部件5接收后通過(guò)信號(hào)處理單元7處理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。
[0041]1/4波片A22的放置方式可設(shè)置為快軸方向與X-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A21上發(fā)生透射，最終作為Z向測(cè)量的參考光入射到Z向探測(cè)部件6 ；1/4波片B24的放置方式可設(shè)置為快軸方向與X-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，即為九束測(cè)量光中沿入射方向返回的測(cè)量光束[0，0，0]級(jí)OP3-222，其再次透過(guò)1/4波片B24后偏振方向旋轉(zhuǎn)90°并入射到偏振分光棱鏡A21上發(fā)生反射，最終作為Z向測(cè)量的測(cè)量光入射到Z向探測(cè)部件6 ;入射到Z向探測(cè)部件6的參考光和測(cè)量光相遇形成干涉信號(hào)，而且該干涉信號(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，該干涉信號(hào)被Z向探測(cè)部件6接收并通過(guò)信號(hào)處理單元7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。
[0042]為了提高Z向探測(cè)部件6接收到的干涉信號(hào)的信噪比，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)，設(shè)置偏振方向可調(diào)的偏振片A12調(diào)整光束OPl的偏振方向，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。
[0043]具體實(shí)施過(guò)程中，為了進(jìn)一步減小讀數(shù)頭體積，偏振分光棱鏡A21、l/4波片A22、1/4波片B24和反射部件23可以采用一體化結(jié)構(gòu)。
[0044]具體實(shí)施過(guò)程中，為了減小讀數(shù)頭體積，同時(shí)減弱單頻激光器11的散熱對(duì)探測(cè)器的影響，可以利用光纖將單頻激光器11出射的光束傳輸至光路。
[0045]參考圖2a，為本發(fā)明應(yīng)用的二通道探測(cè)器的一種結(jié)構(gòu)形式，包括分光棱鏡A611、1/4波片C612、偏振片B613、偏振片C614、光電探測(cè)部件A615，Z向探測(cè)部件6采用二通道探測(cè)器可以獲得兩個(gè)相位相差90°的干涉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)Z方向的位移測(cè)量和辨向。
[0046]參考圖2b，為本發(fā)明應(yīng)用的四通道探測(cè)器的一種結(jié)構(gòu)形式，包括1/4波片D621、分光棱鏡B622、偏振分光棱鏡B623、l/2波片624、偏振分光棱鏡C625、光電探測(cè)部件B626，Z向探測(cè)部件6采用四通道探測(cè)器可以獲得四個(gè)相位相差90°的干涉信號(hào)，實(shí)現(xiàn)Z方向的位移測(cè)量和辨向。
[0047]參考圖3a，為本發(fā)明掃描分光光柵31與標(biāo)尺光柵4柵線(xiàn)方向平行和垂直的放置方式不意圖，其中掃描分光光柵31為一維矩形光柵，標(biāo)尺光柵4為二維矩形光柵，掃描分光光柵31與標(biāo)尺光柵4平行放置，標(biāo)尺光柵4的兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵31的柵線(xiàn)方向平行和垂直。
[0048]參考圖3b，為本發(fā)明掃描分光光柵31與標(biāo)尺光柵4柵線(xiàn)方向成45°的放置方式不意圖，其中掃描分光光柵31為一維矩形光柵，標(biāo)尺光柵4為二維矩形光柵，掃描分光光柵31與標(biāo)尺光柵4平行放置，標(biāo)尺光柵4的兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵31的柵線(xiàn)方向成 45。ο
[0049]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h、光柵臺(tái)階寬度a。
[0050]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)方向光柵周期屯和d 2、光柵臺(tái)階高度h、兩個(gè)方向光柵臺(tái)階寬度ajP a 2。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于衍射光柵的二維位移測(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)頭包括光源(1)、分光部件(2)、掃描分光光柵部件(3)、X向探測(cè)部件(5)、Z向探測(cè)部件￠)、信號(hào)處理部件(7);所述的光源(I)包括單頻激光器(11)、偏振片A(12);所述的分光部件(2)包括偏振分光棱鏡A(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24);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)為一維光柵，標(biāo)尺光柵(4)具有后向零級(jí)衍射光，且掃描分光光柵(31)和標(biāo)尺光柵(4)在X方向上的等效光柵周期相等；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，且垂直于掃描分光光柵(31)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；所述的等效光柵周期是指光柵在某一方向上的周期；所述的單頻激光器(11)出射的激光透過(guò)偏振片A(12)入射到偏振分光棱鏡A(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A (21)入射到Z向探測(cè)部件(6);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)，經(jīng)掃描分光光柵(31)衍射后衍射光束入射到標(biāo)尺光柵(4)并發(fā)生反向衍射，反向衍射光透過(guò)掃描分光光柵(31)衍射分光，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，其中八束兩兩傳播方向相同，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(7)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)量光束中的另一沿入射方向返回的測(cè)量光束透過(guò)1/4波片B(24)，并由偏振分光棱鏡A(21)反射入射到Z向探測(cè)部件(6);入射到Z向探測(cè)部件(6)的參考光和測(cè)量光相遇形成干涉信號(hào)，通過(guò)信號(hào)處理單元(7)解算后得到讀數(shù)頭相對(duì)于標(biāo)尺光柵⑷在Z向發(fā)生的位移。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于衍射光柵的二維位移測(cè)量裝置，其特征在于:所述的掃描分光光柵(31)為一維矩形光柵時(shí)，標(biāo)尺光柵(4)包括以下結(jié)構(gòu)安排方式:①標(biāo)尺光柵(4)為一維矩形光柵，且其柵線(xiàn)方向與掃描分光光柵(31)的柵線(xiàn)方向平行；②標(biāo)尺光柵(4)為二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵(31)的柵線(xiàn)方向平行和垂直；③標(biāo)尺光柵(4)為二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵(31)的柵線(xiàn)方向成.45。。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于衍射光柵的二維位移測(cè)量裝置，其特征在于:所述的Z向探測(cè)部件(6)為二通道探測(cè)器或四通道探測(cè)器。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于衍射光柵的二維位移測(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。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于衍射光柵的二維位移測(cè)量裝置，其特征在于:在單頻激光器(11)出射的激光波長(zhǎng)λ = 632.8nm時(shí)，①所述的掃描分光光柵(31)米用一維矩形光柵的一組優(yōu)選參數(shù)為光柵周期d = 10 μm、光柵臺(tái)階高度h = 488nm、光柵臺(tái)階寬度a=3.567 μπι ;②所述的標(biāo)尺光柵(4)的參數(shù)包括:(a)當(dāng)標(biāo)尺光柵(4)采用一維矩形光柵，且其柵線(xiàn)方向與掃描分光光柵(31)的柵線(xiàn)方向平行時(shí)，其一組優(yōu)選參數(shù)為光柵周期d =.10 μm、光柵臺(tái)階高度h = 488nm、光柵臺(tái)階寬度a = 3.567 μπι ; (b)當(dāng)標(biāo)尺光柵⑷采用二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵(31)的柵線(xiàn)方向平行和垂直時(shí)，其一組優(yōu)選參數(shù)為兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵周期Cl1=Cl2= 10μm、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％=&2=5.67 μπι; (c)當(dāng)標(biāo)尺光柵(4)采用二維矩形光柵，且其兩個(gè)柵線(xiàn)方向分別與掃描分光光柵(31)的柵線(xiàn)方向成45°時(shí)，其一組優(yōu)選參數(shù)為兩個(gè)柵線(xiàn)方向的光柵周期均為(I1= d2= 7.07 μπι、光柵臺(tái)階高度h = 159nm、兩個(gè)柵線(xiàn)方向光柵臺(tái)階寬度 Ei1 — ? 2 — 4.0I yrn。
【專(zhuān)利摘要】一種基于衍射光柵的二維位移測(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)頭包括光源、分光部件、掃描分光光柵部件、X向探測(cè)部件、Z向探測(cè)部件、信號(hào)處理部件；該裝置基于邁克爾遜干涉儀原理和多衍射光柵干涉原理實(shí)現(xiàn)了X向和Z向位移的同時(shí)測(cè)量，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、體積小、抗干擾能力強(qiáng)以及X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位移測(cè)量。
【IPC分類(lèi)】G01B11-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104567696
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510021664
【發(fā)明人】陸振剛, 譚久彬, 魏培培, 敬嘉雷
【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