[发明专利]外差二维光栅位移测量系统及测量方法

说明书

本发明提供一种外差二维光栅位移测量系统及测量方法，其中的方法包括：S1、通过光源产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光；S2、两束线偏振光分别通过读数头入射到二维光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，再经读数头分别入射到光电接收模块；S3、光电接收模块分别根据第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统；S4、信号处理系统分别对第一维度±1级衍射光生成的拍频信号及第二维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算，实现二维光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。本发明可以避免光栅面形精度和光栅姿态误差对测量精度的影响。

技术领域

本发明涉及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倍光学细分的外差二维光栅位移测量系统及测量方法。

背景技术

光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距为测量基准，相比于激光测量技术，光栅测量对环境变化的敏感度低，而且光束入射到光栅上会覆盖很多刻槽，起到平均的作用。光栅位移测量系统中读数头的结构简单紧凑，光栅和读数头之间的距离很小，并且不会随着待测距离的增加而增加，可以大幅度地降低环境对系统测量精度的影响和测量成本。随着光栅制造水平的提高，光栅位移测量系统的测量精度和测量分辨力也逐渐提高，应用范围也越来越广。

光栅位移测量技术的测量分辨力与光栅的周期直接相关，基于衍射光干涉原理的位移测量技术，采用高刻线密度的衍射光栅实现高分辨力、高精度的位移测量，光学细分和电子细分是进一步提高测量分辨力的主要途径，相比于电子细分，光学细分有更高的可靠性。传统光栅位移测量系统采用单次衍射实现2倍光学细分，为进一步提高光学细分，现有技术多采用二次衍射原理实现4倍光学细分或多次衍射实现更高倍数的光学细分，但是无论是二次衍射还是多次衍射都会使测量系统的光学结构变得更加复杂，并且多次衍射利用光栅不同位置的衍射光，光栅面形精度及光栅与读数头之间的姿态误差会对测量精度造成很大的影响。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，采用以下技术方案：

本发明提供一种外差二维光栅位移测量系统，包括光源、读数头、光电接收模块和信号处理系统；其中，光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的线偏振光，分别为第一线偏振光和第二线偏振光；读数头用于接收第一线偏振光和第二线偏振光，并分别入射到二维测量光栅的表面生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光，第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光再经读数头分别入射到光电接收模块；光电接收模块用于分别根据第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光生成对应的拍频信号，发送至信号处理系统；信号处理系统用于对第一维度±1级衍射光生成的拍频信号进行差分计算和对第二维度±1级衍射光的拍频信号进行差分计算，实现二维测量光栅第一维度和第二维度的单次衍射4倍光学细分的位移测量。

优选地，第一线偏振光是频率为f_A的S偏振光，第二线偏振光为频率为f_B的P偏振光；以及，读数头包括偏振分光棱镜、第一1/4波片、镀有反射膜的第二1/4波片、第三1/4波片、回转棱镜和转折元件；其中，偏振分光棱镜用于接收第一线偏振光和第二线偏振光，并将第二线偏振光透射到第一1/4波片，将第一线偏振光反射到第二1/4波片；第一1/4波片设置在偏振分光棱镜的透射光路上，用于将第二偏振光变为右旋偏振光后入射到回转棱镜；回转棱镜设置在第一1/4波片的透射光路上，用于对第二偏振光进行回射，当第二偏振光再次经过第一1/4波片变为S偏振光后，回到偏振分光棱镜；第二1/4波片设置在偏振分光棱镜的反射光路上，用于将第一偏振光变为左旋偏振光后进行反射，再次经过第二1/4波片变为P偏振光后，回到偏振分光棱镜；偏振分光棱镜还用于对第一偏振光进行透射，对第二偏振光反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射到第三1/4波片；第三1/4波片设置在偏振分光棱镜对第一偏振光进行透射的光路上，用于将第一偏振光变为右旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，将第二偏振光变为左旋偏振光后垂直入射到二维测量光栅的表面，第一偏振光与第二偏振光分别衍射生成第一维度±1级衍射光和第二维度±1级衍射光。