[发明专利]基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置中光栅干涉仪高细分部件，特别是一种基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪。

背景技术

对微纳米精密位移测量的仪器目前主要包括两种：激光干涉仪和光栅干涉仪。激光干涉仪以波长为基准，能得到很高的分辨率，但由于波长容易受到环境、光源等因素的影响，其应用受到了限制。而光栅干涉仪刚好弥补了激光干涉仪的缺点，其以光栅周期作为基准，测量结果基本不受环境和波长的影响，已广泛应用于加工机床、机器人、生物医疗等领域。

无论是激光干涉仪还是光栅干涉仪，其分辨率大小都取决于光学细分倍数和电子细分倍数。由于电子细分受限于光学细分信号，在电子细分相同的情况下，光学细分倍数越高，其测量分辨率越高。目前典型的光栅干涉仪系统，如海德汉公司的专利US5574558，日本佳能公司的专利US5038032，美国IBM公司的专利US5442172等，其光学细分倍数并不高，一般为2或4倍。所以提高光学细分倍数有着重要的意义。本发明在光栅效率足够高的情况下理论上能无限地提高光学细分倍数，解决了目前光栅干涉仪细分倍数低的问题。

发明内容

本发明针对目前光栅干涉仪光学细分倍数低的问题，提出了一种基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪，将高密度光栅设计成负一级高衍射光效率；进而采用等密度的细分光栅实现光束在两光栅之间的多次反复衍射，并且最终垂直入射到反射镜上实现光路的原路返回，通过光束多次经标尺光栅衍射从而获得很高的光学细分倍数，从而提高光栅干涉仪的分辨率。

本发明的技术解决方案：

一种基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪，其特点在于，包括：线偏振光源、偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、数据采集和处理及控制单元，由非偏振分束器、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器及对应的第一探测器、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器及对应的第二探测器构成的双频外差干涉光电探测单元，以及至少包括标尺衍射光栅、与该标尺衍射光栅平行的细分光栅的自准直装置，所述的第一探测器和第二探测器的输出端分别与所述的数据采集和处理及控制单元相连，

所述的线偏振光源发出正交双频偏振光束经所述的非偏振分束器分为两束，一束射入所述的第一检偏器形成干涉信号，由所述的第一探测器接收后作为双频外差干涉术的参考信号传输至数据采集和处理及控制单元，另一束经所述的偏振分束器分为透射的P光和反射的S光，所述的P光依次经所述的第一四分之一波片、第一反射镜入射到所述的标尺衍射光栅，所述的S光依次经所述的第二四分之一波片、第二反射镜入射到所述的标尺衍射光栅，经该标尺衍射光栅衍射后的两束-1级衍射光入射到所述的细分光栅，经该细分光栅衍射的-1级次光再次入射到标尺衍射光栅上，经此多次反射后，经所述的自准直装置再自准直原路返回，两束光分别依次经所述的第一反射镜、第一四分之一波片与所述的第二反射镜、第二四分之一波片变换为与原偏振态正交的两束正交双频线偏振光，经所述的偏振分束器射入所述的第二检偏器形成干涉信号，由所述的第二探测器接收后作为双频外差干涉术的测量信号传输至数据采集和处理及控制单元。

所述的自准直装置还包括第三反射镜和第四反射镜，经所述的标尺衍射光栅衍射后的两束-1级衍射光入射到所述的细分光栅，经该细分光栅衍射的-1级次光再次入射到标尺衍射光栅上，经此多次反射后，最终分别垂直入射到所述的第三反射镜和第四反射镜上后各光束再原路返回。

所述的自准直装置还包括棱镜，所述的细分光栅刻在该棱镜与所述的标尺衍射光栅的相对面上，与该细分光栅相邻的两个面镀有高反膜。

所述的自准直装置还包括棱镜，所述的细分光栅刻在该棱镜与所述的标尺衍射光栅的相对面的另一面，与该细分光栅相邻的两个面镀有高反膜。

光栅多普勒频移

式中m为衍射级次，v为速度，d为光栅周期。两边对时间求积分并整理得，

式中N为周期个数，s为光栅平移距离。m为光学细分倍数。即一束光每经过一次标尺光栅衍射则细分倍数增加m倍，当两束光频移方向相反时，光学细分倍数则增加2m倍。所以增加光栅衍射次数有利于增加光学细分倍数，以获得有效高分辨率的效果。

与现有技术相比，本发明的技术效果：