的方向上，即某一光谱级上。从这个方向探测时，光谱的强度最大，这种现象称为闪耀，这种光栅称为闪耀光栅。在这样刻成的闪耀光栅中，起衍射作用的槽面是个光滑的平面。最大光强度所对应的波长，称为闪耀波长。通过闪耀角的设计，可以使光栅适用于某一特定波段的某一级光谱。闪耀光栅的刻槽面与光栅面不平行，两者之间有一夹角(闪耀角)，从而使单个刻槽面(相当于单缝)衍射的中央极大和诸槽面间(缝间)干涉零级主极大分开，使光能量从干涉零级主极大，即零级光谱，转移并集中到某一级光谱上去，实现该级光谱的闪耀。光栅干涉主极大方向是以光栅面法线方向为其零级方向(图4中的m＝0)，而衍射的中央主极大方向(例如图4中的m＝1或-1)则是由刻槽面法线方向等其它因素决定的。参照图4，在示例性实施例中，所述双闪耀光栅单元3包括两个相同的闪耀光栅301和302，所述闪耀光栅的光栅常数均为d。例如，以其中所述第一闪耀光栅301为例进行说明，其包括第一刻槽面3011和第一光栅面3012，所述第一刻槽面3011和所述第一光栅面3012之间具有一闪耀角γ，所述第一偏振光垂直于所述第一光栅面3012入射至所述第一闪耀光栅301，所述第二衍射光垂直于所述第一光栅面3012从所述第一闪耀光栅301出射。例如，所述第一偏振光以相对于所述第一刻槽面3011的法线以入射角i、相对于所述第一光栅面3012垂直入射至所述第一闪耀光栅301，当i＝γ，所述第一闪耀光栅301在m＝0级光谱入射，m＝+1级或-1级光谱发生闪耀；同样的所述第二闪耀光栅302包括第二刻槽面和第二光栅面，所述第二偏振光垂直于所述第二光栅面入射至所述第二闪耀光栅302，所述第四衍射光垂直于所述第二光栅面从所述第二闪耀光栅302出射。需要说明的是，虽然本发明实施例以所述预设级为+1级或-1级为例进行说明，但并不以此为限，闪耀光栅的衍射由入射角i、衍射角θ及波长λ决定，闪耀光栅的干涉由闪耀角γ、入射角i及波长λ决定，可以根据具体系统设计需求而选择。在图1中，所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302设置于所述待测对象即滚转平面5的滚转中心的两相对侧边。更进一步的，所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302可以对称设置于所述待测对象即滚转平面5的滚转中心的两相对侧边且在同一平面。但本发明并不以此为限，例如所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302还可以设置于所述待测对象即滚转平面5的滚转中心的同一侧边。在本实施例中将所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302设置于滚转中心的两侧可以提高滚转角测量的精度。在图1中，所述滚转平面5在本实施例中为一圆板，但滚转平面5的形状并不限制于此，其还可以为矩形等其它任意形状。更进一步的，其他任意可以将所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302分开支撑起来并使所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302随之一起运动的装置皆开代替所述滚转平面5作为待测对象。在图1中，其中所述回射单元4包括第一组合式反射镜401和第二组合式反射镜402，所述第一组合式反射镜401设置于所述第一闪耀光栅301的预设级(例如，+1级或-1级)衍射光轴上，所述第二组合式反射镜402设置于所述第二闪耀光栅302的预设级(例如，+1级或-1级)衍射光轴上。更进一步地，所述第一组合式反射镜401和所述第二组合式反射镜402相同，它们均为两个长平面镜以90°夹角组合而成。例如，所述第一组合式反射镜401包括第一长平面镜4011和第二长平面镜4012及所述第一长平面镜4011和所述第二长平面镜4012垂直相交的第一公共棱4013；所述第二组合式反射镜402包括第三长平面镜4021和第四长平面镜4022及所述第三长平面镜4021和所述第四长平面镜4022垂直相交的第二公共棱4023。在图2中，所述第一衍射光垂直于所述第一组合式反射镜401的所述第一公共棱4013入射，所述第三衍射光垂直于所述第二组合式反射镜402的所述第二公共棱4023入射。在示例性实施例中，第一组合式反射镜401的第一公共棱4013平行于所述第一闪耀光栅的所述第一衍射光与所述第一偏振光入射至所述第一闪耀光栅的入射光组成的平面，并与所述第一衍射光垂直；所述第二组合式反射镜402的第二公共棱4023平行于所述第二闪耀光栅的所述第三衍射光与所述第二偏振光入射至所述第二闪耀光栅的入射光组成的平面，并与所述第三衍射光垂直。在示例性实施例中，所述第一组合式反射镜401的第一长平面镜4011和第二长平面镜4012的镜面与所述第一衍射光的夹角均为45°。但本发明并不以此为限，例如，所述第一衍射光入射所述第一长平面镜4011时，与所述第一长平面镜4011的镜面的夹角为30°，而所述第一衍射光经过反射后从所述第二长平面镜4012出射时，与所述第二长平面镜4012的镜面的夹角可以为60°，只要能够实现所述第一衍射光反向平行入射和出射的任意夹角均在本发明的保护范围之内。上述说明同样适用于所述第二组合式反射镜402，在此不再赘述。在示例性实施例中，所述第一组合式反射镜401反射沿所述第三光路L13入射的所述第一衍射光，使所述第一衍射光沿所述第四光路L14和所述第五光路L15回射至所述偏振分光棱镜201作为所述第一测量光束；所述第二组合式反射镜402反射沿所述第八光路L23入射的所述第三衍射光，使所述第三衍射光沿所述第九光路L24和所述第十光路L25回射至所述直角反射棱镜202，并经所述直角反射棱镜202沿与所述第六光路L21平行的第十一光路L26反射至所述偏振分光棱镜201作为所述第二测量光束。但本发明并不以此为限，例如所述回射单元4可以包括第一反射棱镜和第二反射棱镜，所述第一反射棱镜设置于所述第一闪耀光栅301的衍射光轴上，所述第二反射棱镜设置于所述第二闪耀光栅302的衍射光轴上。在示例性实施例中，可以选择双频激光测量头作为所述激光源1，并且于测量时双频激光测量头、干涉单元2和回射单元4均固定，为相对静止，仅双闪耀光栅单元3随着待测对象一起运动。在示例性实施例中，所述干涉单元2可以包括偏振分光器和反射器，所述偏振分光器设置于所述双闪耀光栅单元3的一侧与所述激光源1之间，并与所述第一光栅301相对应，所述反射器设置于所述双闪耀光栅单元3的一侧，并与所述偏振分光器和所述第二光栅302相对应。其中，所述反射器与偏振分光器相对，并位于所述偏振分光器的反射光轴上。在示例性实施例中，所述偏振分光器可为偏振分光棱镜201，所述反射器可为直角反射棱镜202。然而，所述偏振分光器和反射器并不局限于此，所述偏振分光器还可以为偏振分光片，所述反射器还可以为平面反射镜或五角棱镜等。在示例性实施例中，所述偏振分光棱镜201将所述激光束分为沿所述第二光路L12传送的所述第一偏振光和沿与所述第二光路L12相垂直的第六光路L21传送的所述第二偏振光；所述直角反射棱镜202使沿所述第六光路L21传送的第二偏振光反射，并沿所述第七光路L22入射至所述第二光栅302。在示例性实施例中，所述第一光路L11反向平行与所述第十二光路L27，所述第二光路L12反向平行与所述第五光路L15，所述第三光路L13反向平行与所述第四光路L14；所述第六光路L21反向平行与所述第十一光路L26，所述第七光路L22反向平行与所述第十光路L25，所述第八光路L23反向平行与所述第九光路L24。在示例性实施例中，所述滚转角测量装置还包括：信号处理单元，其通过一预定算法计算所述滚转角。其中所述信号处理单元可以集成于双频激光测量头中。在示例性实施例中，所述第一测量光束与所述第二测量光束重合发生干涉，回射到双频激光测量头的接收孔内被接收作为外差干涉的测量信号，与所述双频激光测量头所提供的参考信号进行差值，即获得待测对象滚转运动引起的第一测量光束和第二测量光束的多普勒频率变化差值Δf。通过以光栅常数d为长度计量基准的外差干涉测量数据处理方法，可获得双闪耀光栅的微小相对角位移s，根据相对角位移s与相对滚转半径L的几何关系α＝s/L可最终求得待测量滚转角α的值。然而，上述各元件的位置关系并不局限于此，任何可以实现上述实施例的所述光路条件的均属于本发明的保护范围。在示例性实施例中，所述激光源1还可以包括内置光电接收、信号处理与电路细分、与PC机通信接口等功能。根据另一发明实施方式，提供一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置，包括：激光源1，用于提供激光束和参考信号，其中所述激光束包含频率不同且线偏振方向正交的第一偏振分量和第二偏振分量，所述参考信号的频率对应于所述第一偏振分量和所述第二偏振分量的频率差；偏振分光棱镜201，用于将所述激光束分为第一偏振光和所述第二偏振光，其设置于所述激光源1的光轴上；反射器202，所述第二偏振光入射至所述反射器202，其设置于所述偏振分光棱镜201的反射光轴上；第一闪耀光栅301，所述第一偏振光正入射至所述第一闪耀光栅301，其设置于所述偏振分光棱镜201的透射光轴上；第二闪耀光栅302，所述第二偏振光经所述反射器202反射后正入射至所述第二闪耀光栅302，其设置于所述反射器202的反射光轴上；第一回射子单元401，其设置于所述第一闪耀光栅301的衍射光轴上，用于将所述第一偏振光回射至所述第一闪耀光栅301和所述偏振分光棱镜201，生成第一测量光束；第二回射子单元402，其设置于所述第二闪耀光栅302的衍射光轴上，用于将所述第二偏振光回射至所述第二闪耀光栅302和所述反射器202、所述偏振分光棱镜201，生成第二测量光束；其中所述激光源1还包括接收孔，其用于接收所述第一测量光束和所述第二测量光束回射重合生成的测量信号，根据所述测量信号与所述参考信号获得所述滚转角的值。在示例性实施例中，其中所述反射器202包括直角反射棱镜(如图1所示)、平面反射镜和五角棱镜中的任意一种。在示例性实施例中，其中所述第一回射子单元401和所述第二回射子单元402为反射棱镜、组合式反射镜中的任意一种。图5示意性示出根据本发明示例实施方式的一种双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量方法的流程图。如图5所示，提供一种基于上述双闪耀光栅外差干涉的滚转角测量装置的滚转角测量方法，该方法包括：在步骤S510，根据所述激光源1发出的激光束的波长λ与所述第一闪耀光栅301和第二闪耀光栅302的光栅常数d，分别获得所述第一衍射光和所述第三衍射光的衍射角θ。测量时，激光源1例如双频激光测量头、干涉单元2例如偏振分光棱镜201和直角反射棱镜202、回射单元4例如第一组合式反射镜401和第二组合式反射镜402均固定，为相对静止，仅双闪耀光栅单元3即第一闪耀光栅301和第二闪耀光栅302随着待测对象例如滚转平面5一起运动。双频激光测量头出射的激光束经过干涉单元2中的偏振分光棱镜201被分成为第一偏振光(P光)和第二偏振光(S光)。在图1中，激光束由Z方向正入射(入射角为0°)到第一闪耀光栅301上发生第一次衍射并在+1级闪耀(如上图4所示)，保证该级的高衍射效率(可达70％-85％)，其±1级衍射光满足光栅方程：dsinθ＝±λ(1)式中：d为光栅常数或栅距。根据光路可逆原理，接着，其+1或-1级第一衍射光正入射到第一组合式反射镜401后被反射平行返回，从第一闪耀光栅301的另一侧以+1级或-1级衍射角θ入射，第二次发生衍射，此次衍射的+1级或-1级第二衍射光将与第一次衍射时的入射光(即入射所述第一闪耀光栅301的第一偏振光)平行但方向相反，并且同样地在该衍射级发生闪耀保证高衍射效率，再次透过所述偏振分光棱镜201，生成第一测量光束。其+1或-1级第二衍射光正交于第一闪耀光栅301的第一光栅面出射，也满足式(1)。第二偏振光被偏振分光棱镜201反射后，接着被直角反射棱镜202(亦可用平面反射镜或五角棱镜代替)反射后，正入射到第二闪耀光栅302后发生第三次衍射，其+1级或-1级第三衍射光闪耀，并正入射到第二组合式反射镜402后被反射平行返回，从第二闪耀光栅302的另一侧以+1级或-1级衍射角θ入射，发生第四次衍射，此次衍射的+1或-1级第四衍射光闪耀，并将与第三次衍射的入射光(即入射所述第二闪耀光栅302的第二偏振光)平行但方向相反，依次被干涉单元2中的直角反射棱镜202(亦可用平面反射镜或五角棱镜代替)和偏振分光棱镜201反射，生成第二测量光束。在步骤S520，当所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302因待测对象滚转而以预定速度V运动时，根据所述预定速度V、所述激光束的波长λ和所述衍射角θ分别获得所述第一测量光束和所述第二测量光束的频移量。当第一闪耀光栅301因待测对象即滚转平面滚转(滚转角为α)而进行微小运动，在小范围内该运动可近似为X方向线性运动(设光栅线速度为V)。根据多普勒原理，±1级衍射光将产生频率变化即频移，第一次和第二次衍射的+1或-1级第一衍射光和第二衍射光频移量相同，且两次频移具有叠加效应。因此，第一测量光束的频移量可表达为：Δf1=2Vλcos(π2-θ)---(2)]]>式中，Δf1表示为第一测量光束的频移量；λ为激光束的波长，若采用He-Ne激光可取为633nm；θ为第一次衍射的±1级衍射角。由式(1)和(2)可得：Δf1=±2Vd---(3)]]>同理，第二测量光束也将产生多普勒频移，但由于第一闪耀光栅301和第二闪耀光栅302位于滚转中心的相对两侧边形成差动结构，使第一测量光束和第二测量光束的频移方向相反，则第二测量光束的频移量Δf2可表达为：在步骤S530，根据所述第一测量光束和所述第二测量光束的频移量获得所述测量信号相对于所述参考信号的偏移量。根据外差干涉原理，参考臂和测量臂对应的两个光束即第一测量光束与第二测量光束发生干涉，所述测量信号相对于参考信号的偏移量Δf可由式(3)和(4)差值求得：Δf=±4Vd---(5)]]>在步骤S540，根据所述测量信号相对于所述参考信号的偏移量和所述第一闪耀光栅301和第二闪耀光栅302的光栅常数d获得所述双闪耀光栅的相对角位移。设第一闪耀光栅301与第二闪耀光栅302的相对角位移为s，由式(5)两边分别对时间t求积分可得：s=±d4∫0TΔf·dt---(6)]]>式中：T为计数时间周期，通常为电子电路计数实现，表现为计数周期T内频率的个数即脉冲数目。根据上述式(6)可知，位移测量时每个原始脉冲当量为d/4，为四倍光学细分，是传统激光干涉仪的2倍。显然，原始脉冲当量d/4即分辨率也难以满足高精度测量需求，需要借助更高的电子电路、软件细分等手段进一步提高分辨率。目前，经过2倍光学细分即原始脉冲当量为λ/2及512倍或更大电子细分后，传统商用激光干涉仪的位移测量分辨率可达1nm或更小。基于同样处理电路和电子细分倍数，本发明位移测量分辨率为(d/4)/(λ/2)＝d/(2λ)纳米。在步骤S550，根据所述相对角位移和所述双闪耀光栅的相对滚转半径L计算获得所述滚转角的值。在示例性实施例中，根据几何关系α＝s/L，其中计算所述滚转角的值的公式为：α=sL=±d4L∫0TΔf·dt---(7)]]>其中，α为滚转角，T为计数时间周期，s为所述第一闪耀光栅301和所述第二闪耀光栅302的相对角位移，L为相对滚转半径，d为所述第一闪耀光栅和所述第二闪耀光栅的光栅常数，Δf为所述测量信号和所述参考信号的频率差。在示例性实施例中，所述相对滚转半径L为所述第二光路L12和所述第七光路L22之间的水平间距，亦即所述偏振分光棱镜201和所述直角反射棱镜202的水平间距。根据所述激光源1提供的参考信号和接收到的测量信号计算得到滚转角α，其中光栅常数d以及所述相对滚转半径L即所述偏振分光棱镜201和所述直角反射棱镜202的水平间距在测量之前已经预先设定。根据以上分析，假设本发明位移测量分辨率s_res为d/(2λ)nm，L单位为m，则角测量分辨率α_res可表示为：α_res=sL=d2λLnrad---(8)]]>如图2所示，由三角几何关系可得：Dsinθ＝H(9)式中，D为待测对象即滚转平面5在Z方向线性运动范围；H为反射棱镜401和402的第一公共棱4013和第二公共棱4023的长。由式(1)和(9)可得：dλ=1sinθ=DH---(10)]]>因此，将式(10)代入式(8)可得：α_res=d2λL=12Lsinθ=D2HL---(11)]]>由式(11)可得到两个重要结论：第一，增大第一和第二测量光束的相对滚转半径L，可提高角测量分辨率；第二，通过减小光栅常数d即增大±1级衍射角θ，也可提高角测量分辨率。但是，对于波长λ为确定值(633nm)，这将导致D/H值也将减小，这势必导致Z方向线性运动范围D的减小或者组合式反射镜的长度H的增大。就测量而言，D是被期望越大越好，显然，这将使角分辨率下降；H通常受到现有制造水平等因素限制不宜过大。因此，角测量分辨率虽然由光栅常数d决定，但是它更由Z方向运动范围D和组合式反射镜的长度H决定。因此，本发明中所采用的组合式反射镜组(第一组合式反射镜401和第二组合式反射镜402)，具有成本低、易加工、长度H大等优点。例如，对于1000mm的Z方向运动范围D，若第一测量光束和第二测量光束的相对滚转半径L取值为0.5m，第一组合式反射镜401和第二组合式反射镜402的第一公共棱和第二公共棱的长度H取值为500mm，此时所对应的光栅常数d和±1衍射角θ分别为1.266μm和30°，则角测量理论分辨率为2nrad(约为0.0004″)。在精度方面，若单光栅位移的测量精度为0.1μm，则双光栅位移s的测量精度为0.05μm，根据式(7)可知采用本发明的方法的滚转角的测量精度将达到0.1μrad(0.02″)。综上所述，本发明的技术方案与现有技术相比具有明显的优点和有益效果。本发明通过采用双闪耀光栅将激光源发射的激光束衍射并发生在预定级光谱发生闪耀，可以极大的提高衍射光的衍射效率，衍射效率可达70％～85％，降低光路调节的难度，保证了高信噪比，具有高分辨率和高精度的优点。同时，该滚转角测量装置及方法所需要光学器件少，结构简单、稳定可靠，它仅包含双频激光测量头、干涉单元、双闪耀光栅单元和回射单元四部分，其操作方便，信噪比高和成本较低，具有较好应用前景。本发明特别适用于对线性运动定位的小滚转角高精度测量，如新一代同步辐射装置、数控机床、三坐标测量机和光刻机等精密工程领域。以上阐述了本发明的原理和较佳实施例，阐述中以双频激光干涉仪为例，但本发明原理和装置对于单频激光干涉仪系统同样适用，仅将双频激光测量头及相应功能换成单频激光测量头及相应功能。上述较佳实施例应被认为是说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本
技术领域：
：中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。以上具体地示出和描述了本发明的示例性实施方式。应可理解的是，本发明不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本发明意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。当前第1页1 2 3 当前第1页1 2 3