[发明专利]一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法

权利要求书

1.一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)搭建测量系统：所述测量系统包括读数头(1)、测量光栅(2)和电子信号处理部件(3)；

所述读数头(1)包括双频激光发生器(11)、干涉仪(12)、第一光电转换单元(13)、第二光电转换单元(14)和第三光电转换单元(15)；所述双频激光发生器(11)包括激光管(111)、针孔(112)、准直透镜(113)、分光镜(114)、第一声光调制器(115)、第二声光调制器(115')、第一光挡(116)、第二光挡(116')、第一反射镜(117)、第二反射镜(117')、第一偏振片(118)、第二偏振片(118')、第一高透射分光镜(119)、第二高透射分光镜(119')和参考信号合成单元(110)；所述干涉仪(12)包括第一干涉仪分光镜(121)、第二干涉仪分光镜(122)、第一反射器(123)、第二反射器(124)；

2)利用步骤1)的测量系统进行测量：

a)双频激光发生器(11)的激光管(111)出射一束单频激光，该单频激光经过针孔(112)和准直透镜(113)准直后，经分光镜(114)分为两束功率相同、传播方向垂直的光，两束光分别经第一声光调制器(115)和第二声光调制器(115')后产生衍射光，包括两束零级衍射光和两束一级衍射光，两束零级衍射光分别被第一光挡(116)和第二光挡(116')拦截，两束一级衍射光分别经第一反射镜(117)、第一偏振片(118)和第二反射镜(117')、第二偏振片(118')后，入射至第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')；

b)第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')反射出的两束功率较小的光，入射至参考信号合成单元(110)，合成外差参考光信号，第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')透射出的两束功率较大的光，形成非共轴双频激光，出射至干涉仪(12)；

c)外差参考光信号出射至第三光电转换单元(15)，转换为外差参考电信号，经电缆输出至电子信号处理部件(3)；

d)干涉仪(12)的第一干涉仪分光镜(121)将入射的一束激光分为第一参考光和第一测量光，第一参考光经第二干涉仪分光镜(122)入射至第二光电转换单元(14)；第一测量光经第一反射器(123)后以利特罗角入射至测量光栅(2)并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第一反射器(123)、第一干涉仪分光镜(121)后入射至第一光电转换单元(13)；

e)干涉仪(12)的第二干涉仪分光镜(122)将入射的一束激光分为第二参考光和第二测量光，第二参考光经第一干涉仪分光镜(121)入射至第一光电转换单元(13)；第二测量光经第二反射器(124)后以利特罗角入射至测量光栅(2)并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第二反射器(124)、第二干涉仪分光镜(122)后入射至第二光电转换单元(14)；

f)第一参考光和第二测量光的衍射光在第二光电转换单元(14)前重合并发生干涉，形成第一拍频光信号I₁，第二参考光和第一测量光的衍射光在第一光电转换单元(13)前重合并发生干涉，形成第二拍频光信号I₂；

g)I₁和I₂分别被第二光电转换单元(14)和第一光电转换单元(13)转换为外差测量电信号，经电缆输出至电子信号处理部件(3)；

h)由a)到g)，电子信号处理部件(3)得到一个外差参考电信号和两个外差测量电信号，做信号解调和处理，得到包含有X和Z两个方向位移信息的相位变化值和表达为：

其中，d为测量光栅(2)的栅距，λ₁和λ₂为双频激光的两个波长，θ₁为波长是λ₁的激光入射至测量光栅(2)的利特罗角，θ₂为波长是λ₂的激光入射至测量光栅(2)的利特罗角，Δx为待求的X方向位移值，Δz为待求的Z方向位移值；

将已知的参数值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂带入上述的和的表达式，得到一个简单的二元一次方程组，解该方程组，从而得测量光栅(2)分别在在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，实现了二自由度位移测量。