零差一维光栅位移测量装置

摘要

本发明提供一种零差一维光栅位移测量装置，包括单频激光器、偏振分光棱镜、分光棱镜、平面镜组、1/4波片、两个信号接收单元和信号处理系统，其中，单频激光器用于发出一束固定频率的线偏振光入射至偏振分光棱镜进行分光，一束反射至平面镜组，经1/4波片垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射生成衍射光，经平面镜组、1/4波片、偏振分光棱镜入射至分光棱镜；另一束与之对称生成衍射光，两束衍射光干涉形成干涉光经分光棱镜分光后分别进入两个信号接收单元。本发明不仅能实现大行程直线度测量，还可实现单次衍射四倍细分的位移测量，采用直角棱镜或角锥棱镜，可实现八倍细分的位移测量。

权利要求

1.一种零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，包括：单频激光器、第一偏振分光棱镜、分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六平面反射镜、第一1/4波片、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，其中，所述第一偏振分光棱镜设置在所述单频激光器的出射方向上，所述第一平面反射镜与所述第四平面反射镜对称设置在所述第一偏振分光棱镜的反射方向和透射方向上，所述第一1/4波片设置在所述第一平面反射镜与所述第四平面反射镜的反射方向上，所述第一信号接收单元与所述第二信号接收单元对称设置在所述分光棱镜的反射方向和透射方向上；以及，

所述单频激光器发出一束固定频率为f的线偏振光入射至所述第一偏振分光棱镜进行分光，一束反射至所述第一平面反射镜，经所述第一平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经所述衍射光栅衍射生成包括±1级衍射光的第一衍射光，分别经所述第二平面反射镜和所述第三平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再经所述第一平面反射镜反射至所述第一偏振分光棱镜，再透射至所述分光棱镜；另一束透射至所述第四平面反射镜，经所述第四平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再垂直入射至所述衍射光栅，经所述衍射光栅衍射产生包括±1级衍射光的第二衍射光，分别经所述第五平面反射镜和所述第六平面反射镜垂直反射至所述第一1/4波片，再经所述第二平面反射镜反射至所述第一偏振分光棱镜，再反射到所述分光棱镜；

第一衍射光的+1级衍射光与所述第二衍射光的‑1级衍射光发生干涉形成第一干涉光，所述第一干涉光经所述分光棱镜分为两束，一束反射进入所述第一信号接收单元，另一束透射进入所述第二信号接收单元；

所述第一衍射光的‑1级衍射光与所述第二衍射光的+1级衍射光发生干涉形成第二干涉光，所述第二干涉光经所述分光棱镜分为两束，一束反射进入所述第一信号接收单元，另一束透射进入所述第二信号接收单元；

所述信号处理系统用于对所述第一信号接收单元和所述第二信号接收单元接收到的干涉信号进行差分处理，实现对所述衍射光栅的单次衍射四倍光学细分的位移测量。

2.如权利要求1所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一信号接收单元包括1/2波片、第二偏振分光棱镜、第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器；其中，

入射至所述1/2波片的第一干涉光和第二干涉光分别经所述第二偏振分光棱镜分光后，分别入射至所述第一光电探测器、所述第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器。

3.如权利要求1所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第二信号接收单元包括第二1/4波片、第三偏振分光棱镜、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器；其中，

入射至所述第二1/4波片的第一干涉光和第二干涉光分别经所述第三偏振分光棱镜分光后，分别入射至所述第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器。

4.如权利要求2所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述1/2波片使所述第一干涉光和所述第二干涉光成90°分布，经过所述第二偏振分光棱镜形成四步相移结构，分别为0°和180°。

5.如权利要求3所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第二1/4波片使所述第一干涉光和所述第二干涉光成45°椭圆或圆分布，经过所述第三偏振分光棱镜形成四步相移结构，分别为90°和‑90°。

6.如权利要求1所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，当所述衍射光栅沿光栅矢量方向运动时，第一衍射光的+1级衍射光与所述第二衍射光的‑1级衍射光产生的频移量为2Δf，所述第一衍射光的‑1级衍射光与所述第二衍射光的+1级衍射光产生的频移量为‑2Δf。

7.如权利要求6所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，所述第一干涉光以2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号，所述第二干涉光以‑2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号。

8.如权利要求1所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，将所述第二平面反射镜、所述第三平面反射镜、所述第五平面反射镜和第六平面反射镜分别替换为直角棱镜或角锥棱镜，所述衍射光栅产生的衍射光分别经所述直角棱镜或所述角锥棱镜进行两次衍射，实现八倍光学细分。

9.如权利要求1所述的零差一维光栅位移测量装置，其特征在于，将所述衍射光栅替换为参考光栅和测量光栅，经所述第一平面反射镜反射的线偏振光入射至所述参考光栅，经所述第二平面反射镜反射的线偏振光入射至所述测量光栅。

说明书

零差一维光栅位移测量装置

技术领域

[0001] 本发明涉及超精密位移测量技术领域，特别涉及一种基于单次衍射实现4倍光学细分的同时也可以构成传统的四步相移结构测量的零差一维光栅位移测量装置。

背景技术

[0002] 光栅位移测量系统被广泛应用于航天航空、半导体加工制造、超精密加工等领域，随着工业技术的迅速发展，对超精密位移测量技术的测量维度、测量速度、测量精度、测量
范围等方面的要求越来越高。而光栅位移测量系统以光栅的栅距为测量基准，消除激光波
长变化带来的误差影响，由于光栅位移测量系统对环境要求低、成本低廉、结构简单，特别
适合于超精密仪器和高端的实验设备中。

[0003] 目前，随着高刻划精度光栅制造技术的提高和光栅拼接技术的完善，光栅位移测量朝着更高的测量精度和更广的测量维度发展，其中采用最多的是多加一路测量信号，来
实现多维度的测量。为了达到更高精度的测量，不仅可以采用多条路径测量方式来实现，也
可以采用不同的转折器件进行多次衍射来实现高倍细分测量，其中最多采用的就是直角棱
镜、角锥棱镜等。

[0004] 在国内外零差式光栅位移测量系统中多采用传统的四步相移结构，一个作为参考光栅，另一个作为测量光栅，参考光栅产生的衍射光与测量光栅产生的衍射光在偏振分光
棱镜处进行干涉，虽然降低了成本，但增加了光栅测量系统的体积，且测量精度被限制。

发明内容

[0005] 本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，提出以一种以同一衍射光栅为基准的双通道光栅位移测量装置，其中两束光都用作测量光，在空间位置上，两束光平行垂直入射至衍
射光栅，实现单次衍射四倍光学细分的同时，也可实现八倍光学细分；在测量上，实现长行
程测量的同时，也保证小范围测量的准确性。

[0006] 具体地，本发明提供的零差一维光栅位移测量装置，采用以下技术方案：

[0007] 零差一维光栅位移测量装置包括：单频激光器、第一偏振分光棱镜、分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、第三平面反射镜、第四平面反射镜、第五平面反射镜、第六
平面反射镜、第一1/4波片、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，其中，
第一偏振分光棱镜设置在单频激光器的出射方向上，第一平面反射镜与第四平面反射镜对
称设置在第一偏振分光棱镜的反射方向和透射方向上，第一1/4波片设置在第一平面反射
镜与第四平面反射镜的反射方向上，第一信号接收单元与第二信号接收单元对称设置在分
光棱镜的反射方向和透射方向上；以及，单频激光器发出一束固定频率为f的线偏振光入射
至第一偏振分光棱镜进行分光，一束反射至第一平面反射镜，经第一平面反射镜垂直反射
至第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射生成包括±1级衍射光的第一衍
射光，分别经第二平面反射镜和第三平面反射镜垂直反射至第一1/4波片，再经第一平面反
射镜反射至第一偏振分光棱镜，再透射至分光棱镜；另一束透射至第四平面反射镜，经第四
平面反射镜垂直反射至第一1/4波片，再垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射产生包括±
1级衍射光的第二衍射光，分别经第五平面反射镜和第六平面反射镜垂直反射至第一1/4波
片，再经第二平面反射镜反射至第一偏振分光棱镜，再反射到分光棱镜；第一衍射光的+1级
衍射光与第二衍射光的‑1级衍射光发生干涉形成第一干涉光，第一干涉光经分光棱镜分为
两束，一束反射进入第一信号接收单元，另一束透射进入第二信号接收单元；第一衍射光
的‑1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光发生干涉形成第二干涉光，第二干涉光经分光棱
镜分为两束，一束反射进入第一信号接收单元，另一束透射进入第二信号接收单元；信号处
理系统用于对第一信号接收单元和第二信号接收单元接收到的干涉信号进行差分处理，实
现对衍射光栅的单次衍射四倍光学细分的位移测量。

[0008] 优选地，第一信号接收单元包括1/2波片、第二偏振分光棱镜和第一光电探测器、第二光电探测器、第三光电探测器和第四光电探测器；其中，入射至1/2波片的第一干涉光
和第二干涉光分别经第二偏振分光棱镜分光后，分别入射至第一光电探测器、第二光电探
测器、第三光电探测器和第四光电探测器。

[0009] 优选地，第二信号接收单元包括第二1/4波片、第三偏振分光棱镜、第五光电探测器、第六光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器；其中，入射至第二1/4波片的第一
干涉光和第二干涉光分别经第三偏振分光棱镜分光后，分别入射至第五光电探测器、第六
光电探测器、第七光电探测器和第八光电探测器。

[0010] 优选地，1/2波片使第一干涉光和第二干涉光成90°分布，经过第二偏振分光棱镜形成四步相移结构，分别为0°和180°。

[0011] 优选地，第二1/4波片使第一干涉光和第二干涉光成45°椭圆或圆分布，经过第三偏振分光棱镜形成四步相移结构，分别为90°和‑90°。

[0012] 优选地，当衍射光栅发生移动，第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的‑1级衍射光产生的频移量为2Δf，第一衍射光的‑1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光产生的频
移量为‑2Δf。

[0013] 优选地，第一干涉光以2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号，第二干涉光以‑2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号。

[0014] 优选地，将第二平面反射镜与第四平面反射镜替换为直角棱镜或角锥棱镜，衍射光栅产生的衍射光分别经直角棱镜或角锥棱镜进行两次衍射，实现八倍光学细分。

[0015] 优选地，将衍射光栅替换为参考光栅和测量光栅，经第一平面反射镜反射的线偏振光入射至参考光栅，经第二平面反射镜反射的线偏振光入射至测量光栅。

[0016] 与现有技术相比，本发明能够实现大行程直线度的测量，其中沿光栅运动方向的位移量测量采用的是±1级衍射光的干涉测量，可实现单次衍射四倍光学细分的位移测量；
在满足测量方案的同时，衍射光栅可分离为固定式结构，一个为测量光栅，一个为参考光
栅，也可实现本发明的单次衍射四倍光学细分的位移测量；采用直角棱镜或角锥棱镜，可实
现八倍光学细分的位移测量。

附图说明

[0017] 图1是根据本发明一个实施例的零差一维光栅位移测量装置的原理示意图；

[0018] 图2是根据本发明一个实施例的产生第一干涉信号的光路原理示意图；

[0019] 图3是根据本发明一个实施例的产生第二干涉信号的光路原理示意图；

[0020] 图4是根据本发明一个实施例的分离零差一维光栅位移测量的原理示意图；

[0021] 图5是根据本发明一个实施例的实现八倍光学细分的原理示意图。

[0022] 其中的附图标记包括：单频激光器1、第一偏振分光棱镜2、第一平面反射镜301、第二平面反射镜302、第三平面反射镜303、第四平面反射镜304、第五平面反射镜305、第六平
面反射镜306、第一1/4波片4、分光棱镜5、第一信号接收单元6、1/2波片601、第二偏振分光
棱镜602、第一光电探测器603、第二光电探测器604、第三光电探测器605、第四光电探测器
606、第二信号接收单元7、第二1/4波片701、第三偏振分光棱镜702、第五光电探测器703、第
六光电探测器704、第七光电探测器705、第八光电探测器706、衍射光栅801、测量光栅802、
参考光栅803、直角棱镜9。

具体实施方式

[0023] 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。

[0024] 图1示出了根据本发明实施例的零差一维光栅位移测量装置的原理。

[0025] 如图1所示，本发明提供实施例提供的零差一维光栅位移测量装置，包括：单频激光器1、第一偏振分光棱镜2、第一平面反射镜301、第二平面反射镜302、第三平面反射镜
303、第四平面反射镜304、第五平面反射镜305、第六平面反射镜306、第一1/4波片4、分光棱
镜5、第一信号接收单元6、第二信号接收单元7和信号处理系统，其中，第一偏振分光棱镜2
设置在单频激光器1的出射方向上，第一平面反射镜301与第四平面反射镜304对称设置在
第一偏振分光棱镜2的反射方向和透射方向上，第一1/4波片4设置在第一平面反射镜301与
第四平面反射镜304的反射方向上，第一信号接收单元6与第二信号接收单元7对称设置在
分光棱镜5的反射方向和透射方向上，第一信号接收单元6与第二信号接收单元7在同一水
平面上保证位移测量的一致性。

[0026] 单频激光器1发出一束固定频率的线偏振光f入射至第一分光棱镜2进行分光；一束反射至第一平面反射镜301，经第一平面反射镜301、第一1/4波片4垂直透射至衍射光栅
801，经衍射光栅801衍射生成第一衍射光，第一衍射光包括±1级衍射光，另一束透射至第
四平面反射镜304，经第四平面反射镜304、第一1/4波片4垂直透射至衍射光栅801，经衍射
光栅801衍射生成第二衍射光，第二衍射光包括±1级衍射光，第一衍射光的±1级衍射光和
第二衍射光的±1级衍射光分别经第二平面反射镜302、第三平面反射镜303、第五平面反射
镜305、第六平面反射镜306反射，呈90°入射至第一偏振分光棱镜2，第一衍射光的+1级衍射
光与第二衍射光的‑1级衍射光进行干涉形成干涉光，第一衍射光的‑1级衍射光与第二衍射
光的+1级衍射光进行干涉形成干涉光，两束干涉光分别经分光棱镜5分光，进入第一信号接
收单元6、第二信号接收单元7，信号处理系统对第一信号接收单元6、第二信号接收单元7接
收到的干涉信号进行差分处理，实现衍射光栅的单次衍射四倍光学细分的位移测量。

[0027] 图2示出了根据本发明一个实施例的产生第一干涉信号的光路原理。

[0028] 如图2所示，单频激光器1发出的线偏振光入射至第一偏振分光棱镜2进行分光，沿第一偏振分光棱镜2的反射方向出射的光经第一平面反射镜301反射垂直入射至第一1/4波
片4，再垂直入射至衍射光栅801，经衍射光栅801生成第一衍射光，第一衍射光包括±1级衍
射光；第一衍射光的+1级衍射光经第二平面反射镜302反射，垂直入射至第一1/4波片4和第
一平面反射镜301，经第一平面反射镜301反射至第一偏振分光棱镜2，再透射到分光棱镜5。

[0029] 沿第一偏振分光棱镜2的透射方向出射的光经第四平面反射镜304反射垂直入射至第一1/4波片4，再垂直入射至衍射光栅801，经衍射光栅801生成第二衍射光，第二衍射光
包括±1级衍射光；第二衍射光的‑1级衍射光经第五平面反射镜305反射，垂直入射至第一
1/4波片4，经第四平面反射镜304反射至第一偏振分光棱镜2，再透射到分光棱镜5。

[0030] 第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的‑1级衍射光发生干涉形成第一干涉光，第一干涉光经分光棱镜5分光，一束反射进入第一信号接收单元6，另一束透射进入第二信
号接收单元7。

[0031] 第一信号接收单元6包括：1/2波片601、第二偏振分光棱镜602、第一光电探测器603、第二光电探测器604、第三光电探测器605和第四光电探测器606。

[0032] 第二信号接收单元7包括：第二1/4波片701、第三偏振分光棱镜702、第五光电探测器703、第六光电探测器704、第七光电探测器705、第八光电探测器706。

[0033] 第一干涉光经分光棱镜5分成的两束干涉光，一束反射至1/2波片601，经第二偏振分光棱镜602分光，分别入射至第一光电探测器603、第二光电探测器604；另一束透射至第
二1/4波片701，经第三偏振分光棱镜702分光，分别入射至第五光电探测器703、第六光电探
测器704。

[0034] 图3是根据本发明一个实施例的产生第二干涉信号的光路原理。

[0035] 如图3所示，第一衍射光的‑1级衍射光经第三平面反射镜303反射，垂直入射至第一1/4波片4和第一平面反射镜301，经第一平面反射镜301反射至第一偏振分光棱镜2，再透
射到分光棱镜5。

[0036] 第二衍射光的+1级衍射光经第六平面反射镜306反射，垂直入射至第一1/4波片4和第四平面反射镜304，经第四平面反射镜304反射至第一偏振分光棱镜2，再透射到分光棱
镜5。

[0037] 第一衍射光的‑1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光发生干涉形成第二干涉光，第二干涉光经分光棱镜5分光，一束反射至1/2波片601，经第二偏振分光棱镜602分光，分别
入射至第三光电探测器605、第四光电探测器606；另一束透射至第二1/4波片701，经第三偏
振分光棱镜702分光，分别入射至第七光电探测器705、第八光电探测器706。

[0038] 八束干涉光分别以‑90°、0°、90°和180°进入光电探测器，其中，1/2波片601使第一干涉光和第二干涉光成90°分布，经过第二偏振分光棱镜602形成四步相移结构，分别为0°
和180°；第二1/4波片701使第一干涉光和第二干涉光成45°分布，经过第三偏振分光棱镜
702形成四步相移结构，分别为90°和‑90°。

[0039] 当衍射光栅801沿光栅矢量方向运动时，根据多普勒频移，第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的‑1级衍射光会产生一个2Δf的频移量；第一衍射光的‑1级衍射光与第二
衍射光的+1级衍射光会产生一个‑2Δf的频移量。则第一干涉光是以2Δf的频移量为固定
频率形成干涉信号；第二干涉光是以‑2Δf的频移量为固定频率形成干涉信号。在第一干涉
光、第二干涉光经分光棱镜5分光后，形成四路干涉信号，分别进入第一信号接收单元6和第
二信号接收单元7。

[0040] 信号处理系统根据零差式四步相移结构对四路干涉信号进行差分处理，可实现单次衍射四倍光学细分的位移测量。

[0041] 在满足测量方案的同时，可将衍射光栅801分离为两个衍射光栅，一个作为测量光栅，一个作为参考光栅，也可实现本发明的单次衍射四倍光学细分的位移测量。

[0042] 图4示出了根据本发明一个实施例的分离零差一维光栅位移测量的原理。

[0043] 如图4所示，参考光栅803位于读数头内侧，不产生多普勒频移，经第一偏振分光棱镜分出的两束光，一束垂直入射到参考光栅803，另一束垂直入射到测量光栅802，两束光经
参考光栅803与测量光栅802衍射后，两两干涉来实现位移量的测量。

[0044] 第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的‑1级衍射光进干涉，根据频移理论，会产生一个Δf的频移量；第一衍射光的‑1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光进行干涉，第
一衍射光的‑1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光会产生一个‑Δf的频移量。

[0045] 信号处理系统根据零差式四步相移结构对四路干涉信号进行差分处理，可实现单次衍射四倍光学细分的位移测量。

[0046] 本发明在单次测量中实现四倍光学细分的同时，也可引入直角棱镜或多引入一路对称光来实现八倍光学细分的零差一维光栅位移测量。

[0047] 图5示出了根据本发明一个实施例的实现八倍光学细分的原理。

[0048] 如图5所示，将第二平面反射镜302、第三平面反射镜303、第五平面反射镜305、第六平面反射镜306分别替换为直角棱镜9(或替换为角锥棱镜)，可使衍射光经过两次衍射，
实现衍射光栅801的八倍光学细分位移测量。

[0049] 第一衍射光的+1级衍射光与第二衍射光的‑1级衍射光进行干涉，根据频移理论，会产生一个4Δf的频移量；第一衍射光的‑1级衍射光与第二衍射光的+1级衍射光会产生一
个‑4Δf的频移量；两束不同的干涉光，一束是以4Δf的频移量为固定频率形成干涉信号；
另一束是以‑4Δf的频移量为固定频率形成干涉信号；信号处理系统根据零差式四步相移
结构对四路信号进行差分处理，可实现单次衍射八倍光学细分的位移测量。

[0050] 综上所述，本发明提供了一种对称式4倍光学细分的零差一维光栅位移测量装置，相对已有传统的四步相移测量系统，该测量装置不仅能实现大行程直线度测量，其中沿光
栅运动方向的位移量测量采用的是±1级衍射光的干涉测量，可实现单次衍射四倍光学细
分的位移测量；在满足测量方案的同时，可分离为固定式结构，一个为测量光栅，一个为参
考光栅，也可实现本发明的单次衍射四倍光学细分位移测量；采用直角棱镜或角锥棱镜代
替平面反射镜，可实现八倍光学细分的位移测量。

[0051] 在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特
点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不
必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任
一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技
术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结
合和组合。

[0052] 尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述
实施例进行变化、修改、替换和变型。

[0053] 以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范
围内。