一種外差式一/二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種外差式一/二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，包括單頻激光光源、電光調(diào)制器、一維反射式測(cè)量光柵、分光棱鏡、五個(gè)一維透射式測(cè)量光柵、六個(gè)平面反射鏡、四個(gè)偏振分光棱鏡、八個(gè)偏振片及八個(gè)光電探測(cè)及信號(hào)處理部件，單頻激光光源發(fā)射的是線偏振單頻激光，偏振方向與x軸呈45度，經(jīng)快軸方向與x軸平行的電光調(diào)制器調(diào)制后輸出外差式激光，該外差式激光由偏振方向沿z軸的s波分量和偏振方向沿x軸的p波分量構(gòu)成，并且s波分量和p波分量之間存在一個(gè)隨電光調(diào)制器所加載的調(diào)制電壓變化而變化的相位差；本發(fā)明不僅能夠克服測(cè)量環(huán)境溫度、濕度變化等造成的誤差，而且能夠有效實(shí)現(xiàn)一/二維方向上位移測(cè)量分辨力的粗/細(xì)轉(zhuǎn)換，充分滿足不同測(cè)量需求。
【專利說(shuō)明】
一種外差式一/二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
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[0001]本發(fā)明涉及一種光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種外差式一/二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
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[0002]光柵位移測(cè)量技術(shù)最早起源于19世紀(jì)，從20世紀(jì)50年代開(kāi)始得到了迅猛的發(fā)展。目前，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成為一種典型的高精度位移量測(cè)手段，并被廣泛應(yīng)用于眾多的光機(jī)電設(shè)備中。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)因具有分辨力高、精度高、成本低、環(huán)境敏感性低等優(yōu)點(diǎn)，不僅在工業(yè)和科研領(lǐng)域取得了廣泛應(yīng)用，更被國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科研機(jī)構(gòu)所研究。
[0003]在半導(dǎo)體技術(shù)、納米技術(shù)以及生物科技等領(lǐng)域中，精密位移測(cè)量系統(tǒng)及位置定位系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用。無(wú)論是外差式光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)，還是零差式光學(xué)位移測(cè)量系統(tǒng)，都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于精密位移測(cè)量或者其他與位移相關(guān)量的測(cè)量，究其原因，是因?yàn)樗鼈冊(cè)诶碚撋嫌袩o(wú)限高的位移測(cè)量分辨力。然而在實(shí)際測(cè)量中，激光干涉儀的測(cè)量精度會(huì)受到測(cè)量環(huán)境的嚴(yán)重干擾，這是因?yàn)闇y(cè)量環(huán)境溫度和濕度的變化均會(huì)造成環(huán)境中空氣折射率的變化，進(jìn)而影響激光干涉儀的測(cè)量精度。相比于激光干涉儀，光柵位移測(cè)量裝置以光柵柵距為測(cè)量基準(zhǔn)，從原理上消除了空氣折射率變化造成的測(cè)量誤差;尤其當(dāng)采用零膨脹系數(shù)的材料制作光柵時(shí)，環(huán)境溫度的變化將不會(huì)引起光柵柵距的改變，從原理上消除了環(huán)境溫度變化造成的測(cè)量誤差。此外，相比于激光干涉儀，光柵位移測(cè)量裝置還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)測(cè)量環(huán)境要求寬松、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]目前，光柵位移測(cè)量裝置已被國(guó)內(nèi)外超精密測(cè)量領(lǐng)域的有關(guān)公司和眾多學(xué)者廣泛研究，研究成果在諸多論文中皆有揭露。例如，臺(tái)灣大學(xué)K.C.Fan等人在發(fā)表的論文“Displacement Measurement of Planar Stage by diffract1n Planar Encoder inNanometer Resolut1n.12MTC(2012)894_897.”中提出了一種納米級(jí)分辨力的二維平面光柵位移測(cè)量裝置，提高了測(cè)量分辨力的同時(shí)也大大克服環(huán)境變化造成的干擾；臺(tái)灣元智大學(xué)C.C.Hsu等人發(fā)表的論文 “Prototype of a compact displacement sensor with aholographic diffract1n grating.0pt Laser Technol (2013)200-205.，，中提出了一種簡(jiǎn)易的光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以大大提高測(cè)量的穩(wěn)定度、提高抗環(huán)境干擾能力，實(shí)現(xiàn)納米級(jí)分辨力；臺(tái)灣淡江大學(xué)C.C.Wu等人在論文“Heterodyne common-path gratinginterferometer with Littrow configurat1n.0pt.Express 21(2013)13322-13332.，，中提出一種具有自準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的光柵位移量測(cè)裝置，該裝置在實(shí)現(xiàn)高位移分辨力、高環(huán)境穩(wěn)定度的同時(shí)，極大降低了安裝誤差。
[0005]然而，目前所有關(guān)于光柵位移測(cè)量裝置的研究成果，在測(cè)量過(guò)程中的測(cè)量分辨力均為一個(gè)固定的值，即無(wú)論在大量程位移測(cè)量中或者小量程位移測(cè)量中都使用同一測(cè)量分辨力，無(wú)法實(shí)現(xiàn)大量程位移測(cè)量使用低分辨力粗測(cè)、小量程位移測(cè)量使用高分辨力細(xì)測(cè)的轉(zhuǎn)換，這將造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)。而且，由于測(cè)量速度會(huì)限制系統(tǒng)的分辨力，即測(cè)量速度越高系統(tǒng)的分辨力越低，因此在不必要進(jìn)行高分辨力測(cè)量的情況下，仍使用無(wú)法進(jìn)行粗/細(xì)測(cè)轉(zhuǎn)換的光柵位移測(cè)量裝置將限制系統(tǒng)的測(cè)量速度，進(jìn)而影響待測(cè)運(yùn)動(dòng)裝置的運(yùn)行速度。
【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種外差式一/二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠有效克服測(cè)量環(huán)境溫度、濕度變化等造成的誤差，實(shí)現(xiàn)高精度位移測(cè)量，而且相比已有測(cè)量系統(tǒng)，能夠有效實(shí)現(xiàn)一 / 二維方向上位移測(cè)量分辨力的粗/細(xì)轉(zhuǎn)換，充分滿足不同測(cè)量需求。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]一種外差式一 / 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，包括單頻激光光源、電光調(diào)制器、一維反射式測(cè)量光柵、分光棱鏡、第一一維透射式測(cè)量光柵、第二一維透射式測(cè)量光柵、第三一維透射式測(cè)量光柵、第四一維透射式測(cè)量光柵、第五一維透射式測(cè)量光柵、第一平面反射鏡、第二平面反射鏡、第三平面反射鏡、第四平面反射鏡、第五平面反射鏡、第六平面反射鏡、第一偏振分光棱鏡、第二偏振分光棱鏡、第三偏振分光棱鏡、第四偏振分光棱鏡、第一偏振片、第二偏振片、第三偏振片、第四偏振片、第五偏振片、第六偏振片、第七偏振片、第八偏振片、第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件，
[0009]所述單頻激光光源發(fā)射的是線偏振單頻激光，偏振方向與X軸呈45度，經(jīng)快軸方向與X軸平行的電光調(diào)制器調(diào)制后輸出外差式激光，該外差式激光由偏振方向沿Z軸的s波分量和偏振方向沿X軸的P波分量構(gòu)成，并且s波分量和P波分量之間存在一個(gè)隨電光調(diào)制器所加載的調(diào)制電壓變化而變化的相位差；
[00?0]所述一維反射式測(cè)量光柵、第三一維透射式測(cè)量光柵的光柵周期相同，均為1.9d;所述第一一維透射式測(cè)量光柵、第二一維透射式測(cè)量光柵、第四一維透射式測(cè)量光柵、第五一維透射式測(cè)量光柵的光柵周期相同，均為d;
[0011 ]所述一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分測(cè)量能夠測(cè)量一維直線位移，其結(jié)構(gòu)為:外差式激光垂直入射至一維反射式測(cè)量光柵，并分別被衍射為X方向的± I級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的±2級(jí)衍射測(cè)量光，其中X方向的±1級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度Θ±1滿足dsin0±1= ±λ，χ方向的土 2級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度θ±2滿足dsin0±2= ± 2λ，λ為單頻激光光源的波長(zhǎng);X方向的+1級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的-1級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第一平面反射鏡、第二平面反射鏡反射后，入射至第一偏振分光棱鏡，第一偏振分光棱鏡的出射光分別經(jīng)過(guò)第一偏振片、第二偏振片，在第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成兩組干涉，當(dāng)一維反射式測(cè)量光柵沿X軸移動(dòng)時(shí)，第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件與第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件輸出測(cè)得的X方向的高分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè);X方向的+2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第一一維透射式測(cè)量光柵，其-1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)第三平面反射鏡反射后入射至第二偏振分光棱鏡，X方向的-2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第二一維透射式測(cè)量光柵，其+1級(jí)衍射光直接入射至第二偏振分光棱鏡，第二偏振分光棱鏡的兩束出射光分別經(jīng)過(guò)第三偏振片、第四偏振片，在第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成兩組干涉，當(dāng)一維反射式測(cè)量光柵沿X軸移動(dòng)時(shí)，第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件輸出測(cè)得的X方向的低分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè)；
[0012]所述二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分能夠測(cè)量沿X軸和y軸兩個(gè)方向的二維直線位移，其結(jié)構(gòu)為:外差式激光垂直入射至分光棱鏡，被分光棱鏡透射的外差式激光作為X方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的光源入射至一維反射式測(cè)量光柵，被分光棱鏡反射的外差式激光作為y方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的光源入射至第三一維透射式測(cè)量光柵;X方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分與上述的一種外差式一 / 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)的一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分完全相同；y方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的結(jié)構(gòu)如下:被分光棱鏡反射的外差式激光垂直入射至第三一維透射式測(cè)量光柵，并分別被衍射為y方向上的±1級(jí)衍射測(cè)量光和y方向上的±2級(jí)衍射測(cè)量光，其中y方向上的± I級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度為θ±ι，y方向上的± 2級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度為9±2;y方向的+1級(jí)衍射測(cè)量光和y方向的-1級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第四平面反射鏡、第五平面反射鏡反射后，入射至第三偏振分光棱鏡，第三偏振分光棱鏡的出射光分別經(jīng)過(guò)第五偏振片、第六偏振片，在第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成兩組干涉，當(dāng)?shù)谌痪S透射式測(cè)量光柵沿y軸移動(dòng)時(shí)，第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件與第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件輸出測(cè)得的y方向的高分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè);y方向的+2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第四一維透射式測(cè)量光柵，其-1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)第六平面反射鏡反射后入射至第四偏振分光棱鏡，y方向的-2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第五一維透射式測(cè)量光柵，其+1級(jí)衍射光直接入射至第四偏振分光棱鏡，第四偏振分光棱鏡的兩束出射光分別經(jīng)過(guò)第七偏振片、第八偏振片，在第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成兩組干涉，當(dāng)?shù)谌痪S透射式測(cè)量光柵沿y軸移動(dòng)時(shí)，第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件輸出測(cè)得的y方向的低分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè)。
[0013]上述的一種外差式一/ 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，所述單頻激光光源是準(zhǔn)直的線偏振半導(dǎo)體激光器。
[0014]上述的一種外差式一/ 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，可以同時(shí)輸出測(cè)得的粗測(cè)位移和細(xì)測(cè)位移，也可以只輸出測(cè)得的粗測(cè)位移或測(cè)得的細(xì)測(cè)位移，實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量分辨力的粗/細(xì)轉(zhuǎn)換。
[0015]本發(fā)明的有益效果說(shuō)明如下:
[0016]該測(cè)量系統(tǒng)使用了一維反射式測(cè)量光柵，分光棱鏡，第維透射式測(cè)量光柵，第二一維透射式測(cè)量光柵，第三一維透射式測(cè)量光柵，第四一維透射式測(cè)量光柵，第五一維透射式測(cè)量光柵以及經(jīng)過(guò)電光調(diào)制器的單頻激光光源，保證了 ± I級(jí)衍射測(cè)量光、±2級(jí)衍射測(cè)量光的產(chǎn)生，因此得到在一 / 二維方向上實(shí)現(xiàn)位移粗/細(xì)測(cè)量的光路條件，其中X方向上，+I級(jí)衍射測(cè)量光和-1級(jí)衍射測(cè)量光干涉信號(hào)的位移分辨力直接受一維反射式測(cè)量光柵的光柵周期1.9d影響，能夠?qū)崿F(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè);X方向上的+2級(jí)衍射測(cè)量光和-2級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第一一維透射式測(cè)量光柵、第二一維透射式測(cè)量光柵后，產(chǎn)生的干涉信號(hào)的位移分辨力受一維反射式測(cè)量光柵、第一一維透射式測(cè)量光柵和第二一維透射式測(cè)量光柵光柵周期的共同影響，其等效光柵周期遠(yuǎn)大于一維反射式測(cè)量光柵的光柵周期1.9d，能夠?qū)崿F(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè);y方向上，位移測(cè)量的高分辨力細(xì)測(cè)和低分辨力粗測(cè)原理和上述X方向上位移測(cè)量的高分辨力細(xì)測(cè)和低分辨力粗測(cè)原理相同；因此本發(fā)明具有的顯著有益效果為不僅提出了可以測(cè)量一/二維方向位移的光柵測(cè)量系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)一 / 二維方向位移測(cè)量的高分辨力細(xì)測(cè)與低分辨力粗測(cè)以及高分辨力細(xì)測(cè)與低分辨力粗測(cè)的自由轉(zhuǎn)換，可以充分滿足不同測(cè)量需求。
【附圖說(shuō)明】
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[0017]圖1為本發(fā)明的一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分；。
[0018]圖2為本發(fā)明的二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分；
[0019]圖中:1_單頻激光光源;2-電光調(diào)制器;3-—維反射式測(cè)量光柵;31-分光棱鏡;41-第維透射式測(cè)量光柵;42-第二一維透射式測(cè)量光柵;43-第三一維透射式測(cè)量光柵；44-第四一維透射式測(cè)量光柵;45-第五一維透射式測(cè)量光柵;51-第一平面反射鏡;52-第二平面反射鏡；53-第三平面反射鏡；54-第四平面反射鏡；55-第五平面反射鏡；56-第六平面反射鏡;61-第一偏振分光棱鏡;62-第二偏振分光棱鏡;63-第三偏振分光棱鏡;64-第四偏振分光棱鏡;71-第一偏振片;72-第二偏振片;73-第三偏振片；74-第四偏振片;75-第五偏振片;76-第六偏振片;77-第七偏振片;78-第八偏振片;81-第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；82-第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件;83-第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件;84-第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件;85-第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件;86-第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件;87-第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件;88-第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件。
【具體實(shí)施方式】
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[0020]圖1所示為本發(fā)明的一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分，其包括單頻激光光源1、電光調(diào)制器2、一維反射式測(cè)量光柵3、第維透射式測(cè)量光柵41、第二一維透射式測(cè)量光柵42、第一平面反射鏡51、第二平面反射鏡52、第三平面反射鏡53、第一偏振分光棱鏡61、第二偏振分光棱鏡62、第一偏振片71、第二偏振片72、第三偏振片73、第四偏振片74、第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件81、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件82、第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件83、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件84，
[0021 ]所述一維反射式測(cè)量光柵3光柵周期為1.9d;所述第維透射式測(cè)量光柵41、第二一維透射式測(cè)量光柵42光柵周期相同，均為d;
[0022]所述單頻激光光源I發(fā)射的是線偏振單頻激光，偏振方向與X軸呈45度，經(jīng)快軸方向與X軸平行的電光調(diào)制器2調(diào)制后輸出外差式激光，該外差式激光由偏振方向沿z軸的s波分量和偏振方向沿X軸的P波分量構(gòu)成，并且S波分量和P波分量之間存在一個(gè)隨電光調(diào)制器2所加載的調(diào)制電壓變化而變化的相位差；
[0023]外差式激光垂直入射至一維反射式測(cè)量光柵3，并分別被衍射為X方向的±I級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的± 2級(jí)衍射測(cè)量光，
[0024]X方向的+1級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的-1級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第一平面反射鏡51、第二平面反射鏡52反射后，入射至第一偏振分光棱鏡61，第一偏振分光棱鏡61的出射光分別經(jīng)過(guò)第一偏振片71、第二偏振片72，在第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件81、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件82表面形成兩組干涉，當(dāng)一維反射式測(cè)量光柵3沿X軸移動(dòng)時(shí)，第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件81、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件82輸出測(cè)得的X方向的高分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè)；
[0025]X方向的+2級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的-2級(jí)衍射測(cè)量光分別入射至第--維透射式測(cè)量光柵41、第二一維透射式測(cè)量光柵42，第維透射式測(cè)量光柵41產(chǎn)生之-1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)第三平面反射鏡53反射后，入射至第二偏振分光棱鏡62，第二一維透射式測(cè)量光柵42產(chǎn)生之+1級(jí)衍射光直接入射至第二偏振分光棱鏡62，第二偏振分光棱鏡62的出射光分別經(jīng)過(guò)第三偏振片73、第四偏振片74，在第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件83、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件84表面形成兩組干涉，當(dāng)一維反射式測(cè)量光柵3沿X軸移動(dòng)時(shí)，第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件83、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件84輸出測(cè)得的X方向的低分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè)。
[0026]圖2所述為本發(fā)明的二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分，其不僅可以進(jìn)行X方向位移粗/細(xì)測(cè)量，還可以進(jìn)行y方向位移粗/細(xì)測(cè)測(cè)量，具體包括單頻激光光源1、電光調(diào)制器2、一維反射式測(cè)量光柵3、分光棱鏡31、第維透射式測(cè)量光柵41、第二一維透射式測(cè)量光柵42、第三一維透射式測(cè)量光柵43、第四一維透射式測(cè)量光柵44、第五一維透射式測(cè)量光柵45、第一平面反射鏡51、第二平面反射鏡52、第三平面反射鏡53、第四平面反射鏡54、第五平面反射鏡55、第六平面反射鏡56、第一偏振分光棱鏡61、第二偏振分光棱鏡62、第三偏振分光棱鏡63、第四偏振分光棱鏡64、第一偏振片71、第二偏振片72、第三偏振片73、第四偏振片74、第五偏振片75、第六偏振片76、第七偏振片77、第八偏振片78、第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件81、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件82、第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件83、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件84、第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件85、第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件86、第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件87、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件88，
[0027]所述一維反射式測(cè)量光柵3、第三一維透射式測(cè)量光柵43的光柵周期相同，均為
1.9d;所述第一一維透射式測(cè)量光柵41、第二一維透射式測(cè)量光柵42、第四一維透射式測(cè)量光柵44、第五一維透射式測(cè)量光柵45的光柵周期相同，均為d;
[0028]外差式激光垂直入射至分光棱鏡31，被分光棱鏡31透射的外差式激光作為X方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的光源，被分光棱鏡31反射的外差式激光作為y方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的光源;X方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分與上述的一種外差式一 / 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)的一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分完全相同;y方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的結(jié)構(gòu)如下:
[0029]被分光棱鏡31反射的外差式激光垂直入射至第三一維透射式測(cè)量光柵43，并分別被衍射為y方向上的± I級(jí)衍射測(cè)量光，y方向上的土 2級(jí)衍射測(cè)量光，其中，y方向上的± I級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度為Θ±1; y方向上的± 2級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度為θ±2;
[0030]y方向的+1級(jí)衍射測(cè)量光和y方向的-1級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第四平面反射鏡54、第五平面反射鏡55反射后，入射至第三偏振分光棱鏡63，第三偏振分光棱鏡63的出射光分別經(jīng)過(guò)第五偏振片75、第六偏振片76，在第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件85、第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件86表面形成兩組干涉，當(dāng)?shù)谌痪S透射式測(cè)量光柵43沿y軸移動(dòng)時(shí)，第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件85與第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件86輸出測(cè)得的y方向的高分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè)；
[0031]y方向的+2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第四一維透射式測(cè)量光柵44后，其-1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)第六平面反射鏡56反射后入射至第四偏振分光棱鏡64，y方向的-2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第五一維透射式測(cè)量光柵45后，其+1級(jí)衍射光直接入射至第四偏振分光棱鏡64，第四偏振分光棱鏡64的兩束出射光分別經(jīng)過(guò)第七偏振片77、第八偏振片78，在第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件87、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件88表面形成兩組干涉，當(dāng)?shù)谌痪S透射式測(cè)量光柵43沿y軸移動(dòng)時(shí)，第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件87、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件88輸出測(cè)得的y方向的低分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè)；
[0032]本發(fā)明所用的單頻激光光源I是準(zhǔn)直的線偏振半導(dǎo)體激光器。
[0033]對(duì)于以上內(nèi)容所涉及的衍射角度θ±1、θ±2的具體數(shù)值，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行合理選取，所以沒(méi)必要在此列舉。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種外差式一 / 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括單頻激光光源(I)、電光調(diào)制器(2)、一維反射式測(cè)量光柵(3)、分光棱鏡(31)、第 維透射式測(cè)量光柵(41)、第二一維透射式測(cè)量光柵(42)、第三一維透射式測(cè)量光柵(43)、第四一維透射式測(cè)量光柵(44)、第五一維透射式測(cè)量光柵(45)、第一平面反射鏡(51)、第二平面反射鏡(52)、第三平面反射鏡(53)、第四平面反射鏡(54)、第五平面反射鏡(55)、第六平面反射鏡(56)、第一偏振分光棱鏡(61)、第二偏振分光棱鏡(62)、第三偏振分光棱鏡(63)、第四偏振分光棱鏡(64)、第一偏振片(71)、第二偏振片(72)、第三偏振片(73)、第四偏振片(74)、第五偏振片(75)、第六偏振片(76)、第七偏振片(77)、第八偏振片(78)、第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(81)、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(82)、第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(83)、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(84)、第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(85)、第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(86)、第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(87)及第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(88)， 所述單頻激光光源(I)發(fā)射的是線偏振單頻激光，偏振方向與X軸呈45度，經(jīng)快軸方向與X軸平行的電光調(diào)制器2調(diào)制后輸出外差式激光，該外差式激光由偏振方向沿z軸的s波分量和偏振方向沿X軸的P波分量構(gòu)成，并且s波分量和P波分量之間存在一個(gè)隨電光調(diào)制器(2)所加載的調(diào)制電壓變化而變化的相位差； 所述一維反射式測(cè)量光柵(3)、第三一維透射式測(cè)量光柵(43)的光柵周期相同，均為1.9d;所述第一一維透射式測(cè)量光柵(41)、第二一維透射式測(cè)量光柵(42)、第四一維透射式測(cè)量光柵(44)、第五一維透射式測(cè)量光柵(45)的光柵周期相同，均為d; 所述一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分測(cè)量能夠測(cè)量一維直線位移，其結(jié)構(gòu)為:外差式激光垂直入射至一維反射式測(cè)量光柵(3)，并分別被衍射為X方向的±1級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的± 2級(jí)衍射測(cè)量光，其中X方向的± I級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度Θ±1滿足ds iηΘ±1 = ± λ，X方向的土 2級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度θ±2滿足dsin0±2= ± 2λ，λ為單頻激光光源的波長(zhǎng);X方向的+I級(jí)衍射測(cè)量光和X方向的-1級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第一平面反射鏡(51)、第二平面反射鏡(52)反射后，入射至第一偏振分光棱鏡(61)，第一偏振分光棱鏡(61)的出射光分別經(jīng)過(guò)第一偏振片(71)、第二偏振片(72)，在第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(81)、第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(82)表面形成兩組干涉，當(dāng)一維反射式測(cè)量光柵(3)沿X軸移動(dòng)時(shí)，第一光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(81)與第二光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(82)輸出測(cè)得的X方向的高分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè);X方向的+2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第一一維透射式測(cè)量光柵(41)，其-1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)第三平面反射鏡(53)反射后入射至第二偏振分光棱鏡(72)，χ方向的-2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第二一維透射式測(cè)量光柵(42)，其+1級(jí)衍射光直接入射至第二偏振分光棱鏡(62)，第二偏振分光棱鏡(62)的兩束出射光分別經(jīng)過(guò)第三偏振片(73)、第四偏振片(74)，在第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(83)、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(84)表面形成兩組干涉，當(dāng)一維反射式測(cè)量光柵(3)沿X軸移動(dòng)時(shí)，第三光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(83)、第四光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(84)輸出測(cè)得的X方向的低分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè)； 所述二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分能夠測(cè)量沿X軸和y軸兩個(gè)方向的二維直線位移，其結(jié)構(gòu)為:外差式激光垂直入射至分光棱鏡(31)，被分光棱鏡(31)透射的外差式激光作為X方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的光源入射至一維反射式測(cè)量光柵(3)，被分光棱鏡(31)反射的外差式激光作為y方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的光源入射至第三一維透射式測(cè)量光柵(43) ;x方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分與一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分相同;y方向位移粗/細(xì)測(cè)量部分的結(jié)構(gòu)為:被分光棱鏡(31)反射的外差式激光垂直入射至第三一維透射式測(cè)量光柵(43)，并分別被衍射為y方向上的± I級(jí)衍射測(cè)量光和y方向上的± 2級(jí)衍射測(cè)量光，其中y方向上的± I級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度為9±i，y方向上的±2級(jí)衍射測(cè)量光的衍射角度為0±2;y方向的+1級(jí)衍射測(cè)量光和y方向的-1級(jí)衍射測(cè)量光分別經(jīng)過(guò)第四平面反射鏡(54)、第五平面反射鏡(55)反射后，入射至第三偏振分光棱鏡(63)，第三偏振分光棱鏡(63)的出射光分別經(jīng)過(guò)第五偏振片(75)、第六偏振片(76)，在第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(85)、第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(86)表面形成兩組干涉，當(dāng)?shù)谌痪S透射式測(cè)量光柵(43)沿y軸移動(dòng)時(shí)，第五光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(85)與第六光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(86)輸出測(cè)得的y方向的高分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的高分辨力細(xì)測(cè);y方向的+2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第四一維透射式測(cè)量光柵(44)，其-1級(jí)衍射光經(jīng)過(guò)第六平面反射鏡反射后入射至第四偏振分光棱鏡(64)，y方向的-2級(jí)衍射測(cè)量光入射至第五一維透射式測(cè)量光柵(45)，其+1級(jí)衍射光直接入射至第四偏振分光棱鏡(64)，第四偏振分光棱鏡(64)的兩束出射光分別經(jīng)過(guò)第七偏振片(77)、第八偏振片(78)，在第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(78)、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(88)表面形成兩組干涉，當(dāng)?shù)谌痪S透射式測(cè)量光柵(43)沿y軸移動(dòng)時(shí)，第七光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(87)、第八光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(88)輸出測(cè)得的y方向的低分辨力直線位移，實(shí)現(xiàn)位移的低分辨力粗測(cè)。2.如權(quán)利要求1所述的一種外差式一/ 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述單頻激光光源(I)是準(zhǔn)直的線偏振半導(dǎo)體激光器。3.如權(quán)利要求1所述的一種外差式一/ 二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述一維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分和所述二維光柵位移粗/細(xì)測(cè)量部分可以同時(shí)輸出各自所測(cè)得的粗測(cè)位移和細(xì)測(cè)位移，也可以單獨(dú)輸出各自所測(cè)得的粗測(cè)位移或細(xì)測(cè)位移。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK106052569SQ201610656320
【公開(kāi)日】2016年10月26日
【申請(qǐng)日】2016年8月11日 公開(kāi)號(hào)201610656320.1, CN 106052569 A, CN 106052569A, CN 201610656320, CN-A-106052569, CN106052569 A, CN106052569A, CN201610656320, CN201610656320.1
【發(fā)明人】林杰, 陳航, 關(guān)健, 金鵬, 譚久彬
【申請(qǐng)人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)