一种使用双频激光的三维光栅位移测量系统

摘要

一种使用双频激光的三维光栅位移测量系统涉及一种光栅位移测量系统；该测量系统包括出射端接光纤的双频激光器、分光部件、偏振分光棱镜、测量臂/参考臂四分之一波片、测量臂/参考臂折光元件、二维反射式参考/测量光栅和光电探测及信号处理部件；二维反射式测量光栅的x/y方向周期均为d₁，二维反射式参考光栅的x/y方向周期均为d₂；所述测量臂折光元件的x/y方向折光角度均为θ_i1，参考臂折光元件的x/y方向折光角度均为θ_i2，且分别满足2d₁sinθ_i1=±mλ₁、2d₂sinθ_i2=±mλ₂；本发明不仅提出了可以同时测量三轴位移的光栅测量系统，而且提高了测量信号的抗干扰能力，同时z向位移量程得到极大的扩展。

主权项

一种使用双频激光的三维光栅位移测量系统，其特征在于：包括出射端接光纤的双频激光器(1)、分光部件(2)、偏振分光棱镜(31)、测量臂四分之一波片(32)、测量臂折光元件(33)、参考臂四分之一波片(34)、参考臂折光元件(35)、二维反射式参考光栅(36)、光电探测及信号处理部件(4)和二维反射式测量光栅(5)；所述二维反射式测量光栅(5)的x方向周期和y方向周期均为d₁，二维反射式参考光栅(36)的x方向周期和y方向周期均为d₂；所述测量臂折光元件(33)的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ_i1，参考臂折光元件(35)的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ_i2，且分别满足2d₁sinθ_i1＝±mλ₁、2d₂sinθ_i2＝±mλ₂，式中λ₁、λ₂分别为出射端接光纤的双频激光器(1)射出的两个频率光波的波长、m为衍射级次；所述出射端接光纤的双频激光器(1)射出的双频激光经过分光部件(2)分成四束光强相等的平行光，其中两束光的传播方向与xoy平面平行、另两束光的传播方向与xoz平面平行，这四束平行光经过偏振分光棱镜(31)后分为传播方向偏转90度的波长为λ₁的测量光和沿原方向传播的波长为λ₂的参考光，测量光的偏振方向与参考光的偏振方向垂直；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(32)后，均被测量臂折光元件(33)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(5)并分别被衍射为y方向的+m级衍射测量光和‑m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(5)并分别被衍射为x方向的+m级衍射测量光和‑m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(33)、测量臂四分之一波片(32)和偏振分光棱镜(31)后，入射至光电探测及信号处理部件(4)；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(34)后，均被参考臂折光元件(35)偏折，偏折后的四束参考光中两束光的传播方向平行于xoy平面、另两束光的传播方向平行于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(36)并分别被衍射为y方向的+m级衍射参考光和‑m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(36)并分别被衍射为x方向的+m级衍射参考光和‑m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(35)、参考臂四分之一波片(34)和偏振分光棱镜(31)后，入射至光电探测及信号处理部件(4)；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(4)表 面形成两组干涉拍频信号，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(4)表面形成另两组干涉拍频信号；当其他元件不动、二维反射式测量光栅(5)沿x轴、y轴和z轴运动时，光电探测及信号处理部件(4)分别输出x方向、y方向和z方向的直线位移。