CN116007503A - 一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，包括光源组件、光路组件、光电接收模块和信号处理模块；光源组件用以产生测量光束；光路组件包括第一反射棱镜、反射式光栅、第二反射棱镜、第三反射棱镜和偏振分束光栅；光源组件发出测量光束到第一反射棱镜，第一反射棱镜用以将测量光束反射至反射式光栅，反射式光栅将测量光束分为第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光和第二衍射光分别反射到第二反射棱镜和第三反射棱镜，第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后入射到偏振分束光栅上；光电接收模块与信号处理模块电信连接，信号处理模块用以对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分计算，计算出位移。
Description
技术领域
本发明涉及光栅干涉仪技术领域，特别涉及一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置。
背景技术
随着高端制造业的发展，对精密测量的精度要求也越来越高。在高精度测量领域，目前主要有两种测量系统，一种是激光位移测量系统以激光波长为测量基准，激光波长容易受到空气折射率变化的影响，由于激光干涉仪的光束传输距离长(300mm以上)，即使在温湿度、气流气压控制很好的工作环境中，由于工件台快速移动带来的空气流动，仍然会导致空气折射率的不均匀分布，从而影响定位精度的进一步提高。光栅位移测量系统是以光栅栅距为测量基准，可以大大降低空气折射率引起的误差，测量精度从微米级到纳米级甚至亚纳米级，为超精密加工技术的发展提供了有效的技术支持。光栅位移测量系统的核心元件是光栅，以光栅栅距为基准，结构紧凑、光路对称、光程短且对外界环境的敏感性低，可应用于多维度精密位移测量。从原理上，光栅位移测量系统可分为零差式光栅干涉位移测量系统和外差式光栅干涉位移测量系统。零差式光栅干涉位移测量系统是用分光装置将光源分成参考光和测量光后，使两束光经过不同的路径叠加，形成可以测量的干涉信号。由于待测光和参考光的载频是相同的，这样得到的干涉光场可以消除电磁波本身频率噪声所带来的影响。外差式光栅干涉位移测量系统是一种测量光相位变化的方法。外差式光栅干涉位移测是由两束具有轻微频差的光束进行叠加，所形成的干涉信号为随着时间、相位变化的拍频，在进行位移测量时，位移量的变化信息会记录在拍频信号的相位中，经由相应的解调技术可以解调出所需的相位变化。
传统的的外差式光栅位移测量系统通过偏振分束器把入射的非偏振光束分成两束正交的偏振光，从而得到稳定的干涉信号。然而偏振分束器是用自然双折射晶体或者多层介质膜制作的，前者显得大且重，后者制造成本高，难以满足光学系统的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，解决现有技术中的干涉装置体积大和成本高的问题。
本发明的技术方案为：一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，包括光源组件、光路组件、光电接收模块和信号处理模块；
所述光源组件用以产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光作为测量光束；
所述光路组件包括第一反射棱镜、反射式光栅、第二反射棱镜、第三反射棱镜和偏振分束光栅；
所述光源组件发出测量光束到第一反射棱镜，所述第一反射棱镜设于光源组件的出射光路上，第一反射棱镜用以将测量光束反射至反射式光栅，反射式光栅将测量光束分为第一衍射光和第二衍射光，第二反射棱镜和第三反射棱镜设于反射式光栅的反射光路上，第一衍射光和第二衍射光分别反射到第二反射棱镜和第三反射棱镜，第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后入射到偏振分束光栅上；
第一衍射光入射到偏振分束光栅后产生第一S光分量和第一P光分量，第二衍射光入射到偏振分束光栅后产生第二S光分量和第二P光分量；
所述反射式光栅用以设置于移动物体表面，移动物体用以带动反射式光栅沿光栅矢量方向Y移动；
所述光电接收模块与信号处理模块电信连接，光电接收模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电接收器用以接收第一P光分量和第二S光分量并生成第一拍频信号，第二光电接收器用以接收第二P光分量和第一S光分量并生成第二拍频信号；信号处理模块用以对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分计算，计算出位移。
进一步，所述第一衍射光为-1级次，所述第二衍射光的+1级次。
进一步，所述第一P光分量与所述第二S光分量的传输光程相等，所述第二P光分量与所述第一S光分量的传输光程相等。
进一步，所述偏振分束光栅采用透射式偏振分束光栅结构。
进一步，所述第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后，以利特洛角入射到偏振分束光栅上。
进一步，所述测量光束包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光为P偏振光，频率为fA，第二偏振光为S偏振光，频率为fB，第一偏振光和第二偏振光经第一反射棱镜反射形成第一衍射光和第二衍射光。
进一步，所述第二反射棱镜和第三反射棱镜相对且平行设置，反射式光栅和偏振分束光栅相对且平行设置，第一反射棱镜位于第二反射棱镜和第三反射棱镜之间，第二反射棱镜和第三反射棱镜分别位于反射式光栅和偏振分束光栅的两侧，同时第一反射棱镜位于反射式光栅和偏振分束光栅之间，第一反射棱镜倾斜设置，用以使光源组件发出测量光束反射至反射式光栅。
进一步，所述第一反射棱镜与反射式光栅之间的夹角为锐角，第一反射棱镜用以使测量光束垂直入射至反射式光栅。
上述基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置的工作原理：
光源组件用以产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光作为测量光束，测量光束包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光为P偏振光，频率为fA，第二偏振光为S偏振光，频率为fB，第一偏振光和第二偏振光经第一反射棱镜反射形成第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光入射到偏振分束光栅后产生第一S光分量和第一P光分量，第二衍射光入射到偏振分束光栅后产生第二S光分量和第二P光分量，第一光电接收器用以接收第一P光分量和第二S光分量并生成频率为fA-fB的第一拍频信号，第二光电接收器用以接收第二P光分量和第一S光分量并生成频率为fA-fB的第二拍频信号，第一拍频信号和第二拍频信号分别传输至信号处理模块；当反射式光栅沿光栅矢量方向移动时，由于光栅多普勒频移效应，第一衍射光发生负向频移-Δf，第二衍射光发生正向频移+Δf，因此第一光电接收器输出的第一拍频信号变为fA-fB-2Δf，第二光电接收器输出的第二拍频信号变为fA-fB+2Δf，信号处理模块对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分计算，实现测量反射式光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明采用了两块光栅，其中一块为反射式光栅，另一块为透射式偏振分束光栅，这两块光栅的结构简单易于大规模制造，都是高衍射效率光栅结构，且测量光栅单次衍射就可以实现4倍光学细分的位移测量，这一设计大大减少了光栅面形精度以及读数头之间的姿态误差会对测量精度造成的影响，并且采用光栅的结构代替偏振分束器，可以提高系统的稳定性。再者本发明采用的光栅排列构型大大提高了位移测量系统的抗干扰能力和集成度，减小了环境因素对测量系统的影响，具有很强的抗干扰能力，降低了测量过程中存在的误差，同时也提高了测量系统的分辨率。
附图说明
图1为本发明的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置的结构示意图。
图2为透射式偏振分束光栅的原理图。
光源组件1、测量光束11、第一反射棱镜2、反射式光栅3、第二反射棱镜4、第三反射棱镜5、偏振分束光栅6、第一光电探测器7、第二光电探测器8、第一衍射光9、第一S光分量91、第一P光分量92、第二衍射光10、第二S光分量101、第二P光分量102、信号处理模块100。
具体实施方式
下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
实施例
为了解决现有技术中通过2次衍射或更多次衍射实现4倍或更高倍数的光学细分，会导致测量系统的光学结构变得更加复杂，并且多次衍射利用光栅不同位置的衍射光，光栅面形精度和光栅与读数头之间的姿态误差会对测量精度造成很大影响的问题。
本实施例提供了一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，使光源组件发出的固定频差的两束偏振光在通过光路组件入射到测量光栅表面时，发生一次衍射就可以实现4倍光学细分，可以避免光栅面形精度和光路组件之间的姿态误差会对测量精度造成的影响，并且本发明中光路组件的结构简洁、体积小、质量轻，可以简化测量系统中光学结构的复杂度。
本实施例提供了一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，包括光源组件1、光路组件、光电接收模块和信号处理模块100。
光源组件用以产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光作为测量光束11。其中，测量光束包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光为P偏振光，频率为fA，第二偏振光为S偏振光，频率为fB。
在一个实施例中，光源组件采用红光激光光源。
如图1所示，光路组件包括第一反射棱镜2、反射式光栅3、第二反射棱镜4、第三反射棱镜5和偏振分束光栅6。
光源组件1发出测量光束到第一反射棱镜2，第一反射棱镜2设于光源组件1的出射光路上，第一反射棱镜2用以将测量光束反射至反射式光栅3，反射式光栅将测量光束分为第一衍射光9和第二衍射光10，第二反射棱镜和第三反射棱镜设于反射式光栅的反射光路上，第一衍射光和第二衍射光分别反射到第二反射棱镜和第三反射棱镜，第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后入射到偏振分束光栅上。
在一个实施例中，第二反射棱镜和第三反射棱镜相对且平行设置，反射式光栅和偏振分束光栅相对且平行设置，第一反射棱镜位于第二反射棱镜和第三反射棱镜之间，第二反射棱镜和第三反射棱镜分别位于反射式光栅和偏振分束光栅的两侧，同时第一反射棱镜位于反射式光栅和偏振分束光栅之间，第一反射棱镜倾斜设置，用以使光源组件发出测量光束反射至反射式光栅，第一反射棱镜与反射式光栅之间的夹角为锐角，第一反射棱镜用以使测量光束垂直入射至反射式光栅。
在一个实施例中，第一衍射光为-1级次，第二衍射光的+1级次。
在一个实施例中，第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后，以利特洛角入射到偏振分束光栅上。
第一衍射光入射到偏振分束光栅后产生第一S光分量91和第一P光分量92，第二衍射光入射到偏振分束光栅后产生第二S光分量101和第二P光分量102。
在一个实施例中，第一P光分量与第二S光分量的传输光程相等，第二P光分量与第一S光分量的传输光程相等。
光电接收模块与信号处理模块100电信连接，光电接收模块包括第一光电探测器7和第二光电探测器8，第一光电接收器用以接收第一P光分量和第二S光分量并生成第一拍频信号，第二光电接收器用以接收第二P光分量和第一S光分量并生成第二拍频信号；信号处理模块用以对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分计算，计算出位移。
在一个实施例中，偏振分束光栅采用透射式偏振分束光栅结构。图2示出了透射式偏振分束光栅的原理图，以第一衍射光为例，第一衍射光以利特洛角入射到偏振分束光栅上，产生的第一S光分量的能量集中在0级次，第一P光分量的能量集中在-1级次。
在一个实施例中，反射式光栅用以设置于移动物体表面，移动物体用以带动反射式光栅沿光栅矢量方向Y移动。光栅作为一个周期性结构，此处的光栅矢量方向理解为光栅周期延展方向。
上述基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置的工作原理：
光源组件用以产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光作为测量光束，测量光束包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光为P偏振光，频率为fA，第二偏振光为S偏振光，频率为fB，第一偏振光和第二偏振光经第一反射棱镜反射形成第一衍射光和第二衍射光，第一衍射光入射到偏振分束光栅后产生第一S光分量和第一P光分量，第二衍射光入射到偏振分束光栅后产生第二S光分量和第二P光分量，第一光电接收器用以接收第一P光分量和第二S光分量并生成频率为fA-fB的第一拍频信号，第二光电接收器用以接收第二P光分量和第一S光分量并生成频率为fA-fB的第二拍频信号，第一拍频信号和第二拍频信号分别传输至信号处理模块；当反射式光栅沿光栅矢量方向移动时，由于光栅多普勒频移效应，第一衍射光发生负向频移-Δf，第二衍射光发生正向频移+Δf，因此第一光电接收器输出的第一拍频信号变为fA-fB-2Δf，第二光电接收器输出的第二拍频信号变为fA-fB+2Δf，信号处理模块对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分计算，实现测量反射式光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。
如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。
Claims (8)
1.一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，包括光源组件、光路组件、光电接收模块和信号处理模块；
所述光源组件用以产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光作为测量光束；
所述光路组件包括第一反射棱镜、反射式光栅、第二反射棱镜、第三反射棱镜和偏振分束光栅；
所述光源组件发出测量光束到第一反射棱镜，所述第一反射棱镜设于光源组件的出射光路上，第一反射棱镜用以将测量光束反射至反射式光栅，反射式光栅将测量光束分为第一衍射光和第二衍射光，第二反射棱镜和第三反射棱镜设于反射式光栅的反射光路上，第一衍射光和第二衍射光分别反射到第二反射棱镜和第三反射棱镜，第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后入射到偏振分束光栅上；
第一衍射光入射到偏振分束光栅后产生第一S光分量和第一P光分量，第二衍射光入射到偏振分束光栅后产生第二S光分量和第二P光分量；
所述反射式光栅用以设置于移动物体表面，移动物体用以带动反射式光栅沿光栅矢量方向Y移动；
所述光电接收模块与信号处理模块电信连接，光电接收模块包括第一光电探测器和第二光电探测器，第一光电接收器用以接收第一P光分量和第二S光分量并生成第一拍频信号，第二光电接收器用以接收第二P光分量和第一S光分量并生成第二拍频信号；信号处理模块用以对第一拍频信号和第二拍频信号进行差分计算，计算出位移。
2.根据权利要求1所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述第一衍射光为-1级次，所述第二衍射光的+1级次。
3.根据权利要求1所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述第一P光分量与所述第二S光分量的传输光程相等，所述第二P光分量与所述第一S光分量的传输光程相等。
4.根据权利要求1所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述偏振分束光栅采用透射式偏振分束光栅结构。
5.根据权利要求1所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述第二反射棱镜和第三反射棱镜用以将第一衍射光和第二衍射光调整后，以利特洛角入射到偏振分束光栅上。
6.根据权利要求1所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述测量光束包括第一偏振光和第二偏振光，第一偏振光为P偏振光，频率为fA，第二偏振光为S偏振光，频率为fB，第一偏振光和第二偏振光经第一反射棱镜反射形成第一衍射光和第二衍射光。
7.根据权利要求1所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述第二反射棱镜和第三反射棱镜相对且平行设置，反射式光栅和偏振分束光栅相对且平行设置，第一反射棱镜位于第二反射棱镜和第三反射棱镜之间，第二反射棱镜和第三反射棱镜分别位于反射式光栅和偏振分束光栅的两侧，同时第一反射棱镜位于反射式光栅和偏振分束光栅之间，第一反射棱镜倾斜设置，用以使光源组件发出测量光束反射至反射式光栅。
8.根据权利要求7所述的基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置，其特征在于，所述第一反射棱镜与反射式光栅之间的夹角为锐角，第一反射棱镜用以使测量光束垂直入射至反射式光栅。
Priority Applications (1)
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| CN202211314696.6A CN116007503A (zh) | 2022-10-26 | 2022-10-26 | 一种基于偏振分束光栅的干涉位移测量装置 |
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| CN (1) | CN116007503A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117367291A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置 |
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2022
- 2022-10-26 CN CN202211314696.6A patent/CN116007503A/zh active Pending
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| CN117367291A (zh) * | 2023-12-08 | 2024-01-09 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置 |
| CN117367291B (zh) * | 2023-12-08 | 2024-02-13 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置 |
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