双频激光光栅干涉测量方法及测量系统

摘要

一种双频激光光栅干涉测量方法及测量系统，该测量方法为先利用双频激光器输出双频激光，使普通光栅干涉测量的直流信号系统转变为交流信号系统，然后让双频激光通过一分光镜以形成参考光路和测量光路，再通过光栅的运动使测量光路光学拍干涉场的拍频发生变化，最后用数字相位测量法将各光学拍干涉场得到的高倍数光学细分信号进行高倍数电子细分，完成测量。本发明的测量系统包括双频激光器和第一分光镜；经第一分光镜后的反射、透射光束分别形成参考、测量光路，参考光路上设有检偏器和光电探测器，测量光路上设有光栅衍射干涉系统，光栅衍射干涉系统后的输出光路上设光电探测器。本发明具有抗干扰能力强、稳定性好、使用方便、测量精度高等优点。

权利要求

1.一种双频激光光栅干涉测量方法，包括以下步骤：先利用双频激光器输出双频激光，给干涉条纹随待测参量的变化引入一个载波，使普通光栅干涉测量的直流信号系统转变为交流信号系统，然后让所述双频激光通过一分光镜以形成参考光路和测量光路，所述参考光路上的光束经检偏器后形成参考光路光学拍干涉场；所述测量光路上的光束经单根光栅衍射叠加形成测量光路光学拍干涉场；通过将待测参量的变化转换为所述光栅的运动，光栅的运动则使得所述测量光路光学拍干涉场的拍频发生变化，最后用数字相位测量法将各光学拍干涉场得到的高倍数光学细分信号再进行高倍数电子细分，即可实现待测参量的纳米级精度测量。

2.根据权利要求1所述的双频激光光栅干涉测量方法，其特征在于：所述光栅为低热膨胀系数的石英或零膨胀材料制作的单根光栅，并以光栅实物形式提供测量基准。

3.一种双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述测量系统包括双频激光器和用于分开该双频激光器输出的双频激光的第一分光镜；经第一分光镜后的反射光束形成参考光路，参考光路上设有检偏器和用于记录检偏器输出光信号的第一光电探测器；经第一分光镜后的透射光束形成测量光路，测量光路上设有主要由偏振分光镜、光栅和反射镜组组成的光栅衍射干涉系统，所述光栅衍射干涉系统后的输出光路上还设有记录该光栅衍射干涉系统输出光信号的第二光电探测器。

4.根据权利要求3所述的双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述光栅衍射干涉系统中的偏振分光镜、反射镜组和光栅沿测量光路依次布设，经所述第一分光镜后的透射光束入射至所述偏振分光镜，并由偏振分光镜分成不同频率的两激光束，不同频率的两激光束分别经由反射镜组中的各反射镜对称入射至所述光栅，经光栅衍射后，选择对称的两级衍射光叠加后输出。

5.根据权利要求4所述的双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述偏振分光镜和所述反射镜组中一个反射镜之间的光路上设有半波片，且所述半波片的快轴方向与所述双频激光器输出的双频激光的两正交线偏振分量的夹角均为45°。

6.根据权利要求3所述的双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述光栅衍射干涉系统中的光栅、反射镜组和偏振分光镜沿测量光路依次布设，经所述第一分光镜后的透射光束垂直入射至所述光栅，经光栅衍射后，选取对称的且均包含双频激光的两级衍射光束，该两级衍射光束分别经由反射镜组中的各反射镜对称入射至所述偏振分光镜，并由偏振分光镜合并叠加后输出。

7.根据权利要求6所述的双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述第一分光镜和光栅之间的光路上设有用于保证所述透射光束垂直入射至光栅的调节反射镜。

8.根据权利要求3～7中任一项所述的双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述光栅为反射光栅或透射光栅。

9.根据权利要求3～7中任一项所述的双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述检偏器的方向与所述双频激光器输出的双频激光的两正交线偏振分量的夹角均为45°。

说明书

双频激光光栅干涉测量方法及测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及一种测量方法及测量系统，尤其涉及一种光栅干涉测量方法及测量系统。

背景技术

[0002] 纳米测量是先进制造业发展的关键技术，也是整个纳米科技领域的先导和基础。随着超精密加工和超微细加工技术的发展，行程达100毫米量级、运动分辨率达到纳米级的超精密和超微细加工设备，对大量程、纳米级高精度的测试手段提出了迫切需求。在众多纳米测量仪器中，光栅测量仪器具有测量范围大、测量分辨率高等特点。

[0003] 光栅测量仪器将栅距周期内的绝对式测量和周期外的增量式测量结合起来，测量基准是光栅的栅距而不是光波的波长。测量精度主要取决于光栅的刻制精度，受入射光波长变化的影响相对较小。目前，光栅测量仪器虽然可以得到较高的测量分辨率，但其测量精度受到了较多因素的限制，尚未达到应有的纳米级水平。首先，绝大部分光栅测量仪器是一个直流信号系统，而直流系统存在一个根本问题，即计数器的触发电平完全取决于干涉系统的输出光强，而输出光强的波动有可能使计数器停止计数，除非触发电平重新得到调整。其次激光器的老化、大气湍流引起的光束偏转及波面变形、外界振动等因素都有可能造成光强的波动。尤其是对于较快速度的测量，即使对触发电平进行自动调整，也难以跟踪上输出光强的快速变化。因此，现有光栅测量仪器虽然能够得到纳米级的测量分辨率，但测量精度尚未达到纳米级水平。

发明内容

[0004] 本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种大量程、高精度、抗干扰能力强、稳定性好的双频激光光栅干涉测量方法，并相应提供一种结构简单、布局优化、使用方便、测量精度高的测量系统。

[0005] 为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种双频激光光栅干涉测量方法，包括以下步骤：先利用双频激光器输出双频激光，给干涉条纹随待测参量的变化引入一个载波，使普通光栅干涉测量的直流信号系统转变为交流信号系统，然后让所述双频激光通过一分光镜以形成参考光路和测量光路，所述参考光路上的光束经检偏器后形成参考光路光学拍干涉场；所述测量光路上的光束经单根光栅衍射叠加形成测量光路光学拍干涉场；通过将待测参量的变化转换为所述光栅的运动，光栅的运动则使得所述测量光路光学拍干涉场的拍频发生变化，最后用数字相位测量法将各光学拍干涉场得到的高倍数光学细分信号再进行高倍数电子细分，即可实现待测参量的纳米级精度测量。

[0006] 上述的双频激光光栅干涉测量方法中，所述光栅优选为低热膨胀系数的石英或零膨胀材料制作的光栅。这样可以更好地保证测量基准稳定可靠、零点漂移极小，并可减小温度对测量精度的影响，提高本发明干涉测量方法对环境的适应能力。

[0007] 一种双频激光光栅干涉测量系统，其特征在于：所述测量系统包括双频激光器和用于分开该双频激光器输出的双频激光的第一分光镜；经第一分光镜后的反射光束形成参考光路，参考光路上设有检偏器和用于记录检偏器输出光信号的第一光电探测器；经第一分光镜后的透射光束形成测量光路，测量光路上设有主要由偏振分光镜、光栅和反射镜组组成的光栅衍射干涉系统，所述光栅衍射干涉系统后的输出光路上还设有记录该光栅衍射干涉系统输出光信号的第二光电探测器。

[0008] 作为对上述的双频激光光栅干涉测量系统的改进，所述光栅衍射干涉系统中的偏振分光镜、反射镜组和光栅沿测量光路依次布设，经所述第一分光镜后的透射光束入射至所述偏振分光镜，并由偏振分光镜分成不同频率的两激光束，不同频率的两激光束分别经由反射镜组中的各反射镜对称入射至所述光栅，经光栅衍射后，选择对称的两级衍射光叠加后输出。

[0009] 上述的双频激光光栅干涉测量系统中，所述偏振分光镜和所述反射镜组中一个反射镜之间的光路上设有半波片，且所述半波片的快轴方向与所述双频激光器输出的双频激光的两正交线偏振分量的夹角均优选为45°。

[0010] 作为对上述的双频激光光栅干涉测量系统的另一种改进：

[0011] 所述光栅衍射干涉系统中的光栅、反射镜组和偏振分光镜沿测量光路依次布设，经所述第一分光镜后的透射光束垂直入射至所述光栅，经光栅衍射后，选取对称的且均包含双频激光的两级衍射光束，该两级衍射光束分别经由反射镜组中的各反射镜对称入射至所述偏振分光镜，并由偏振分光镜合并叠加后输出。

[0012] 上述的双频激光光栅干涉测量系统中，所述第一分光镜和光栅之间的光路上优选设有用于保证所述透射光束垂直入射至光栅的调节反射镜。

[0013] 上述的各双频激光光栅干涉测量系统中，所述光栅优选为反射光栅或透射光栅。

[0014] 上述的各双频激光光栅干涉测量系统中，所述检偏器的方向与所述双频激光器输出的双频激光的两正交线偏振分量的夹角均优选为45°。

[0015] 本发明上述的双频激光光栅干涉测量系统为一种包括双频激光器、分光镜、偏振分光镜、反射镜组、光栅及光电探测器等器件的外差式光栅干涉测量系统，其形成有参考光路的光学拍干涉场和测量光路的光学拍干涉场。参考光路的光学拍干涉场的拍频为双频激光器输出的双频激光的频率之差。当光栅静止时，由光栅衍射产生的对称两级衍射光，形成测量光路的光学拍干涉场，其拍频也为双频激光器输出的双频激光的频率之差；当光栅运动时，对称两级衍射光将产生大小相等、符号相反的多普勒频移量，使得测量光路的光学拍干涉场的拍频发生变化。最后，由两个光电探测器分别接收参考光路和测量光路的光学拍干涉场，并对接收信号进行处理后，可精确测量光栅在某一方向的位移量。

[0016] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0017] (1)本发明采用双频激光器输出双频激光，给干涉条纹随位移的变化引入一个载波，载波频率为双频激光器输出的双频激光的频率之差，使普通光栅干涉测量的直流信号系统转变为交流信号系统，增强了系统的抗干扰能力和稳定性，并具有对光强波动不敏感和交流放大器高增益等优点；

[0018] (2)本发明采用光栅实物形式提供测量基准，当采用低热膨胀系数的石英(其热-7膨胀系数小于6×10 /℃)或零膨胀材料等制作光栅时，其测量基准稳定可靠、零点漂移极小，并可减小温度对测量精度的影响，提高测量系统对环境的适应能力；

[0019] (3)本发明采用光栅衍射所产生的对称高级次衍射光(比如±3级、±5级、±7级)形成干涉条纹，通过设计对称衍射光路来产生双倍的多普勒频移量，在同等条件下使理论分辨率提高了一倍，得到高倍数的光学细分，产生微米或亚微米级的条纹信号；

[0020] (4)本发明采用频率合成技术和FPGA数字处理技术相结合，利用脉冲填充的信号细分、双向鉴相及多周期平均测量等方法，实现了外差干涉信号大量程相位信息的准确测量及小数相位的高倍细分，有效地将光栅测量的分辨率提高到纳米量级，进而实现100毫米量级范围的纳米级精度测量(采用数字相位测量方法得到高倍数电子细分，可有效地将光栅测量的分辨率提高到纳米量级，并实现100毫米量级范围的纳米级精度测量)。

[0021] 由上可见，本发明利用双频激光器和单根光栅构造大量程、高精度的外差式光栅干涉测量系统，增强了光栅测量系统的抗干扰能力和稳定性，提高了其对外部环境的适应能力，可实现100毫米量级范围的纳米级精度测量，能够适用于微光机电、集成电路芯片制造、超精密加工、超微细加工、生物工程、航空航天及新材料等领域所涉及的大量程纳米级测量定位要求。本发明形成了新的大量程、抗干扰性强的纳米测量原理与技术原型，其量程主要取决于所采用光栅的长度，大大提高了我国中低价位纳米级测量仪器的自主研制能力，对进一步推动先进制造技术的发展具有重要的现实意义。

附图说明

[0022] 图1为本发明实施例1的基于反射光栅的对称入射式双频激光光栅干涉测量系统结构示意图。

[0023] 图2为本发明实施例2的基于透射光栅的对称入射式双频激光光栅干涉测量系统结构示意图。

[0024] 图3为本发明实施例3的基于反射光栅的垂直入射式双频激光光栅干涉测量系统结构示意图。

[0025] 图4为本发明实施例4的基于透射光栅的垂直入射式双频激光光栅干涉测量系统结构示意图。

[0026] 图例说明：

[0027] 1、双频激光器；2、第一分光镜；3、检偏器；4、第一光电探测器；5、第二光电探测器；6、偏振分光镜；7、反射镜组；71、第一反射镜；72、第二反射镜；8、反射光栅；9、半波片；10、透射光栅；11、调节反射镜。

具体实施方式

[0028] 以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

[0029] 实施例1：

[0030] 一种如图1所示的基于反射光栅的对称入射式双频激光光栅干涉测量系统。该测量系统包括双频激光器1和用于分开该双频激光器1输出的双频激光的第一分光镜2；双频激光器1输出两个正交的线偏振分量p和s，p分量的频率为v1(也称v1分量)，s分量的频率为v2(也称v2分量)。双频激光器1输出的双频激光经第一分光镜2后，一部分反射形成参考光路，参考光路上的反射光束经检偏器3后产生光学拍现象(检偏器3的方向和p、s分量的夹角均为45°)，形成参考光路光学拍干涉场，并由其后的第一光电探测器4记录条纹的明暗变化。双频激光的另一部分光透过第一分光镜2形成测量光路，测量光路上依次设有由偏振分光镜6、反射镜组7和反射光栅8组成的光栅衍射干涉系统，偏振分光镜6将透射光束的v1分量和v2分量分开，v1分量和v2分量分别经由反射镜组7的第一反射镜71和第二反射镜72对称入射至反射光栅8，其中，偏振分光镜6和第二反射镜72之间的光路上还设有一半波片9，半波片9的快轴方向和p、s分量的夹角均为45°。经反射光栅8衍射后，v1分量的某级衍射光a光和v2分量的某级衍射光b光叠加，产生光学拍现象，形成测量光路光学拍干涉场，最后由第二光电探测器5记录条纹的明暗变化。当反射光栅8在x方向上发生位移时，由多普勒频移现象可知光栅的运动将会引起衍射光的频率发生变化，a光的频率变为v1a、b光的频率变为v2b，并引起测量光路拍频的变化。分别对测量光路和参考光路的接收信号进行处理后，可精确测量反射光栅8在x方向的位移量。

[0031] 实施例2：

[0032] 一种如图2所示的基于透射光栅的对称入射式双频激光光栅干涉测量系统。该测量系统包括双频激光器1和用于分开该双频激光器1输出的双频激光的第一分光镜2；双频激光器1输出两个正交的线偏振分量p和s，p分量的频率为v1(也称v1分量)，s分量的频率为v2(也称v2分量)。双频激光器1输出的双频激光经第一分光镜2后，一部分反射形成参考光路，参考光路上的反射光束经检偏器3后产生光学拍现象(检偏器3的方向和p、s分量的夹角均为45°)，形成参考光路光学拍干涉场，并由其后的第一光电探测器4记录条纹的明暗变化。双频激光的另一部分光透过第一分光镜2形成测量光路，测量光路上设有依次由偏振分光镜6、反射镜组7和透射光栅10组成的光栅衍射干涉系统，偏振分光镜6将透射光束的v1分量和v2分量分开，v1分量和v2分量分别经由反射镜组7的第一反射镜71和第二反射镜72对称入射至透射光栅10，其中，偏振分光镜6和第二反射镜72之间的光路上还设有一半波片9，半波片9的快轴方向和p、s分量的夹角均为45°。经透射光栅10衍射后，v1分量的某级衍射光a光和v2分量的某级衍射光b光叠加，产生光学拍现象，形成测量光路光学拍干涉场，最后由第二光电探测器5记录条纹的明暗变化。当透射光栅10在x方向上发生位移时，由多普勒频移现象可知光栅的运动将会引起衍射光的频率发生变化，a光的频率变为v1a、b光的频率变为v2b，并引起测量光路拍频的变化。分别对测量光路和参考光路的接收信号进行处理后，可精确测量透射光栅10在x方向的位移量。

[0033] 实施例3：

[0034] 一种如图3所示的基于反射光栅的垂直入射式双频激光光栅干涉测量系统。该测量系统包括双频激光器1和用于分开该双频激光器1输出的双频激光的第一分光镜2；双频激光器1输出两个正交的线偏振分量p和s，p分量的频率为v1(也称v1分量)，s分量的频率为v2(也称v2分量)。双频激光器1输出的双频激光经第一分光镜2后，一部分反射形成参考光路，参考光路上的反射光束经检偏器3后产生光学拍现象(检偏器3的方向和p、s分量的夹角均为45°)，形成参考光路光学拍干涉场，并由其后的第一光电探测器4记录条纹的明暗变化。双频激光的另一部分光透过第一分光镜2形成测量光路，测量光路上设有依次由调节反射镜11、反射光栅8、反射镜组7和偏振分光镜6组成的光栅衍射干涉系统，经第一分光镜2后的透射光束首先经过调节反射镜11的调节，使该透射光束垂直入射至反射光栅8，反射光栅8衍射后得到对称的两级衍射光a光和b光；a光和b光分别经由反射镜组7的第一反射镜71和第二反射镜72反射后，入射至偏振分光镜6；其中，a光中的p分量(即v1分量)经偏振分光镜6反射，b光中的s分量(即v2分量)透过偏振分光镜6，二者再经检偏器3后，叠加产生光学拍现象，形成测量光路光学拍干涉场，并由第二光电探测器5记录条纹的明暗变化。当反射光栅8在x方向上发生位移时，由多普勒频移现象可知光栅的运动将会引起衍射光的频率发生变化，a光的频率变为v1a和v2a、b光的频率变为v1b和v2b，并引起测量光路拍频的变化。分别对测量光路和参考光路的接收信号进行处理后，可精确测量反射光栅8在x方向的位移量。须说明的是：a光中的s分量(即v2分量)透过偏振分光镜6，b光中的p分量(即v1分量)经偏振分光镜6反射，二者再经检偏器后叠加也可产生光学拍现象，同样可形成测量光路光学拍干涉场。

[0035] 实施例4：

[0036] 一种如图4所示的基于透射光栅的垂直入射式双频激光光栅干涉测量系统。该测量系统包括双频激光器1和用于分开该双频激光器1输出的双频激光的第一分光镜2；双频激光器1输出两个正交的线偏振分量p和s，p分量的频率为v1(也称v1分量)，s分量的频率为v2(也称v2分量)。双频激光器1输出的双频激光经第一分光镜2后，一部分反射形成参考光路，参考光路上的反射光束经检偏器3后产生光学拍现象(检偏器3的方向和p、s分量的夹角均为45°)，形成参考光路光学拍干涉场，并由其后的第一光电探测器4记录条纹的明暗变化。双频激光的另一部分光透过第一分光镜2形成测量光路，测量光路上设有依次由透射光栅10、反射镜组7和偏振分光镜6组成的光栅衍射干涉系统，经第一分光镜2后的透射光束垂直入射至透射光栅10，透射光栅10衍射后得到对称的两级衍射光a光和b光；a光和b光分别经由反射镜组7的第一反射镜71和第二反射镜72反射后，入射至偏振分光镜6；其中，a光中的p分量(即v1分量)经偏振分光镜6反射，b光中的s分量(即v2分量)透过偏振分光镜6，二者再经检偏器3后，叠加产生光学拍现象，形成测量光路光学拍干涉场，并由第二光电探测器5记录条纹的明暗变化。当透射光栅10在x方向上发生位移时，由多普勒频移现象可知光栅的运动将会引起衍射光的频率发生变化，a光的频率变为v1a和v2a、b光的频率变为v1b和v2b，并引起测量光路拍频的变化。分别对测量光路和参考光路的接收信号进行处理后，可精确测量透射光栅10在x方向的位移量。须说明的是：a光中的s分量(即v2分量)透过偏振分光镜6，b光中的p分量(即v1分量)经偏振分光镜6反射，二者再经检偏器后叠加也可产生光学拍现象，同样可形成测量光路光学拍干涉场。

[0037] 以上各实施例中的双频激光光栅干涉测量系统均是基于以下干涉测量方法进行测量：先利用双频激光器输出双频激光，给干涉条纹随待测参量的变化引入一个载波，使普通光栅干涉测量的直流信号系统转变为交流信号系统，然后让双频激光通过一分光镜以形成参考光路和测量光路，参考光路上的光束经检偏器后形成参考光路光学拍干涉场；测量光路上的光束经单根光栅衍射叠加形成测量光路光学拍干涉场；通过将待测参量的变化转换为光栅的运动，光栅的运动则使得测量光路光学拍干涉场的拍频发生变化，最后用数字相位测量法将各光学拍干涉场得到的高倍数光学细分信号再进行高倍数电子细分，即可实现待测参量的纳米级精度测量。光栅为低热膨胀系数的石英(或零膨胀材料)制作的单根光栅，并以光栅实物形式提供测量基准。