[发明专利]外差一维光栅位移测量装置

说明书

本发明提供一种外差一维光栅位移测量装置，采用上下对称的结构分布，消除测量装置在光程上所引入影响；利用双频激光器发出的两束正交的线偏振光，其中频率为f₁的‑1级衍射光和频率为f₂的+1级衍射光干涉形成‑2Δf的多普勒频移，频率为f₁的+1级衍射光和频率为f₂的‑1级衍射光干涉形成2Δf的多普勒频移，信号处理系统对信号进行差分处理，可实现单次衍射的四倍光学细分。本发明可实现单次衍射的四倍光学细分，也可采用直角棱镜或角锥棱镜实现八倍的光学细分，同时利用空间上结构微小差异来消除杂光影响，实现位移测量装置高分辨率的目的。

技术领域

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倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置。

背景技术

光学测量法在如今的国际世界得到广泛应用，其中最常见的是激光测量和光栅测量，为了追求测量的精度、测量的多维度、降低成本和小型化设计而引入的光栅，正好可以满足测量需求，光栅刻槽的平均作用可弱化环境影响，高刻划精度光栅的栅线数可提高测量系统分辨力。而基于一维光栅的二维位移测量在国内外很多学者进行探究，可并没有一个最佳的办法来直接的探测。

Hsu研究团队对日本学者Lee提出的外差式光栅位移测量装置进行改进，制作出灵敏度优于1.5pm的二维外差式光栅和在3nm到2.5mm范围内最优灵敏度可达1pm的全息衍射光栅位移测量装置，可引入的Z轴向测量为自身的衍射光进行检测。

现如今，普遍采用引入角锥棱镜和直角棱镜的方式进行二次衍射，可进行衍射对称分布，这必会引入衍射所带来的误差，此误差由对称分布的1级衍射光经过角锥棱镜反射，再一次入射至衍射光栅产生的2级衍射光的0级衍射光所产生，因为垂直入射垂直出射的原因，此误差在水平方向上不可避免。因此，亟需一种在实现单次衍射实现四倍光学细分的同时，消除杂散光的测量装置。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，提出以一种对称式4倍光学细分的外差一维光栅位移测量装置，相对于现有技术，本发明在实现单次衍射4倍光学细分的同时，可消除杂散光对测量系统的影响。

具体地，本发明提供的外差一维光栅位移测量装置，包括：双频激光器、偏振分光棱镜、第一转折单元、第二转折单元、第一信号接收单元、第二信号接收单元和信号处理系统，偏振分光棱镜设置在双频激光器的出射方向上，第一转折单元与第二转折单元沿偏振分光棱镜的反射方向和透射方向对称设置；其中，双频激光器发出两束正交的频率分别为f₁和f₂的线偏振光，频率为f₁的线偏振光经偏振分光棱镜反射至第一转折单元，再经过第一转折单元垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f₁的±1级衍射光分别经第一转折单元入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜透射分别进入第一信号接收单元和第二信号接收单元；频率为f₂的线偏振光经偏振分光棱镜反射至第二转折单元，再经过第二转折单元垂直入射至衍射光栅，经衍射光栅衍射出±1级衍射光，频率为f₂的±1级衍射光分别经第二转折单元入射至偏振分光棱镜，经偏振分光棱镜反射分别进入第一信号接收单元和第二信号接收单元；频率为f₁的+1级衍射光与频率为f₂的-1级衍射光在第一信号接收单元内干涉形成f₁-f₂的频率信号，频率为f₁的-1级衍射光与频率为f₂的-级衍射光在第二信号接收单元内干涉形成f₁-f₂的频率信号；信号处理系统对第一信号接收单元和第二信号接收单元接收到的频率信号进行差分计算，实现衍射光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。