[发明专利]二维光栅位移测量装置

说明书

本发明提供一种二维光栅位移测量装置，包括：第一激光器系统、第二激光器系统、光束折转系统、二维衍射光栅、第一信号处理系统和第二信号处理系统；第一激光器系统和第二激光器系统用于发出具有频差的正交线偏振光束，线偏振光束经过光束折转系统被分为八束光束，其中的四束光束经过光束折转装置的折射后以Littrow角度入射至二维衍射光栅中得到四束衍射光束；四束衍射光束分别与另外四束光束分别发生干涉后形成四路干涉信号；第一信号处理系统和第二信号处理系统分别用于对四路干涉信号进行处理，实现单次衍射的两倍细分三维位移测量。本发明提高了光栅位移测量系统的稳定性和精度，使得读数头的结构更加简便与灵活。

技术领域

本发明涉及超精密位移测量技术领域，特别涉及一种二维光栅位移测量装置。

背景技术

光栅位移测量系统以光栅栅距为测量基准，消除了激光波长变化带来的误差影响，由于光栅位移测量系统对环境稳定性要求低、成本低廉、结构简单，所以广泛应用于航天航空、半导体加工制造、超精密加工等领域。随着工业技术的迅速发展，加工制造过程中对超精密位移测量技术的测量维度、测量速度、测量精度、测量范围等方面的要求越来越高。

目前，随着高刻划精度光栅制造技术的提高和光栅拼接技术的完善，光栅位移测量朝着更高的测量精度和更广的测量维度发展。为了达到更高精度的测量，较为广泛的操作方式是多加一路测量信号，来实现多维度测量。除此之外，也可以采用不同的转折器件进行多次衍射来实现高倍细分测量，其中最常见的方式就是在光路中添加直角棱镜、角锥棱镜等。

国内外光栅位移测量系统中多采用传统的四步相移结构，一个作为参考光栅，一个作为测量光栅，两两衍射光在偏振分光棱镜处进行干涉，虽然降低了成本但是增加了光栅测量系统的体积，而且测量精度受限。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提出一种二维光栅位移测量装置，本发明对激光功率波动和杂散光不敏感，可以更容易地对处在快速移动的目标进行测量，实现对二维光栅三个维度上的位移测量。提高了光栅位移测量系统的稳定性和精度，使得读数头的结构更加简便与灵活。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

本发明提供一种二维光栅位移测量装置，包括：第一激光器系统、第二激光器系统、光束折转系统、二维衍射光栅、第一信号处理系统和第二信号处理系统；

第一激光器系统和第二激光器系统用于发出具有频差的正交线偏振光束，线偏振光束经过光束折转系统被分为八束光束，其中的四束光束经过光束折转装置的折射后以Littrow角度入射至二维衍射光栅中得到四束衍射光束；四束衍射光束分别与另外四束光束分别发生干涉后形成四路干涉信号；

第一信号处理系统和第二信号处理系统分别用于对四路干涉信号进行处理，实现单次衍射的两倍细分三维位移测量。

优选地，

光束折转系统用于将线偏振光束分为互相垂直的第一光束和第二光束、互相垂直的第三光束和第四光束、互相垂直的第五光束和第六光束、互相垂直的第七光束和第八光束；

第一光束和第三光束、第五光束和第七光束经过光束折转系统的折射后以Littrow角度入射至二维衍射光栅中分别得到第一+1级衍射光束和第一-1级衍射光束、第二+1级衍射光束和第二-1级衍射光束。

优选地，

第一+1级衍射光束与第二光束发生干涉后形成第一路干涉信号；

第一-1级衍射光束与第四光束发生干涉后形成第二路干涉信号；

第二+1级衍射光束与第六光束发生干涉后形成第三路干涉信号；

第二-1级衍射光束与第八光束发生干涉后形成第四路干涉信号；