一种光栅精密位移传感器及测量系统的制作方法

本发明涉及光栅位移传感器测量，特别是涉及一种光栅精密位移传感器及测量系统。

背景技术：

1、光栅式位移传感器作为一种精密的光学测量仪器，广泛应用于位移测量、表面形貌检测、光学元件制造等领域。其基本原理是利用光栅的衍射和干涉效应，将待测物体的位移或形变转化为可探测的干涉条纹变化，从而实现高精度的测量。在测量过程中，光栅的栅格周期决定了传感器的测量灵敏度、测量范围以及能够分辨的最小特征尺寸。例如，周期越小的光栅，通常能够实现更高的测量精度；而周期较大的光栅则更适合测量较大的位移或范围。但是传统的光栅式位移传感器通常采用固定栅格周期的光栅作为关键元件，灵活性和适应性较差。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种光栅精密位移传感器及测量系统，以解决上述现有技术存在的问题，提升测量灵活性和适应性。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种光栅精密位移传感器，包括激光发生件、偏振分光件、偏振态转换组件、反射组件、分光检测组件、光栅组件、位移台和调整组件；所述激光发生件用于输出激光，所述偏振态转换组件能够调整激光的偏振方向，所述反射组件能够将经过所述偏振态转换组件调整偏振方向后的激光反射至所述光栅组件，并能够将所述光栅组件衍射的±1级次衍射光分别反射至所述偏振分光件，所述偏振分光件能够将所述±1级次衍射光进行合束，所述偏振态转换组件还能够对入射至所述偏振分光件的所述±1级次衍射光以及所述偏振分光件出射的合束光进行偏振态转换，所述分光检测组件能够对所述合束光进行分光和信号检测得到干涉信号；所述光栅组件包括若干光栅，不同所述光栅之间栅格周期不同，所述位移台上侧能够拆卸地设置有一所述光栅，且所述光栅矢量方向平行于所述位移台的运动轴线方向；所述调整组件连接于所述反射组件，并能够调整所述反射组件对于所述±1级次衍射光的反射角度。

4、优选地，所述反射组件包括第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜；所述第一反射镜位于所述激光发生件的输出侧，其反射面与激光的出射方向夹角呈45°，反射所述激光器出射的平行光为垂直光入射至所述光栅组件；所述垂直光入射至所述光栅表面产生所述±1级次衍射光；所述第二反射镜和第三反射镜位于所述偏振分光件的不同入射侧面，所述第二反射镜和第三反射镜的反射面均垂直于所述激光器的出射光方向；所述第四反射镜和所述第五反射镜均连接于所述调整组件，并分别用于反射+1级次衍射光和-1级次衍射光；经所述第四反射镜的所述+1级次衍射光反射至所述第三反射镜，再经所述第三反射镜反射至所述偏振态转换组件；在所述第三反射镜表面的入射光和反射光正交；经所述第五反射镜的所述-1级次衍射光反射至所述第二反射镜，再经所述第二反射镜反射至所述偏振态转换组件；在所述第二反射镜表面的入射光和反射光正交。

5、优选地，所述调整组件包括第一旋转电机和第二旋转电机，所述第四反射镜和所述第五反射镜分别连接于所述第一旋转电机和所述第二旋转电机；所述第一旋转电机和所述第二旋转电机能够分别驱动所述第四反射镜和所述第五反射镜旋转，以能够调节所述反射组件对于所述+1级次衍射光和所述-1级次衍射光的反射角度。

6、优选地，所述偏振态转换组件包括均能够使光线垂直穿过的半波片、第一四分之一波片、第二四分之一波片和第三四分之一波片；所述半波片位于所述激光发生件与所述第一反射镜之间，所述半波片用于调整激光的偏振方向；所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片分别位于所述偏振分光件的不同入射侧面，所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片能够分别对所述+1级次衍射光和所述-1级次衍射光进行偏振态转换；所述第三四分之一波片位于所述偏振分光件的出射侧面，所述第三四分之一波片能够对所述合束光进行偏振态转换。

7、优选地，所述第一四分之一波片至所述偏振分光件的对应入射侧面的距离、所述第二四分之一波片至所述偏振分光件的对应入射侧面的距离、所述第三四分之一波片至所述偏振分光件的出射侧面的距离均相等；所述第四反射镜中心至所述第三反射镜中心的距离和所述第五反射镜中心至第二反射镜中心的距离均相等；所述第二反射镜中心至所述第一四分之一波片的距离和所述第三反射镜中心至第二四分之一波片的距离均相等。

8、优选地，所述分光检测组件包括第一光电探测器、第二光电探测器、第一偏振片、第二偏振片和非偏振分光镜；所述非偏振分光镜的入射侧面与所述偏振分光件的出射侧面相对，所述非偏振分光镜用于将所述合束光分为两束等光强的干涉光，并通过非偏振分光镜的两个出射侧面分别入射至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器；所述第一偏振片和所述第二偏振片均为45°线偏振片；所述第一偏振片和所述第二偏振片分别设置于所述非偏振分光镜的两个出射侧面；所述第一光电探测器和所述第二光电探测器分别对应设置于所述第一偏振片和所述第二偏振片的输出侧面，所述第一光电探测器和所述第二光电探测器均用于接收干涉光并输出干涉信号；所述第一偏振片至所述非偏振分光镜对应出射侧面的距离和所述第二偏振片至所述非偏振分光镜对应出射侧面的距离均相等；所述第一光电探测器至所述第一偏振片输出侧面的距离和所述第二光电探测器至所述第二偏振片输出侧面的距离均相等。

9、优选地，若干所述光栅均为反射式光栅。

10、优选地，所述±1级次衍射光的衍射角度和所述光栅的栅格周期遵循光栅衍射方程；所述光栅衍射方程为，d为栅格周期，θ为衍射角度，λ为激光波长。

11、优选地，所述激光发生件设置为激光器并用于输出线偏振光，所述偏振分光件设置为偏振分光镜。

12、本发明还提供一种光栅精密位移测量系统，包括信号处理模块以及如上所述的光栅精密位移传感器；所述信号处理模块用于接收所述光栅精密位移传感器输出的多路干涉信号，并对所述干涉信号进行解析处理，实现位移测量。

13、本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

14、本发明提供的光栅精密位移传感器，其中，光栅组件包括不同栅格周期的若干光栅，光栅以光栅矢量方向平行于位移台运动轴线方向安装于位移台的上侧；激光发生件用于输出激光；偏振态转换组件能够调整激光的偏振方向保证入射光符合分光要求，反射组件用于将在光栅组件表面分别以littrow角度反射的±1级次衍射光反射至偏振分光件，偏振分光件用于将经过光栅组件表面衍射的±1级次衍射光进行合束，这两束携带相反相位变化的光发生干涉，从而将光栅的微小位移，转换为易于测量的高对比度干涉信号；偏振态转换组件还能够对±1级次衍射光以及经偏振分光件出射的合束光进行偏振态转换，保障光路中偏振态稳定，提升抗干扰能力；分光检测组件用于对合束光进行分光和信号检测，得到干涉信号，分光的多路干涉信号通过产生正交信号来实现辨向与细分，通过差分探测来抑制干扰，通过解析该干涉信号确定位移台的位移值，能够在复杂的工业环境中，依然提供可靠、精准的测量结果；如此本发明通过运用偏振光学设计增强鲁棒性，实现高精度位移测量；而且本发明通过应用调整组件调节反射组件的反射角度，在同一波长下匹配不同栅格周期的光栅进行位移测量，相较于传统光栅干涉仪同一波长只能使用固定栅格周期进行位移测量，能够提升测量灵活性和适应性；通过光路传递与信号联动形成紧密关联，形成“位移台移动→光栅同步移动→光程差变化→相位偏移”的测量逻辑，完成“激光发射→衍射→干涉→信号检测→位移计算”的测量全流程；并且通过更换不同栅格周期的光栅配合调整组件调节反射组件的反射角度，还能够适配不同波长的入射激光，如此无需通过更换偏振分光件、偏振态转换组件、反射组件或者分光检测组件等核心模块即可实现高精度测量，从而克服传统设备通用性差、使用成本高的固有缺陷。

15、本发明提供的光栅精密位移测量系统，光栅精密位移传感器测量的干涉信号传输至信号处理模块，进行解析处理，实现位移测量。