一种改良栅外位移测量的光栅干涉仪及位移测量方法

本发明涉及位移测量，尤其涉及一种改良栅外位移测量的光栅干涉仪及位移测量方法。

背景技术：

1、超精密定位技术在高端精密装备领域发挥着不可或缺的作用，以确保装备达到高性能、高稳定性、高重复性和良好的动态响应特性。本技术贯穿整个生产周期，尤其在超精密机床和三坐标测量机中，定位精度通常以微米甚至纳米为单位。光栅干涉仪因其低成本、高精度和多自由度测量而备受青睐，然而传统的外差式光栅干涉仪存在纳米级的周期性非线性误差，特别是在面外z向上的影响更为显著。

2、2011年日本canon公司在美国公开了一项专利(us2011/0096334a1)，介绍了一种外差干涉仪，其中利用光栅作为物镜反射器，但该干涉仪只能实现单自由度位移测量。

3、2014年美国zygo公司的美国专利(us8,885,172b2)公开了一种消除周期非线性误差的光栅干涉仪，然而该方案无法同时实现多个自由度的测量。

4、2015年中国科学院上海光学精密机械研究所提出一种四倍光学细分的两轴外差光栅干涉仪，其利用光路设计实现了对光栅面内方向的二自由度测量。

5、2016年，清华大学朱煜等人提出了一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法，光栅干涉仪包括分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、反射镜和光纤耦合器，测量系统采用利特罗入射条件，测量目标具有很大的被动运动允差，并且能够同时测量二个线性位移，精度能达到纳米级甚至更高；具有光路短、体积小、结构紧凑、质量轻、对测量光栅要求低等优点，适用于二自由度高精度长行程位移测量。

6、2023年国防科技大学王国超老师等人提出一种准共光程外差光栅干涉仪及其死区光程评估、标校方法，在独立外差激光输入的基础上，采用对称斜入射结构实现第一激光传输光路、第二激光传输光路准共光程设计，融合准共光程和空间分离外差结构的优点，并在亚纳米水平上评估了死区光程对位移测量的影响。

7、2024年清华大学李星辉老师等人提出一种基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪，它可以有效减少激光死区长度，大大提高了抗环境干扰能力，减小了周期非线性误差。

8、然而，上述的光栅干涉仪目前大多在光栅面外位移测量量程较小且精度较低，且较少实现多自由度测量。

9、以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种改良栅外位移测量的光栅干涉仪及位移测量方法，降低了周期非线性误差，理论分辨率达到原子级精度。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种改良栅外位移测量的光栅干涉仪，包括双频光源、第一分光棱镜、二维光栅、第一四分之一波片、第一反射镜、第一偏振分光棱镜、第一偏振片、第二偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器；其中，

4、所述双频光源用于发出不同频率的两束激光，两束激光通过第一分光棱镜后，透射的两束激光垂直入射二维光栅并产生衍射，衍射产生的0级衍射光返回后再次入射所述第一分光棱镜；反射的两束激光经过所述第一四分之一波片并垂直入射第一反射镜，经所述第一反射镜反射后原路返回经过所述第一四分之一波片后并再次入射所述第一分光棱镜；

5、入射所述第一分光棱镜的0级衍射光经反射后与原路返回经过所述第一四分之一波片后并再次入射所述第一分光棱镜的两束激光透射后，一并入射至第一偏振分光棱镜，一部分光透射经过所述第一偏振片入射至所述第一光电探测器，另一部分光反射经过所述第二偏振片入射至所述第二光电探测器。

6、第二方面，本发明公开了一种改良栅外位移测量的光栅干涉仪，包括双频光源、第一分光棱镜、第二分光棱镜、二维光栅、第一四分之一波片、第一反射镜、第一偏振片、第二偏振片、第一光电探测器、第二光电探测器；其中，

7、所述双频光源用于发出不同频率的两束激光，两束激光通过第一分光棱镜后，透射的两束激光垂直入射二维光栅并产生衍射，衍射产生的0级衍射光返回后再次入射所述第一分光棱镜；反射的两束激光经过所述第二分光棱镜、所述第一四分之一波片并垂直入射第一反射镜经所述第一反射镜反射后原路返回经过所述第一四分之一波片后并再次入射所述第二分光棱镜；

8、再次入射至所述第二分光棱镜的两束激光，部分光反射后经过所述第一偏振片入射至所述第一光电探测器；另一部分光透射后再次经所述第一分光棱镜透射后与入射所述第一分光棱镜的0级衍射光经反射后，一并经过所述第二偏振片入射至所述第二光电探测器。

9、优选地，第一方面或第二方面中所述的光栅干涉仪还包括偏振态调节模块，所述偏振态调节模块设置于所述双频光源与所述第一分光棱镜之间，包括光纤、第一激光头、第二激光头、第二四分之一波片、第三四分之一波片以及第二偏振分光棱镜，所述双频光源通过所述光纤分别连接所述第一激光头和所述第二激光头；

10、所述第一激光头出射激光频率为f1的测量光，经过所述第二四分之一波片调整为p偏振光；所述第二激光头出射激光频率为f2的测量光，经过所述第三四分之一波片调整为s偏振光；经所述第二四分之一波片调整的p偏振光和经所述第三四分之一波片调整的s偏振光经过所述第二偏振分光棱镜后汇聚为偏振态正交的双频激光，并入射至所述第一分光棱镜。

11、进一步地，两束激光首次经过所述第一四分之一波片时，所述第一四分之一波片将p偏振光和s偏振光转为原偏振光；再次经过所述第一四分之一波片时，所述第一四分之一波片将元偏振光转为p偏振光和s偏振光，以对两束激光的偏振态进行旋转。

12、进一步地，两束频率为f1和f2的p偏振光透射经过所述第一偏振片，在所述第一光电探测器上干涉为测量信号；另两束频率为f1和f2的s偏振光反射经过所述第二偏振片，在所述第二光电探测器上干涉为参考信号。

13、优选地，第一方面或第二方面中所述的光栅干涉仪还包括自由度拓展模块，所述自由度拓展模块设置于所述第一分光棱镜与所述二维光栅之间，包括直角棱镜组、第三偏振分光棱镜、第三偏振片、第四偏振片、第三光电探测器、第四光电探测器；

14、在所述二维光栅衍射产生的±1级衍射光入射至所述直角棱镜组，反射后进入所述第三偏振分光棱镜，一部分光透射经过所述第三偏振片入射至所述第三光电探测器，另一部分光反射经过所述第四偏振片入射至所述第四光电探测器。

15、优选地，第一方面或第二方面中所述的光栅干涉仪还包括自由度拓展模块，还包括自由度拓展模块，所述自由度拓展模块设置于所述第一分光棱镜与所述二维光栅之间，包括屋脊棱镜、第二反射镜、第三偏振分光棱镜、第三偏振片、第四偏振片、第三光电探测器、第四光电探测器；

16、在所述二维光栅衍射产生的±1级衍射光入射至所述屋脊棱镜，其中-1级衍射光经过所述屋脊棱镜后进入所述第三偏振分光棱镜，透射经过所述第三偏振片入射至所述第三光电探测器；+1级衍射光经过屋脊棱镜后再入射至所述第二反射镜，反射后进入所述第三偏振分光棱镜，透射经过所述第四偏振片入射至所述第四光电探测器。

17、优选地，在第一方面或第二方面中所述的光栅干涉仪中，根据所述第一光电探测器和所述第二光电探测器的测量结果，z向位移△z由如下公式计算得到：

18、

19、式中，λ为激光波长，为所述第一光电探测器与所述第二光电探测器接收的信号之间的相位差，其中，z向为垂直于所述二维光栅的方向。

20、优选地，在第一方面或第二方面中所述的光栅干涉仪中，所述第一四分之一波片为45°角度放置。

21、第三方面，本发明公开了一种位移测量方法，使用第一方面或第二方面中所述的光栅干涉仪进行位移测量。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的改良栅外位移测量的光栅干涉仪及位移测量方法，其中双频激光同光路入射至第一分光棱镜，并结合第一四分之一波片和第一反射镜的配合，实现双频激光的转变，再经分光棱镜或偏振分光棱镜的筛选合光完成信号干涉测量，提升了光学细分，降低了周期非线性误差，理论分辨率达原子级精度。

23、在进一步的方案中，通过分光棱镜和偏振分光棱镜的配合使用，进行测量光与参考光的分光与干涉测量，提升至四倍光学细分，实现了z向四倍光学细分，更进一步地降低了周期非线性误差，理论分辨率达原子级精度；从而提升光栅面外光栅干涉仪的测量精度，实际实现亚纳米级的测量。

24、更进一步地，还可以将该改良四倍光学细分z向测量光路扩展至三自由度测量系统，且实现亚纳米级测量；而且该多自由度四倍光学细分的位移测量结构紧凑，利于小型化。