基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪

摘要

一种基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪，包括线偏振光源、偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、数据采集和处理及控制单元，由非偏振分束器、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器及对应的第一探测器、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器及对应的第二探测器构成的双频外差干涉光电探测单元，以及自准直装置。本发明将高密度光栅设计成负一级高衍射效率；进而采用细分光栅使得光束被标尺光栅多次衍射，并且最终垂直入射到反射镜上实现光路原路返回，通过光束多次经标尺光栅衍射,获得高光学细分倍数，从而提高光栅干涉仪的分辨率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种位移测量装置中光栅干涉仪高细分部件，特别是一种基于高密 度光栅的高分辨率光栅干涉仪。

背景技术

对微纳米精密位移测量的仪器目前主要包括两种：激光干涉仪和光栅干涉仪。 激光干涉仪以波长为基准，能得到很高的分辨率，但由于波长容易受到环境、光源 等因素的影响，其应用受到了限制。而光栅干涉仪刚好弥补了激光干涉仪的缺点， 其以光栅周期作为基准，测量结果基本不受环境和波长的影响，已广泛应用于加工 机床、机器人、生物医疗等领域。

无论是激光干涉仪还是光栅干涉仪，其分辨率大小都取决于光学细分倍数和电 子细分倍数。由于电子细分受限于光学细分信号，在电子细分相同的情况下，光学 细分倍数越高，其测量分辨率越高。目前典型的光栅干涉仪系统，如海德汉公司的 专利US5574558，日本佳能公司的专利US5038032，美国IBM公司的专利US5442172 等，其光学细分倍数并不高，一般为2或4倍。所以提高光学细分倍数有着重要的 意义。本发明在光栅效率足够高的情况下理论上能无限地提高光学细分倍数，解决 了目前光栅干涉仪细分倍数低的问题。

发明内容

本发明针对目前光栅干涉仪光学细分倍数低的问题，提出了一种基于高密度光 栅的高分辨率光栅干涉仪，将高密度光栅设计成负一级高衍射光效率；进而采用等 密度的细分光栅实现光束在两光栅之间的多次反复衍射，并且最终垂直入射到反射 镜上实现光路的原路返回，通过光束多次经标尺光栅衍射从而获得很高的光学细分 倍数，从而提高光栅干涉仪的分辨率。

本发明的技术解决方案：

一种基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪，其特点在于，包括：线偏振光源、 偏振分束器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一四分之一 波片、第二四分之一波片、数据采集和处理及控制单元，由非偏振分束器、处于正 交双频线偏振光45度放置的第一检偏器及对应的第一探测器、处于正交双频线偏振 光45度放置的第二检偏器及对应的第二探测器构成的双频外差干涉光电探测单元， 以及至少包括标尺衍射光栅、与该标尺衍射光栅平行的细分光栅的自准直装置，所 述的第一探测器和第二探测器的输出端分别与所述的数据采集和处理及控制单元相 连，

所述的线偏振光源发出正交双频偏振光束经所述的非偏振分束器分为两束，一 束射入所述的第一检偏器形成干涉信号，由所述的第一探测器接收后作为双频外差 干涉术的参考信号传输至数据采集和处理及控制单元，另一束经所述的偏振分束器 分为透射的P光和反射的S光，所述的P光依次经所述的第一四分之一波片、第一 反射镜入射到所述的标尺衍射光栅，所述的S光依次经所述的第二四分之一波片、 第二反射镜入射到所述的标尺衍射光栅，经该标尺衍射光栅衍射后的两束-1级衍射 光入射到所述的细分光栅，经该细分光栅衍射的-1级次光再次入射到标尺衍射光栅 上，经此多次反射后，经所述的自准直装置再自准直原路返回，两束光分别依次经 所述的第一反射镜、第一四分之一波片与所述的第二反射镜、第二四分之一波片变 换为与原偏振态正交的两束正交双频线偏振光，经所述的偏振分束器射入所述的第 二检偏器形成干涉信号，由所述的第二探测器接收后作为双频外差干涉术的测量信 号传输至数据采集和处理及控制单元。

所述的自准直装置还包括第三反射镜和第四反射镜，经所述的标尺衍射光栅衍 射后的两束-1级衍射光入射到所述的细分光栅，经该细分光栅衍射的-1级次光再次 入射到标尺衍射光栅上，经此多次反射后，最终分别垂直入射到所述的第三反射镜 和第四反射镜上后各光束再原路返回。

所述的自准直装置还包括棱镜，所述的细分光栅刻在该棱镜与所述的标尺 衍射光栅的相对面上，与该细分光栅相邻的两个面镀有高反膜。

所述的自准直装置还包括棱镜，所述的细分光栅刻在该棱镜与所述的标尺衍射光栅的相对 面的另一面，与该细分光栅相邻的两个面镀有高反膜。

光栅多普勒频移

$\mathrm{\Delta f}=m\frac{v}{d}$

式中m为衍射级次，v为速度，d为光栅周期。两边对时间求积分并整理 得，

$N=m\frac{s}{d}$

式中N为周期个数，s为光栅平移距离。m为光学细分倍数。即一束光每 经过一次标尺光栅衍射则细分倍数增加m倍，当两束光频移方向相反时，光 学细分倍数则增加2m倍。所以增加光栅衍射次数有利于增加光学细分倍数， 以获得有效高分辨率的效果。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

本发明采用将高密度光栅设计成负一级高衍射光效率；进而采用细分光栅 配合反射镜使得光束多次经标尺光栅衍射。入射光束在标尺光栅上经过N次 衍射，则对两束光分别产生正负N倍光栅多普勒频移，进而实现2N倍光学细 分。若N＝10，则可实现20倍的光学细分。从而获得高光学细分效果，大大有 效提高光栅干涉仪光学分辨率。

附图说明

图1为采用基于高密度光栅的高分辨率光栅干涉仪的实施例1图。

图2为细分光栅结合反射镜的工作原理图。

图3为实施例2一体式细分光栅的工作原理图。

图4为实施例3一体式细分光栅的工作原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护 范围。

如图1所示，激光器8发出正交双频线偏振光，经非偏振分束器10平分成两 束光，一束通过与正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器11后形成干涉信号， 并由第一光电探测器12接收，作为双频外差干涉术的参考信号；另一束通过偏振 分束器9分成透射P光和反射S光，分别由第一四分之一波片6和第二四分之一波 片7变换为圆偏振光，再通过第一反射镜2和第二反射镜3入射标尺衍射光栅1。 由标尺衍射光栅1衍射后的两束-1级衍射光入射到细分光栅上，细分光栅的光栅参 数与标尺光栅的光栅参数完全相同，则经细分光栅衍射的-1级次光衍射方向与一开 始入射到标尺光栅光束的衍射方向相同，经细分光栅衍射的-1级次光再次打到标尺 光栅上，经过多次衍射后入射到第三反射镜4和第四反射镜5上，第三反射镜4和 第四反射镜5的反射面与标尺光栅的夹角为入射光束在标尺光栅上的衍射角，如此 可使得光束垂直入射到第三和第四反射镜上，垂直入射到第三反射镜4和第四反射 镜5的光束原路返回。经过第一反射镜2和第二反射镜3，再经过第一四分之一波 片6和第二四分之一波片7变换为与原偏振态正交的线偏振光，共同通过45度放 置的第二检偏器14后形成干涉信号，并由第二光电探测器13接收，作为双频外差 干涉术的测量信号；上述参考信号和测量信号经由数据采集和处理及控制单元15 处理即可获得标尺衍射光栅1的横向位移量。

细分结构单元工作原理如图2所示。

入射光束30入射到标尺光栅1上，满足光栅方程：

d(sin(-β)-sin(θ))＝mλ

式中d为标尺光栅周期，β为入射角，θ为衍射角，m为衍射级次，λ为激光 波长。经标尺光栅衍射后-1级次光入射到细分光栅40上，经细分光栅衍射的-1级 次光方向与入射光30平行，再次入射到标尺衍射光栅1上，如此多次反复，直至 最后经标尺衍射光栅1衍射光束垂直入射到第四反射镜5上，光束原路返回形成光 束32。与此类似光束31经细分光栅和第三反射镜4后形成光束33。由于光束30 和光束31在标尺光栅1上的投影方向正好相反，标尺光栅移动对两束光的多普勒 频移方向也相反，一束光经光栅标尺衍射N次，最后两束光频移量为2Nmv/d，m为 衍射级次，v为标尺光栅速度，d为标尺光栅周期。则最后光学细分倍数为2Nm倍。

图3为实施例2一体式细分光栅的工作原理图，如图所示，细分光栅被刻 于棱镜50的面53上，棱镜50的面52和面51被镀以高反膜代替图2中第三第四平 面反射镜的作用。制作成一体式利于系统的稳定。此结构的细分光栅的周期与标尺 光栅的周期相同。棱镜50的面54与面51的夹角为α，棱镜50的面54与面52的 夹角也为α，夹角α和光束在标尺光栅的衍射角θ相等。

图4为实施例3一体式细分光栅的工作原理图，细分光栅被刻于棱镜60的 面64上，棱镜60的面62和面61被镀以高反膜代替图2中第三第四平面反射镜的 作用，棱镜60的面63被镀以高透膜以使光束几乎全部透过。棱镜60的面64与面 61的夹角为α，棱镜60的面64与面62的夹角也为α，夹角α和光束在标尺光栅 的衍射角θ相等。细分光栅的周期d₀满足以下关系：

$d_0=\frac{n_1\lambda }{n_1(\sin \left(\beta \right)+\sin \left(\theta \right))}$

式中n₁为棱镜的折射率，n₀为空气中的折射率，λ为激光波长，β为入射角， θ为衍射角。