四倍光學細分的兩軸外差光柵干涉儀的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于兩軸位移測量系統，特別是一種四倍光學細分的兩軸外差光柵干涉 儀。
【背景技術】
[0002] 微納米精密位移測量的儀器目前主要兩種：激光干涉儀和光柵干涉儀。激光干涉 儀以波長為基準，能得到很高的分辨率，但由于波長容易受到環境、光源等因素的影響，其 應用受到了限制。而光柵干涉儀剛好彌補了激光干涉儀的缺點，其以光柵周期作為基準， 測量結果基本不受環境和波長的影響，已廣泛應用于加工機床、機器人、生物醫療等領域。 但光柵干涉儀的精度和分辨率還稍遜于激光干涉儀，有些結構在光柵對準不佳時測量誤差 大。
[0003] 為了解決上述問題，國內外學者進行了大量的研究，如清華大學朱煜等人的專利 CN10293711A公開了一種雙頻光柵干涉儀系統，可以同時測量水平和豎直兩個方向的直線 位移，但是該系統受到光斑直徑和光電接收器面積的限制，哈爾濱工業大學的林杰等人為 了解決該問題公開了專利CN10360077提出了一種使用雙頻激光的兩軸光柵干涉儀系統， 但該系統的只能實現兩倍光學細分，分辨率不高，并且該結構的測量光束和參考光束在干 涉光路部件中為非對稱光路，使得在溫度等環境改變時，測量光束和參考光束光程變化不 一致，從而對結果造成影響。
【發明內容】
[0004] 為了解決上述問題，本發明的目的是提供一種四倍光學細分的兩軸外差光柵干涉 儀，該儀器能同時測量光柵矢量方向（水平方向）和光柵法線（豎直方向）的位移，不僅在 豎直方向上的位移測量量程得到大幅度增加，而且光學細分倍數達到4倍，在保持測量結 果穩定的同時得到高分辨率。
[0005] 本發明的技術解決方案如下：
[0006] -種四倍光學細分的兩軸外差光柵干涉儀，其特點在于，包括：雙頻激光器，50 % 非偏振分光片，第一平面反射鏡，第二平面反射鏡，第一干涉模塊，第二干涉模塊，第一光 電接收器，第二光電接收器，光柵標尺以及信號處理模塊。所述的干涉模塊為安捷倫公司 的N10715A干涉模塊，包括偏振分光棱鏡，第一直角棱鏡，第二直角棱鏡，第三直角棱鏡，第 一四分之一波片，第二四分之一波片，第三平面反射鏡，第四平面反射鏡，第五平面反射鏡。 由雙頻激光器出射的光束包含相互垂直的兩個線偏振光，兩偏振光存在固定的頻差，激光 器出射的光束首先經過50%非偏振分光片。非偏振分光片出來的其中一束光經第一反射 鏡垂直入射到第一干涉模塊，第一反射鏡的反射面與標尺光柵法線的夾角為光柵標尺對應 波長的利特羅角的一半，使得光線與光柵標尺的法線方向之間的夾角為光柵標尺的利特羅 角，由第一干涉模塊出來的第一測量光束第一次以利特羅角入射到光柵標尺衍射后原路返 回，之后由第一干涉模塊反射再次以利特羅角入射到光柵標尺上，原路返回后第一測量光 束與由干涉模塊反射的第一參考光束一起耦合至光纖，經光纖導光至光電接收器轉化為電 信號，由數據處理模塊處理得到第一信號。同理，由50%分光片出來的另一束光經第二反射 鏡垂直入射到第二干涉模塊，光線與光柵標尺的法線方向之間的夾角為光柵標尺的利特羅 角，由第二干涉模塊出來的第二測量光束第一次以利特羅角入射到光柵標尺后原路返回， 第二測量光束與第一測量光束分別處于光柵法線的兩側，第二測量光束再經第二干涉模塊 反射再次以利特羅角入射到光柵標尺上，原路返回后第二測量光束與由第二干涉模塊反射 的第二參考光束一起耦合至光纖，經光纖導光至光電接收器轉化為電信號，由數據處理模 塊處理得到第二信號。根據第一信號和第二信號解調可得到光柵水平和豎直方向上的位 移。
[0007] 特別的，第一測量光束和第二測量光束不僅適用于利特羅角入射的情形，同樣適 用于m階布拉格角入射的情形，m階布拉格角可由下式得出：
[0008]
[0009] 式中X為激光波長，d為光柵周期。m為正整數，m越大，光柵干涉儀系統的光學 細分倍數越大。
[0010] 本發明的技術效果：
[0011] 本發明可以同時測量光柵水平方向和豎直方向上的位移，通過使用干涉模塊使得 測量光束經標尺光柵衍射兩次，第一測量光束和第二測量光束結合起來可實現四倍的光學 細分，在光柵周期和電子細分倍數相同的情況下提高了光柵干涉儀的分辨率。同時此光路 在干涉模塊之前測量光束和參考光束共徑，在干涉模塊中測量光束和參考光束成對稱分 布，干涉模塊中的溫度變化時對測量光束和參考光束造成的影響是一樣的，提高了系統的 穩定性和測量結果的可靠性。經過實驗測試，在速度為l〇mm/S量程為8_的水平方向移動， 誤差為±80nm，23秒內光柵干涉儀漂移為7nm，激光干涉儀漂移為14nm。
【附圖說明】
[0012] 圖1是四倍光學細分的兩軸外差光柵干涉儀
[0013]圖2是干涉模塊的光路結構示意圖
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對本發明【具體實施方式】作進一步詳細描述。
[0015] -種四倍光學細分的兩軸外差光柵干涉儀如圖1所示，包括：雙頻激光器1，50% 分光片4,第一平面反射鏡6,第二平面反射鏡7,第一干涉模塊14,第二干涉模塊15,第一光 電接收器19,第二光電接收器18,光柵標尺10,信號處理模塊20和高精密移動平臺11。由 雙頻激光器1出射的光束包含相互垂直的兩個線偏振光，兩偏振光存在固定的頻差，由雙 頻激光器1出射的光束首先經過50 %非偏振分光片4分為反射光束和透射光束。所述的反 射光束經第一反射鏡6反射后垂直地入射到第一干涉模塊14,光線與光柵標尺10的法線方 向之間的夾角為光柵標尺的利特羅角，由第一干涉模塊14出來的第一測量光束第一次以 利特羅角入射到光柵標尺10衍射后原路返回，之后由第一干涉模塊14反射再次以利特羅 角入射到光柵