【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光栅干涉测量领域，尤其是水平和垂直位移同步测量的二轴零差光栅干涉位移测量领域。
技术介绍
1、光栅干涉测量是一种常用的精密位移测量方案。和传统的双光束干涉方案如迈克尔逊干涉方案相比，光栅干涉测量最大的特点在于以光栅栅距为基准，能够测量光栅平面内的位移，且光栅栅距基准具有对空气折射率不敏感的特性，适用于更为苛刻的测量环境。在此基础上，利用激光波长基准能够测量垂直光栅平面位移的特性，光栅干涉测量经常用于二轴位移测量。随着先进制造业的迅速发展，同时测量光栅平面内、垂直光栅平面的二轴光栅位移测量技术在光刻机等高端制造装备中有所应用，国内外也针对二轴光栅位移测量方法进行了深入的研究。
2、从原理上，光栅干涉仪可分为零差光栅干涉仪和外差光栅干涉仪。零差光栅干涉仪是最早的、最基础的、应用最广泛的光栅位移测量系统，其利用单频光源实现。原理结构简单，但无法分辨运动方向，需要添加四通道探测结构，这样会导致光路体积大、限制在高端装备系统中集成。外差光栅干涉仪光源采用双频激光，虽然只需要参考和测量两路信号就能分辨运动方向、不需要四通道探测结构，但是双频光源比单频光源结构复杂，价格昂贵。因此，在实际应用场合中，零差光栅干涉测量应用较为广泛，二轴零差光栅干涉光路小型化、集成话是本领域的重要课题。
3、目前，国内在水平和垂直位移同步测量的二轴零差光栅干涉测量领域的专利布局并不成熟：
4、如清华大学和北京华卓精科科技有限公司作为申请人，公开的两个专利文献：cn103759654a和cn103759655a，公开
5、相关公开研究包括：哈尔滨工业大学陆振刚等人在研究论文“two-degree-of-freedom displacement measurement system based on doublediffraction gratings”中提出了一种基于零差激光光栅干涉原理的二轴线位移测量方法，该方法利用零级衍射光构成激光干涉光路，测量光栅垂向的位移。通过正负一级衍射光构成光栅干涉光路测量光栅平面的位移。在该方案中，激光干涉光路和光栅干涉光路共用一片光栅，但测量光路却彼此独立，系统复杂、体积较大；且同样采用三个分光棱镜和波片的四通道探测结构。日本东北大学wei gao及其团队在研究论文“position and out-of-straightness measurementof a precision linear air-bearing stage by using a two-degree-of-freedomlinear encoder”中提出了一种垂直入射的差分测量式零差光栅干涉测量方案，可在同一套光栅干涉测量光路中实现二轴测量，但仍然采用三个分光棱镜和波片形成四通道探测结构；同时，该方案光栅垂向位移会引起光轴偏移的影响，其垂向量程较小。
6、利用三个分光棱镜和波片形成的四通道探测结构是二轴零差光栅干涉测量光学结构复杂、体积大的主要原因，使得光路的小型化难度较高、装调难度较高。近年来，干涉领域提出了一种新的基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的组合结构，可以实现干涉和分光一体，器件少、体积小，有利于实现光路的小型化。例如，哈尔滨工业大学郭玄标在硕士论文《单频激光干涉测振关键技术研究》提出了一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的激光干涉测量光路，可以实现单轴的位移测量。但是由于沃拉斯顿棱镜需要旋转45°安装，此方案目前也仅适用于单轴测量上，无法实现多轴测量。且该方案只应用了一个四象限探测器件的两个像元，引起浪费。
7、因此，本专利技术提出一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法及其系统，解决沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的组合结构与二轴位移测量不适配的问题。
技术实现思路
1、本专利技术用于解决现有技术在二轴零差光栅干涉位移测量场合存在的，沃拉斯顿棱镜(wp)与四象限探测器(qpd)不适配的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下技术方案：
3、本专利技术提供一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，所述测量方法包括如下步骤：
4、步骤s1：对光源发出的光束分光处理为双轴平行光；
5、步骤s2：双轴平行光经过干涉镜组，分为参考光和测量光，参考光被反射回干涉镜组；测量光经过折光元件，入射到测量光栅发生衍射并原路返回干涉镜组，与参考光重合；重合后的两光束入射四通道干涉光接收单元，先经过非偏振分光棱镜和波片qwp组合件分为两部分，两部分再分别经过第一wp和第二wp，通过调整光路中光学元件的姿态或入射光偏振方向，使得两部分光各自在qpd上产生一组正方形分布的四个光斑；
6、步骤s3：对四个光斑信号进行光电探测和信号处理，实现位移信息的解算。
7、进一步地，还有一种优选实施例，上述光学元件姿态调整方法可设计为：
8、将非偏振分光棱镜npbs1、第一wp、第二wp、第一qpd、第二qpd均绕光轴旋转45°。
9、进一步地，本专利技术提供一种旋转分光棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，用于通过上述优选实施例所述的光学元件姿态调整方法实现二轴零差光栅干涉位移测量，所述位移测量系统包括单频激光光源、非偏振分光棱镜npbs1、干涉镜组、测量光栅和四通道干涉光接收单元；
10、干涉镜组包括偏振分光棱镜pbs、第一qwp、第二qwp、反射镜、折光元件；
11、四通道干涉光接收单元包括非偏振分光棱镜npbs2、第三qwp、第一wp、第二wp、第一qpd、第二qpd；
12、偏振分光棱镜pbs两面上分别设有第一qwp、第二qwp；
13、非偏振分光棱镜npbs2的一面上设有第三qwp；
14、单频激光光源发射单频激光，单频激光经过非偏振分光棱镜npbs1后分成双轴平行光，双轴平行光进入偏振分光棱镜pbs后分成四束光，其中两束s偏振光经过反射镜被反射回偏振分光棱镜pbs，s偏振光变为p偏振光，作为参考光；另外两束p偏振光经过折光元件后以利特罗角射入测量光栅并原路返回至偏振分光棱镜pbs，作为测量光，并与参考光重合；重合后的两光束先经过非偏振分光棱镜npbs2和第三qwp组合件分为两部分，两部分再分别经过第一wp和第二wp，各自在第一qpd和第二qpd上产生一组正方形分布的四个光斑。
15、进一步地，上述单频激光经过非偏振分光棱镜npbs1后分成双轴平行光的光轴连线与x轴夹角为45°。
16、进一步地，还有一种优选实施例，上述入射光偏振方向调整方法可设计为：
17、将入射光偏振方向旋转45°。
18、进一步地，本专利技术提供一种旋转偏振方向的二轴零差光栅干涉位移测量系统，所述位移测量系统用于通过上述优选实施例本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，方法为：
2.根据权利要求1所述的基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，光学元件姿态调整方法为：
3.旋转分光棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，所述位移测量系统用于通过权利要求2所述的光学元件姿态调整方法实现二轴零差光栅干涉位移测量，位移测量系统包括单频激光光源、非偏振分光棱镜NPBS1、干涉镜组、测量光栅和四通道干涉光接收单元；
4.根据权利要求3所述的旋转分光棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，单频激光经过非偏振分光棱镜NPBS1后分成双轴平行光的光轴连线与x轴夹角为45°。
5.根据权利要求1所述的一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，入射光偏振方向调整方法为：
6.旋转偏振方向的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，所述位移测量系统用于通过权利要求5所述的入射光偏振方向调整方法实现二轴零差光栅干涉位移测量，位移测量系统包括单频激
7.根据权利要求6所述的旋转偏振方向的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，
8.根据权利要求1所述的一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，光学元件姿态调整方法还可以为：
9.旋转干涉棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，所述系统用于通过权利要求8所述的光学元件姿态调整方法实现二轴零差光栅干涉位移测量，位移测量系统包括单频激光光源、非偏振分光棱镜NPBS1、干涉镜组、测量光栅和四通道干涉光接收单元；
10.根据权利要求9所述的旋转干涉棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，经过非偏振分光棱镜NPBS2和第三QWP组合件分为两光束的光轴连线与沃拉斯顿棱镜光轴的夹角为45°。
...【技术特征摘要】
1.一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，方法为：
2.根据权利要求1所述的基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，光学元件姿态调整方法为：
3.旋转分光棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，所述位移测量系统用于通过权利要求2所述的光学元件姿态调整方法实现二轴零差光栅干涉位移测量，位移测量系统包括单频激光光源、非偏振分光棱镜npbs1、干涉镜组、测量光栅和四通道干涉光接收单元；
4.根据权利要求3所述的旋转分光棱镜的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，单频激光经过非偏振分光棱镜npbs1后分成双轴平行光的光轴连线与x轴夹角为45°。
5.根据权利要求1所述的一种基于沃拉斯顿棱镜和四象限探测器的二轴零差光栅干涉位移测量方法，其特征在于，入射光偏振方向调整方法为：
6.旋转偏振方向的二轴零差光栅干涉位移测量系统，其特征在于，...
【专利技术属性】
技术研发人员：常笛，宋墩博，黄亚涛，谭久彬，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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