[发明专利]一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法

摘要

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法，其包括双频激光器、光栅干涉仪、测量光栅、接收器和信号处理单元；光栅干涉仪包括侧向位移分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、反射镜和光纤耦合器；所述方法基于光栅衍射、光学多普勒效应和光学‐拍频原理实现位移测量。双频激光器的激光入射至干涉仪、测量光栅后输出光信号至信号处理单元，当干涉仪与测量光栅做二自由度线性相对运动时，系统可输出二个线性位移；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。

主权项

1.一种大行程二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，该系统包括双频激光器(1)、光栅干涉仪(2)、测量光栅(3)、接收器(4)和信号处理单元(5)；其特征在于：光栅干涉仪(2)包括带有凹槽的安装底座(19)、侧向位移分光棱镜(6)、第一偏振分光棱镜(7)、第二偏振分光棱镜(8)、参考光栅(9)、第一1/4波片(10)、第二1/4波片(11)、第三1/4波片(12)、第四1/4波片(13)、第一反射镜(14)、第二反射镜(15)、第三反射镜(16)、第一光纤耦合器(17)和第二光纤耦合器(18)；双频激光器(1)出射双频激光至侧向位移分光棱镜(6)后,形成第一透射光和第一反射光，其中第一透射光进入第一偏振分光棱镜(7)，第一反射光进入第二偏振分光棱镜(8)；第一透射光在经过第一偏振分光棱镜(7)后产生第二透射光和第二反射光；其中第二透射光依次经过第一1/4波片(10)、第一反射镜(14)后，以对应测量光栅(3)的利特罗夹角为入射角打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的负一级衍射光沿原路返回，再次经过第一反射镜(14)和第一1/4波片(10)入射至第一偏振分光棱镜(7)并发生反射，形成第一测量光；第二反射光依次经过第二1/4波片(11)、第二反射镜(15)后，以对应测量光栅(3)的利特罗夹角为入射角打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第二反射镜(15)和第二1/4波片(11)入射至第一偏振分光棱镜(7)并发生透射，形成第二测量光；第一反射光在经过第二偏振分光棱镜(8)后产生第三透射光和第三反射光；其中第三透射光依次经过第四1/4波片(13)、第三反射镜(16)后，以对应测量光栅(3)的利特罗夹角为入射角打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第三反射镜(16)和第四1/4波片(13)入射至第二偏振分光棱镜(8)并发生反射，形成第三测量光；第三反射光依次经过第三1/4波片(12)后，以对应参考光栅(9)的利特罗夹角为入射角打在参考光栅(9)上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第三1/4波片(12)入射至第二偏振分光棱镜(8)并发生透射，形成第一参考光；第一测量光和第二测量光在第一偏振分光棱镜(7)处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的第一光纤耦合器(17)得到第一合光信号，再经过光纤接入接收器(4)；第三测量光和第一参考光最终在第二偏振分光棱镜(8)处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的第二光纤耦合器(18)得到第二合光信号，再经过光纤接入接收器(4)，两束合光信号在接收器(4)中转为电信号，再输入至信号处理单元(5)进行处理；当固定于运动台的测量光栅(3)相对于光栅干涉仪(2)做两个自由度的线性运动时，信号处理单元(5)将输出二自由度线性位移。