0P3-04 與[0，-1， +1，0]級(jí)OP3-41在一維光柵B313處分別兩兩相遇并再次衍射，形成的四組干設(shè)信號(hào)被Y向 探測(cè)部件6接收，[0,0,0,0]級(jí)0P3-00入射到二維正交光柵312處并再次衍射，其[0,0,0， 0,0]級(jí)透射衍射光0P3-000入射到Z向干設(shè)部件2 ;除上述用于測(cè)量的光束外，衍射光中的 雜散光束被設(shè)置在掃描分光光柵31與X向探測(cè)部件5之間的光闊32遮擋。
[0036] 被X向探測(cè)部件5接收的四組干設(shè)信號(hào)的變化只和讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵4在X 向發(fā)生的位移有關(guān)，通過(guò)信號(hào)處理單元8處理后得到兩路互相正交的電學(xué)信號(hào)，解算后得 到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵4在X向發(fā)生的位移；被Y向探測(cè)部件6接收的四組干設(shè)信號(hào)的 變化只和讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵4在Y向發(fā)生的位移有關(guān)，通過(guò)信號(hào)處理單元8處理后得 到兩路互相正交的電學(xué)信號(hào)，解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵4在Y向發(fā)生的位移。
[0037] 1/4波片A22的放置方式可設(shè)置為快軸方向與X-Y面平行并與Y-Z平面夾角為 45°，參考光OP2-1透過(guò)1/4波片A22,并由反射部件23反射之后再次透過(guò)1/4波片A22， 其偏振方向旋轉(zhuǎn)90°并入射到偏振分光棱鏡21上發(fā)生透射，透過(guò)偏振片B25后最終作為Z 向測(cè)量的參考光入射到Z向探測(cè)部件7 ; 1/4波片B24的放置方式可設(shè)置為快軸方向與X-Y 面平行并與與Y-Z平面夾角為45°，測(cè)量光OP2-2透過(guò)1/4波片B24、掃描分光光柵31，并 由標(biāo)尺光柵4反射，再次透過(guò)掃描分光光柵31，得到沿入射方向返回的測(cè)量光束[0，0，0，0， 0]級(jí)0P3-000,入射到Z向干設(shè)部件2,其透過(guò)1/4波片B24后偏振方向旋轉(zhuǎn)90°入射到偏 振分光棱鏡21上發(fā)生反射，反射光透過(guò)偏振片B25后最終作為Z向測(cè)量的測(cè)量光入射到Z 向探測(cè)部件7 ;入射到Z向探測(cè)部件7的參考光和測(cè)量光相遇形成的拍頻信號(hào)作為Z向測(cè) 量的一路測(cè)量信號(hào)，而且該拍頻信號(hào)只包含讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵4在Z向發(fā)生的位移信 息；被Z向探測(cè)部件7接收的Z向測(cè)量的參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)通過(guò)信號(hào)處理單元8解算后 可得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵4在Z向發(fā)生的位移。
[003引為了提高Z向探測(cè)部件6接收到的拍頻信號(hào)的質(zhì)量，需要使得入射到Z向探測(cè)部 件6的測(cè)量光和參考光能量近似相等，因此在具體實(shí)施時(shí)，反射部件23設(shè)置為部分反射器 件，使得Z向探測(cè)部件6接收到的測(cè)量光和參考光能量近似相等。
[0039] 具體實(shí)施過(guò)程中，為了進(jìn)一步減小讀數(shù)頭體積，分光棱鏡12、偏振片A13、偏振分 光棱鏡21、1/4波片A22U/4波片B24、反射部件23、偏振片B25、可W義用一體化結(jié)構(gòu)。
[0040] 具體實(shí)施過(guò)程中，為了減小讀數(shù)頭體積，同時(shí)減弱雙頻激光器11的散熱對(duì)探測(cè)器 的影響，可W利用光纖將雙頻激光器11出射的光束傳輸至光路。
[0041] 參考圖2,為本發(fā)明應(yīng)用的掃描分光光柵31的結(jié)構(gòu)示意圖，其為組合矩形光柵，包 括位于掃描分光光柵（31)中間區(qū)域的二維正交光柵（312) W及位于二維正交光柵（312) 兩側(cè)的一維光柵A (311)和一維光柵6(313)。
[0042] 參考圖3,為本發(fā)明掃描分光光柵31與標(biāo)尺光柵4放置方式示意圖，其中標(biāo)尺光柵 4為二維矩形光柵，且標(biāo)尺光柵4的兩個(gè)柵線(xiàn)方向與掃描分光光柵31的柵線(xiàn)方向成45°。
[0043] 參考圖4a，為本發(fā)明應(yīng)用的一維矩形光柵結(jié)構(gòu)示意圖，其中各參數(shù)為：光柵周期 d、光柵臺(tái)階高度K光柵臺(tái)階寬度a。
[0044] 參考圖4b，為本發(fā)明應(yīng)用的二維矩形光柵結(jié)構(gòu)示意圖，其中各參數(shù)為：兩個(gè)方向 光柵周期di和d 2、光柵臺(tái)階高度K兩個(gè)方向光柵臺(tái)階寬度ai和a 2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測(cè)量裝置，包括標(biāo)尺光柵（4)和讀數(shù)頭， 其特征在于：所述的讀數(shù)頭包括雙頻激光光源（1)、Z向干涉部件（2)、掃描分光光柵部件 (3)、X向探測(cè)部件（5)、Y向探測(cè)部件（6)、Z向探測(cè)部件（7)、信號(hào)處理部件（8);所述的雙 頻激光光源（1)包括雙頻激光器（11)、分光棱鏡（12)、偏振片A(13);所述的Z向干涉部件 (2)包括偏振分光棱鏡（21)、1/4波片A(22)、反射部件（23)、1/4波片B(24)、偏振片B(25); 所述的掃描分光光柵部件（3)包括掃描分光光柵（31)、光闌（32);所述的掃描分光光柵 (31)的柵線(xiàn)所在平面和標(biāo)尺光柵（4)的柵線(xiàn)所在平面平行；所述的掃描分光光柵（31)為 組合光柵，包括位于掃描分光光柵（31)中間區(qū)域的二維正交光柵（312)以及位于二維正 交光柵（312)兩側(cè)的一維光柵A(311)和一維光柵B(313)，二維正交光柵（312)、一維光柵 A(311)和一維光柵B(313)的柵線(xiàn)共面，一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的柵線(xiàn)方向相 互垂直，且分別平行于二維正交光柵（312)的兩個(gè)柵線(xiàn)方向，二維正交光柵（312)、一維光 柵A(311)和一維光柵B(313)的光柵周期相等；所述的掃描分光光柵（31)在放置時(shí)，其柵 線(xiàn)方向與標(biāo)尺光柵（4)的柵線(xiàn)方向成45°;所述的標(biāo)尺光柵（4)為二維正交光柵，具有后 向零級(jí)衍射光，其周期為掃描分光光柵周期的l/W;所述的X方向是與掃描分光光柵（31) 的柵線(xiàn)所在平面平行，且垂直于一維光柵A(311)柵線(xiàn)的方向；所述的Y方向是與掃描分光 光柵（31)的柵線(xiàn)所在平面平行，且垂直于一維光柵B(313)柵線(xiàn)的方向；所述的Z方向是與 掃描分光光柵（31)的柵線(xiàn)所在平面垂直的方向；所述的雙頻激光器（11)出射的雙頻正交 偏振光入射到分光棱鏡（12)，其反射光透過(guò)偏振片A(13)后入射到Z向探測(cè)部件（7)，形成 的拍頻信號(hào)作為Z向測(cè)量的一路參考信號(hào)，其透射光入射到偏振分光棱鏡（21)后分為參考 光和測(cè)量光；所述的參考光透過(guò)1/4波片A(22)，并由反射部件（23)反射后，依次透過(guò)1/4 波片A(22)、偏振分光棱鏡（21)、偏振片B(25)入射到Z向探測(cè)部件（7);所述的測(cè)量光透 過(guò)1/4波片B(24)后沿Z方向入射到掃描分光光柵（31)中間區(qū)域的二維正交光柵（312)， 經(jīng)二維正交光柵（312)衍射后衍射光束入射到標(biāo)尺光柵（4)并發(fā)生反向衍射，得到九束測(cè) 量光束與其他雜散光束；所述的九束測(cè)量光束中，其中四束在掃描分光光柵（31)的一維光 柵A(311)上兩兩相交并衍射入射到X向探測(cè)部件（5)形成四組干涉信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理單 元（8)解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵（4)在X向發(fā)生的位移；所述的九束測(cè)量光束中， 另外四束在掃描分光光柵（31)的一維光柵B(313)上兩兩相交并衍射入射到Y(jié)向探測(cè)部件 (6)形成另外四組干涉信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理單元（8)解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵（4) 在Y向發(fā)生的位移；所述的九束測(cè)量光束中的另一沿入射方向返回的測(cè)量光束依次透過(guò)掃 描分光光柵（31)中間區(qū)域的二維正交光柵（312)、1/4波片B(24)，并由偏振分光棱鏡（21) 反射后透過(guò)偏振片B(25)入射到Z向探測(cè)部件（7);入射到Z向探測(cè)部件（7)的參考光和 測(cè)量光相遇形成的拍頻信號(hào)作為Z向測(cè)量的一路測(cè)量信號(hào)，Z向測(cè)量的參考信號(hào)和測(cè)量信 號(hào)通過(guò)信號(hào)處理單元（8)解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵（4)在Z向發(fā)生的位移。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測(cè)量裝置，其特征在 于：在所述的掃描分光光柵部件（3)中增設(shè)了光闌（32)，并且光闌（32)位于掃描分光光柵 (31)與X向探測(cè)部件（5)之間，光闌（32)同時(shí)位于掃描分光光柵（31)與Y向探測(cè)部件（6) 之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測(cè)量裝置，其特征在 于：在雙頻激光器（11)出射的透過(guò)掃描分光光柵（31)的測(cè)量光的波長(zhǎng)A= 632. 8nm時(shí)， 所述的掃描分光光柵（31)采用矩形光柵，一組優(yōu)選參數(shù)為二維正交光柵（312)兩個(gè)柵線(xiàn)方 向的光柵周期屯=d2= 10ym、光柵臺(tái)階高度h= 159nm、兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵臺(tái)階寬度ai =a2= 5. 67ym，一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的光柵周期d= 10ym、光柵臺(tái)階高 度h= 488nm、光柵臺(tái)階寬度a= 3. 567ym，標(biāo)尺光柵（4)采用二維矩形光柵，其一組優(yōu)選 參數(shù)為兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵周期屯=d2= 7. 07ym、光柵臺(tái)階高度h= 159nm、兩個(gè)柵線(xiàn)方 向光柵臺(tái)階寬度afa2= 4. 01ym。
【專(zhuān)利摘要】一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測(cè)量裝置涉及一種超精密位移測(cè)量技術(shù)及光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，由標(biāo)尺光柵和讀數(shù)頭兩部分組成，讀數(shù)頭包括雙頻激光光源、Z向干涉部件、掃描分光光柵部件、X向探測(cè)部件、Y向探測(cè)部件、Z向探測(cè)部件、信號(hào)處理部件；該裝置基于典型邁克爾遜干涉儀原理、多衍射光柵干涉原理和光學(xué)拍頻原理實(shí)現(xiàn)了X向、Y向和Z向位移的同時(shí)測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)緊湊、抗干擾能力強(qiáng)、對(duì)標(biāo)尺光柵后向零級(jí)衍射強(qiáng)度要求低以及X向、Y向和Z向測(cè)量不耦合等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)納米甚至更高測(cè)量分辨力，可應(yīng)用于多自由度高精度的位移測(cè)量。
【IPC分類(lèi)】G01B11-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104567695
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510021662
【發(fā)明人】譚久彬, 陸振剛, 魏培培
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2015年1月9日