自准直光栅干涉仪的高光学细分结构的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光栅干涉仪，特别是一种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构， 该结构能大幅度提高光栅干涉仪的光学细分倍数。
【背景技术】
[0002] 对微纳米精密位移测量的仪器目前主要包括两种：激光干涉仪和光栅干涉仪。激 光干涉仪以波长为基准，能得到很高的分辨率，但由于波长容易受到环境、光源等因素的影 响，其应用受到了限制。而光栅干涉仪刚好弥补了激光干涉仪的缺点，其以光栅周期作为基 准，测量结果基本不受环境和波长的影响，已广泛应用于加工机床、机器人、生物医疗等领 域。
[0003] 无论是激光干涉仪还是光栅干涉仪，其分辨率大小都取决于光学细分倍数和电子 细分倍数。由于电子细分受限于光学细分信号，在电子细分相同的情况下，光学细分倍数越 高，其测量分辨率越高。目前典型的光栅干涉仪系统，如海德汉公司的专利US5574558,日本 佳能公司的专利US5038032,美国IBM公司的专利US5442172等，其光学细分倍数并不高，一 般为2或4倍。所以提高光学细分倍数有着重要的意义。本发明在光栅效率足够高的情况 下理论上能无限地提高光学细分倍数，解决了目前光栅干涉仪细分倍数低的问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于解决目前光栅干涉仪光学细分倍数低的问题，提出一种用于自 准直光栅干涉仪的高光学细分结构，该结构能使测量光束多次被光栅标尺衍射，从而大幅 度提高光栅干涉仪系统的光学细分倍数。
[0005] 本发明的原理如下：
[0006] 光栅干涉仪的原理是利用光栅多普勒频移计算光栅标尺的位移，所述的光栅多普 勒频移或者通过测量光束和参考光束干涉形成条纹移动的数目获得，或者通过两束测量光 束干涉形成条纹移动的数目获得。所述的测量光束为经过光栅标尺衍射的光束，所述的参 考光束为不经光栅标尺衍射的光束。
[0007] 本发明的自准直光栅干涉仪的高光学细分结构使光栅干涉仪的测量光束以近利 特罗角入射光栅标尺，利特罗角可通过下式得到，
[0009] 式中λ为测量光束的波长，d为光栅周期。
[0010] 本发明的技术解决方案如下：
[0011] -种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构，特点在于其构成包括：标尺光栅、第一 反射镜和第二反射镜；
[0012] 设第一平面为测量光束与标尺光栅栅线所形成的平面，第二平面为标尺光栅法线 与标尺光栅栅线所形成的平面，所述的第一平面和所述的第二平面的夹角为利特罗角，第 三平面为标尺光栅法线与光栅矢量形成的平面；
[0013] 所述的第一反射镜的反射面垂直于所述的第一平面，所述的第二反射镜的反射面 垂直于经标尺光栅第N次衍射的衍射光方向，其中2N为测量光束被标尺光栅衍射的总衍射 次数；
[0014] 所述的测量光束以近利特罗角首次入射到所述的标尺光栅，经标尺光栅衍射，衍 射级次为-1的衍射光在第一平面内，该-1级次衍射光入射到所述的第一反射镜，经第一反 射镜反射后依然在第一平面内，并再次以近利特罗角入射到标尺光栅上，如此使测量光束 在标尺光栅和第一反射镜之间往返反射，最终垂直入射到第二反射镜后，测量光束沿原光 路返回，整个结构形成自准直结构。
[0015] 所述的近利特罗角是指处在第一平面内的测量光束偏离第三平面一个角度。
[0016] 进一步，本发明还包括：第三反射镜和第四反射镜；
[0017] 所述的第三反射镜与所述的第一反射镜以所述的标尺光栅相垂直的平面为轴镜 像对称，所述的第四反射镜与所述的第二反射镜以所述的标尺光栅相垂直的平面为轴镜像 对称；
[0018] 两束测量光束以所述的标尺光栅相垂直的平面为轴镜像对称、且分别以近利特罗 角首次入射到所述的标尺光栅，经标尺光栅衍射，衍射级次为-1的衍射光在第一平面内， 该-1级次衍射光分别入射到所述的第一反射镜和第三反射镜，经第一反射镜、第三反射镜 反射后依然在第一平面内，并再次以近利特罗角入射到标尺光栅上，如此使测量光束在标 尺光栅和第一反射镜、标尺光栅和第三反射镜之间往返反射，最终垂直分别入射到第二反 射镜和第四反射镜后，测量光束分别沿原光路返回，整个结构形成自准直结构。
[0019] 特别地，本发明适用于干涉条纹为两束测量光形成的自准直光栅干涉仪，只要增 加第三反射镜和第四反射镜即可，第三反射镜和第四反射镜放置的情况与第一反射镜和第 二反射镜放置的情况完全相同。第一测量光束在标尺光栅和第一反射镜之间往返反射并最 终垂直入射到第二反射镜沿原光路返回，第二测量光束则是在标尺光栅和第三反射镜之间 来回反射并最终垂直入射到第四反射镜上沿原光路返回。
[0020] 特别地，每次近利特罗角入射时测量光束偏离第三平面的小角度可以相等亦可以 不相等。
[0021] 特别地，本发明采用的是以近利特罗角入射，也可以采用近多次布拉格角入射。m 次布拉格角为，
[0023] 式中m为衍射级次。
[0024] 与现有技术相比，本发明的技术效果：
[0025] 本发明使测量光束以近利特罗角入射到标尺光栅上，通过反射镜使得测量光束被 标尺光栅多次衍射，从而达到高光学细分的效果。由光栅多普勒频移效应可知，入射光束在 标尺光栅上经过N次-1级次衍射，则对测量光束产生N倍多普勒频移，可使光学细分倍数 提高至N倍。特别地，本发明采用近利特罗角入射，可使标尺光栅设计制作更为简便，因为 光栅在利特罗角入射时容易获得高衍射效率，意味着可以增加测量光束经标尺光栅衍射的 次数，即增加光栅干涉仪光学细分的倍数。特别地，本发明仅采用两个反射镜设计高光学细 分结构，结构简单，经济实惠。
【附图说明】
[0026] 图1是自准直光栅干涉仪的高光学细分部件示意图
[0027] 图2是另一种自准直光栅干涉仪的高光学细分部件示意图
[0028] 图3是应用自准直光栅干涉仪的高光学细分部件实施例1的示意图
[0029] 图4为应用自准直光栅干涉仪的高光学细分部件实施例2的示意图
[0030] 图5为应用自准直光栅干涉仪的高光学细分部件实施例3的示意图
【具体实施方式】
[0031] 本发明自准直光栅干涉仪的高光学细分结构可用于所有的自准直光栅干涉仪的 结构中，激光光源可以采用单频激光光源，也可以采用双频激光光源，干涉信号可以是两束 测量光形成的，也可以是测量光束和参考光束干涉形成的。下面结合实施例和附图对本发 明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
[0032] -种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构30如图1所示，主要用于测量光束和参 考光束形成干涉条纹的光栅干涉仪中。该结构包括：光栅标尺1，第一反射镜2,第二反射镜 3。测量光束的入射光束41首次入射到所述的标尺光栅1后，经标尺光栅1衍射，衍射光经 第一反射镜2反射后依然在第一平面内，再次以近利特罗角入射到标尺光栅1上，如此使测 量光束在标尺光栅1和第一反射镜2之间往返反射，最终垂直入射到第二反射镜3,测量光 束将沿原光路返回形成出射光束42，光束42与光束41共线，但传播方向相反。整个结构形 成自准直结构。特别地，每次近利特罗角入射时测量光束偏离第三平面的小角度可以相等 亦可以不相等。测量光束的出射光束42经后续光栅干涉的结构后和参考光束汇合在一起 形成干涉条纹，通过干涉条纹可以计算多普勒频移，从而得到光栅的位移。此结构的特点在 于，只有一束测量光束，这能充分减轻光栅设计制作的负担，只需要优化一个偏振方向的光 束的衍射光高衍射效率即可。
[0033] 另一种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构31如图2所示，主要用于两束测量光 形成干涉条纹的光栅干涉仪中。该结构包括：光栅标尺1，第一反射镜2,第二反射镜3,第三 反射镜4,第四反射镜5。第一测量光束的入射光束41首次入射到所述的标尺光栅1后，经 标尺光栅1衍射，衍射光经第一反射镜