光栅栅距测量装置及方法

1.本发明涉及光栅检测领域，具体涉及一种光栅栅距测量装置及方法。


背景技术：

2.衍射光栅是一种可对光波的振幅或相位进行空间调制的周期性光学元件，具有分束、色散、偏振和相位匹配的性质，在光谱学、计量学等众多领域均有重要应用。光栅栅距是光栅重要性能指标之一，其标称精度和均匀性在光谱领域直接影响光谱光栅的光谱分辨率，在计量领域则会影响测量结果的准确性，需要进行光栅距离测量。
3.原子力显微镜afm、扫描电子显微镜sem等可以对光栅栅距进行检测，但显微镜更重要的作用是对光栅槽型进行采样观测，扫描成像的方式检测效率低、数据量大，不可能对光栅进行全幅面的检测，并且其检测精度很大程度上取决于操作者的数量程度；利用衍射角度计算是最常用的方法，一般是采用ccd或者光斑探测器对衍射光斑进行定位，通过电动旋转台带动光栅转动，测量入射光和衍射光角度，代入光栅方程sin(α)+sin(β)＝mλ/d计算光栅栅距，而此方法栅距测量精度直接取决于角度测量精度，高精度的角度测量需要高精度转台和足够长的测量臂，增加了系统复杂程度；莫尔条纹法是随着光栅尺的发展衍生出的一种光栅栅距测量方法，是利用两块栅距相同或相近的光栅叠合时产生的莫尔条纹效应，利用光电元件接收、计数、显示两光栅相对位移计算光栅栅距，此方法一方面只能针对特定的光栅栅距进行检测，检测不同栅距的光栅需要更换不同栅距的副光栅，另一方面对于高刻线密度光栅，衍射现象会影响到几何莫尔条纹信号，对于高刻线密度光栅的栅距检测，莫尔条纹法便不再适用。


技术实现要素：

4.为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种光栅栅距测量装置及方法，解决了人为操作对精度的影响，和高精度检测时系统的复杂程度的问题。
5.本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
6.光栅栅距测量装置，该装置包括：工作台、双频激光光源、第一半反半透镜、第一反射镜组、双频测距干涉仪、测量镜、偏振分束片、第二反射镜组、第三反射镜组、第二半反半透镜和接收器；待测光栅和测量镜设置在所述工作台上，且待测光栅和测量镜之间的相对位置固定；所述双频激光光源发出重合的，偏振方向正交的两束双频激光，经过第一半反半透镜分光，透射光通过第一反射镜组反射，入射到双频测距干涉仪中，测量待测光栅与测量镜之间的相对位移；反射光经由偏振分束片后偏振光p光透射，偏振光s光反射；所述p光经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组不再考虑，反射光入射至第三反射镜组，反射入射到第二半反半透镜反射光入射到接收器；所述s光经过第三反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第三反射镜组，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，反射入射到第二半反半透镜反射光入射到接收器。
7.优选的，所述工作台为x-y平面二维运动工作台。
8.优选的，所述待测光栅的刻线方向与工作台的运动方向垂直。
9.优选的，所述第一反射镜组包括：第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜；所述第一半反半透镜将透射光依次传递至第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜后，入射进入双频测距干涉仪。
10.优选的，所述第二反射镜组和第三反射镜组分别包括多个反射镜和一个光学导轨。
11.光栅栅距测量装置的测量方法，该方法包括如下步骤：
12.步骤一：当被测光栅以速度v运动时，测量光束发生δf的频移：
[0013][0014]
式中，v是被测物体运动速度，c为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；
[0015]
步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数n
l
：
[0016][0017]
式中，k为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量的时间。
[0018]
步骤三：当被测物以速度v沿x方向运动时，测量光束发生δf的频移：
[0019][0020]
式中，v是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光p光的反射光频移δf
1,0
＝0，偏振光s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d。
[0021]
步骤四：所述接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数ng：
[0022][0023]
步骤五：结合步骤二和步骤四，得到则光栅栅距为式中，λ是激光波长。
[0024]
优选的，该装置还包括：两个四分之一波片；所述p光入射到第一四分之一波片后变成右旋光，经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组，经过第一四分之一波片透射后变成s偏振光，反射光入射至第三反射镜组不再考虑，所述s偏振光入射到所述偏振分束片和反射镜反射后入射到接收器；所述s光入射到第二四分之一波片后变成左旋光，经过第三反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光满足利特罗条件自准直衍射原路返回第三反射镜组，经过第二四分之一波片透射后变成p偏振光，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，所述p偏振光入射到所述偏振分束片透射和反射镜反射后入射到接收器。
[0025]
优选的，光栅栅距测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0026]
步骤一：当被测光栅以速度v运动时，测量光束发生δf的频移：
[0027][0028]
式中，v是被测物体运动速度，c为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；
[0029]
步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数n
l
：
[0030][0031]
式中，k为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量的时间。
[0032]
步骤三：当被测物以速度v沿x方向运动时，测量光束发生δf的频移：
[0033][0034]
式中，v是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光p光的衍射光频移δf
1,1
＝nv/d，偏振光s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d。
[0035]
步骤四：所述接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数ng：
[0036][0037]
步骤五：结合步骤二和步骤四，得到则光栅栅距为
[0038][0039]
优选的，该装置还包括：两个二分之一波片、第二偏振分束片和第二接收器；所述p光经第一二分之一波片后顺时针旋转45
°
；旋转后的所述p光入射到第一四分之一波片后变成右旋光，经过第二反射镜组入射到待测光栅后，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组，经过第一四分之一波片透射后变成线偏振光，之后入射到第一二分之一波片，逆时针旋转225
°
角，变为s偏振光；入射到偏振分束片反射，经反射镜反射入射到第二偏振分束片反射，经反射镜反射，入射到第一接收器；反射光入射至第三反射镜组，反射到第二四分之一波片，透射后变为线偏振光，；入射到第二二分之一波片，经第二二分之一波片后逆时针旋转135
°
，偏振方向与初始p光比较旋转0
°
，变回p偏振光；入射到第一偏振分束片透射，经反射镜反射入射到第二偏振分束片透射，入射到第二接收器；
[0040]
所述s光经第二二分之一波片后逆时针旋转45
°
；旋转后的所述s光经第二四分之一波片透射后变为左旋光，经第三反射镜组反射入射到被测光栅，经被测光栅衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第三反射镜组，反射光入射至第二反射镜组；所述s光的衍射光经第三反射镜组反射入射到第二四分之一波片，透射后变为线偏振光，入射到第二二分之一波片13，经所述第二二分之一波片后顺时针旋转225
°
，偏振方向与初始s光比较顺时针旋转90
°
，变为p偏振光；入射到第一偏振分束片透射，经反射镜反射入射到第二偏振分束片透射，入射到第二接收器；反射光经第二反射镜组反射入射到第一四分之一波片，
透射后变为线偏振光，入射到第一二分之一波片，经所述第一二分之一波片后顺时针旋转135
°
角，变回s偏振光；入射到第一偏振分束片反射，经反射镜反射入射到第二偏振分束片反射，经反射镜反射，入射到第一接收器。
[0041]
优选的，光栅栅距测量装置的测量方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
[0042]
步骤一：当被测光栅以速度v运动时，测量光束发生δf的频移：
[0043][0044]
式中，v是被测物体运动速度，c为光速，f为光源中心频率，m为光学细分倍数；
[0045]
步骤二：所述双频测距干涉仪将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数n
l
：
[0046][0047]
式中，k为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数，t为测量的时间。
[0048]
步骤三：当被测物以速度v沿x方向运动时，测量光束发生δf的频移：
[0049][0050]
式中，v是被测物体运动速度，d为光栅栅距，n为光栅衍射级次；偏振光p光的衍射光频移δf
1,1
＝nv/d，偏振光s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d。
[0051]
步骤四：所述第一接收器接收p光的衍射光和s振光的反射光，形成差频信号；p光的衍射光频移δf
1,1
＝nv/d，s光的反射光频移δf
2,0
＝0；
[0052]
所述接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数ng1：
[0053][0054]
所述第二接收器接收p光的反射光和s光的衍射光，形成差频信号；p的反射光频移δf
1,0
＝0，s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d；
[0055]
所述第二接收器将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数ng2：
[0056][0057]
其中k为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数；
[0058]
步骤五：结合步骤二和步骤四，得到则光栅栅距为
[0059]
本发明的有益效果：本发明是利用光栅衍射干涉原理结合相移定理测量光栅栅距，具有高精度、大量程、高稳定性的特点，解决了检测过程中人为因素带来的后果，提升了检测精度和分辨率，实现自动检测的效果。本发明可对光栅进行全幅面的检测，测量量程可
由500gr/mm至2800gr/mm，可满足目前较大范围的衍射光栅栅距测量需求。
附图说明
[0060]
图1本发明光栅栅距测量装置实施例1示意图。
[0061]
图2本发明光栅栅距测量装置实施例2示意图。
[0062]
图3本发明光栅栅距测量装置实施例3示意图。
[0063]
图中：1、待测光栅，2、工作台，3、双频激光光源，4、第一反射镜，5、第一半反半透镜，6、第二反射镜，7、第三反射镜，8、第四反射镜，9、双频测距干涉仪，10、测量镜，11、偏振分束片，12、第五反射镜，13、第六反射镜，14，第七反射镜、15、第八反射镜，16、第一光学导轨，17、第二光学导轨，18、第二半反半透镜，19、接收器，20、第一四分之一波片，21、第二四分之一波片，22、第九反射镜，23、第一二分之一波片，24、第二二分之一波片，25、第十反射镜，26、第二偏振分束片，27、第二接收器。
具体实施方式
[0064]
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0065]
实施例1：
[0066]
如图1所示，光栅栅距测量装置，该装置包括：工作台2、双频激光光源3、第一反射镜4、第一半反半透镜5、第一反射镜组、双频测距干涉仪9、测量镜10、偏振分束片11、第二反射镜组、第三反射镜组、第二半反半透镜18和接收器19；所述第一反射镜组包括第二反射镜6、第三反射镜7和第八反射镜8；第二反射镜组包括：第五反射镜12、第七反射镜14和第一光学导轨16；第三反射镜组包括：第六反射镜13、第八反射镜15和第二光学导轨17。
[0067]
待测光栅1和测量镜10设置在所述工作台2上，所述待测光栅1可随工作台在x-y平面二维运动，且待测光栅1和测量镜10之间的相对位置固定。待测光栅1刻线方向沿y方向放置。所述双频测距干涉仪9所测量双频测距干涉仪9和测量镜10之间x方向的相对位移即为光栅沿x方向的位移变化量。
[0068]
当测量镜10以速度v沿x方向运动时，根据激光多普勒原理，测量光束发生δf的频移：
[0069][0070]
式中，v是测量镜10的运动速度，c为光速，f为所述双频激光光源中心频率，m为光学细分倍数。
[0071]
所述双频测距干涉仪9将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数n
l
，如下式所示：
[0072][0073]
式中k为测量板卡通过电子学对信号进行的细分数。
[0074]
所述双频激光光源3发出重合的，偏振方向正交，具有较小频差的两束双频激光，所述双频激光光源3发出的激光包括：
[0075]
第一偏振光，所述第一偏振光为p光，频率为fa；
[0076]
第二偏振光，所述第二偏振光为s光，频率为fb；
[0077]
所述双频激光经第一反射镜4反射，由所述第一半反半透镜5分光，透射光通过第二反射镜6、第三反射镜7和第八反射镜8的依次反射，入射到双频测距干涉仪9中，测量与测量镜10之间x方向的相对位移；反射光经由偏振分束片11后偏振光p光透射，偏振光s光反射；所述p光经过第五反射镜12和第七反射镜14反射到待测光栅1上，所述第七反射镜14设置在第一光学导轨16上，可以调节第七反射镜14所在位置和角度，使入射角满足不同刻线密度光栅的利特罗条件。所述p光经被测光栅1衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组不再考虑，反射光入射至第八反射镜15和第六反射镜13，反射到第二半反半透镜18后反射到接收器19；所述s光经过第六反射镜13和第八反射镜15入射到待测光栅1后，所述第八反射镜15设置在第二光学导轨17上，可以调节第八反射镜15所在位置和角度，使入射角满足不同刻线密度光栅的利特罗条件。s光经被测光栅1衍射和反射分为两束，反射光入射至第二反射镜组不再考虑，衍射光自准直衍射原路返回第八反射镜15和第六反射镜13，反射入射到第二半反半透镜18反射光入射到接收器19。
[0078]
当被测光栅1以速度v沿x方向运动时，根据光栅多普勒原理，测量光束发生δf的频移：
[0079][0080]
式中，v是被测光栅1运动速度，d为被测光栅1的栅距，n为被测光栅1衍射级次。则p光的反射光频移δf
1,0
＝0，s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d。
[0081]
所述接收器19将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数ng，如下式所示：
[0082][0083]
结合公式(2)与公式(4)
[0084][0085]
则光栅栅距为
[0086][0087]
式中，λ为双频激光光源3的波长。
[0088]
实施例2：
[0089]
如图2所示，所述双频激光经第一反射镜4反射，经第一半反半透镜5分光的透射光经过第一反射镜组后用于测量光栅位置，与实施例1的方案相同。
[0090]
经第一半反半透镜5分光的反射光用于分辨光栅栅距，入射到偏振分束片11，频率为fa的第一偏振光p光透射，频率为fb的第二偏振光s光反射。
[0091]
透射的所述p光经第一四分之一波片20透射后变为右旋光，由第五反射镜12和第七反射镜14反射，入射到被测光栅；所述第七反射镜14设置在第一光学导轨16上，可以调节第七反射镜14所在位置和角度，使入射角满足不同刻线密度光栅的利特罗条件。反射的所述s光经第二四分之一波片21透射后变为左旋光，经第六反射镜13和第八反射镜15反射，入
射到被测光栅；所述第八反射镜15安装在第二光学导轨17上，可以调节第八反射镜15所在位置和角度，使入射角满足不同刻线密度光栅的利特罗条件。所述p光经被测光栅1衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第七反射镜14、第五反射镜12和第一四分之一波片20，透射后变为s偏振光，所述s偏振光入射到第一偏振分束片11反射，经第九反射镜22反射入射到接收器19。反射光入射至第三反射镜组不再考虑。所述s光经被测光栅1衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第八反射镜15、第六反射镜13和第二四分之一波片21，透射后变为p偏振光。所述p偏振光入射到第一偏振分束片11透射，经第九反射镜22反射入射到接收器19。反射光入射至第二反射镜组不再考虑。
[0092]
所述接收器21接收p光的衍射光和s光的衍射光，形成差频信号。p光的衍射光频移δf
1,1
＝nv/d，s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d。
[0093]
所述接收器19将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数ng，如下式所示：
[0094][0095]
结合公式(2)与公式(7)
[0096][0097]
则光栅栅距为
[0098][0099]
实施例3
[0100]
如图2所示，所述双频激光经第一反射镜4反射，经第一半反半透镜5分光的透射光经过第一反射镜组后用于测量光栅位置，与实施例1的方案相同。
[0101]
经第一半反半透镜5分光的反射光用于分辨光栅栅距，入射到第一偏振分束片11，频率为fa的第一偏振光p光透射，频率为fb的第二偏振光s光反射。
[0102]
透射的所述p光入射到第一二分之一波片23上，所述第一二分之一波片23光轴与p光偏振方向顺时针成22.5
°
角，所述p光经第一二分之一波片23后顺时针旋转45
°
角。所述顺时针旋转45
°
角经第一四分之一波片20透射后变为右旋光，经第五反射镜12和第七反射镜14反射入射到被测光栅1。所述第七反射镜14安装在第一光学导轨16上，可以调节第七反射镜14所在位置和角度，使入射角满足不同刻线密度光栅的利特罗条件。反射的所述s光入射到第二二分之一波片24上，所述第二二分之一波片24光轴与s光偏振方向逆时针成22.5
°
角，所述s光经第二二分之一波片24后逆时针旋转45
°
角。所述逆时针旋转45
°
角经第二四分之一波片21透射后变为左旋光，经第六反射镜13和第八反射镜15反射入射到被测光栅1。所述第八反射镜15安装在第二光学导轨17上，可以调节第八反射镜15所在位置和角度，使入射角满足不同刻线密度光栅的利特罗条件。
[0103]
所述p光经被测光栅1衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第二反射镜组，反射光入射至第三反射镜组。所述p光的衍射光经第七反射镜14和第五反射镜12反射入射到第一四分之一波片20，透射后变为线偏振光，偏振方向与初始p光比较顺时针旋转135
°
。第一线偏振光入射到第一二分之一波片23，所述第一二分之一波片23光轴此时与p光
偏振方向逆时针成112.5
°
角，所述p光经第一二分之一波片23后逆时针旋转225
°
角，偏振方向与初始p光比较逆时针旋转90
°
，变为第一s偏振光。所述第一s偏振光入射到第一偏振分束片11反射，经第九反射镜22反射入射到第二偏振分束片26反射，经第十反射镜25反射，入射到第一接收器19。所述p光的反射光经第八反射镜15和第六反射镜13反射入射到第二四分之一波片21上，透射后变为线偏振光，偏振方向与初始p光比较顺时针旋转135
°
。第二线偏振光入射到第二二分之一波片24，所述第二二分之一波片23光轴此时与p光偏振方向逆时针成67.5
°
角，所述p光经第二二分之一波片24后逆时针旋转135
°
角，偏振方向与初始p光比较旋转0
°
，变回第一p偏振光。所述第一p偏振光入射到第一偏振分束片11透射，经第九反射镜22反射入射到第二偏振分束片26透射，入射到第二接收器27。
[0104]
所述s光经被测光栅1衍射和反射分为两束，衍射光自准直衍射原路返回第三反射镜组，反射光入射至第二反射镜组。所述s光的衍射光经第八反射镜15和第六反射镜13反射入射到第二四分之一波片21上，透射后变为线偏振光，偏振方向与初始s光比较逆时针旋转135
°
。第三线偏振光入射到第二二分之一波片24，所述第二二分之一波片24光轴此时与s光偏振方向顺时针成112.5
°
角，所述s光经第二二分之一波片24后顺时针旋转225
°
角，偏振方向与初始s光比较顺时针旋转90
°
，变为第二p偏振光。所述第二p偏振光入射到第一偏振分束片11透射，经第九反射镜22反射入射到第二偏振分束片26透射，入射到第二接收器27。所述s光的反射光经第七反射镜14和第五反射镜12反射入射到第一四分之一波片20上，透射后变为第四线偏振光，偏振方向与初始s光比较逆时针旋转135
°
。所述第四线偏振光入射到第一二分之一波片23，所述第一二分之一波片23光轴此时与s光偏振方向顺时针成67.5
°
角，所述s光经第一二分之一波片23后顺时针旋转135
°
角，偏振方向与初始s光比较旋转0
°
，变回第二s偏振光。所述第二s偏振光入射到第一偏振分束片11反射，经第九反射镜22反射入射到第二偏振分束片26反射，经第十反射镜25反射，入射到第一接收器19。
[0105]
所述第一接收器19接收p光的衍射光和s光的反射光，形成差频信号。p光的衍射光频移δf
1,1
＝nv/d，s光的反射光频移δf
2,0
＝0。
[0106]
所述第一接收器19将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数n
g1
，如下式所示：
[0107][0108]
所述第二接收器27接收p光的反射光和s光的衍射光，形成差频信号。p光的反射光频移δf
1,0
＝0，s光的衍射光频移δf
2,-1
＝-nv/d。
[0109]
所述第二接收器27将频移信号输入锁相倍频器后，通过测量板卡数据处理，计数器输出值为代表频差信号积分的脉冲个数n
g2
，如下式所示：
[0110][0111]
结合公式(2)与公式(11)、公式(12)
[0112][0113]
则光栅栅距为
[0114]