一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)涉及一種光柵位移測(cè)量系統(tǒng)；該測(cè)量系統(tǒng)包括出射端接光纖的雙頻激光器、分光部件、干涉光路部件、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件和一維反射式測(cè)量光柵；所述干涉光路部件包括偏振分光棱鏡、測(cè)量臂四分之一波片、測(cè)量臂折光元件、參考臂四分之一波片、參考臂折光元件和一維反射式參考光柵；所述一維反射式測(cè)量/參考光柵周期、測(cè)量/參考臂折光元件折光角度、出射端接光纖的雙頻激光器的波長(zhǎng)之間滿足2d1sinθi1=±m(xù)λ1、2d2sinθi2=±m(xù)λ2；本發(fā)明不僅能夠同時(shí)測(cè)量沿x軸、z軸兩個(gè)方向的直線位移，而且提高了測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力，同時(shí)相比已有技術(shù)該系統(tǒng)的z向位移量程得到了極大的擴(kuò)展。
【專利說明】一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)涉及一種光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵位移測(cè)量技術(shù)最早起源于19世紀(jì)，從20世紀(jì)50年代開始得到了迅速的發(fā)展。目前，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成為了一種典型的位移傳感器，并被廣泛應(yīng)用于眾多機(jī)電設(shè)備。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)因具有分辨力高、精度高、成本低、環(huán)境敏感性低等眾多優(yōu)點(diǎn)，不僅在工業(yè)和科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且被眾多國內(nèi)外學(xué)者研究。
[0003]光刻機(jī)是生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的核心設(shè)備。超精密工件臺(tái)是光刻機(jī)的核心子系統(tǒng)，用于承載基片并完成裝片、曝光、換臺(tái)、卸片過程中的聞速超精S運(yùn)動(dòng)。超精S工件臺(tái)具有聞速度、高加速度、多自由度、大行程、超精密等特點(diǎn)。雙頻激光干涉儀因?yàn)橥瑫r(shí)具有高精度、大量程的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于超精密工件臺(tái)的位移測(cè)量。然而，近年來半導(dǎo)體芯片制造的工藝水平不斷提升:2010年，半導(dǎo)體芯片的加工已經(jīng)采用了 32nm線寬工藝；在2011年底，22nm線寬的CPU芯片也已上市銷售。不斷提高的半導(dǎo)體芯片加工水平對(duì)超精密工件臺(tái)位移測(cè)量的分辨力、精度等指標(biāo)都提出了更高的要求，雙頻激光干涉儀因其存在環(huán)境敏感性差、占用空間大、多自由度測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等問題難以滿足新的測(cè)量需求。
[0004]為了解決上述問題，國內(nèi)外超精密測(cè)量領(lǐng)域的有關(guān)公司及眾多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究，研究成果在諸多專利和論文中均有揭露。荷蘭ASML公司的專利US 7，483，120B2 (
【公開日】2007年11月15日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的平面光柵測(cè)量系統(tǒng)及布置方案，該測(cè)量系統(tǒng)主要利用二維平面光柵與讀數(shù)頭測(cè)量工件臺(tái)的水平大行程位移，工件臺(tái)豎直方向的位移可以通過單獨(dú)布置的高度傳感器進(jìn)行測(cè)量，但是使用多種傳感器會(huì)使超精密工件臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜并會(huì)限制位移的測(cè)量精度。日本學(xué)者Gao Wei在發(fā)表的論文“Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoderfor nanometric measurement of stage position and straightness.PrecisionEngineering34(2010)145-155.，，和“Position and out-of-straightness measurement ofa precision linear air-bearing stage by using a two-degree-of-freedom linearencoder.Measurement Science and Technology21 (2010) 054005.” 中提出了一種基于衍射干涉原理的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)量水平和豎直兩個(gè)方向的直線位移，但是該系統(tǒng)在測(cè)量豎直方向的直線位移時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量光與參考光的干涉區(qū)域變小，因此系統(tǒng)的豎直方向直線位移的量程受限于光束直徑的大小，無法實(shí)現(xiàn)豎直方向大行程直線位移的測(cè)量。清華大學(xué)朱煜等人的專利CN 102937411 A (
【公開日】2013年2月20日)中公開了一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，也可以同時(shí)測(cè)量水平和豎直兩個(gè)方向的直線位移，而且使用了雙頻激光作為光源以提高信號(hào)的抗干擾能力，但是該系統(tǒng)的豎直方向直線位移的量程同樣受限于光束直徑的大小，仍然無法實(shí)現(xiàn)豎直方向大行程直線位移的測(cè)量。國立臺(tái)灣大學(xué) Fan Kuang-Chao 等人在發(fā)表的論文 “Displacement Measurement of Planar Stageby Diffraction Planar Encoder in Nanometer Resolution.12MTC (2012) 894-897.”中研制了一種納米量級(jí)分辨力的二維平面光柵位移測(cè)量裝置，可以測(cè)量?jī)蓚€(gè)水平方向的直線位移，但是無法測(cè)量豎直方向的直線位移，不能滿足超精密工件臺(tái)豎直方向的位移測(cè)量要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠同時(shí)測(cè)量沿X軸、z軸兩個(gè)方向的直線位移，而且提高了測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力，同時(shí)相比已有技術(shù)該系統(tǒng)的z向位移量程得到了極大的擴(kuò)展。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]—種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，包括出射端接光纖的雙頻激光器、分光部件、干涉光路部件、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件和一維反射式測(cè)量光柵；所述干涉光路部件包括偏振分光棱鏡、測(cè)量臂四分之一波片、測(cè)量臂折光元件、參考臂四分之一波片、參考臂折光兀件和一維反射式參考光柵；
[0008]所述一維反射式測(cè)量光柵和一維反射式參考光柵的光柵周期分別為Cl1和d2 ；所述測(cè)量臂折光元件和參考臂折光元件的折光角度分別為Gil和0i2，且分別滿足Sd1Sin Θ ^d2Sin Θ i2=±m(xù)A 2，式中λ ^ λ 2分別為出射端接光纖的雙頻激光器射出的兩個(gè)頻率光波的波長(zhǎng)、m為衍射級(jí)次；
[0009]所述出射端接光纖的雙頻激光器射出的雙頻激光經(jīng)過分光部件分成兩束平行光，這兩束平行光再經(jīng)過偏振分光棱鏡后分為傳播方向被偏折90度的波長(zhǎng)為λ i的測(cè)量光和沿原方向傳播的波長(zhǎng)為、2的參考光，測(cè)量光與參考光的偏振方向互相垂直，測(cè)量光的兩束平行光經(jīng)過快軸方向與測(cè)量光偏振方向呈45度的測(cè)量臂四分之一波片后均被測(cè)量臂折光元件偏折，偏折后的兩束測(cè)量光入射至一維反射式測(cè)量光柵并分別被衍射為+m級(jí)衍射測(cè)量光和_m級(jí)衍射測(cè)量光，±m(xù)級(jí)衍射測(cè)量光分別沿各自入射光的反方向傳播，并再次經(jīng)過測(cè)量臂折光元件、測(cè)量臂四分之一波片和偏振分光棱鏡后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；參考光的兩束平行光經(jīng)過快軸方向與參考光偏振方向呈45度的參考臂四分之一波片后均被參考臂折光元件偏折，偏折后的兩束參考光入射至一維反射式參考光柵并分別被衍射為+m級(jí)衍射參考光和_m級(jí)衍射參考光，±m(xù)級(jí)衍射參考光分別沿各自入射光的反方向傳播，并再次經(jīng)過參考臂折光元件、參考臂四分之一波片和偏振分光棱鏡后入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；兩束衍射測(cè)量光分別和兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成兩組干涉拍頻信號(hào)，干涉拍頻信號(hào)被光電探測(cè)及信號(hào)處理部件探測(cè)并處理，一維反射式測(cè)量光柵相對(duì)干涉光路部件沿X軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)及信號(hào)處理部件分別輸出X方向和z方向的直線位移。
[0010]上述的一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，所述分光部件為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種:
[0011]第一、所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、非偏振分光棱鏡、直角反射棱鏡組成，出射端接光纖的雙頻激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至非偏振分光棱鏡被分成光強(qiáng)相等、傳播方向互相垂直的兩束光，其中一束光經(jīng)直角反射棱鏡后傳播方向被偏折90度與另一束光平行傳播，形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光；
[0012]第二、所 述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、一維透射光柵、反射鏡、孔徑光闌組成，出射端接光纖的雙頻激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵并被衍射，±1級(jí)衍射光經(jīng)反射鏡偏折并通過孔徑光闌形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌過濾；
[0013]第三、所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、一維透射光柵、透鏡、孔徑光闌組成，出射端接光纖的雙頻激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵并被衍射，±1級(jí)衍射光經(jīng)透鏡偏折并通過孔徑光闌形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌過濾；
[0014]第四、所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、一維透射光柵、棱鏡、孔徑光闌組成，出射端接光纖的雙頻激光器發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵并被衍射，±1級(jí)衍射光經(jīng)棱鏡偏折并通過孔徑光闌形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌過濾。
[0015]上述的一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量臂折光元件為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種:
[0016]第一，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和折光反射鏡，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和折光反射鏡后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0017]第二，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和折光棱鏡，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和折光棱鏡后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0018]第三，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和第一折光透鏡，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和第一折光透鏡后傳播方向分別被偏折土 θη并入射至一維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0019]第四，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和第二折光透鏡，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和第二折光透鏡后傳播方向分別被偏折土 θη并入射至一維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0020]所述參考臂折光元件為測(cè)量臂折光元件采用的四種結(jié)構(gòu)中的一種，并將± θ η替換為土 Θ i2。
[0021]本發(fā)明的有益效果說明如下:
[0022]該測(cè)量系統(tǒng)使用了滿足Zd1Sin Θ^d2Sin Θ i2= + mA 2條件的一維反射式測(cè)量光柵、一維反射式參考光柵、測(cè)量臂折光元件、參考臂折光元件及出射端接光纖的雙頻激光器，保證了兩束衍射測(cè)量光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，因此在一維反射式測(cè)量光柵相對(duì)干涉光路部件沿z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩束衍射測(cè)量光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面的光斑位置不變；又因?yàn)橄到y(tǒng)在測(cè)量時(shí)除一維反射式測(cè)量光柵外其他元件的相對(duì)位置始終不變，因此兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面的光斑位置始終不變，所以在一維反射式測(cè)量光柵相對(duì)測(cè)量臂折光元件沿z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面的兩組干涉光斑的干涉區(qū)域不變，系統(tǒng)的z向位移量程不再受限于光斑直徑的大小，而是取決于光源的相干長(zhǎng)度，本發(fā)明的光源為出射端接光纖的雙頻激光器，其相干長(zhǎng)度可以達(dá)到米量級(jí)甚至千米量級(jí)，因此本發(fā)明的z向位移量程可以擴(kuò)展到米量級(jí)甚至千米量級(jí)，已有技術(shù)中日本學(xué)者Gao Wei所研制的測(cè)量裝置的z向位移量程僅為4_，朱煜等人的專利中雖未說明系統(tǒng)的z向位移量程，但其z向位移量程受限于光斑直徑的大小，無法實(shí)現(xiàn)厘米量級(jí)的z向位移測(cè)量，因此本發(fā)明具有的顯著有益效果為不僅提出了一種可以同時(shí)測(cè)量?jī)奢S位移的光柵測(cè)量系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)的Z向位移量程相比已有技術(shù)得到了極大的擴(kuò)展。此外，本發(fā)明使用雙頻激光光源，提高了位移測(cè)量信號(hào)的抗干擾能力。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明的一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖2為本發(fā)明分光部件的第一種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖3為本發(fā)明分光部件的第二種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖4為本發(fā)明分光部件的第三種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖5為本發(fā)明分光部件的第四種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖6為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第一種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖7為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第二種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖8為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第三種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031]圖9為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第四種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032]圖中:1出射端接光纖的雙頻激光器；2分光部件；21準(zhǔn)直透鏡；22非偏振分光棱鏡；23直角反射棱鏡；24 —維透射光柵；251反射鏡；252透鏡；253棱鏡；26孔徑光闌；3干涉光路部件；31偏振分光棱鏡；32測(cè)量臂四分之一波片；33測(cè)量臂折光元件；331光闌；332折光反射鏡；333折光棱鏡；334第一折光透鏡；335第二折光透鏡；34參考臂四分之一波片；35參考臂折光元件；36 —維反射式參考光柵；4光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；5 —維反射式測(cè)量光柵。
【具體實(shí)施方式】
[0033]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0034]具體實(shí)施例一
[0035]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該測(cè)量系統(tǒng)包括出射端接光纖的雙頻激光器1、分光部件2、干涉光路部件3、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4和一維反射式測(cè)量光柵5 ;所述干涉光路部件3包括偏振分光棱鏡31、測(cè)量臂四分之一波片32、測(cè)量臂折光元件33、參考臂四分之一波片34、參考臂折光元件35和一維反射式參考光柵36 ；
[0036]所述一維反射式測(cè)量光柵5和一維反射式參考光柵36的光柵周期分別為(I1和d2 ；所述測(cè)量臂折光元件33和參考臂折光元件35的折光角度分別為Gil和0i2，且分別滿足2dlsin θ η=±ηιλ ^c^sin Θ i2=±m(xù)X 2，式中λ ^ λ 2分別為出射端接光纖的雙頻激光器I射出的兩個(gè)頻率光波的波長(zhǎng)、m為衍射級(jí)次； [0037]所述出射端接光纖的雙頻激光器I射出的雙頻激光經(jīng)過分光部件2分成兩束平行光，這兩束平行光再經(jīng)過偏振分光棱鏡31后分為傳播方向被偏折90度的波長(zhǎng)為λ j的測(cè)量光和沿原方向傳播的波長(zhǎng)為、2的參考光，測(cè)量光與參考光的偏振方向互相垂直，測(cè)量光的兩束平行光經(jīng)過快軸方向與測(cè)量光偏振方向呈45度的測(cè)量臂四分之一波片32后均被測(cè)量臂折光元件33偏折，偏折后的兩束測(cè)量光入射至一維反射式測(cè)量光柵5并分別被衍射為+m級(jí)衍射測(cè)量光和I級(jí)衍射測(cè)量光，±m(xù)級(jí)衍射測(cè)量光分別沿各自入射光的反方向傳播，并再次經(jīng)過測(cè)量臂折光元件33、測(cè)量臂四分之一波片32和偏振分光棱鏡31后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4 ;參考光的兩束平行光經(jīng)過快軸方向與參考光偏振方向呈45度的參考臂四分之一波片34后均被參考臂折光元件35偏折，偏折后的兩束參考光入射至一維反射式參考光柵36并分別被衍射為+m級(jí)衍射參考光和-m級(jí)衍射參考光，±m(xù)級(jí)衍射參考光分別沿各自入射光的反方向傳播，并再次經(jīng)過參考臂折光元件35、參考臂四分之一波片34和偏振分光棱鏡31后入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4 ;兩束衍射測(cè)量光分別和兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4表面形成兩組干涉拍頻信號(hào)，干涉拍頻信號(hào)被光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4探測(cè)并處理，一維反射式測(cè)量光柵5相對(duì)干涉光路部件3沿X軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4分別輸出X方向和z方向的直線位移。具體實(shí)施例二
[0038]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該分光部件2由準(zhǔn)直透鏡21、非偏振分光棱鏡22、直角反射棱鏡23組成，出射端接光纖的雙頻激光器I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡21準(zhǔn)直后入射至非偏振分光棱鏡22被分成光強(qiáng)相等、傳播方向互相垂直的兩束光,其中一束光經(jīng)直角反射棱鏡23后傳播方向被偏折90度與另一束光平行傳播,形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光。
[0039]具體實(shí)施例三
[0040]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。該分光部件2由準(zhǔn)直透鏡21、一維透射光柵24、反射鏡251、孔徑光闌26組成，出射端接光纖的雙頻激光器I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡21準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵24并被衍射，±1級(jí)衍射光經(jīng)反射鏡251偏折并通過孔徑光闌26形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌26過濾。具體實(shí)施例四
[0041]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。該分光部件2由準(zhǔn)直透鏡21、一維透射光柵24、透鏡252、孔徑光闌26組成，出射端接光纖的雙頻激光器I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡21準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵24并被衍射，土 I級(jí)衍射光經(jīng)透鏡252偏折并通過孔徑光闌26形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌26過濾。
[0042]具體實(shí)施例五
[0043]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。該分光部件2由準(zhǔn)直透鏡21、一維透射光柵24、棱鏡253、孔徑光闌26組成，出射端接光纖的雙頻激光器I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡21準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵24并被衍射，土 I級(jí)衍射光經(jīng)棱鏡253偏折并通過孔徑光闌26形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌26過濾。
[0044]具體實(shí)施例六
[0045]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的具體結(jié)構(gòu)如圖6所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和折光反射鏡332，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和折光反射鏡332后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0046]具體實(shí)施例七
[0047]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的具體結(jié)構(gòu)如圖7所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和折光棱鏡333，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和折光棱鏡333后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0048]具體實(shí)施例八
[0049]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的具體結(jié)構(gòu)如圖8所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和第一折光透鏡334，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和第一折光透鏡334后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0050]具體實(shí)施例九
[0051]本實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的具體結(jié)構(gòu)如圖9所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和第二折光透鏡335，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和第二折光透鏡335后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0052]以上實(shí)施例的使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，參考臂折光元件35為具體實(shí)施例六、具體實(shí)施例七、具體實(shí)施例八、具體實(shí)施例九所述的測(cè)量臂折光元件33結(jié)構(gòu)中的一種，并將土 θ η替換為± Θ i2。
[0053]本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化或方法改進(jìn)，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括出射端接光纖的雙頻激光器(I)、分光部件(2)、干涉光路部件(3)、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)和一維反射式測(cè)量光柵(5);所述干涉光路部件(3)包括偏振分光棱鏡(31)、測(cè)量臂四分之一波片(32)、測(cè)量臂折光元件(33)、參考臂四分之一波片(34)、參考臂折光元件(35)和一維反射式參考光柵(36)； 所述一維反射式測(cè)量光柵(5)和一維反射式參考光柵(36)的光柵周期分別為(I1和d2 ；所述測(cè)量臂折光元件(33)和參考臂折光元件(35)的折光角度分別為Qil和0i2，且分別滿足Zd1Sin θ η=±ηιλ ^d2Sin θ ?2=±ηιλ 2，式中λ ^ λ 2分別為出射端接光纖的雙頻激光器(I)射出的兩個(gè)頻率光波的波長(zhǎng)、m為衍射級(jí)次； 所述出射端接光纖的雙頻激光器(I)射出的雙頻激光經(jīng)過分光部件(2)分成兩束平行光，這兩束平行光再經(jīng)過偏振分光棱鏡(31)后分為傳播方向被偏折90度的波長(zhǎng)為λ i的測(cè)量光和沿原方向傳播的波長(zhǎng)為、2的參考光，測(cè)量光與參考光的偏振方向互相垂直，測(cè)量光的兩束平行光經(jīng)過快軸方向與測(cè)量光偏振方向呈45度的測(cè)量臂四分之一波片(32)后均被測(cè)量臂折光元件(33)偏折，偏折后的兩束測(cè)量光入射至一維反射式測(cè)量光柵(5)并分別被衍射為+m級(jí)衍射測(cè)量光和_m級(jí)衍射測(cè)量光，±m(xù)級(jí)衍射測(cè)量光分別沿各自入射光的反方向傳播，并再次經(jīng)過測(cè)量臂折光元件(33)、測(cè)量臂四分之一波片(32)和偏振分光棱鏡(31)后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4 );參考光的兩束平行光經(jīng)過快軸方向與參考光偏振方向呈45度的參考臂四分之一波片(34)后均被參考臂折光元件(35)偏折，偏折后的兩束參考光入射至一維反射式參考光柵(36)并分別被衍射為+m級(jí)衍射參考光和_m級(jí)衍射參考光，±m(xù)級(jí)衍射參考光分別沿各自入射光的反方向傳播，并再次經(jīng)過參考臂折光元件(35)、參考臂四分之一波片(34)和偏振分光棱鏡(31)后入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4);兩束衍射測(cè)量光分別和兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)表面形成兩組干涉拍頻信號(hào)，干涉拍頻信號(hào)被 光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)探測(cè)并處理，一維反射式測(cè)量光柵(5)相對(duì)干涉光路部件(3)沿X軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)分別輸出X方向和z方向的直線位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述分光部件(2)為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種: 第一、所述分光部件(2)由準(zhǔn)直透鏡(21)、非偏振分光棱鏡(22)、直角反射棱鏡(23)組成，出射端接光纖的雙頻激光器(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(21)準(zhǔn)直后入射至非偏振分光棱鏡(22)被分成光強(qiáng)相等、傳播方向互相垂直的兩束光,其中一束光經(jīng)直角反射棱鏡(23)后傳播方向被偏折90度與另一束光平行傳播,形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光； 第二、所述分光部件(2 )由準(zhǔn)直透鏡(21)、一維透射光柵(24 )、反射鏡(251)、孔徑光闌(26 )組成，出射端接光纖的雙頻激光器(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(21)準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵(24 )并被衍射，± I級(jí)衍射光經(jīng)反射鏡(251)偏折并通過孔徑光闌(26 )形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌(26)過濾； 第三、所述分光部件(2)由準(zhǔn)直透鏡(21)、一維透射光柵(24)、透鏡(252)、孔徑光闌(26 )組成，出射端接光纖的雙頻激光器(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(21)準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵(24 )并被衍射，± I級(jí)衍射光經(jīng)透鏡(252 )偏折并通過孔徑光闌(26 )形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌(26)過濾；第四、所述分光部件(2)由準(zhǔn)直透鏡(21)、一維透射光柵(24)、棱鏡(253)、孔徑光闌(26 )組成，出射端接光纖的雙頻激光器(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(21)準(zhǔn)直后入射至一維透射光柵(24 )并被衍射，± I級(jí)衍射光經(jīng)棱鏡(253 )偏折并通過孔徑光闌(26 )形成兩束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌(26)過濾。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述測(cè)量臂折光元件(33)為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種: 第一，所述測(cè)量臂折光元件(33)包括光闌(331)和折光反射鏡(332)，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和折光反射鏡(332)后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射； 第二，所述測(cè)量臂折光元件(33)包括光闌(331)和折光棱鏡(333)，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和折光棱鏡(333)后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射； 第三，所述測(cè)量臂折光元件(33 )包括光闌(331)和第一折光透鏡(334 )，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和第一折光透鏡(334)后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射； 第四，所述測(cè)量臂折光元件(33 )包括光闌(331)和第二折光透鏡(335 )，所述兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和第二折光透鏡(335)后傳播方向分別被偏折土 θ η并入射至一維反射式測(cè)量光 柵(5)發(fā)生衍射。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種使用雙頻激光的兩軸光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述參考臂折光元件(35)為測(cè)量臂折光元件(33)采用的四種結(jié)構(gòu)中的一種，并將± Θ ?替換為土 Θ i2。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103630077SQ201310675317
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】林杰, 關(guān)健, 金鵬, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)