一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统的制作方法

本发明涉及一种光栅位移测量系统，具体涉及一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统。

背景技术：
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光栅位移测量技术最早起源于19世纪，从20世纪50年代开始得到了迅猛的发展。目前，光栅位移测量系统已经成为一种典型的高精度位移量测手段，并被广泛应用于众多的光机电设备中。光栅位移测量系统因具有分辨力高、精度高、成本低、环境敏感性低等优点，不仅在工业和科研领域取得了广泛应用，更被国内外学者和科研机构所研究。

在半导体技术、纳米技术以及生物科技等领域中，精密位移测量系统及位置定位系统起着至关重要的作用。无论是外差式光学位移测量系统，还是零差式光学位移测量系统，都已经被广泛应用于精密位移测量或者其他与位移相关量的测量，究其原因，是因为它们在理论上有无限高的位移测量分辨力。然而在实际测量中，激光干涉仪的测量精度会受到测量环境的严重干扰，这是因为测量环境温度和湿度的变化均会造成环境中空气折射率的变化，进而影响激光干涉仪的测量精度。相比于激光干涉仪，光栅位移测量装置以光栅栅距为测量基准，从原理上消除了空气折射率变化造成的测量误差；尤其当采用零膨胀系数的材料制作光栅时，环境温度的变化将不会引起光栅栅距的改变，从原理上消除了环境温度变化造成的测量误差。此外，相比于激光干涉仪，光栅位移测量装置还具有结构简单、对测量环境要求宽松、成本低等优点。

目前，光栅位移测量装置已被国内外超精密测量领域的有关公司和众多学者广泛研究，研究成果在诸多论文中皆有揭露。例如，台湾大学K.C.Fan等人在发表的论文“Displacement Measurement of Planar Stage by diffraction Planar Encoder in Nanometer Resolution.I2MTC(2012)894-897.”中提出了一种纳米级分辨力的二维平面光栅位移测量装置，提高了测量分辨力的同时也大大克服环境变化造成的干扰；台湾元智大学C.C.Hsu等人发表的论文“Prototype of a compact displacement sensor with a holographic diffraction grating.Opt Laser Technol(2013)200-205.”中提出了一种简易的光栅位移传感器结构，该结构可以大大提高测量的稳定度、提高抗环境干扰能力，实现纳米级分辨力；台湾淡江大学C.C.Wu等人在论文“Heterodyne common-path grating interferometer with Littrow configuration.Opt.Express 21(2013)13322-13332.”中提出一种具有自准结构的光栅位移量测装置，该装置在实现高位移分辨力、高环境稳定度的同时，极大降低了安装误差。

然而，目前所有关于光栅位移测量装置的研究成果，在测量过程中的测量分辨力均为一个固定的值，即无论在大量程位移测量中或者小量程位移测量中都使用同一测量分辨力，无法实现大量程位移测量使用低分辨力粗测、小量程位移测量使用高分辨力细测的转换，这将造成系统资源的浪费。而且，由于测量速度会限制系统的分辨力，即测量速度越高系统的分辨力越低，因此在不必要进行高分辨力测量的情况下，仍使用无法进行粗/细测转换的光栅位移测量装置将限制系统的测量速度，进而影响待测运动装置的运行速度。

技术实现要素：
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为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统，该系统不仅能够有效克服测量环境温度、湿度变化等造成的误差，实现高精度位移测量，而且相比已有测量系统，能够有效实现二/三维方向上位移测量分辨力的粗/细转换，充分满足不同测量需求。

本发明的目的是这样实现的：

一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统，包括单频激光光源，电光调制器，第一分光棱镜，第二分光棱镜，第三分光棱镜，第四分光棱镜，第五分光棱镜，二维透射式测量光栅，第一一维透射式测量光栅，第二一维透射式测量光栅，第三一维透射式测量光栅，第四一维透射式测量光栅，第五一维透射式测量光栅，第六一维透射式测量光栅，第七一维透射式测量光栅，第一偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜，第四偏振分光棱镜，第五偏振分光棱镜，第六偏振分光棱镜，第一偏振片，第二偏振片，第三偏振片，第四偏振片，第五偏振片，第六偏振片，第七偏振片，第八偏振片，第九偏振片，第十偏振片，第十一偏振片，第十二偏振片，第一光电探测及信号处理部件，第二光电探测及信号处理部件，第三光电探测及信号处理部件，第四光电探测及信号处理部件，第五光电探测及信号处理部件，第六光电探测及信号处理部件，第七光电探测及信号处理部件，第八光电探测及信号处理部件，第九光电探测及信号处理部件，第十光电探测及信号处理部件，第十一光电探测及信号处理部件，第十二光电探测及信号处理部件，第一平面反射镜，第二平面反射镜，第三平面反射镜，第四平面反射镜，第五平面反射镜；

所述单频激光光源发射的是线偏振单频激光，偏振方向与x轴呈45度，经快轴方向与x轴平行的电光调制器调制后输出外差式激光，该外差式激光由偏振方向沿y轴的s波分量和偏振方向沿x轴的p波分量构成，并且s波分量和p波分量之间存在一个随电光 调制器所加载的调制电压变化而变化的相位差；

所述二维透射式测量光栅、第五一维透射式测量光栅的光栅周期相同，均为1.9d；所述第一一维透射式测量光栅、第二一维透射式测量光栅、第三一维透射式测量光栅、第四一维透射式测量光栅，、第六一维透射式测量光栅、第七一维透射式测量光栅的光栅周期相同，均为d；

所述二维光栅位移粗/细测量部分能够测量沿x轴和y轴两个方向的二维直线位移，其结构为：外差式激光入射至二维透射式测量光栅，并分别被衍射为x轴方向的±1级衍射测量光、y轴方向的±1级衍射测量光；x轴方向的-1级衍射测量光和x轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第一分光棱镜和第二分光棱镜，第一分光棱镜产生的反射式测量光与第二分光棱镜产生的反射式测量光共同入射至第二偏振分光棱镜，第二偏振分光棱镜的出射光分别经过第一偏振片、第二偏振片，在第一光电探测及信号处理部件、第二光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅沿x轴方向移动时，第一光电探测及信号处理部件和第二光电探测及信号处理部件输出测得的x方向的高分辨力直线位移，实现x轴方向位移的高分辨力细测；x轴方向的-1级衍射测量光和x轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第一分光棱镜和第二分光棱镜，第一分光棱镜产生的透射式测量光入射至第一一维透射式测量光栅，其+1级衍射光经过第一平面反射镜反射后入射至第四偏振分光棱镜；第二分光棱镜产生的透射式测量光入射至第二一维透射式测量光栅，其-1级衍射光直接入射至第四偏振分光棱镜，第四偏振分光棱镜的出射光分别经过第四偏振片、第三偏振片，在第四光电探测及信号处理部件、第三光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅沿x轴方向移动时，第四光电探测及信号处理部件和第三光电探测及信号处理部件输出测得的x方向的低分辨力直线位移，实现x轴方向位移的低分辨力粗测；y轴方向的-1级衍射测量光和y轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第三分光棱镜和第四分光棱镜，第三分光棱镜产生的反射式测量光与第四分光棱镜产生的反射式测量光共同入射至第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的出射光分别经过第五偏振片、第六偏振片，在第五光电探测及信号处理部件、第六光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅沿y轴方向移动时，第五光电探测及信号处理部件和第六光电探测及信号处理部件输出测得的y方向的高分辨力直线位移，实现y轴方向位移的高分辨力细测；y轴方向的-1级衍射测量光和y轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第三分光棱镜和第四分光棱镜，第四分光棱镜产生的透射式测量光入射至第四一维透射式测量光栅后，其-1级衍射光经过第二平面反射镜反射后入射至第三偏振分光棱镜； 第三分光棱镜产生的透射式测量光入射至第三一维透射式测量光栅，其+1级衍射光直接入射至第三偏振分光棱镜，第三偏振分光棱镜的出射光分别经过第八偏振片、第七偏振片，在第八光电探测及信号处理部件、第七光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅沿y轴方向移动时，第八光电探测及信号处理部件和第七光电探测及信号处理部件输出测得的y方向的低分辨力直线位移，实现y轴方向位移的低分辨力粗测；

所述三维光栅位移粗/细测量部分能够测量沿x轴、y轴和z轴三个方向的三维直线位移，其结构为：外差式激光垂直入射至第五分光棱镜，被第五分光棱镜透射的外差式激光作为x轴、y轴方向位移粗/细测量部分的光源，被第五分光棱镜反射的外差式激光作为z轴方向位移粗/细测量部分的光源，x轴、y轴方向位移粗/细测量部分与上述的一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统的二维光栅位移粗/细测量部分完全相同；z轴方向位移粗/细测量部分的结构如下：被第五分光棱镜反射的外差式激光垂直入射至第五一维透射式测量光栅，并分别被衍射为z轴方向上的±1级衍射测量光和z轴方向上的±2级衍射测量光，z轴方向的+1级衍射测量光和z轴方向的-1级衍射测量光分别经过第三平面反射镜、第四平面反射镜反射后，入射至第五偏振分光棱镜，第五偏振分光棱镜的出射光分别经过第九偏振片、第十偏振片，在第九光电探测及信号处理部件、第十光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，当第五一维透射式测量光栅沿z轴移动时，第九光电探测及信号处理部件、第十光电探测及信号处理部件输出测得的z方向的高分辨力直线位移，实现位移的高分辨力细测；z轴方向的-2级衍射测量光入射至第七一维透射式测量光栅后，其+1级衍射光经过第五平面反射镜反射后入射至第六偏振分光棱镜，z轴方向的+2级衍射测量光入射至第六一维透射式测量光栅后，其-1级衍射光直接入射至第六偏振分光棱镜，第六偏振分光棱镜的两束出射光分别经过第十二偏振片、第十一偏振片，在第十二光电探测及信号处理部件、第十一光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，当第五一维透射式测量光栅沿z轴移动时，第十二光电探测及信号处理部件、第十一光电探测及信号处理部件输出测得的z方向的低分辨力直线位移，实现位移的低分辨力粗测。

上述的一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统，所述单频激光光源是准直的线偏振半导体激光器。

上述的一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统，可以同时输出测得的粗测位移和细测位移，也可以只输出测得的粗测位移或测得的细测位移，实现位移测量分辨力的粗/细转换。

本发明的有益效果说明如下：

该测量系统使用了第一分光棱镜、第二分光棱镜、第三分光棱镜、第四分光棱镜、第五分光棱镜、二维透射式测量光栅，第一一维透射式测量光栅，第二一维透射式测量光栅，第三一维透射式测量光栅，第四一维透射式测量光栅，第五一维透射式测量光栅，第六一维透射式测量光栅，第七一维透射式测量光栅以及经过电光调制器的单频激光光源，保证了±1级衍射测量光、±2级衍射测量光的产生，得到在二/三维方向上实现位移粗/细测量的光源、光路条件，其中x轴方向上，经过第一分光棱镜反射的-1级衍射测量光和经过第二分光棱镜反射的+1级衍射测量光入射至第二偏振分光棱镜进行干涉，该部分干涉信号位移分辨力只受二维透射式测量光栅的光栅周期1.9d影响，实现x轴方向位移的高分辨力细测；x轴方向上经过第一分光棱镜透射的-1级衍射测量光和经过第二分光棱镜透射的+1级衍射测量光分别入射至第一透射式测量光栅和第二透射式测量光栅，经过第一透射式测量光栅和第二透射式测量光栅射出的衍射光再进行干涉，该部分干涉信号位移分辨力受二维透射式测量光栅、第一一维透射式测量光栅、第二一维透射式测量光栅光栅周期的共同影响，其等效光栅周期远大于一片二维透射式测量光栅的光栅周期1.9d，实现位移的低分辨力粗测；y轴方向、z轴方向上位移的粗/细测量原理与上述x轴方向位移的粗/细测量原理相同；因此本发明具有的显著有益效果为不仅提出了可以测量二/三维方向位移的光栅测量系统，并且该系统可以同时实现二/三维方向位移测量的高分辨力细测与低分辨力粗测以及高分辨力细测与低分辨力粗测的自由转换，可以充分满足不同测量需求。

附图说明：

图1为本发明的二维光栅位移粗/细测量部分；

图2为本发明的三维光栅位移粗/细测量部分；

图中：1-单频激光光源；2-电光调制器；3-二维透射式测量光栅；41-第一分光棱镜；42-第二分光棱镜；43-第三分光棱镜；44-第四分光棱镜；45-第五分光棱镜；51-第一一维透射式测量光栅；52-第二一维透射式测量光栅；53-第三一维透射式测量光栅；54-第四一维透射式测量光栅；55-第五一维透射式测量光栅；56-第六一维透射式测量光栅；57-第七一维透射式测量光栅；61-第一偏振分光棱镜；62-第二偏振分光棱镜；63-第三偏振分光棱镜；64-第四偏振分光棱镜；65-第五偏振分光棱镜；66-第六偏振分光棱镜；71-第一偏振片；72-第二偏振片；73-第三偏振片；74-第四偏振片；75-第五偏振片；76-第六偏振片；77-第七偏振片；78-第八偏振片；791-第九偏振片；792-第十偏振片；793-第十一偏振片；794-第十二偏振片；81-第一光电探测及信号处理部件；82-第二光电探测及信号处理部件； 83-第三光电探测及信号处理部件；84-第四光电探测及信号处理部件；85-第五光电探测及信号处理部件；86-第六光电探测及信号处理部件；87-第七光电探测及信号处理部件；88-第八光电探测及信号处理部件；891-第九光电探测及信号处理部件；892-第十光电探测及信号处理部件；893-第十一光电探测及信号处理部件；894-第十二光电探测及信号处理部件；91-第一平面反射镜；92-第二平面反射镜；93-第三平面反射镜；94-第四平面反射镜；95-第五平面反射镜。

具体实施方式：

图1所示为本发明的二维光栅位移粗/细测量部分，其包括单频激光光源1；电光调制器2；二维透射式测量光栅3；第一分光棱镜41；第二分光棱镜42；第三分光棱镜43；第四分光棱镜44；第一一维透射式测量光栅51；第二一维透射式测量光栅52；第三一维透射式测量光栅53；第四一维透射式测量光栅54；第一偏振分光棱镜61；第二偏振分光棱镜62；第三偏振分光棱镜63；第四偏振分光棱镜64；第一偏振片71；第二偏振片72；第三偏振片73；第四偏振片74；第五偏振片75；第六偏振片76；第七偏振片77；第八偏振片78；第一光电探测及信号处理部件81；第二光电探测及信号处理部件82；第三光电探测及信号处理部件83；第四光电探测及信号处理部件84；第五光电探测及信号处理部件85；第六光电探测及信号处理部件86；第七光电探测及信号处理部件87；第八光电探测及信号处理部件88；第一平面反射镜91；第二平面反射镜92；

所述二维透射式测量光栅3光栅周期为1.9d；所述第一一维透射式测量光栅41、第二一维透射式测量光栅42、第三一维透射式测量光栅43、第四一维透射式测量光栅44的光栅周期相同，均为d；

所述单频激光光源1发射的是线偏振单频激光，偏振方向与x轴呈45度，经快轴方向与x轴平行的电光调制器2调制后输出外差式激光，该外差式激光由偏振方向沿y轴的s波分量和偏振方向沿x轴的p波分量构成，并且s波分量和p波分量之间存在一个随电光调制器2所加载的调制电压变化而变化的相位差；

外差式激光入射至二维透射式测量光栅3，并分别被衍射为x轴方向的±1级衍射测量光、y轴方向的±1级衍射测量光；

x轴方向的-1级衍射测量光和x轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第一分光棱镜41和第二分光棱镜42，第一分光棱镜41产生的反射式测量光与第二分光棱镜42产生的反射式测量光共同入射至第二偏振分光棱镜62，第二偏振分光棱镜62的出射光分别经过第一偏振片71、第二偏振片72，在第一光电探测及信号处理部件81、第二光电探测及信 号处理部件82表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅3沿x轴方向移动时，第一光电探测及信号处理部件81和第二光电探测及信号处理部件82输出测得的x方向的高分辨力直线位移，实现x轴方向位移的高分辨力细测；

x轴方向的-1级衍射测量光和x轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第一分光棱镜41和第二分光棱镜42，第一分光棱镜41产生的透射式测量光入射至第一一维透射式测量光栅51，其+1级衍射光经过第一平面反射镜91反射后入射至第四偏振分光棱镜64；第二分光棱镜42产生的透射式测量光入射至第二一维透射式测量光栅52，其-1级衍射光直接入射至第四偏振分光棱镜64，第四偏振分光棱镜64的出射光分别经过第四偏振片74、第三偏振片73，在第四光电探测及信号处理部件74、第三光电探测及信号处理部件73表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅3沿x轴方向移动时，第四光电探测及信号处理部件74和第三光电探测及信号处理部件73输出测得的x方向的低分辨力直线位移，实现x轴方向位移的低分辨力粗测；

y轴方向的-1级衍射测量光和y轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第三分光棱镜43和第四分光棱镜44，第三分光棱镜43产生的反射式测量光与第四分光棱镜44产生的反射式测量光共同入射至第一偏振分光棱镜61，第一偏振分光棱镜61的出射光分别经过第五偏振片75、第六偏振片76，在第五光电探测及信号处理部件85、第六光电探测及信号处理部件86表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅3沿y轴方向移动时，第五光电探测及信号处理部件85和第六光电探测及信号处理部件86输出测得的y方向的高分辨力直线位移，实现y轴方向位移的高分辨力细测；

y轴方向的-1级衍射测量光和y轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第三分光棱镜43和第四分光棱镜44，第四分光棱镜44产生的透射式测量光入射至第四一维透射式测量光栅54后，其-1级衍射光经过第二平面反射镜92反射后入射至第三偏振分光棱镜63；第三分光棱镜43产生的透射式测量光入射至第三一维透射式测量光栅53，其+1级衍射光直接入射至第三偏振分光棱镜63，第三偏振分光棱镜63的出射光分别经过第八偏振片78、第七偏振片77，在第八光电探测及信号处理部件88、第七光电探测及信号处理部件87表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅3沿y轴方向移动时，第八光电探测及信号处理部件88和第七光电探测及信号处理部件87输出测得的y方向的低分辨力直线位移，实现y轴方向位移的低分辨力粗测。

图2所示为本发明的三维光栅位移粗/细测量部分，与二维光栅位移粗/细测量部分的不同在于，其不仅可以进行x轴方向、y轴方向的位移粗/细测量，还可以进行z轴方向位 移粗/细测测量，具体包括单频激光光源1、电光调制器2、二维透射式测量光栅3、第一分光棱镜41、第二分光棱镜42、第三分光棱镜43、第四分光棱镜44、第五分光棱镜45、第一一维透射式测量光栅51、第二一维透射式测量光栅52、第三一维透射式测量光栅53、第四一维透射式测量光栅54、第五一维透射式测量光栅55、第六一维透射式测量光栅56、第七一维透射式测量光栅57、第一偏振分光棱镜61、第二偏振分光棱镜62、第三偏振分光棱镜63、第四偏振分光棱镜64、第五偏振分光棱镜65、第六偏振分光棱镜66、第一偏振片71、第二偏振片72、第三偏振片73、第四偏振片74、第五偏振片75、第六偏振片76、第七偏振片77、第八偏振片78、第九偏振片791、第十偏振片792、第十一偏振片793、第十二偏振片794、第一光电探测及信号处理部件81、第二光电探测及信号处理部件82、第三光电探测及信号处理部件83、第四光电探测及信号处理部件84、第五光电探测及信号处理部件85、第六光电探测及信号处理部件86、第七光电探测及信号处理部件87、第八光电探测及信号处理部件88、第九光电探测及信号处理部件891、第十光电探测及信号处理部件892、第十一光电探测及信号处理部件893、第十二光电探测及信号处理部件894、第一平面反射镜91、第二平面反射镜92、第三平面反射镜93、第四平面反射镜94、第五平面反射镜95，

所述二维透射式测量光栅3、第五一维透射式测量光栅55的光栅周期相同，均为1.9d；所述第一一维透射式测量光栅51、第二一维透射式测量光栅52、第三一维透射式测量光栅53、第四一维透射式测量光栅54、第六一维透射式测量光栅56、第七一维透射式测量光栅57的光栅周期相同，均为d；

外差式激光垂直入射至第五分光棱镜45，被第五分光棱镜45透射的外差式激光作为x轴、y轴方向位移粗/细测量部分的光源，被第五分光棱镜45反射的外差式激光作为z轴方向位移粗/细测量部分的光源；x轴、y轴方向位移粗/细测量部分与上述的二维光栅位移粗/细测量部分完全相同；z轴方向位移粗/细测量部分的结构为：被第五分光棱镜45反射的外差式激光垂直入射至第五一维透射式测量光栅55，并分别被衍射为z轴方向上的±1级衍射测量光和z轴方向上的±2级衍射测量光；

z轴方向的+1级衍射测量光和z轴方向的-1级衍射测量光分别经过第三平面反射镜93、第四平面反射镜94反射后，入射至第五偏振分光棱镜65，第五偏振分光棱镜65的出射光分别经过第九偏振片791、第十偏振片792，在第九光电探测及信号处理部件891、第十光电探测及信号处理部件892表面形成两组干涉，当第五一维透射式测量光栅55沿z轴移动时，第九光电探测及信号处理部件891、第十光电探测及信号处理部件892输出 测得的z方向的高分辨力直线位移，实现位移的高分辨力细测；

z轴方向的-2级衍射测量光入射至第七一维透射式测量光栅57后，其+1级衍射光经过第五平面反射镜95反射后入射至第六偏振分光棱镜66，z轴方向的+2级衍射测量光入射至第六一维透射式测量光栅56后，其-1级衍射光直接入射至第六偏振分光棱镜66，第六偏振分光棱镜66的两束出射光分别经过第十二偏振片794、第十一偏振片793，在第十二光电探测及信号处理部件894、第十一光电探测及信号处理部件893表面形成两组干涉，当第五一维透射式测量光栅55沿z轴移动时，第十二光电探测及信号处理部件894、第十一光电探测及信号处理部件893输出测得的z方向的低分辨力直线位移，实现位移的低分辨力粗测。

本发明所用的单频激光光源1是准直的线偏振半导体激光器。