[发明专利]自准直光栅干涉仪高光学细分结构

说明书

技术领域

本发明涉及一种光栅干涉仪，特别是一种自准直光栅干涉仪高光学细分结构，该结构能大幅度提高光栅干涉仪的光学细分倍数。

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。为了解决光学细分倍数普遍较低的问题,专利高细分高密度光栅干涉仪CN104613865A提出使用高细分棱镜使测量光束多次被光栅标尺反射得到高倍光学细分，但高细分棱镜需要特殊加工，工艺复杂，光路调整困难，专利基于平面镜的高光学细分光栅干涉仪CN104729402A提出直接使用平面镜代替特殊棱镜的功能，虽然结构简单，但每次入射到光栅的入射角不一致，对光栅设计要求高，专利基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪CN104729411A提出使用双光栅达到高倍细分的效果，不仅简化的复杂的制作工艺，且测量光束每次入射到光栅标尺的入射角都一致，减轻了光栅设计的要求，但由于测量光束是经两个高密度光栅衍射的，使得测量光束的能量损耗下降增加，限制了光学细分倍数的增加。且上述高细分光栅干涉仪的专利均没有采用光栅的布拉格角入射光栅标尺，没有充分利用光栅在此角度下可达到最高的特性。

发明内容

本发明的目的在于解决目前光栅干涉仪光学细分倍数低的问题，同时简化制作工艺，保证测量光束的极低损耗，提出一种自准直光栅干涉仪高光学细分结构，该结构能使测量光束多次被光栅标尺衍射，从而大幅度提高光栅干涉仪系统的光学细分倍数，由于该细分结构每次入射到光栅标尺的角度均为布拉格角，充分地利用了光栅标尺在布拉格角度入射时容易得到高效率的特点，一方面减轻了光栅标尺设计的负担，另一方面高衍射效率意味着被光栅标尺衍射的次数可以更多，也即光学细分倍数可以更多。

本发明的技术解决方案：

一种自准直光栅干涉仪的高光学细分结构，其特征在于该结构包括：光栅标尺、用于第一测量光束的第一组2M个直角棱镜和第一反射镜，所述的直角棱镜的两直角平面镀增反膜称为增反面，另一个斜平面镀增透膜称为增透面，入射光线与所述的光栅标尺的法线的夹角，即入射角为布拉格角θ，所述的增透面与入射光线或衍射光线垂直，即增透面与光栅标尺的夹角为θ，第一反射镜的反射面与光栅标尺的夹角亦为θ，所述的第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜、…、第M直角棱镜与第M+1直角棱镜、第M+2直角棱镜、…、第2M直角棱镜关于所述的光栅标尺的光栅平面相对称，M为大于2的正整数；

第一测量光束首次以m阶布拉格角θ入射到光栅标尺后，被光栅标尺衍射，衍射级次为-m的衍射光与入射光关于所述的光栅标尺的光栅平面对称，衍射光经第一直角棱镜反射，反射光与入射到直角棱镜的入射光平行，方向相反，存在一定的偏移，反射光再次以m阶布拉格角入射到光栅标尺上，透过光栅标尺的-m级衍射光入射到第二直角棱镜，被第二直角棱镜反射后平行于初始入射光束入射到光栅标尺，依此原理，之后依次通过光栅标尺、第二直角棱镜、光栅标尺、第三直角棱镜、光栅标尺、第一直角棱镜、光栅标尺、第一反射镜，由于第一反射镜的反射面与光栅平面的夹角为m阶布拉格角，使得经光栅标尺衍射的-m级衍射光垂直入射到第一反射镜上，光束沿原路返回，最后与初始入射光束重合，以与初始入射光束相反的反向射出。

该结构还包括用于第二测量光束的第二组2M个直角棱镜和第二反射镜，该第二组2M个直角棱镜和第二反射镜与所述的第一组的2M个直角棱镜和第一反射镜关于所述的光栅标尺的法线对称放置。

所述的M为2时，置于光栅标尺一边的2个直角棱镜可用一个较大的直角棱镜代替。

光栅干涉仪的原理是利用光栅多普勒频移计算光栅标尺的位移，所述的光栅多普勒频移或者通过测量光束和参考光束干涉形成条纹移动的数目获得，或者通过两束测量光束干涉形成条纹移动的数目获得。所述的测量光束为经过光栅标尺衍射的光束，所述的参考光束为不经光栅标尺衍射的光束。