[发明专利]一种基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的系统及方法

权利要求书

1.一种基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的系统，其特征在于：包括二维光栅、准直后的激光光源、集成探头；所述集成探头包括多个光电感应探头和集成屏，集成屏内包括有支撑框架、多个折射晶体，多个光电感应探头和多个折射晶体均相对固定在支撑框架上；集成屏与光栅平面平行放置；通过集成屏实现多个衍射级次的光同步干涉测量，不同的衍射级次对应不同的分辨率，从而实现多自由度、多分辨率测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的系统，其特征在于：所述的集成屏上按照光线接收位置的不同选择布置有光强衰减片、光程差补偿片。

3.根据权利要求2所述的一种基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的系统，其特征在于：所述二维光栅为反射光栅或者透射光栅；

针对反射光栅和透射光栅分别有两种光路布置方案：使用反射光栅时，光栅反射面向上，经过准直后的入射光垂直于光栅反射面入射，则其衍射光将对称的出现在入射线及两个栅向构成的平面内；当使用透射光栅时，入射光将从下方向上入射，此时其衍射光分布与前述反射光栅的衍射光分布相同。

4.一种基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的方法，其特征在于：采用同级衍射光干涉进行x和y运动量的测量，测量方法如下：

假设+m级衍射光与光栅面法线的交角为θ_+m，当光栅以速度V与该衍射线在栅面的投影方向前进，则由多普勒效应引起的频差为c为光速、f₀为光的频率；相对应的即由于相对运动造成一路光频率增加、另一路光频率降低，当+m级衍射光与-m级衍射光相遇发生干涉时，其混频信号的频率则为对该频率进行时间积分则得到该时间内干涉条纹的移动数N，即：

N=∫0tΔfdt=∫0t2Vsinθ+mcf0dt=2f0sinθ+mc∫0tVdt=2sinθ+mλ∫0tVdt---(1)]]>

其中时间t内的位移激光的波长为λ，另外，sinθ_+m可以依据光栅方程进一步表示为光栅常数和m的表达式；例如，采用光栅常数为d的全息光栅时，

S=∫0tVdt=Nd2m---(2)]]>

对于相同的位移、时间内，衍射级次m越大，光电感应探头探测到的干涉条纹亮次数越多，即光学细分倍数越高，光电感应探头的响应时间也需要更快；

其中，V代表x或y运动方向的速度，从而实现x和y运动的测量。

5.一种根据权利要求4所述的基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的方法，其特征在于：在权利要求4的基础上，采用非同级衍射光干涉测量，并将该干涉测量结果与权利要求4的结果综合，得到z向运动量的测量，测量方法如下：

如果计量光栅同时包含离面运动速度V_z—z向，即光栅法线方向的速度，则Δf+m≈+Vsinθ+m+Vzcosθ+mcf0,]]>其中k用以区别二者属于不同衍射级次，项表示由于运动速度V_z相对于该衍射光线传播方向引起的多普勒效应频率差，此时它们干涉得到的混频信号频率为，

Δf=Δf+m-Δf-m+k=+V(sinθ+m+sinθ-m+k)+Vz(cosθ+m-cosθ-m+k)cf0---(3)]]>

其中，θ对于特定的光栅可根据光栅方程唯一确定，是已知量；V根据同级衍射光的干涉可以提前确定。