锥面衍射式光栅位移测量装置及测量方法
阅读说明：本技术 锥面衍射式光栅位移测量装置及测量方法 (Conical surface diffraction type grating displacement measuring device and measuring method ) 是由 李文昊 刘兆武 王玮 刘林 姜珊 于宏柱 姜岩秀 于 2021-09-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种锥面衍射式光栅位移测量装置及测量方法,其中锥面衍射式光栅位移测量装置包括：用于发出测量光束的激光二极管、准直透镜、偏振分束棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、相移测量单元；本发明根据锥面衍射原理,优化了光栅位移测量装置的光学结构,减少了四分之一波片的使用,避免了由于四分之一波片加工与安装误差造成的非线性误差,测量精度高；本发明装置包含反射装置,使得测量光束可再次经过被测光栅,保证了更高倍数的光学细分。(The invention provides a conical surface diffraction type grating displacement measuring device and a measuring method, wherein the conical surface diffraction type grating displacement measuring device comprises: the device comprises a laser diode, a collimating lens, a polarization beam splitter prism, a first reflector, a second reflector, a third reflector, a fourth reflector and a phase shift measuring unit, wherein the laser diode is used for emitting measuring beams; according to the conical surface diffraction principle, the optical structure of the grating displacement measuring device is optimized, the use of the quarter-wave plate is reduced, the nonlinear error caused by the machining and mounting errors of the quarter-wave plate is avoided, and the measuring precision is high; the device comprises a reflecting device, so that the measuring beam can pass through the measured grating again, and optical subdivision with higher multiple is ensured.)
技术领域
本发明涉及精密位移测量领域，特别涉及一种锥面衍射式光栅位移测量装置及测量方法。
背景技术
光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距为测量基准，相比于激光测量技术，光栅测量对环境变化的敏感度低，而且光束入射到光栅上会覆盖数量很多的刻槽，起到了平均的作用。光栅位移测量系统读数头的结构简单紧凑，光栅和读数头之间的距离很小，并且不会随着待测距离的增加而增加，这就大大降低了环境对系统测量精度的影响，降低了测量成本。随着光栅制造水平的提高，光栅位移测量系统的测量精度和测量分辨力也逐渐提高，应用范围也越来越广。
现有技术中，光栅位移测量系统的相移测量单元的光路布置和工作原理基本相同，通常是利用光电二极管接收不同的干涉信号，根据不同的干涉信号计算得出待测光栅的位移，但光栅位移测量系统中射入相移测量单元的前置光路设计差异化明显，并且不同的前置光路设计导致的光栅位移测量系统的误差也不同。
光栅位移测量系统的误差类型可以分为线性的几何误差及各种因素的非线性误差。目前研究中有关非线性误差的研究尚有欠缺，位移测量系统中采用的偏振光学元件较多，其加工精度与装配精度均无法较好保障。测量信号在光学系统传播过程中，受偏振分束棱镜、四分之一波片、光栅等影响，其偏振特性及相位均会发生变化，在多次经过四分之一波片时，波片光轴的加工及安装角度误差会使测量信号在接收器处干涉时产生非线性误差，影响最终测量结果，因此，需要光栅位移测量装置同时具备相位获取及偏振调制的能力，并应尽量减少四分之一波片在光栅位移测量装置中的使用，来减少由四分之一波片引起的非线性误差。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的缺陷，提出了一种锥面衍射式光栅位移测量装置及测量方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提出的锥面衍射式光栅位移测量装置，包括：用于发出测量光束的激光二极管；其特征在于，还包括：准直透镜、偏振分束棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、相移测量单元；
测量光束经由准直透镜准直后锥面射入偏振分束棱镜，偏振分束棱镜将测量光束分为S偏振态的第一测量光束和P偏振态的第二测量光束；
第一测量光束从偏振分束棱镜反射后通过第一反射镜，射入被测光栅的表面，被测光栅将第一测量光束衍射成0级衍射光和1级衍射光；0级衍射光射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光垂直射入第三反射镜，并被第三反射镜反射回被测光栅的表面，1级衍射光沿第一测量光束的光路反向传播，通过第一反射镜，转变为P偏振态后入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜的透射入射至相移测量单元；
第二测量光束从偏振分束棱镜透射后通过第二反射镜，射入被测光栅的表面，被测光栅将第二测量光束衍射成0级衍射光和1级衍射光；0级衍射光射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光垂直射入第四反射镜，并被第四反射镜反射回被测光栅的表面，1级衍射光沿第二测量光束的光路反向传播，通过第二反射镜，转变为S偏振态后入射至偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜的反射入射至相移测量单元；
相移测量单元用于接收第一测量光束和第二测量光束的干涉信号，并进行信号处理和计算，获得被测光栅的位移。
优选地，第一测量光束和第二测量光束的入射面均与被测光栅表面上的刻线存在夹角。
优选地，第一测量光束和第二测量光束在被测光栅的表面上的光斑重合。
本发明提出的锥面衍射式光栅位移测量方法，包括如下步骤：
S1、激光二极管发出测量光束，测量光束经由准直透镜准直后锥面射入偏振分束棱镜；
S2、偏振分束棱镜将测量光束分为第一测量光束和第二测量光束；第一测量光束从偏振分束棱镜反射出，为S偏振光；第二测量光束从偏振分束棱镜透射出，为P偏振光；
S3、第一测量光束通过第一反射镜，射入被测光栅的表面；第二测量光束通过第二反射镜，射入被测光栅的表面；
S4、被测光栅将第一测量光束衍射成0级衍射光和1级衍射光；0级衍射光射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光垂直射入第三反射镜，并被第三反射镜反射回被测光栅的表面，1级衍射光按照第一测量光束的光路反向传播，通过第一反射镜射入偏振分束棱镜，第一测量光束转变成P偏振光，并射入偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜的透射，第一测量光束转变为P偏振态,入射至相移测量单元；
被测光栅将第二测量光束衍射成0级衍射光和1级衍射光；0级衍射光射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光垂直射入第四反射镜，并被第四反射镜反射回被测光栅的表面，1级衍射光按照第二测量光束的光路反向传播，通过第二反射镜射入偏振分束棱镜，经偏振分束棱镜的反射，第二测量光束转变为S偏振态,入射至相移测量单元；
S5、相移测量单元接收第一测量光束和第二测量光束的干涉信号，并进行信号处理和计算，得出被测光栅的位移。
本发明能够取得以下技术效果：
1、本发明根据锥面衍射原理，优化了光栅位移测量装置的光学结构，减少了四分之一波片的使用，避免了由于四分之一波片加工与安装误差造成的非线性误差，测量精度高；
2、本发明装置包含反射装置，使得测量光束可再次经过被测光栅，保证了更高倍数的光学细分。
附图说明
图1是根据本发明实施例的锥面衍射式光栅位移测量装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的第一测量光束在被测光栅上衍射的示意图；
图3是根据本发明实施例的锥面衍射式光栅位移测量装置部分组件的相对位置立体图；
图4是根据本发明实施例的锥面衍射式光栅位移测量方法的流程图；
图5是根据本发明实施例的第二测量光束的偏振态变化示意图。
其中的附图标记包括：激光二极管1、准直透镜2、偏振分束棱镜3、第一反射镜5、被测光栅6、0级衍射光7、0级衍射光8、第二反射镜9、第三反射镜10、第四反射镜11、相移测量单元13、第一光电二极管14、第二光电二极管15、第三光电二极管16、第四光电二极管17、第一测量光束入射面18、第一测量光束19、1级衍射光20、反射回来的1级衍射光21、进入相移测量单元的第一测量光束22、第二测量光束23、1级衍射光24、二分之一波片25、分束棱镜26、四分之一波片27、第一相移偏振分束棱镜28、第二相移偏振分束棱镜29。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
下面结合图1到图5对本发明的具体工作方式进行详细说明：
图1示出了锥面衍射式光栅位移测量装置的具体结构：
图3示出了锥面衍射式光栅位移测量装置部分组件在空间上的相对位置关系；
如图1和图3所示，本发明提出一种锥面衍射式光栅位移测量装置，包括：激光二极管1、准直透镜2、偏振分束棱镜3、第一反射镜5、第二反射镜9、第三反射镜10、第四反射镜11、相移测量单元13。
激光二极管1用于发出测量光束，并保证测量光束锥面射入偏振分束棱镜3。
准直透镜2用于准直测量光束。准直透镜2安装在激光二极管1和偏振分束棱镜3之间。
偏振分束棱镜3用于将测量光束分为第一测量光束19和第二测量光束23。
测量光束经由准直透镜2准直后锥面射入偏振分束棱镜3，偏振分束棱镜3将测量光束分为第一测量光束19和第二测量光束23；第一测量光束19从偏振分束棱镜3反射出，为S偏振光；第二测量光束23从偏振分束棱镜3透射出，为P偏振光。
第一测量光束19和第二测量光束23的入射面均与被测光栅6表面上的刻线存在夹角。
在本发明的一个实施例中，第一测量光束19经第一反射镜5反射后以45°方位角45°入射角锥面入射至待测光栅6；第二测量光束23经第二反射镜9反射后以45°方位角45°入射角锥面入射至待测光栅6。
图2示出了第一测量光束19在被测光栅6上衍射的具体光路；
如图2所示，以被测光栅6表面上第一测量光束19的光斑为原点，以垂直于被测光栅6的表面方向为Z轴；在被测光栅6的表面内，以平行于被测光栅6的刻线方向为Y轴，以垂直于被测光栅6的刻线方向为X轴，建立空间直角坐标系。
第一测量光束19通过第一反射镜5，射入被测光栅6的表面，如图2所示，被测光栅6将第一测量光束19衍射成0级衍射光8和1级衍射光20；0级衍射光8射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光20垂直射入第三反射镜10，并被第三反射镜10反射回被测光栅6的表面，1级衍射光20按照第一测量光束19的光路，通过第一反射镜5射入偏振分束棱镜3，经偏振分束棱镜3的透射，第一测量光束19转变成P偏振光，并射入相移测量单元13；
第二测量光束23通过第二反射镜9，射入被测光栅6的表面，被测光栅6将第二测量光束23衍射成0级衍射光7和1级衍射光24；0级衍射光7射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光24垂直射入第四反射镜11，并被第四反射镜11反射回被测光栅6的表面，1级衍射光24按照第二测量光束23的光路，通过第二反射镜9射入偏振分束棱镜3，经偏振分束棱镜3的反射，第二测量光束23转变成S偏振光，并射入相移测量单元13；
第一测量光束19和第二测量光束23在被测光栅6的表面上的光斑重合。
在本发明的一个实施例中，激光二极管1发出的测量光束为偏振态方向与Y轴成45°的线偏振光；二分之一波片25的安装角度与Y轴成22.5°。
图5示出了第二测量光束23传播过程中的偏振态变化；
如图5所示，激光二极管1发出任意偏振态的测量光束，经偏振分束镜3分束后第二测量光束23为P偏振光，锥面入射至待测光栅6后变成椭圆偏振光，垂直入射第四反射镜11后偏振态不变，第二测量光束23被第四反射镜11反射后，再次锥面入射待测光栅6，偏振态变为另一状态的椭圆偏振光，再次射入偏振分束镜3后，经偏振分束镜3分束后，第二测量光束为S偏振态。
同理，激光二极管1发出任意偏振态的测量光束，经偏振分束镜3分束后第一测量光束19为S偏振光，锥面入射至待测光栅6后变成椭圆偏振光，垂直入射第三反射镜10后偏振态不变，第一测量光束19被第三反射镜10反射后，再次锥面入射待测光栅6，偏振态变为另一状态的椭圆偏振光，再次射入偏振分束镜3后，经偏振分束镜3分束后，第一测量光束为P偏振态。
根据严格耦合波理论，当测量光束以锥面入射至待测光栅6时，对衍射光的矢量表达形式进行分析可知，衍射光存在P分量与S分量，即由原先的线偏光转变为椭圆偏振光，当椭圆偏振光被反射镜垂直反射并按原路返回后，椭圆偏振光会变为线偏振光或者椭圆偏振光。此时待测光栅6起到了偏振调制的作用，等同于四分之一波片，因此，本发明通过设置垂直反射的反射镜(第三反射镜10和第四反射镜11)，在锥面衍射式光栅位移测量装置中减少了四分之一波片的使用。
相移测量单元13用于接收第一测量光束19和第二测量光束23的干涉信号，并进行信号处理和计算，得出被测光栅6的位移。
需要说明的是，相移测量单元13根据不同的干涉信号得出被测光栅6的位移的方法和工作原理为现有技术。
如图1所示，在本发明的一个实施例中，相移测量单元13包括：第一光电二极管14、第二光电二极管15、第三光电二极管16、第四光电二极管17、二分之一波片25、分束棱镜26、四分之一波片27、第一相移偏振分束棱镜28、第二相移偏振分束棱镜29；
第一测量光束19和第二测量光束23经由二分之一波片25同时射入分束棱镜26，分束棱镜26分束出两路光束；其中，
一路光束入射第二相移偏振分束棱镜29，产生相位差为0°和180°的干涉信号，第三光电二极管16接收180°的干涉信号，第四光电二极管17接收0°的干涉信号；
另一路光束经由四分之一波片27入射第一相移偏振分束棱镜28，产生相位差为90°和270°的干涉信号，第一光电二极管14接收90°的干涉信号，第二光电二极管15接收270°的干涉信号。
图4示出了锥面衍射式光栅位移测量方法的具体步骤；
如图4所示，本发明提出的锥面衍射式光栅位移测量方法，包括如下步骤：
S1、激光二极管1发出测量光束，测量光束经由准直透镜2准直后锥面射入偏振分束棱镜3；
S2、偏振分束棱镜3将测量光束分为第一测量光束19和第二测量光束23；第一测量光束19从偏振分束棱镜3反射出，为S偏振光；第二测量光束23从偏振分束棱镜3透射出，为P偏振光；
S3、第一测量光束19通过第一反射镜5，射入被测光栅6的表面；第二测量光束23通过第二反射镜9，射入被测光栅6的表面；
第一测量光束19和第二测量光束23在被测光栅6的表面上的光斑重合；
S4、被测光栅6将第一测量光束19衍射成0级衍射光8和1级衍射光20；0级衍射光8射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光20垂直射入第三反射镜10，并被第三反射镜10反射回被测光栅6的表面，1级衍射光20按照第一测量光束19的光路反向传播，通过第一反射镜5，射入偏振分束棱镜3，经偏振分束棱镜3的透射，第一测量光束19转变成P偏振光，并射入相移测量单元13；
被测光栅6将第二测量光束23衍射成0级衍射光7和1级衍射光24；0级衍射光7射出锥面衍射式光栅位移测量装置；1级衍射光24垂直射入第四反射镜11，并被第四反射镜11反射回被测光栅6的表面，1级衍射光24按照第二测量光束23的光路反向传播，通过第二反射镜9射入偏振分束棱镜3，经偏振分束棱镜3的反射，第二测量光束23转变成S偏振光，并射入相移测量单元13；
S5、相移测量单元13接收第一测量光束19和第二测量光束23的干涉信号，并进行信号处理和计算，得出被测光栅6的位移(现有技术)。
综上所述，本发明提出了一种锥面衍射式光栅位移测量装置及测量方法。本发明根据锥面衍射原理，优化了光栅位移测量装置的光学结构，减少了四分之一波片的使用，避免了由于四分之一波片加工与安装误差造成的非线性误差，测量精度高；本发明装置包含反射装置，使得测量光束可再次经过被测光栅，保证了更高倍数的光学细分。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。