[发明专利]一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置

说明书

一种结构紧凑的衍射光栅三维位移测量装置，属于微位移测量技术，由标尺光栅、光源、复合型扫描光栅、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件构成；光源为激光器；标尺光栅和复合型扫描光栅平行放置，通过光栅周期和栅线方向的合理布置，该装置能够同时测量X向、Y向和Z向位移的三维位移，且结构紧凑，体积小，抗干扰能力强，能够实现X向和Y向光学4倍细分，Z向光源波长2细分，配合合适电学细分卡，可实现纳米甚至更高分辨率及精度，可应用于小体积多维度的高精度位移测量实践中。

技术领域

本发明属于微位移测量技术，主要涉及一种结构紧凑的光栅三维位移测量装置。

背景技术

近年来，利用光栅干涉实现多自由度的位移测量得到了越来越广泛的关注，对于光栅位移测量的研究多是集中于多自由度和高精度等方面。

1988年，海德汉公司申请的专利“Displacement measuring apparatus andmethod”(专利公开号US4776701)，首次使用双光栅干涉测量系统实现X轴方向上的位移测量。其后，海德汉公司将其光栅改为二维光栅，实现了X轴方向和Y轴方向上的位移测量，该方法及其后续的改进方法能够实现二维位移测量，但不能实现Z轴方向上的位移测量，且结构较为复杂，难以小型化。

2013年日本学者Wei Gao与清华学者曾理江等人联合发表的文章“A six-degree-of-freedom surface encoder for precision positioning of a planar motionstage”中提出了一种类似迈克逊干涉仪的装置，在探测单元加入了能够准确判断光斑接受位置变化的高性能四象限探测器，根据四象限探测器上接受光斑的位置变化与光栅转角的对应关系实现了对标尺光栅绕X轴、Y轴及Z轴的转角测量，加上该系统能够实现X轴、 Y轴、Z轴方向上的位移量测量，整个系统能够实现6自由度的测量，该方法为了实现对信号的移相，引入了很多的分光棱镜与偏振分光棱镜，体积较大；而且当读数头与光栅产生的Z向运动时，干涉区域的范围变小，不利于Z向较大量程的测量。

清华大学朱煜等人在2013年申请的专利《一种三自由度外差光栅干涉仪位移测量系统》(申请公布号 CN103322927A)中，提出的位移测量系统利用光学多普勒效应和光学拍频原理实现当光栅干涉仪与测量光栅做三自由度线性相对运动时,系统可输出三个线性位移，但该系统实现位移测量时用到较多偏振分光器件和折光器件，结构较为复杂。

哈尔滨工业大学胡鹏程等人在2013年申请的专利《抗光学混叠的双频激光光栅干涉二维测量方法及系统》(申请公布号CN103604375A)中提出的位移测量方法是在迈克尔逊干涉仪原理的基础上改进，使用双频激光和衍射光栅实现二维位移测量，但在测量装置中使用了较多的分光器件和波片，结构较为复杂。

哈尔滨工业大学陆振刚等人在2015年申请的专利《一种基于衍射光栅的三维位移测量装置》(申请公布号CN 104596425A)和《一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置》(申请公布号CN 104567695A)中分别提出了由单频激光和双频激光作为光源，使用衍射光栅实现三维位移测量的装置，虽然能够实现三维位移测量，但在实现Z向位移测量时，均使用迈克尔逊干涉仪原理，棱镜结构众多且复杂，难以小型化。

中国科学院上海光学精密机械研究所的周常河等人在2015年申请的专利《四倍光学细分的两轴外差光栅干涉仪》(申请公布号CN105203031A)中提出的二自由度外差干涉测量方法通过使用多块反射镜将光纤经标尺光栅衍射后利特罗式出射，实现位移测量，该方法由于引入多块反射镜，体积大，不易操作，且实现四细分测量时，利用多个分光器件及直角棱镜，结构极其复杂。