基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于高精密位移測(cè)量裝置，特別是一種基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干 涉儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)微納米精密位移測(cè)量的儀器目前主要包括兩種：激光干涉儀和光柵干涉儀。激 光干涉儀以波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，能得到很高的分辨率，但由于波長(zhǎng)容易受到環(huán)境、光源等因素的影 響，其應(yīng)用受到了限制。而光柵干涉儀則剛好彌補(bǔ)了激光干涉儀的缺點(diǎn)，其以光柵周期作為 基準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果基本不受環(huán)境和波長(zhǎng)的影響，已廣泛應(yīng)用于加工機(jī)床、機(jī)器人、生物醫(yī)療等 領(lǐng)域。
[0003] 無(wú)論是激光干涉儀還是光柵干涉儀，其分辨率大小都取決于光學(xué)細(xì)分倍數(shù)和電子 細(xì)分倍數(shù)。由于電子細(xì)分受限于光學(xué)細(xì)分信號(hào)，在電子細(xì)分相同的情況下，光學(xué)細(xì)分倍數(shù)越 高，其測(cè)量分辨率越高。目前典型的光柵干涉儀系統(tǒng)，如海德漢公司的專利US5574558,日本 佳能公司的專利US5038032,美國(guó)IBM公司的專利US5442172等，其光學(xué)細(xì)分倍數(shù)并不高，一 般為2或4倍。所以提高光學(xué)細(xì)分倍數(shù)有著重要的意義。本發(fā)明在光柵效率足夠高的情況 下理論上能無(wú)限地提高光學(xué)細(xì)分倍數(shù)，解決了目前光柵干涉儀細(xì)分倍數(shù)低的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明針對(duì)目前光柵干涉儀光學(xué)細(xì)分倍數(shù)低的問(wèn)題，提出了一種基于平面鏡的高 光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀，將高密度標(biāo)尺光柵設(shè)計(jì)成負(fù)一級(jí)高衍射效率，進(jìn)而采用平反射鏡實(shí) 現(xiàn)測(cè)量光束多次打到標(biāo)尺光柵上，使測(cè)量光束多次被標(biāo)尺光柵衍射，從而獲得很高的光學(xué) 細(xì)分倍數(shù)。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案：
[0006] -種基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀，其特點(diǎn)在于，包括：雙頻正交線偏振激 光光源、偏振分束器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第一四分之一波 片、第二四分之一波片、標(biāo)尺光柵，數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元，由非偏振分束器、處于正交 雙頻線偏振光45度放置的第一檢偏器及對(duì)應(yīng)的第一探測(cè)器、處于正交雙頻線偏振光45度 放置的第二檢偏器及對(duì)應(yīng)的第二探測(cè)器構(gòu)成的雙頻外差干涉光電探測(cè)單元，所述的第一探 測(cè)器和第二探測(cè)器的輸出端分別與所述的數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元相連。所述的雙頻正 交線偏振激光光源發(fā)出正交雙頻偏振光束經(jīng)所述的非偏振分束器分為兩束，一束射入所述 的第一檢偏器形成干涉信號(hào)，由所述的第一探測(cè)器接收后作為雙頻外差干涉術(shù)的參考信號(hào) 傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元，另一束經(jīng)所述的偏振分束器分為透射的P光和反射的 S光。由偏振分束器出來(lái)的所述的P光經(jīng)所述的第一四分之一波片變?yōu)橛倚龍A偏光、經(jīng)第一 反射鏡入射到所述的高密度標(biāo)尺光柵，經(jīng)標(biāo)尺光柵衍射的-1級(jí)次衍射光打到所述的第三 反射鏡，經(jīng)第三反射鏡反射再次入射到所述的高密度標(biāo)尺光柵，依此右旋圓偏光在所述的 標(biāo)尺光柵和所述的第三反射鏡之間來(lái)回反射，并最終垂直入射到所述的第三反射鏡上，右 旋圓偏光沿原光路返回經(jīng)第一反射鏡，經(jīng)第一四分之一波片變?yōu)镾光。由偏振分束器出來(lái) 的所述的S光經(jīng)所述的第二四分之一波片變?yōu)樽笮龍A偏光、經(jīng)第二反射鏡入射到所述的高 密度標(biāo)尺光柵，經(jīng)標(biāo)尺光柵衍射的-1級(jí)次衍射光打到所述的第四反射鏡，經(jīng)第四反射鏡反 射再次入射到所述的高密度標(biāo)尺光柵，依此左旋圓偏光在所述的標(biāo)尺光柵和所述的第四反 射鏡之間來(lái)回反射，并最終垂直入射到所述的第四反射鏡上，右旋圓偏光沿原光路返回經(jīng) 第二反射鏡，經(jīng)第二四分之一波片變?yōu)镻光。原路返回的P光和原路返回的S光經(jīng)偏振分 光鏡后合并為同一光路入射到所述的第二檢偏器形成干涉信號(hào)，由所述的第二探測(cè)器接收 后作為雙頻外差干涉術(shù)的測(cè)量信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元。通過(guò)分析參考信號(hào) 和測(cè)量信號(hào)即可獲得標(biāo)尺光柵的位移。
[0007] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0008] 本發(fā)明將標(biāo)尺光柵設(shè)計(jì)成-1級(jí)高衍射效率，進(jìn)而采用平面反射鏡使得測(cè)量光束 在標(biāo)尺光柵和反射鏡之間多次反射衍射，從而達(dá)到高光學(xué)細(xì)分的效果。由光柵多普勒頻移 效應(yīng)可知，入射光束在標(biāo)尺光柵上經(jīng)過(guò)N次-1級(jí)次衍射，則對(duì)兩束光分別產(chǎn)生正負(fù)N倍光 柵多普勒頻移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)2N倍光學(xué)細(xì)分。若N= 10,則可實(shí)現(xiàn)20倍的光學(xué)細(xì)分。
【附圖說(shuō)明】
[0009] 圖1是基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀的示意圖
[0010] 圖2是高光學(xué)細(xì)分部件的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0011] 下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。
[0012] 如圖1所示，雙頻正交線偏振激光光源8發(fā)出正交雙頻偏振光束經(jīng)非偏振分束器 10分為兩束，一束射入第一檢偏器11形成干涉信號(hào)，由第一探測(cè)器12接收后作為雙頻外差 干涉術(shù)的參考信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元15,另一束經(jīng)偏振分束器9分為透射 的P光和反射的S光。由偏振分束器9出來(lái)的所述的P光經(jīng)第一四分之一波片6變?yōu)橛倚?圓偏光，經(jīng)第一反射鏡2入射到高密度標(biāo)尺光柵1，經(jīng)標(biāo)尺光柵1衍射的-1級(jí)次衍射光打到 第三反射鏡4,經(jīng)第三反射鏡反射再次入射到高密度標(biāo)尺光柵1，依此右旋圓偏光在標(biāo)尺光 柵1和第三反射鏡4之間來(lái)回反射，并最終垂直入射到第三反射鏡4上，右旋圓偏光沿原光 路返回經(jīng)第一反射鏡2,經(jīng)第一四分之一波片6變?yōu)镾光。由偏振分束器9出來(lái)的所述的S 光經(jīng)第二四分之一波片7變?yōu)樽笮龍A偏光，經(jīng)第二反射鏡3入射到高密度標(biāo)尺光柵1，經(jīng)標(biāo) 尺光柵1衍射的-1級(jí)次衍射光打到第四反射鏡5,經(jīng)第四反射鏡5反射再次入射到高密度 標(biāo)尺光柵1，依此左旋圓偏光在標(biāo)尺光柵1和第四反射鏡5之間來(lái)回反射，并最終垂直入射 到第四反射鏡5上，右旋圓偏光沿原光路返回經(jīng)第二反射鏡3,經(jīng)第二四分之一波片變7為 P光。原路返回的P光透過(guò)偏振分光鏡和原路返回的S光經(jīng)偏振分光鏡9反射重合在同一 光路上，共同經(jīng)入射到第二檢偏器14形成干涉信號(hào)，由第二探測(cè)器13接收后作為雙頻外差 干涉術(shù)的測(cè)量信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元15。通過(guò)分析參考信號(hào)和測(cè)量信號(hào)即 可獲得標(biāo)尺光柵1的位移。
[0013] 第一平面反射鏡2反射面與標(biāo)尺光柵1的夾角為
[0015] 其中9 ；^為右旋圓偏振光光束首次入射到標(biāo)尺光柵的角度。N表不右旋圓偏振光 會(huì)被標(biāo)尺光柵衍射2Ν次。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀，其特征在于，包括：雙頻正交線偏振激 光光源（8)、偏振分束器（9)、第一反射鏡（2)、第二反射鏡（3)、第三反射鏡（4)、第四反射鏡 (5)、第一四分之一波片（6)、第二四分之一波片（7)、標(biāo)尺光柵（1)、數(shù)據(jù)采集和處理及控制 單元（15)，由非偏振分束器（10)、處于正交雙頻線偏振光45度放置的第一檢偏器（11)及 對(duì)應(yīng)的第一探測(cè)器（12)、處于正交雙頻線偏振光45度放置的第二檢偏器（14)及對(duì)應(yīng)的第 二探測(cè)器（13)構(gòu)成的雙頻外差干涉光電探測(cè)單元，所述的第一探測(cè)器（12)和第二探測(cè)器 (13)的輸出端分別與所述的數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元（15)相連；所述的雙頻正交線偏 振激光光源（8)發(fā)出正交雙頻偏振光束經(jīng)所述的非偏振分束器（10)分為兩束，一束射入所 述的第一檢偏器（11)形成干涉信號(hào)，由所述的第一探測(cè)器（12)接收后作為雙頻外差干涉 術(shù)的參考信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元（15)，另一束經(jīng)所述的偏振分束器（9)分 為透射的P光和反射的S光；由偏振分束器（9)出來(lái)的所述的P光經(jīng)所述的第一四分之一 波片（6)變?yōu)橛倚龍A偏光后經(jīng)第一反射鏡（2)入射到所述的高密度標(biāo)尺光柵（1)，經(jīng)標(biāo)尺 光柵（1)衍射的-1級(jí)次衍射光入射到所述的第三反射鏡（4)，經(jīng)第三反射鏡（4)反射后再 次入射到所述的高密度標(biāo)尺光柵（1)，依此右旋圓偏光在所述的標(biāo)尺光柵（1)和所述的第 三反射鏡（4)之間來(lái)回反射，并最終垂直入射到所述的第三反射鏡（4)上，右旋圓偏光沿原 光路返回經(jīng)第一反射鏡（2)，經(jīng)第一四分之一波片（6)變?yōu)镾光；由偏振分束器（9)出來(lái)的 所述的S光經(jīng)所述的第二四分之一波片（7)變?yōu)樽笮龍A偏光、經(jīng)第二反射鏡（3)入射到所 述的高密度標(biāo)尺光柵（1)，經(jīng)標(biāo)尺光柵（1)衍射的-1級(jí)次衍射光入射到所述的第四反射鏡 (5)，經(jīng)該第四反射鏡（5)反射后再次入射到所述的高密度標(biāo)尺光柵（1)，依此左旋圓偏光 在所述的標(biāo)尺光柵（1)和所述的第四反射鏡（5)之間來(lái)回反射，并最終垂直入射到所述的 第四反射鏡（5)上，右旋圓偏光沿原光路返回經(jīng)第二反射鏡（3)，經(jīng)第二四分之一波片（7) 變?yōu)镻光；原路返回的P光和原路返回的S光經(jīng)所述的偏振分光鏡（9)后，合并為一路入射 到所述的第二檢偏器（14)形成干涉信號(hào)，由所述的第二探測(cè)器（13)接收后作為雙頻外差 干涉術(shù)的測(cè)量信號(hào)傳輸至數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元（15)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀，其特征在于，所述的 第一平面反射鏡（2)的反射面與標(biāo)尺光柵（1)的夾角為
其中θ 右旋圓偏振光光束首次入射到標(biāo)尺光柵的角度，N表不右旋圓偏振光會(huì)被標(biāo) 尺光柵衍射2Ν次； 所述的第二平面反射鏡（3)的反射面與標(biāo)尺光柵（1)的夾角為
其中θ Μ為左旋圓偏振光光束首次入射到標(biāo)尺光柵的角度，M表不左旋圓偏振光會(huì)被標(biāo) 尺光柵衍射2Ν次。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀，其特征在于，第三反 射鏡（4)與標(biāo)尺光柵（1)的夾角α滿足以下關(guān)系： Ci=IB1 其中，P1S最小衍射角。
【專利摘要】一種基于平面鏡的高光學(xué)細(xì)分光柵干涉儀，包括雙頻正交線偏振激光光源、偏振分束器、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、第四反射鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片、標(biāo)尺光柵，數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元，由非偏振分束器、處于正交雙頻線偏振光45度放置的第一檢偏器及對(duì)應(yīng)的第一探測(cè)器、處于正交雙頻線偏振光45度放置的第二檢偏器及對(duì)應(yīng)的第二探測(cè)器構(gòu)成的雙頻外差干涉光電探測(cè)單元。本發(fā)明將標(biāo)尺光柵設(shè)計(jì)成高密度-1級(jí)次高衍射效率反射式光柵，進(jìn)而結(jié)合平面反射鏡使測(cè)量光束被標(biāo)尺光柵多次衍射，從而獲得高光學(xué)細(xì)分倍數(shù)，這在提高光柵干涉儀分辨率以及精確度的領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】G01B9-02, G01B11-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104729402
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510127875
【發(fā)明人】盧炎聰, 周常河, 韋春龍, 余俊杰, 李樹(shù)斌, 李民康, 李燕陽(yáng), 邱巨成
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年3月23日