[发明专利]一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统

摘要

一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统，包括单频激光光源、电光调制器、五个分光棱镜、二维透射式测量光栅、七个一维透射式测量光栅、六个偏振分光棱镜、十二个偏振片、十二个光电探测及信号处理部件、五个平面反射镜,单频激光光源发射的是线偏振单频激光，偏振方向与x轴呈45度，经快轴方向与x轴平行的电光调制器调制后输出外差式激光，该外差式激光由偏振方向沿y轴的s波分量和偏振方向沿x轴的p波分量构成，并且s波分量和p波分量之间存在一个随电光调制器所加载的调制电压变化而变化的相位差；本发明不仅能克服环境温度、湿度变化等造成的误差，而且能够实现二/三维方向上位移测量分辨力的粗/细转换，充分满足不同测量需求。

主权项

1.一种外差式二/三维光栅位移粗/细测量系统，具有二维光栅位移粗/细测量部分和三维光栅位移粗/细测量部分，其特征在于：包括单频激光光源(1)、电光调制器(2)、第一分光棱镜(41)、第二分光棱镜(42)、第三分光棱镜(43)、第四分光棱镜(44)、第五分光棱镜(45)、二维透射式测量光栅(3)、第一一维透射式测量光栅(51)、第二一维透射式测量光栅(52)、第三一维透射式测量光栅(53)、第四一维透射式测量光栅(54)、第五一维透射式测量光栅(55)、第六一维透射式测量光栅(56)、第七一维透射式测量光栅(57)、第一偏振分光棱镜(61)、第二偏振分光棱镜(62)、第三偏振分光棱镜(63)、第四偏振分光棱镜(64)、第五偏振分光棱镜(65)、第六偏振分光棱镜(66)、第一偏振片(71)、第二偏振片(72)、第三偏振片(73)、第四偏振片(74)、第五偏振片(75)、第六偏振片(76)、第七偏振片(77)、第八偏振片(78)、第九偏振片(791)、第十偏振片(792)、第十一偏振片(793)、第十二偏振片(794)、第一光电探测及信号处理部件(81)、第二光电探测及信号处理部件(82)、第三光电探测及信号处理部件(83)、第四光电探测及信号处理部件(84)、第五光电探测及信号处理部件(85)、第六光电探测及信号处理部件(86)、第七光电探测及信号处理部件(87)、第八光电探测及信号处理部件(88)、第九光电探测及信号处理部件(891)、第十光电探测及信号处理部件(892)、第十一光电探测及信号处理部件(893)、第十二光电探测及信号处理部件(894)、第一平面反射镜(91)、第二平面反射镜(92)、第三平面反射镜(93)、第四平面反射镜(94)、第五平面反射镜(95)，所述单频激光光源(1)发射的是线偏振单频激光，偏振方向与x轴呈45度，经快轴方向与x轴平行的电光调制器(2)调制后输出外差式激光，该外差式激光由偏振方向沿y轴的s波分量和偏振方向沿x轴的p波分量构成，并且s波分量和p波分量之间存在一个随电光调制器(2)所加载的调制电压变化而变化的相位差；所述二维透射式测量光栅(3)、第五一维透射式测量光栅(55)的光栅周期相同，均为1.9d；所述第一一维透射式测量光栅(51)、第二一维透射式测量光栅(52)、第三一维透射式测量光栅(53)、第四一维透射式测量光栅(54)、第六一维透射式测量光栅(56)、第七一维透射式测量光栅(57)的光栅周期相同，均为d；所述二维光栅位移粗/细测量部分能够测量沿x轴和y轴两个方向的二维直线位移，其结构为：外差式激光入射至二维透射式测量光栅(3)，并分别被衍射为x轴方向的±1级衍射测量光、y轴方向的±1级衍射测量光；x轴方向的‑1级衍射测量光和x轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第一分光棱镜(41)和第二分光棱镜(42)，第一分光棱镜(41)产生的反射式测量光与第二分光棱镜(42)产生的反射式测量光共同入射至第二偏振分光棱镜(62)，第二偏振分光棱镜(62)的出射光分别经过第一偏振片(71)、第二偏振片(72)，在第一光电探测及信号处理部件(81)、第二光电探测及信号处理部件(82)表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅(3)沿x轴方向移动时，第一光电探测及信号处理部件(81)和第二光电探测及信号处理部件(82)输出测得的x方向的高分辨力直线位移，实现x轴方向位移的高分辨力细测；x轴方向的‑1级衍射测量光和x轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第一分光棱镜(41)和第二分光棱镜(42)，第一分光棱镜(41)产生的透射式测量光入射至第一一维透射式测量光栅(51)，其+1级衍射光经过第一平面反射镜(91)反射后入射至第四偏振分光棱镜(64)；第二分光棱镜(42)产生的透射式测量光入射至第二一维透射式测量光栅(52)，其‑1级衍射光直接入射至第四偏振分光棱镜(64)，第四偏振分光棱镜(64)的出射光分别经过第四偏振片(74)、第三偏振片(73)，在第四光电探测及信号处理部件(84)、第三光电探测及信号处理部件(83)表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅(3)沿x轴方向移动时，第四光电探测及信号处理部件(84)和第三光电探测及信号处理部件(83)输出测得的x方向的低分辨力直线位移，实现x轴方向位移的低分辨力粗测；y轴方向的‑1级衍射测量光和y轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第三分光棱镜(43)和第四分光棱镜(44)，第三分光棱镜(43)产生的反射式测量光与第四分光棱镜(44)产生的反射式测量光共同入射至第一偏振分光棱镜(61)，第一偏振分光棱镜(61)的出射光分别经过第五偏振片(75)、第六偏振片(76)，在第五光电探测及信号处理部件(85)、第六光电探测及信号处理部件(86)表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅(3)沿y轴方向移动时，第五光电探测及信号处理部件(85)和第六光电探测及信号处理部件(86)输出测得的y方向的高分辨力直线位移，实现y轴方向位移的高分辨力细测；y轴方向的‑1级衍射测量光和y轴方向的+1级衍射测量光分别入射至第三分光棱镜(43)和第四分光棱镜(44)，第四分光棱镜(44)产生的透射式测量光入射至第四一维透射式测量光栅(54)后，其‑1级衍射光经过第二平面反射镜(92)反射后入射至第三偏振分光棱镜(63)；第三分光棱镜(43)产生的透射式测量光入射至第三一维透射式测量光栅(53)，其+1级衍射光直接入射至第三偏振分光棱镜(63)，第三偏振分光棱镜(63)的出射光分别经过第八偏振片(78)、第七偏振片(77)，在第八光电探测及信号处理部件(88)、第七光电探测及信号处理部件(87)表面形成两组干涉，当二维透射式测量光栅(3)沿y轴方向移动时，第八光电探测及信号处理部件(88)和第七光电探测及信号处理部件(87)输出测得的y方向的低分辨力直线位移，实现y轴方向位移的低分辨力粗测；所述三维光栅位移粗/细测量部分能够测量沿x轴、y轴和z轴三个方向的三维直线位移，其结构为：外差式激光垂直入射至第五分光棱镜(45)，被第五分光棱镜(45)透射的外差式激光作为x轴、y轴方向位移粗/细测量部分的光源，被第五分光棱镜(45)反射的外差式激光作为z轴方向位移粗/细测量部分的光源，x轴、y轴方向位移粗/细测量部分与二维光栅位移粗/细测量部分相同；z轴方向位移粗/细测量部分的结构为：被第五分光棱镜(45)反射的外差式激光垂直入射至第五一维透射式测量光栅(55)，并分别被衍射为z轴方向上的±1级衍射测量光和z轴方向上的±2级衍射测量光，z轴方向的+1级衍射测量光和z轴方向的‑1级衍射测量光分别经过第三平面反射镜(93)、第四平面反射镜(94)反射后，入射至第五偏振分光棱镜(65)，第五偏振分光棱镜(65)的出射光分别经过第九偏振片(791)、第十偏振片(792)，在第九光电探测及信号处理部件(891)、第十光电探测及信号处理部件(892)表面形成两组干涉，当第五一维透射式测量光栅(55)沿z轴移动时，第九光电探测及信号处理部件(891)、第十光电探测及信号处理部件(892)输出测得的z方向的高分辨力直线位移，实现位移的高分辨力细测；z轴方向的‑2级衍射测量光入射至第七一维透射式测量光栅(57)后，其+1级衍射光经过第五平面反射镜(95)反射后入射至第六偏振分光棱镜(66)，z轴方向的+2级衍射测量光入射至第六一维透射式测量光栅(56)后，其‑1级衍射光直接入射至第六偏振分光棱镜(66)，第六偏振分光棱镜(66)的两束出射光分别经过第十二偏振片(794)、第十一偏振片(793)，在第十二光电探测及信号处理部件(894)、第十一光电探测及信号处理部件(893)表面形成两组干涉，当第五一维透射式测量光栅(55)沿z轴移动时，第十二光电探测及信号处理部件(894)、第十一光电探测及信号处理部件(893)输出测得的z方向的低分辨力直线位移，实现位移的低分辨力粗测。