一种外差式六自由度光栅运动测量系统

摘要

一种外差式六自由度光栅运动测量系统，包括单频激光光源、电光调制器、分光部件、偏振分光棱镜、测量臂四分之一波片、测量臂折光元件、参考臂四分之一波片、参考臂折光元件、二维反射式参考光栅、二维反射式测量光栅、非偏振分光镜、光电探测及信号处理部件、检偏器、位置探测及信号处理部件；其中非偏振分光镜、检偏器和位置探测及信号处理部件可以测量由于二维反射式测量光栅微小倾角所导致的四束衍射测量光光斑位置的变化，进而实现对二维反射式测量光栅微小倾角的精确测量。本发明不仅能够测量二维反射式测量光栅沿x轴、y轴、z轴三个自由度的大行程直线位移，而且能够测量二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小倾角。

主权项

一种外差式六自由度光栅运动测量系统，其特征在于：包括单频激光光源(1)、电光调制器(2)分光部件(3)、偏振分光棱镜(4)、测量臂四分之一波片(51)、测量臂折光元件(61)、参考臂四分之一波片(52)、参考臂折光元件(62)、二维反射式测量光栅(71)、二维反射式参考光栅(72)、非偏振分光镜(81)、光电探测及信号处理部件(91)、检偏器(82)及位置探测及信号处理部件(92)；所述二维反射式测量光栅(71)和二维反射式参考光栅(72)表面形貌相同，二维反射式测量光栅(71)的x方向周期和y方向周期均为d；二维反射式参考光栅(72)的z方向周期和y方向周期均为d；所述测量臂折光元件(61)的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ，参考臂折光元件(62)的x方向折光角度和y方向折光角度也均为θ，且满足2dsinθ＝±λ，式中λ为单频激光光源(1)的波长；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z轴呈45度，经快轴方向与z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z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；外差式激光经过分光部件(3)分成四束光强相等的平行光，其中两束光的转播方向与xoy平面平行、另两束光的转播方向与xoz平面平行，这四束平行光经过偏振分光棱镜(4)后，每一束的s波分量被反射90度、形成测量光，每一束的p波分量被透射、形成参考光；测量光的四束平行光经过快轴方向与测量光偏振方向呈45度的测量臂四分之一波片(51)后均被测量臂折光元件(61)偏折，偏折后的四束测量光中两束光的传播方向平行于yoz平面、另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于yoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅(71)并分别被衍射为y方向的+1级衍射测量光和‑1级衍射测量光，传播方向平行于xoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅(71)并分别被衍射为x方向的+1级衍射测量光和‑1级衍射测量光，四束衍射测量光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，并再次经过测量臂折光元件(61)和测量臂四分之一波片(51)，此时四束衍射测量光的偏振方向沿x轴并被偏振分光棱镜(4)透射至非偏振分光镜(81)，非偏振分光镜(81)透射的四束衍射测量光入射至光电探测及信号处理部件(91)表面，非偏振分光镜(81)反射的四束衍射测量光的偏振方向沿z轴，经透光方向也沿z轴的检偏器(82)后，入射至位置探测及信号处理部件(92)表面；参考光的四束平行光经过快轴方向与参考光偏振方向呈45度的参考臂四分之一波片后均被参考臂折光元件(62)偏折，偏折后的四束参考光中两束光的转播方向平行于xoy平面、另两束光的转播方向平行于xoz平面，传播方向平行于xoy平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅(72)并分别被衍射为y方向的+1级衍射参考光和‑1级衍射参考光，传播方向平行于xoz平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅(72)并分别被衍射为x方向的+1级衍射参考光和‑1级衍射参考光，四束衍射参考光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，并再次经过参考臂折光元件(62)和参考臂四分之一波片(52)，此时四束衍射参考光的偏振方向沿y轴并被偏振分光棱镜(4)反射至非偏振分光镜(81)，非偏振分光镜(81)透射的四束衍射参考光入射至光电探测及信号处理部件(91)表面，非偏振分光镜(81)反射的四束衍射参考光的偏振方向沿y轴，因为检偏器(82)的透光方向与y轴垂直，所以这四束衍射参考光被检偏器(82)完全阻挡；x方向的两束衍射测量光和x方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件(91)表面形成两组干涉，y方向的两束衍射测量光和y方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件(91)表面形成另两组干涉；当其他元件不动、二维反射式测量光栅(71)沿x轴、y轴和z轴运动时，光电探测及信号处理部件(91)分别输出x方向、y方向和z方向三个自由度的直线位移；入射至位置探测及信号处理部件(92)表面的只有四束衍射测量光，当其他元件不动、二维反射式测量光栅(71)绕x轴、y轴和z轴产生微小转角时，位置探测及信号处理部件(92)表面的四束衍射测量光的光斑位置会产生相应的变化，位置探测及信号处理部件(92)将探测光斑位置的变化，并分别输出二维反射式测量光栅(71)绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小转角。