一种基于衍射光栅的三维位移测量装置

摘要

一种基于衍射光栅的三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，读数头包括光源、分光部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y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和多衍射光栅干涉原理实现了X向、Y向和Z向位移的同时测量，具有结构简单紧凑、体积小、抗干扰能力强以及X向、Y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

一种基于衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅(4)和读数头，其特征在于：所述的读数头包括光源(1)、分光部件(2)、扫描分光光栅部件(3)、X向探测部件(5)、Y向探测部件(6)、Z向探测部件(7)、信号处理部件(8)；所述的光源(1)包括单频激光器(11)、偏振片A(12)；所述的分光部件(2)包括偏振分光棱镜A(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24)；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)为组合光栅，包括位于扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)以及位于二维正交光栅(312)两侧的一维光栅A(311)和一维光栅B(313)，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线共面，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅(312)的两个栅线方向，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期相等；所述的扫描分光光栅(31)在放置时，其栅线方向与标尺光栅(4)的栅线方向成45°；所述的标尺光栅(4)为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅(31)周期的所述的X方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A(311)栅线的方向；所述的Y方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B(313)栅线的方向；所述的Z方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面垂直的方向；所述的单频激光器(11)出射的激光透过偏振片A(12)入射到偏振分光棱镜A(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A(21)入射到Z向探测部件(7)；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)中间区域的二维正交光栅(312)，经二维正交光栅(312)衍射后衍射光束入射到标尺光栅(4)并发生反向衍射，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，其中四束在扫描分光光栅(31)的一维光栅A(311)上两两相交并衍射入射到X向探测部件(5)形成四组干涉信号，通过信号处理单元(8)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，另外四束在扫描分光光栅(31)的一维光栅B(313)上两两相交并衍射入射到Y向探测部件(6)形成另外四组干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Y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依次透过扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)、1/4波片B(24)，并由偏振分光棱镜A(21)反射后入射到Z向探测部件(7)；入射到Z向探测部件(7)的参考光和测量光相遇形成干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Z向发生的位移。