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CN117367291B - 基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置 - Google Patents

基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光栅干涉测量技术领域，尤其涉及一种基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置，其中采用透射二维光栅和反射二维光栅进行系统搭建，利用光源发出的双频激光经特定栅距的透射二维光栅后形成的分别形成X、Y方向的四束以Littrow角入射至反射二维光栅，经反射二维光栅衍射的四束光将会沿着入射方向原路返回至透射二维光栅，四束光在不同方向上的不同级次透射光会形成携带位移信息的稳定干涉信号并被探测器接收。本发明提供的测量装置仅需采用两块衍射光栅进行系统搭建，避免使用过多光学元件而引入的周期非线性误差，大幅度降低角度公差的敏感度，同时使装置做到集成化。

Description

基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置
技术领域
本发明涉及光栅干涉测量技术领域，尤其涉及一种基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置。
背景技术
现阶段高精度位移测量技术主要包括激光干涉测量法和光栅干涉测量法。其中，激光干涉测量法的测量基准为激光波长，其缺点是对空气折射率较为敏感、外界环境条件要求严格，在短行程下易获得高精度，但随着测量行程的逐渐增大，温度、湿度和气压等测量环境的微小变化都将严重影响测量结果的准确性，米级以上行程的测量误差甚至高达几百纳米，用激光干涉仪实现高精度测量需要高级别的环境控制系统。
而光栅干涉测量法的测量基准为光栅栅距，光栅基底可选用零膨胀材料，相比于波长，外界环境对刻槽的影响甚微，其测量精度几乎不受行程增大的影响，不需要严格进行恒温、恒压、恒湿等环境控制，极大的降低了测量系统对环境的要求。鉴于以上优势，光栅干涉位移测量设备在高档数控机床、航空航天领域有迫切的应用需求。
目前光栅干涉式二自由度测量系统中使用偏振光学元件展开光路的构建，这样会造成两个方面的问题：首先偏振分束棱镜或者波片的使用会给光路带来不可消除的周期非线性误差，这会制约位移测量精度的进一步提升；其次，庞大数量的棱镜或者是波片也会造成系统结构十分的复杂，这些器件会制约整体装置的小型化与集成化的发展。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置中没有使用偏振分束棱镜或者是波片，仅用两块衍射光栅进行系统搭建，不仅可以消除由光学元件引入的周期非线性误差，而且可以将系统做到集成化。
本发明提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置，包括光源、透射二维光栅、反射二维光栅、X向四分之一波片、Y向四分之一波片、第一光学系统、第二光学系统、第三光学系统以及第四光学系统；其中，光源为双频激光器，用于产生频率分别为f 1、f 2且偏振态相互垂直的X向测量激光和Y向测量激光；
将X向测量激光垂直射入透射二维光栅中得到的+1级衍射光以Littrow角度经X向四分之一波片入射至反射二维光栅中得到新+1级衍射光，新+1级衍射光沿+1级衍射光的方向经X向四分之一波片返回至透射二维光栅得到0级衍射光和-2级衍射光；此时新+1级衍射光产生的0级衍射光和-2级衍射光中频率为f 1的水平偏振光会转变为垂直偏振光，频率为f 2的垂直偏振光会转变为水平偏振光；
将X向测量激光垂直射入透射二维光栅中得到的-1级衍射光以Littrow角度入射至反射二维光栅中得到新-1级衍射光；新-1级衍射光沿-1级衍射光的方向返回至透射二维光栅中，获取经透射二维光栅的衍射后的0级衍射光和-2级衍射光；
第一光学系统将新+1级衍射光产生的-2级衍射光与新-1级衍射光产生的0级衍射光中水平分量的稳定干涉信号滤掉，使频率为f 2和f 1的垂直分量的衍射光进行稳定干涉；
第二光学系统将新-1级衍射光产生的-2级衍射光与新+1级衍射光产生的0级衍射光中垂直分量的稳定干涉信号滤掉，使频率为f 2和f 1的水平分量的衍射光进行稳定干涉；
将第一光学系统和第二光学系统中接收到的稳定干涉信号进行处理，得到反射二维光栅在X方向上的位移变化。
进一步的，根据下式得到反射二维光栅在X方向位移引起的相位变化为：
；
其中，表示反射二维光栅在X方向的理论位移，/>表示X向测量激光经透射二维光栅后的衍射光的级数，/>表示透射二维光栅与反射二维光栅的栅距；
进而得到+1级衍射光和-1级衍射光的多普勒频移相位值和/>，即当级数/>分别等于+1和-1时：
；
进而得到反射二维光栅在X方向上的位移变化为：
；
；
其中，代表+1级衍射光和-1级衍射光的相位变化；当相位变化/>为/>时，，因此可知干涉测量装置具有4倍的光学细分。
进一步的，Y向测量激光经过透射二维光栅、反射二维光栅以及Y向四分之一波片的光路和产生相应衍射光的方法，以及第三光学系统和第四光学系统对相应衍射光的方法与第一光学系统和第二光学系统的方法一致，得到反射二维光栅在Y方向上的位移变化为：
。
进一步的，第一光学系统与第三光学系统的结构一致，均包括去除水平分量的稳定干涉信号的偏振片，和接收垂直分量的稳定干涉信号的光电探测器；第二光学系统与第四光学系统的结构一致，均包括去除垂直分量的稳定干涉信号的偏振片，和接收水平分量的稳定干涉信号的光电探测器。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
1）采用两块衍射光栅进行系统搭建，避免使用过多光学元件而引入的周期非线性误差，且在系统中没有使用平面反射镜，所以消除了二倍角效应带来的误差，降低了角度敏感度；
2）由于使用较少的光学元件，使装置做到集成化；
3）装置可以根据实际需要，在保持同样的测量原理情况下将偏振片更换为其他光学元件（如起偏器），提升装置的灵活性和实用性。
附图说明
图1是根据本发明实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置的结构示意图；
图2a是根据本发明实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置在x-z方向的原理示意图；
图2b是根据本发明实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置在y-z方向的原理示意图；
图3是根据本发明实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置中将偏振片替换为起偏器后的原理示意图。
附图标记：光源1、透射二维光栅2、反射二维光栅3、X向四分之一波片4、Y向四分之一波片5、偏振片6、光电探测器7、起偏器8。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
图1示出了根据本发明实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置的结构。
如图1所示，本发明提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置包括光源1、透射二维光栅2、反射二维光栅3、X向四分之一波片4、Y向四分之一波片5、第一光学系统、第二光学系统、第三光学系统以及第四光学系统。
其中，光源1为双频激光器，用于产生频率分别为f 1、f 2且偏振态相互垂直的X向测量激光和Y向测量激光。透射二维光栅2和反射二维光栅3平行放置在光源1发出的X向测量激光和Y向测量激光的路径上，且使透射二维光栅2和反射二维光栅3与X向测量激光和Y向测量激光垂直。X向四分之一波片4、Y向四分之一波片5位于透射二维光栅2和反射二维光栅3之间，且在透射二维光栅2和反射二维光栅3产生的衍射光线和反射光线的路径上。
第一光学系统与第三光学系统的结构一致，均包括去除水平分量的稳定干涉信号的偏振片6，和接收垂直分量的稳定干涉信号的光电探测器7；第二光学系统与第四光学系统的结构一致，均包括去除垂直分量的稳定干涉信号的偏振片6，和接收水平分量的稳定干涉信号的光电探测器7。
本发明提出的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置可根据实际需要将偏振片6更换为起偏器8，并根据起偏器8对本发明提出的测量装置的结构进行相应改变。
具体实施例1：
图2a和图2b分别示出了使用偏振片时的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置在x-z方向和y-z方向的原理。
如图2a所示，将X向测量激光垂直射入透射二维光栅2中得到的+1级衍射光以Littrow角度经X向四分之一波片4入射至反射二维光栅3中得到新+1级衍射光，新+1级衍射光沿+1级衍射光的方向经X向四分之一波片4返回至透射二维光栅3得到X向衍射光，此时新+1级衍射光产生的0级衍射光和-2级衍射光中频率为f 1的水平偏振光会转变为垂直偏振光，频率为f 2的垂直偏振光会转变为水平偏振光。
将X向测量激光垂直射入透射二维光栅2中得到的-1级衍射光以Littrow角度入射至反射二维光栅3中得到新-1级衍射光；新-1级衍射光沿-1级衍射光的方向返回至透射二维光栅2中，获取经透射二维光栅2的衍射后的0级衍射光和-2级衍射光。
第一光学系统中的偏振片6将新+1级衍射光产生的-2级衍射光与新-1级衍射光产生的0级衍射光中水平分量的稳定干涉信号滤掉，使频率为f 2和f 1的垂直分量的衍射光在第一光学系统中的光电探测器7中进行稳定干涉；
第二光学系统中的偏振片6将新-1级衍射光产生的-2级衍射光与新+1级衍射光产生的0级衍射光中垂直分量的稳定干涉信号滤掉，使频率为f 2和f 1的水平分量的衍射光在第二光学系统中的光电探测器7中进行稳定干涉，进而得到反射二维光栅3在X方向上的位移变化。
根据下式得到反射二维光栅3在X方向位移引起的相位变：/>；
其中，表示反射二维光栅3在X方向的理论位移，/>表示X向测量激光经透射二维光栅2后的衍射光的级数，/>表示透射二维光栅2与反射二维光栅3的栅距；
进而得到+1级衍射光和-1级衍射光的多普勒频移相位值和/>，即当级数/>分别等于+1和-1时：
；
进而得到反射二维光栅3在X方向上的位移变化为：
；
；
其中，代表+1级衍射光和-1级衍射光的相位变化；当相位变化/>为/>时，，因此可知本发明提供的干涉测量装置具有4倍的光学细分。
本具体实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置中y-z方向的光路如图2b所示，Y向测量激光经过透射二维光栅2、反射二维光栅3以及Y向四分之一波片5的光路和产生相应衍射光的方法，以及第三光学系统和第四光学系统对相应衍射光的方法与第一光学系统和第二光学系统的方法一致，得到反射二维光栅3在Y方向上的位移变化为：
。
在进行位移检测的过程中，为避免其他衍射光和反射光对检测结果造成干扰，除上述提到的光线外的其他光线均采用遮挡的方式去除。
具体实施例2：
图3示出了使用起偏器时的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置的原理。
如图3所示，将偏振片6更换为起偏器8，同时将偏振片6放置在透射二维光栅2和反射二维光栅3之间。此时均需要2个由起偏器8和光电检测器5组成的光学系统，分别用于接收X向和Y向的稳定干涉光。
将X向测量激光垂直射入透射二维光栅2中得到的+1级衍射光以Littrow角度入射至反射二维光栅3中得到新+1级衍射光。此过程中+1级衍射光经过偏振片6中滤除含有的f 1频率的+1级衍射光，只保留频率为f 2的+1级衍射光。新+1级衍射光沿+1级衍射光的方向返回至透射二维光栅3得到X向衍射光。
将X向测量激光垂直射入透射二维光栅2中得到的-1级衍射光以Littrow角度入射至反射二维光栅3中得到新-1级衍射光。此过程中-1级衍射光经过另一个偏振片6中滤除含有的f 2频率的新-1衍射光，只保留频率为f 1的新-1衍射光。新-1级衍射光沿-1级衍射光的方向返回至透射二维光栅2中，获取经透射二维光栅的衍射后的+2级衍射光。X向衍射光中的0级衍射光与+2级衍射光经过起偏器8后形成携带位移信息的稳定干涉光，被光电探测器7所接收；对干涉信号进行处理，即可得到光栅在X方向上的位移信息，同理可得光栅在Y方向上的位移信息。
本具体实施例提供的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置中y-z方向的光路与本具体实施例中x-z方向的光路一致。
Y向测量激光经过透射二维光栅2、反射二维光栅3以及偏振片6的光路和产生相应衍射光的方法，以及第三光学系统和第四光学系统对相应衍射光的方法与第一光学系统和第二光学系统的方法一致，得到反射二维光栅在Y方向上的位移信息。
在进行位移检测的过程中，为避免其他衍射光和反射光对检测结果造成干扰，除上述提到的光线外的其他光线均采用遮挡的方式去除。
上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置，其特征在于，包括光源、透射二维光栅、反射二维光栅、X向四分之一波片、Y向四分之一波片、第一光学系统、第二光学系统、第三光学系统以及第四光学系统；其中，所述光源为双频激光器，用于产生频率分别为f 1、f 2且偏振态相互垂直的X向测量激光和Y向测量激光；
将所述X向测量激光垂直射入所述透射二维光栅中得到的+1级衍射光以Littrow角度经所述X向四分之一波片入射至所述反射二维光栅中得到新+1级衍射光，所述新+1级衍射光沿所述+1级衍射光的方向经所述X向四分之一波片返回至所述透射二维光栅得到0级衍射光和-2级衍射光；此时所述新+1级衍射光产生的0级衍射光和所述-2级衍射光中频率为f 1的水平偏振光会转变为垂直偏振光，频率为f 2的垂直偏振光会转变为水平偏振光；
将所述X向测量激光垂直射入所述透射二维光栅中得到的-1级衍射光以Littrow角度入射至所述反射二维光栅中得到新-1级衍射光；所述新-1级衍射光沿所述-1级衍射光的方向返回至所述透射二维光栅中，获取经所述透射二维光栅的衍射后的0级衍射光和-2级衍射光；
所述第一光学系统将所述新+1级衍射光产生的-2级衍射光与所述新-1级衍射光产生的0级衍射光中水平分量的稳定干涉信号滤掉，使频率为f 2和f 1的垂直分量的衍射光进行稳定干涉；
所述第二光学系统将所述新-1级衍射光产生的-2级衍射光与所述新+1级衍射光产生的0级衍射光中垂直分量的稳定干涉信号滤掉，使频率为f 2和f 1的水平分量的衍射光进行稳定干涉；
将所述第一光学系统和所述第二光学系统中得到的稳定干涉信号进行处理，得到所述反射二维光栅在X方向上的位移变化。
2.根据权利要求1所述的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置，其特征在于，根据下式得到所述反射二维光栅在X方向位移引起的相位变化为：
；
其中，表示所述反射二维光栅在X方向的理论位移，/>表示所述X向测量激光经所述透射二维光栅后的衍射光的级数，/>表示所述透射二维光栅与所述反射二维光栅的栅距；
进而得到所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的多普勒频移相位值和/>，即当所述级数/>分别等于+1和-1时：
；
进而得到所述反射二维光栅在X方向上的位移变化为：
；
；
其中，代表所述+1级衍射光和所述-1级衍射光的相位变化；当所述相位变化/>为/>时，/>，因此可知所述干涉测量装置具有4倍的光学细分。
3.根据权利要求2所述的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置，其特征在于，所述Y向测量激光经过所述透射二维光栅、所述反射二维光栅以及所述Y向四分之一波片的光路和产生相应衍射光的方法，以及所述第三光学系统和所述第四光学系统对所述相应衍射光的方法与所述第一光学系统和所述第二光学系统的方法一致，得到所述反射二维光栅在Y方向上的位移变化为：
。
4.根据权利要求1所述的基于双光栅的双向Littrow二自由度光栅干涉测量装置，其特征在于，所述第一光学系统与第三光学系统的结构一致，均包括去除水平分量的稳定干涉信号的偏振片，和接收垂直分量的稳定干涉信号的光电探测器；所述第二光学系统与所述第四光学系统的结构一致，均包括去除垂直分量的稳定干涉信号的偏振片，和接收水平分量的稳定干涉信号的光电探测器。
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