自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種光柵干涉儀，特別是一種自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)能大幅度提高光柵干涉儀的光學(xué)細(xì)分倍數(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 對(duì)微納米精密位移測(cè)量的儀器目前主要包括兩種：激光干涉儀和光柵干涉儀。激 光干涉儀以波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，能得到很高的分辨率，但由于波長(zhǎng)容易受到環(huán)境、光源等因素的影 響，其應(yīng)用受到了限制。而光柵干涉儀剛好彌補(bǔ)了激光干涉儀的缺點(diǎn)，其以光柵周期作為基 準(zhǔn)，測(cè)量結(jié)果基本不受環(huán)境和波長(zhǎng)的影響，已廣泛應(yīng)用于加工機(jī)床、機(jī)器人、生物醫(yī)療等領(lǐng) 域。
[0003] 無(wú)論是激光干涉儀還是光柵干涉儀，其分辨率大小都取決于光學(xué)細(xì)分倍數(shù)和電子 細(xì)分倍數(shù)。由于電子細(xì)分受限于光學(xué)細(xì)分信號(hào)，在電子細(xì)分相同的情況下，光學(xué)細(xì)分倍數(shù)越 高，其測(cè)量分辨率越高。目前典型的光柵干涉儀系統(tǒng)，如海德漢公司的專(zhuān)利US5574558,日本 佳能公司的專(zhuān)利US5038032,美國(guó)IBM公司的專(zhuān)利US5442172等，其光學(xué)細(xì)分倍數(shù)并不高，一 般為2或4倍。所以提高光學(xué)細(xì)分倍數(shù)有著重要的意義。本發(fā)明在光柵效率足夠高的情況 下理論上能無(wú)限地提高光學(xué)細(xì)分倍數(shù)，解決了目前光柵干涉儀細(xì)分倍數(shù)低的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于解決目前光柵干涉儀光學(xué)細(xì)分倍數(shù)低的問(wèn)題，提出一種用于自 準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能使測(cè)量光束多次被光柵標(biāo)尺衍射，從而大幅 度提高光柵干涉儀系統(tǒng)的光學(xué)細(xì)分倍數(shù)。
[0005] 本發(fā)明的原理如下：
[0006] 光柵干涉儀的原理是利用光柵多普勒頻移計(jì)算光柵標(biāo)尺的位移，所述的光柵多普 勒頻移或者通過(guò)測(cè)量光束和參考光束干涉形成條紋移動(dòng)的數(shù)目獲得，或者通過(guò)兩束測(cè)量光 束干涉形成條紋移動(dòng)的數(shù)目獲得。所述的測(cè)量光束為經(jīng)過(guò)光柵標(biāo)尺衍射的光束，所述的參 考光束為不經(jīng)光柵標(biāo)尺衍射的光束。
[0007] 本發(fā)明的自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)使光柵干涉儀的測(cè)量光束以近利 特羅角入射光柵標(biāo)尺，利特羅角可通過(guò)下式得到，
[0009] 式中λ為測(cè)量光束的波長(zhǎng)，d為光柵周期。
[0010] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0011] -種自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)在于其構(gòu)成包括：標(biāo)尺光柵、第一 反射鏡和第二反射鏡；
[0012] 設(shè)第一平面為測(cè)量光束與標(biāo)尺光柵柵線所形成的平面，第二平面為標(biāo)尺光柵法線 與標(biāo)尺光柵柵線所形成的平面，所述的第一平面和所述的第二平面的夾角為利特羅角，第 三平面為標(biāo)尺光柵法線與光柵矢量形成的平面；
[0013] 所述的第一反射鏡的反射面垂直于所述的第一平面，所述的第二反射鏡的反射面 垂直于經(jīng)標(biāo)尺光柵第N次衍射的衍射光方向，其中2N為測(cè)量光束被標(biāo)尺光柵衍射的總衍射 次數(shù)；
[0014] 所述的測(cè)量光束以近利特羅角首次入射到所述的標(biāo)尺光柵，經(jīng)標(biāo)尺光柵衍射，衍 射級(jí)次為-1的衍射光在第一平面內(nèi)，該-1級(jí)次衍射光入射到所述的第一反射鏡，經(jīng)第一反 射鏡反射后依然在第一平面內(nèi)，并再次以近利特羅角入射到標(biāo)尺光柵上，如此使測(cè)量光束 在標(biāo)尺光柵和第一反射鏡之間往返反射，最終垂直入射到第二反射鏡后，測(cè)量光束沿原光 路返回，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)。
[0015] 所述的近利特羅角是指處在第一平面內(nèi)的測(cè)量光束偏離第三平面一個(gè)角度。
[0016] 進(jìn)一步，本發(fā)明還包括：第三反射鏡和第四反射鏡；
[0017] 所述的第三反射鏡與所述的第一反射鏡以所述的標(biāo)尺光柵相垂直的平面為軸鏡 像對(duì)稱(chēng)，所述的第四反射鏡與所述的第二反射鏡以所述的標(biāo)尺光柵相垂直的平面為軸鏡像 對(duì)稱(chēng)；
[0018] 兩束測(cè)量光束以所述的標(biāo)尺光柵相垂直的平面為軸鏡像對(duì)稱(chēng)、且分別以近利特羅 角首次入射到所述的標(biāo)尺光柵，經(jīng)標(biāo)尺光柵衍射，衍射級(jí)次為-1的衍射光在第一平面內(nèi)， 該-1級(jí)次衍射光分別入射到所述的第一反射鏡和第三反射鏡，經(jīng)第一反射鏡、第三反射鏡 反射后依然在第一平面內(nèi)，并再次以近利特羅角入射到標(biāo)尺光柵上，如此使測(cè)量光束在標(biāo) 尺光柵和第一反射鏡、標(biāo)尺光柵和第三反射鏡之間往返反射，最終垂直分別入射到第二反 射鏡和第四反射鏡后，測(cè)量光束分別沿原光路返回，整個(gè)結(jié)構(gòu)形成自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)。
[0019] 特別地，本發(fā)明適用于干涉條紋為兩束測(cè)量光形成的自準(zhǔn)直光柵干涉儀，只要增 加第三反射鏡和第四反射鏡即可，第三反射鏡和第四反射鏡放置的情況與第一反射鏡和第 二反射鏡放置的情況完全相同。第一測(cè)量光束在標(biāo)尺光柵和第一反射鏡之間往返反射并最 終垂直入射到第二反射鏡沿原光路返回，第二測(cè)量光束則是在標(biāo)尺光柵和第三反射鏡之間 來(lái)回反射并最終垂直入射到第四反射鏡上沿原光路返回。
[0020] 特別地，每次近利特羅角入射時(shí)測(cè)量光束偏離第三平面的小角度可以相等亦可以 不相等。
[0021] 特別地，本發(fā)明采用的是以近利特羅角入射，也可以采用近多次布拉格角入射。m 次布拉格角為，
[0023] 式中m為衍射級(jí)次。
[0024] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)效果：
[0025] 本發(fā)明使測(cè)量光束以近利特羅角入射到標(biāo)尺光柵上，通過(guò)反射鏡使得測(cè)量光束被 標(biāo)尺光柵多次衍射，從而達(dá)到高光學(xué)細(xì)分的效果。由光柵多普勒頻移效應(yīng)可知，入射光束在 標(biāo)尺光柵上經(jīng)過(guò)N次-1級(jí)次衍射，則對(duì)測(cè)量光束產(chǎn)生N倍多普勒頻移，可使光學(xué)細(xì)分倍數(shù) 提高至N倍。特別地，本發(fā)明采用近利特羅角入射，可使標(biāo)尺光柵設(shè)計(jì)制作更為簡(jiǎn)便，因?yàn)?光柵在利特羅角入射時(shí)容易獲得高衍射效率，意味著可以增加測(cè)量光束經(jīng)標(biāo)尺光柵衍射的 次數(shù)，即增加光柵干涉儀光學(xué)細(xì)分的倍數(shù)。特別地，本發(fā)明僅采用兩個(gè)反射鏡設(shè)計(jì)高光學(xué)細(xì) 分結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。
【附圖說(shuō)明】
[0026] 圖1是自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分部件示意圖
[0027] 圖2是另一種自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分部件示意圖
[0028] 圖3是應(yīng)用自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分部件實(shí)施例1的示意圖
[0029] 圖4為應(yīng)用自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分部件實(shí)施例2的示意圖
[0030] 圖5為應(yīng)用自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分部件實(shí)施例3的示意圖
【具體實(shí)施方式】
[0031] 本發(fā)明自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)可用于所有的自準(zhǔn)直光柵干涉儀的 結(jié)構(gòu)中，激光光源可以采用單頻激光光源，也可以采用雙頻激光光源，干涉信號(hào)可以是兩束 測(cè)量光形成的，也可以是測(cè)量光束和參考光束干涉形成的。下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā) 明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032] -種自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)30如圖1所示，主要用于測(cè)量光束和參 考光束形成干涉條紋的光柵干涉儀中。該結(jié)構(gòu)包括：光柵標(biāo)尺1，第一反射鏡2,第二反射鏡 3。測(cè)量光束的入射光束41首次入射到所述的標(biāo)尺光柵1后，經(jīng)標(biāo)尺光柵1衍射，衍射光經(jīng) 第一反射鏡2反射后依然在第一平面內(nèi)，再次以近利特羅角入射到標(biāo)尺光柵1上，如此使測(cè) 量光束在標(biāo)尺光柵1和第一反射鏡2之間往返反射，最終垂直入射到第二反射鏡3,測(cè)量光 束將沿原光路返回形成出射光束42，光束42與光束41共線，但傳播方向相反。整個(gè)結(jié)構(gòu)形 成自準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)。特別地，每次近利特羅角入射時(shí)測(cè)量光束偏離第三平面的小角度可以相等 亦可以不相等。測(cè)量光束的出射光束42經(jīng)后續(xù)光柵干涉的結(jié)構(gòu)后和參考光束匯合在一起 形成干涉條紋，通過(guò)干涉條紋可以計(jì)算多普勒頻移，從而得到光柵的位移。此結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在 于，只有一束測(cè)量光束，這能充分減輕光柵設(shè)計(jì)制作的負(fù)擔(dān)，只需要優(yōu)化一個(gè)偏振方向的光 束的衍射光高衍射效率即可。
[0033] 另一種自準(zhǔn)直光柵干涉儀的高光學(xué)細(xì)分結(jié)構(gòu)31如圖2所示，主要用于兩束測(cè)量光 形成干涉條紋的光柵干涉儀中。該結(jié)構(gòu)包括：光柵標(biāo)尺1，第一反射鏡2,第二反射鏡3,第三 反射鏡4,第四反射鏡5。第一測(cè)量光束的入射光束41首次入射到所述的標(biāo)尺光柵1后，經(jīng) 標(biāo)尺光柵1衍射，衍射光經(jīng)第一反射鏡