一种使用双频激光和衍射光栅的二维位移测量装置

摘要

一种使用双频激光和衍射光栅的二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、Z向探测部件、信号处理部件；该装置基于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，可实现X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。

主权项

一种使用双频激光和衍射光栅的二维位移测量装置，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)、Z向探测部件(6)、信号处理部件(7)；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)为一维光栅，标尺光栅(4)具有后向零级衍射光，且扫描分光光栅(31)和标尺光栅(4)在X方向上的等效光栅周期相等；所述的X方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于扫描分光光栅(31)栅线的方向；Z方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面垂直的方向；所述的等效光栅周期是指光栅在某一方向上的周期；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(6)，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(6)；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)，经扫描分光光栅(31)衍射后衍射光束入射到标尺光栅(4)并发生反向衍射，反向衍射光透过扫描分光光栅(31)衍射分光，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OP3‑131与OP3‑212、OP3‑132与OP3‑213、OP3‑312与OP3‑231、OP3‑313与OP3‑232两两传播方向相同，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(7)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的另一沿入射方向返回的测量光束透过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(6)；入射到Z向探测部件(6)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(7)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Z向发生的位移。