0P3-04 与[0，-1， +1，0]级OP3-41在一维光栅B313处分别两两相遇并再次衍射，形成的四组干设信号被Y向 探测部件6接收，[0,0,0,0]级0P3-00入射到二维正交光栅312处并再次衍射，其[0,0,0， 0,0]级透射衍射光0P3-000入射到Z向干设部件2 ;除上述用于测量的光束外，衍射光中的 杂散光束被设置在扫描分光光栅31与X向探测部件5之间的光阔32遮挡。
[0036] 被X向探测部件5接收的四组干设信号的变化只和读数头相对于标尺光栅4在X 向发生的位移有关，通过信号处理单元8处理后得到两路互相正交的电学信号，解算后得 到读数头相对于标尺光栅4在X向发生的位移；被Y向探测部件6接收的四组干设信号的 变化只和读数头相对于标尺光栅4在Y向发生的位移有关，通过信号处理单元8处理后得 到两路互相正交的电学信号，解算后得到读数头相对于标尺光栅4在Y向发生的位移。
[0037] 1/4波片A22的放置方式可设置为快轴方向与X-Y面平行并与Y-Z平面夹角为 45°，参考光OP2-1透过1/4波片A22,并由反射部件23反射之后再次透过1/4波片A22， 其偏振方向旋转90°并入射到偏振分光棱镜21上发生透射，透过偏振片B25后最终作为Z 向测量的参考光入射到Z向探测部件7 ; 1/4波片B24的放置方式可设置为快轴方向与X-Y 面平行并与与Y-Z平面夹角为45°，测量光OP2-2透过1/4波片B24、扫描分光光栅31，并 由标尺光栅4反射，再次透过扫描分光光栅31，得到沿入射方向返回的测量光束[0，0，0，0， 0]级0P3-000,入射到Z向干设部件2,其透过1/4波片B24后偏振方向旋转90°入射到偏 振分光棱镜21上发生反射，反射光透过偏振片B25后最终作为Z向测量的测量光入射到Z 向探测部件7 ;入射到Z向探测部件7的参考光和测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测 量的一路测量信号，而且该拍频信号只包含读数头相对于标尺光栅4在Z向发生的位移信 息；被Z向探测部件7接收的Z向测量的参考信号和测量信号通过信号处理单元8解算后 可得到读数头相对于标尺光栅4在Z向发生的位移。
[003引为了提高Z向探测部件6接收到的拍频信号的质量，需要使得入射到Z向探测部 件6的测量光和参考光能量近似相等，因此在具体实施时，反射部件23设置为部分反射器 件，使得Z向探测部件6接收到的测量光和参考光能量近似相等。
[0039] 具体实施过程中，为了进一步减小读数头体积，分光棱镜12、偏振片A13、偏振分 光棱镜21、1/4波片A22U/4波片B24、反射部件23、偏振片B25、可W义用一体化结构。
[0040] 具体实施过程中，为了减小读数头体积，同时减弱双频激光器11的散热对探测器 的影响，可W利用光纤将双频激光器11出射的光束传输至光路。
[0041] 参考图2,为本发明应用的扫描分光光栅31的结构示意图，其为组合矩形光栅，包 括位于扫描分光光栅（31)中间区域的二维正交光栅（312) W及位于二维正交光栅（312) 两侧的一维光栅A (311)和一维光栅6(313)。
[0042] 参考图3,为本发明扫描分光光栅31与标尺光栅4放置方式示意图，其中标尺光栅 4为二维矩形光栅，且标尺光栅4的两个栅线方向与扫描分光光栅31的栅线方向成45°。
[0043] 参考图4a，为本发明应用的一维矩形光栅结构示意图，其中各参数为：光栅周期 d、光栅台阶高度K光栅台阶宽度a。
[0044] 参考图4b，为本发明应用的二维矩形光栅结构示意图，其中各参数为：两个方向 光栅周期di和d 2、光栅台阶高度K两个方向光栅台阶宽度ai和a 2。
【主权项】
1. 一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅（4)和读数头， 其特征在于：所述的读数头包括双频激光光源（1)、Z向干涉部件（2)、扫描分光光栅部件 (3)、X向探测部件（5)、Y向探测部件（6)、Z向探测部件（7)、信号处理部件（8);所述的双 频激光光源（1)包括双频激光器（11)、分光棱镜（12)、偏振片A(13);所述的Z向干涉部件 (2)包括偏振分光棱镜（21)、1/4波片A(22)、反射部件（23)、1/4波片B(24)、偏振片B(25); 所述的扫描分光光栅部件（3)包括扫描分光光栅（31)、光阑（32);所述的扫描分光光栅 (31)的栅线所在平面和标尺光栅（4)的栅线所在平面平行；所述的扫描分光光栅（31)为 组合光栅，包括位于扫描分光光栅（31)中间区域的二维正交光栅（312)以及位于二维正 交光栅（312)两侧的一维光栅A(311)和一维光栅B(313)，二维正交光栅（312)、一维光栅 A(311)和一维光栅B(313)的栅线共面，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线方向相 互垂直，且分别平行于二维正交光栅（312)的两个栅线方向，二维正交光栅（312)、一维光 栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期相等；所述的扫描分光光栅（31)在放置时，其栅 线方向与标尺光栅（4)的栅线方向成45°;所述的标尺光栅（4)为二维正交光栅，具有后 向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅周期的l/W;所述的X方向是与扫描分光光栅（31) 的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A(311)栅线的方向；所述的Y方向是与扫描分光 光栅（31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B(313)栅线的方向；所述的Z方向是与 扫描分光光栅（31)的栅线所在平面垂直的方向；所述的双频激光器（11)出射的双频正交 偏振光入射到分光棱镜（12)，其反射光透过偏振片A(13)后入射到Z向探测部件（7)，形成 的拍频信号作为Z向测量的一路参考信号，其透射光入射到偏振分光棱镜（21)后分为参考 光和测量光；所述的参考光透过1/4波片A(22)，并由反射部件（23)反射后，依次透过1/4 波片A(22)、偏振分光棱镜（21)、偏振片B(25)入射到Z向探测部件（7);所述的测量光透 过1/4波片B(24)后沿Z方向入射到扫描分光光栅（31)中间区域的二维正交光栅（312)， 经二维正交光栅（312)衍射后衍射光束入射到标尺光栅（4)并发生反向衍射，得到九束测 量光束与其他杂散光束；所述的九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅（31)的一维光 栅A(311)上两两相交并衍射入射到X向探测部件（5)形成四组干涉信号，通过信号处理单 元（8)解算后得到读数头相对于标尺光栅（4)在X向发生的位移；所述的九束测量光束中， 另外四束在扫描分光光栅（31)的一维光栅B(313)上两两相交并衍射入射到Y向探测部件 (6)形成另外四组干涉信号，通过信号处理单元（8)解算后得到读数头相对于标尺光栅（4) 在Y向发生的位移；所述的九束测量光束中的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫 描分光光栅（31)中间区域的二维正交光栅（312)、1/4波片B(24)，并由偏振分光棱镜（21) 反射后透过偏振片B(25)入射到Z向探测部件（7);入射到Z向探测部件（7)的参考光和 测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测量的一路测量信号，Z向测量的参考信号和测量信 号通过信号处理单元（8)解算后得到读数头相对于标尺光栅（4)在Z向发生的位移。
2. 如权利要求1所述的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，其特征在 于：在所述的扫描分光光栅部件（3)中增设了光阑（32)，并且光阑（32)位于扫描分光光栅 (31)与X向探测部件（5)之间，光阑（32)同时位于扫描分光光栅（31)与Y向探测部件（6) 之间。
3. 如权利要求1所述的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，其特征在 于：在双频激光器（11)出射的透过扫描分光光栅（31)的测量光的波长A= 632. 8nm时， 所述的扫描分光光栅（31)采用矩形光栅，一组优选参数为二维正交光栅（312)两个栅线方 向的光栅周期屯=d2= 10ym、光栅台阶高度h= 159nm、两个栅线方向的光栅台阶宽度ai =a2= 5. 67ym，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期d= 10ym、光栅台阶高 度h= 488nm、光栅台阶宽度a= 3. 567ym，标尺光栅（4)采用二维矩形光栅，其一组优选 参数为两个栅线方向的光栅周期屯=d2= 7. 07ym、光栅台阶高度h= 159nm、两个栅线方 向光栅台阶宽度afa2= 4. 01ym。
【专利摘要】一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置涉及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，由标尺光栅和读数头两部分组成，读数头包括双频激光光源、Z向干涉部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件、信号处理部件；该装置基于典型迈克尔逊干涉仪原理、多衍射光栅干涉原理和光学拍频原理实现了X向、Y向和Z向位移的同时测量，具有结构紧凑、抗干扰能力强、对标尺光栅后向零级衍射强度要求低以及X向、Y向和Z向测量不耦合等优点，能够实现纳米甚至更高测量分辨力，可应用于多自由度高精度的位移测量。
【IPC分类】G01B11-02
【公开号】CN104567695
【申请号】CN201510021662
【发明人】谭久彬, 陆振刚, 魏培培
【申请人】哈尔滨工业大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月9日