一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法

本发明涉及光栅测量领域，具体涉及一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法。

背景技术：

1、现阶段高精度位移测量技术主要包括激光干涉测量法和光栅干涉测量法。其中，激光干涉测量法的测量基准为激光波长，其缺点是对空气折射率较为敏感、外界环境条件要求严格，在短行程下易获得高精度，但随着测量行程的逐渐增大，温度、湿度和气压等测量环境的微小变化都将严重影响测量结果的准确性，米级以上行程的测量误差甚至高达几百纳米。而光栅干涉测量法的测量基准为光栅栅距，光栅基底可选用零膨胀材料，此时外界环境对其影响甚微，其测量精度几乎不受行程增大的影响，不需要严格进行恒温、恒压、恒湿等环境控制。鉴于以上优势，光栅干涉位移测量设备在高档数控机床、航空航天领域有迫切的应用需求。

2、由于光栅干涉测量设备的测量基准是光栅栅距，当光栅基底选择零膨胀材料时，外界环境的温度、湿度、气压等因素改变时对光栅干涉测量的精度影响较小。但是，基于现有光栅制造的技术水平，光栅在加工过程中会引入刻划误差，这将直接给光栅测量的基准“光栅栅距”带来不可矫正的误差。与此同时，对于敞开式光栅尺而言，光栅表面直接暴露在空气中，空气中的尘埃等悬浮颗粒物会附着在光栅表面，这种固体颗粒的尺度大多在微米级，分子间吸附力极强，且借助肉眼无法分辨，这些固体污渍的附着会影响光栅干涉测量的精度，降低光栅尺的使用寿命。

3、现有光栅干涉测量设备为了降低光栅刻线误差与固体颗粒污渍带来的影响，会对光源进行扩束，增加入射至光栅表面的光束直径，利用平均效应来降低“光栅刻线误差与固体颗粒污渍”对干涉测量精度的影响，但是这样的结果是会导致读数头结构中传播的光束尺度增加，进而造成整体尺寸的增加，一般而言，光束直径扩大倍数与读数头整体增加的体积倍数一致，这将直接制约读数头的小型化与集成化设计。另一方面，为了减小污渍的影响，部分光栅干涉测量装置选择使用抗污光栅，这种光栅可以进行定期清洗以去除污渍，但是这样的缺点在于抗污光栅的制造技术尚且不够成熟，所制作光栅的衍射效率低、寿命短，无法用于实际工业生产领域。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置及测量方法，解决了现有的光栅干涉测量装置长时间使用具有污渍而影响光栅干涉测量精度的问题。

2、为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量装置，包括光栅、光源、分光组件、扩束组件以及探测组件，光源用于产生基础光束；分光组件包括第一分光镜、第二分光镜以及第一反射镜，第一分光镜用于将基础光束分成参考光束以及测量光束，测量光束经第一分光镜透射后进入第二分光镜，第二分光镜用于将测量光束分为第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束具有第一偏振角度，第一测量光束具有第二偏振角度，第一测量光束经第二分光镜透射后进入第一反射镜；

3、扩束组件包括第二扩束组件以及第一扩束组件，第二测量光束经第二分光镜反射后进入第二扩束组件的输入端，并经第二扩束组件扩束后以第二预设角度射入光栅，光栅将第二测量光束转换为第二衍射光束，并以第二预设角度射入第二扩束组件的输出端，第一测量光束经第一反射镜反射后进入第一扩束组件的输入端，并经第一扩束组件扩束后以第一预设角度射入光栅，光栅将第一测量光束转换为第一衍射光束，并以第一预设角度射入第一扩束组件的输出端；

4、探测组件包括第一探测器、第二探测器、第一偏振片以及第二偏振片，第一偏振片设置在第一探测器的输入端，第二偏振片设置在第二探测器的输入端，参考光束经第一分光镜反射后通过第一偏振片以预设偏振角度射入第一探测器的输入端，第二衍射光束经第二扩束组件缩束后以第二偏振角度射入第二分光镜，并经第二分光镜透射后通过第二偏振片以预设偏振角度进入第二探测器的输入端，第一衍射光束经第一扩束组件缩束后以第一偏振角度射入第一反射镜，经第一反射镜反射后进入第二分光镜，并经第二分光镜反射后通过第二偏振片以预设偏振角度进入第二探测器的输入端。

5、在一些实施例中，扩束组件还包括像方远心透镜，像方远心透镜用于对第二测量光束以及第一测量光束进行扩束，第二扩束组件包括第一准直透镜，第一准直透镜的输出端朝向像方远心透镜的输入端设置；第一扩束组件包括第二准直透镜，第二准直透镜的输出端朝向像方远心透镜的输入端设置。

6、在一些实施例中，第二扩束组件包括第二反射镜，第二反射镜用于将第二分光镜反射的第二测量光束反射入第二扩束组件中；第一扩束组件包括第三反射镜，第三反射镜用于将第一反射镜反射的第一测量光束反射入第一扩束组件中。

7、在一些实施例中，第二扩束组件还包括第一正透镜以及第二正透镜，第一正透镜用于将第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；第二正透镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；

8、第一扩束组件还包括第三正透镜以及第四正透镜，第三正透镜用于将第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；第四正透镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

9、在一些实施例中，第二扩束组件包括第一负透镜以及第一准直正透镜，第一负透镜用于将第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；第一准直正透镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；第一扩束组件包括第二负透镜以及第二准直正透镜，第二负透镜用于将第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；第二准直正透镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

10、在一些实施例中，第二扩束组件包括第一棱镜以及第二棱镜，第一棱镜用于将第二反射镜反射的第二测量光束进行一级扩束；第二棱镜用于将一级扩束后的第二测量光束进行二级扩束；第一扩束组件包括第三棱镜以及第四棱镜，第三棱镜用于将第三反射镜反射的第一测量光束进行一级扩束；第四棱镜用于将一级扩束后的第一测量光束进行二级扩束。

11、在一些实施例中，分光组件还包括第一四分之一波片以及第二四分之一波片，第一四分之一波片设置在第二扩束组件的输入端，第一四分之一波片用于将缩束后的第二测量光束的第一偏振角度调制为第二偏振角度；第二四分之一波片设置在第一扩束组件的输入端，第二四分之一波片用于将缩束后的第一测量光束的第二偏振角度调制为第一偏振角度。

12、在第二方面，本发明还提供一种基于大尺寸光斑的光栅干涉测量方法，适用于第一方面所述的光栅干涉测量装置，方法包括：

13、获取第一探测器所采集的基础光束的光束频率，基础光束包括第一基础光束以及第二基础光束，记第一基础光束的光束频率为，记第二基础光束的光束频率为，并根据与生成第一干涉信号；

14、获取第二探测器所采集的第二衍射光束的光束频率以及第一衍射光束的光束频率，记第二衍射光束的光束频率为，记第一衍射光束的光束频率为，并根据与生成第二干涉信号；

15、根据多普勒频移效应，求解第一干涉信号以及第二干涉信号，生成光栅的移动位移测量值。

16、在一些实施例中，记第一干涉信号为，第一干涉信号通过公式（1）表示，公式（1）如下：

17、；

18、式中，为第一基础光束的复振幅值，为第二基础光束的复振幅值，为光栅移动时间，为光栅移动时所产生的光束频率变化值，为光栅移动时所产生的光束相位变化值；

19、记第二干涉信号为，第二干涉信号通过公式（2）表示，公式（2）如下：

20、；

21、式中，为第一衍射光束的复振幅值，为第二衍射光束的复振幅值，为第一衍射光束的初始相位，为第二衍射光束的初始相位。

22、在一些实施例中，多普勒频移效应产生的光束频率变化值通过公式（3）表示，公式（3）如下：

23、；

24、多普勒频移效应产生的光束相位变化值通过公式（4）表示，公式（4）如下：

25、;

26、式中，为光栅衍射级次，为光栅沿光栅矢量移动的移动速度，为光栅栅距，为光栅的移动位移测量值；

27、根据公式（4）可得、与光栅的移动位移测量值的关系为：

28、；

29、；

30、则光栅的移动位移测量值通过公式（5）表示，公式（5）如下：

31、。

32、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

33、光源发射的基础光束通过分光组件分成参考光束以及测量光束，参考光束被第一探测器吸收，测量光束经过第二分光镜分成第二测量光束以及第一测量光束，第二测量光束经过第二扩束组件进行扩束，第一测量光束经过第一扩束组件进行扩束，使得第二测量光束的光斑尺寸以及第一测量光束的光栅尺寸成倍增加，以利特罗角度入射至衍射光栅表面，最后原路返回，形成携带位移信息的稳定干涉信号，被第二探测器以小光斑形式接收。利用扩束组件扩大入射衍射光栅的光束大小，既可以保留整个光栅干涉测量装置的小型化与集成化设计，又可以极大地减小因光栅均匀性误差与污点对实验精度的影响。本技术方案适用于高集成、小体积、高精度测量需求的光栅干涉测量装置。