[发明专利]外差光栅位移测量装置

说明书

本发明提供一种外差光栅位移测量装置，包括光源、读数头、光电接收模块和信号处理系统，光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光；读数头用于接收两束偏振光，并分别入射到移动的测量光栅的表面生成分别包括第一偏振光分量与第二偏振光分量的+1级衍射光和‑1级衍射光，+1级衍射光和‑1级衍射光分别经读数头入射到光电接收模块；光电接收模块用于接收+1级衍射光的第一偏振光分量和第二偏振光分量及‑1级衍射光的第一偏振光分量和第二偏振光分量形成两路拍频信号；信号处理系统用于对两路拍频信号进行差分计算，实现测量光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。本发明可以避免光栅面形精度和光栅姿态误差对测量精度的影响。

技术领域

本发明涉及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倍光学细分的外差光栅位移测量装置。

背景技术

光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距为测量基准，相比于激光测量技术，光栅测量对环境变化的敏感度低，而且光束入射到光栅上会覆盖很多刻槽，起到平均的作用。光栅位移测量系统中读数头的结构简单紧凑，光栅和读数头之间的距离很小，并且不会随着待测距离的增加而增加，可以大幅度地降低环境对系统测量精度的影响和测量成本。随着光栅制造水平的提高，光栅位移测量系统的测量精度和测量分辨力也逐渐提高，应用范围也越来越广。

光栅位移测量技术的测量分辨力与光栅的周期直接相关，基于衍射光干涉原理的位移测量技术，采用高刻线密度的衍射光栅实现高分辨力、高精度的位移测量，光学细分和电子细分是进一步提高测量分辨力的主要途径，相比于电子细分，光学细分有更高的可靠性。传统光栅位移测量系统采用单次衍射实现2倍光学细分，为进一步提高光学细分，现有技术多采用二次衍射原理实现4倍光学细分或多次衍射实现更高倍数的光学细分，但是无论是二次衍射还是多次衍射都会使测量系统的光学结构变得更加复杂，并且多次衍射利用光栅不同位置的衍射光，光栅面形精度及光栅与读数头之间的姿态误差会对测量精度造成很大的影响。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，采用以下技术方案：

本发明提供一种外差光栅位移测量装置，包括光源、读数头、光电接收模块和信号处理系统，光源用于产生两束重合、偏振正交且具有固定频差的偏振光，分别为S偏振态的第一偏振光和P偏振态的第二偏振光，第一偏振光的频率为f_A，所述第二偏振光的频率为f_B；读数头用于接收第一偏振光和第二偏振光，并分别入射到移动的测量光栅的表面产生分别包括第一偏振光分量与第二偏振光分量的+1级衍射光和-1级衍射光，+1级衍射光和-1级衍射光分别经读数头入射到光电接收模块；光电接收模块用于接收+1级衍射光和-1级衍射光形成两路拍频信号；其中，一路为-1级衍射光的第二偏振光分量与+1级衍射光的第一偏振光分量干涉形成频率为f_B-f_A的拍频信号，另一路为-1级衍射光的第一偏振光分量与+1级衍射光的第二偏振光分量干涉形成频率为f_B-f_A的拍频信号；信号处理系统用于对两路拍频信号进行差分计算，实现测量光栅单次衍射4倍光学细分的位移测量。

优选地，读数头包括偏振分束棱镜、第一1/4波片、镀有反射膜的第二1/4波片和回转棱镜；其中，偏振分束棱镜设置在光源的出射光路上，用于接收第一偏振光和第二偏振光，将第二偏振光透射至第一1/4波片，将第一偏振光反射至第二1/4波片；第一1/4波片设置在偏振分束棱镜的透射光路上，用于将第二偏振光变为右旋偏振光并入射到回转棱镜；回转棱镜设置在第一1/4波片的透射光路上，用于对第二偏振光进行回射，使第二偏振光经过经过第一1/4波片变为S偏振光后回到偏振分束棱镜；第二1/4波片设置在偏振分束棱镜的反射光路上，用于将第一偏振光变为左旋偏振光，经反射膜反射再次经过第二1/4波片变为P偏振光后回到偏振分束棱镜；偏振分束棱镜还用于对变为P偏振光的第一偏振光进行透射，对变为S偏振光的第二偏振光进行反射，使第一偏振光与第二偏振光合束后入射至测量光栅的表面，衍射产生-1级衍射光和+1级衍射光。