一种三轴光栅尺的制作方法

技术特征：
1.一种三轴光栅尺，包括：三轴测量光束产生单元(101)、x轴测量光束探测单元(104)、y轴测量光束探测单元(103)、z轴测量光束探测单元(102)和信号采集及处理单元(38)；其特征在于：所述的三轴测量光束产生单元(101)产生x轴测量光束、y轴测量光束和z轴测量光束，沿所述的x轴测量光束方向，设有所述的x轴测量光束探测单元(104)，沿所述的y轴测量光束方向设有所述的y轴测量光束探测单元(103)，沿所述的z轴测量光束方向设有z轴测量光束探测单元(102)；所述三轴测量光束产生单元(101)，包括：偏振准直激光光源(1)、分束用二维衍射光栅(2)、第一准直物镜(8)、偏振棱镜组件(1011)、第二准直物镜(14)和测量用二维衍射光栅(15)；所述分束用二维衍射光栅(2)和测量用二维衍射光栅(15)是二维正交对称，且各自两维度栅距相等，所述分束用二维衍射光栅(2)栅距d1、测量用二维衍射光栅(15)栅距d2，第一准直物镜(8)焦距f1，第二准直物镜(14)焦距f2满足如下关系式：其中，λ为偏振准直激光光源(1)波长；所述x轴测量光束探测单元(104)，包括：第三准直物镜(33)、第一相移光栅(34)、第一探测器(35)、第二探测器(36)和第三探测器(37)，所述第三准直物镜(33)焦距f3、第一相移光栅(34)栅距d3、所述分束用二维衍射光栅(2)栅距d1、第一准直物镜(2)焦距f1，满足如下关系式：所述y轴测量光束探测单元(103)，包括：第二全反镜(27)、第四准直物镜(28)、第二相移光栅(29)、第四探测器(30)、第五探测(31)和第六探测器(32)；所述第四准直物镜(28)焦距f4、第二相移光栅(29)栅距d4、所述分束用二维衍射光栅(2)栅距d1、第一准直物镜(8)焦距f1，满足如下关系式：所述z轴测量光束探测单元(102)，包括第三全反镜(21)、第二线偏振片(22)、第三相移光栅(23)、第七探测器(24)、第八探测器(25)和第九探测器(26)；所述三轴测量光束产生单元(101)中，偏振准直激光光源(1)发出偏振准直光束，经由分束用二维衍射光栅(2)分成五束光束，通过第一准直物镜(8)准直及偏振棱镜组件(1011)及第二准直物镜(14)会聚入射于测量用二维衍射光栅(15)衍射后再由第二准直物镜(14)准直后回射，经由偏振棱镜组件(1011)出射，形成x、y、z三轴测量光束；进而由所述x轴测量光束探测单元(104)、所述y轴测量光束探测单元(103)、所述z轴测量光束探测单元(102)探
测并经光电转换后通过信号采集及处理器(38)处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅(15)的x、y、z轴位移量。2.根据权利要求1所述的三轴光栅尺，其特征在于，通过偏振棱镜(10)右方出射的五束光束，其中上、下二束经过第三准直透镜(33)聚焦于第一相位光栅(34)后衍射形成三束干涉光束，由第一探测器(35)、第二探测器(36)、第三探测器(37)分别探测，经光电转换后通过信号采集及处理器(38)处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅(15)的x轴位移量；另外前、后二束经过第二全反镜(27)反射及第四准直透镜(28)聚焦于第二相位光栅(29)后衍射形成三束干涉光束，由第四探测器(30)、第五探测器(31)、第六探测器(32)分别探测，经光电转换后通过信号采集及处理器(38)处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅(15)的y轴位移量；最后中间一束经第三全反镜(21)反射后通过偏振轴45
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放置的第二线偏振片(22)及第三相位光栅(23)后衍射形成三束干涉光束，由第七探测器(24)、第八探测器(25)、第九探测器(26)分别探测，经光电转换后通过信号采集及处理器(38)处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅(15)的z轴位移量。3.根据权利要求1或2所述的三轴光栅尺，其特征在于，所述测量用二维衍射光栅(15)是反射型，且所述分束用二维衍射光栅(2)是透射型，所述偏振棱镜组件(1011)包含：第一线偏振片(9)，第一全反镜(12)，第一四分之一波片(11)，偏振棱镜(10)和第二四分之一波片(13)；所述三轴测量光束产生单元(101)光路如下：以偏振棱镜(10)为偏振态参考物，偏振准直激光光源(1)发出p偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅(2)分成左光束(3)、右光束(5)、前光束(7)、后光束(4)及中间光束(6)共五束光束，且左光束(3)、右光束(5)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称，前光束(7)、后光束(4)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称；五束光束由第一准直透镜(8)准直后，仅中间光束(6)通过相对p光偏振轴旋转45
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的第一线偏振片(9)，使中间光束(6)偏振轴旋转45
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，具备p光和s光两个分量，其中，中间光束(6)的p光分量与其它四束光束一起通过偏振棱镜(10)，再一起经过第二四分之一波片(13)及第二准直透镜(14)汇聚一点，并照射在测量用二维衍射光栅(15)表面，其中，左光束(3)和右光束(5)光束分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；前光束(7)和后光束(4)分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束(6)的p光分量正入射并回射，形成z轴回射光束p光分量；所述左光束(3)、右光束(5)、前光束(7)、后光束(4)和中间光束(6)的p光分量的回射光束再由第二准直透镜(14)自准直后，经第二四分之一波片(13)转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜(10)反射得到分别对应左光束(3)和右光束(5)的下光束(17)和上光束(16)，分别对应前光束(7)和后两束(4)的外光束(20)和里光束(19)，以及对应中间光束(6)的中心光束(18)，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅(15)位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；所述中间光束(6)的s分量经偏振棱镜(10)反射后通过第一四分之一波片(11)且由第一全反镜(12)反射后，再次通过第一四分之一波片(11)后转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜(10)出射与中间光束(6)的所述由p分量转变而来的s分量重合，形成测量用二维衍射光栅(15)z轴位移的p光和s光信号光束。4.根据权利要求1或2所述的三轴光栅尺，其特征在于：所述测量用二维衍射光栅(15)
是反射型，且所述分束用二维衍射光栅(2)是透射型，所述偏振棱镜组件(1011)包含：第一线偏振片(9)，第一全反镜(12)，第一四分之一波片(11)，偏振棱镜(10)和第二四分之一波片(13)；所述三轴测量光束产生单元(101)光路如下：以偏振棱镜(10)为偏振态参考物：偏振准直激光光源(1)发出s偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅(2)分成左光束(3)、右光束(5)、前光束(7)、后光束(4)及中间光束(6)共五束光束，且左光束(3)、右光束(5)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称，前光束(7)、后光束(4)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称；五束光束由第一准直透镜(8)准直后，仅中间光束(6)通过相对p光偏振轴旋转45
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的第一线偏振片(9)，使中间光束(6)偏振轴旋转45
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，具备p光和s光两个分量，其中s光与其它四束光束一起经偏振棱镜(10)反射，再一起通过第二四分之一波片(13)及第二准直透镜(14)会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅(15)表面，其中，左光束(3)和右光束(5)分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；后光束(4)和前光束(7)分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束(6)的s光分量正入射并回射，形成z轴回射光束s光分量；所述左光束(3)、右光束(5)、后光束(4)、前光束(7)、以及中间光束(6)的s分量的回射光束再由第二准直透镜(14)准直回射后，经第二四分之一波片转变为p偏振态光束，直接通过偏振棱镜(10)出射得到分别对应左光束(3)和右光束(5)的下光束(17)和上光束(16)，分别对应前光束(7)和后两束(4)的外光束(20)和里光束(19)，以及对应中间光束(6)的中心光束(18)，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅(15)位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；所述中间光束(6)的p偏振态光束通过偏振棱镜(10)和第一四分之一波片(11)后，由第一全反镜(12)反射，第二次通过第二四分之一波片(11)后转变为s偏振态，再通过偏振棱镜反射与中心光束(18)重合，形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。5.根据权利要求1或2所述的三轴光栅尺，其特征在于：所述测量用二维衍射光栅(15)是反射型，且所述分束用二维衍射光栅(2)是透射型，所述偏振棱镜组件(1011)包含：第一线偏振片(9)，第一全反镜(12)，第一四分之一波片(11)，偏振棱镜(10)和第二四分之一波片(13)；所述三轴测量光束产生单元(101)光路如下：以偏振棱镜(10)为偏振态参考物：偏振准直激光光源(1)发出s偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅(2)分成五束光束，分别为左光束(3)、右光束(5)、前光束(7)、后光束(4)及中间光束(6)，且左光束(3)、右光束(5)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称，前光束(7)、后光束(4)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称；五束光束由第一准直透镜(8)准直后，仅中间光束(6)通过相对p光偏振轴旋转45
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的第一线偏振片(9)，使中间光束(6)偏振轴旋转45
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，具备p光和s光两个分量，其中s光与其它四束光束一起经偏振棱镜(10)反射，一起通过第一四分之一波片(11)并由及第一全反镜(12)反射，二次通过第一四分之一波片(11)，所述五束光束偏振态皆转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜(10)，再一起通过第二四分之一波片(13)及第二准直透镜(14)会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅(15)表面，其中，左光束(3)和右光束(5)分别以littrow自准直角度入
射，形成x轴回射光束；后光束(4)和前光束(7)分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束(6)的s光分量正入射并回射，形成z轴回射光束s光分量；所述左光束(3)、右光束(5)、后光束(4)、前光束(7)、中间光束(6)之s分量的回射光束再由第二准直透镜(14)准直回射后，经第二四分之一波片(13)转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜(10)反射得到分别对应左光束(3)和右光束(5)的下光束(17)和上光束(16)，分别对应前光束(7)和后两束(4)的外光束(20)和里光束(19)，以及对应中间光束(6)的中心光束(18)，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅(15)位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；所述中间光束(6)的p偏振态光束通过偏振棱镜(10)后直接出射与中心光束(18)重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。6.根据权利要求1或2所述的三轴光栅尺，其特征在于：所述测量用二维衍射光栅(15)是反射型，且所述分束用二维衍射光栅(2)是反射型，所述偏振棱镜组件(1011)仅包含：第一四分之一波片(11)，偏振棱镜(10)，第二四分之一波片(13)；所述三轴测量光束产生单元(101)光路如下：以偏振棱镜(10)为偏振态参考物，偏振准直激光光源(1)发出具有p光和s光偏振分量的线偏振光束，其s光分量光束经偏振棱镜(10)反射，再通过第一四分之一波片(11)和第一准直透镜(8)，正入射于反射型分束用二维衍射光栅(2)分成左光束(3)、右光束(5)、前光束(7)、后光束(4)及中间光束(6)共五束光束，且左光束(3)、右光束(5)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称，前光束(7)、后光束(4)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称；五束光束再由第一准直透镜(8)准直后，一起通过第一四分之一波片(11)，偏振态皆转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜(10)，再一起经过第二四分之一波片(13)及第二准直透镜(14)会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅(15)表面。其中，光束(3)和光束(5)分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；光束(4)和光束(7)分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；光束(6)的s光分量正入射并回射，形成z轴回射光束s光分量；所述左光束(3)、右光束(5)、后光束(4)、前光束(7)、对应中间光束(6)之s分量的所有回射光束再由第二准直透镜(14)准直回射后，第二次经第二四分之一波片(13)转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜(10)反射得到分别对应左光束(3)和右光束(5)的下光束(17)和上光束(16)，分别对应前光束(7)和后两束(4)的外光束(20)和里光束(19)，以及对应中间光束(6)的中心光束(18)，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅(15)位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；所述中间光束(6)的p偏振态光束直接通过偏振棱镜(10)出射与中心光束(18)重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。7.根据权利要求1或2所述的三轴光栅尺，其特征在于：所述测量用二维衍射光栅(15)是反射型，且所述分束用二维衍射光栅(2)是反射型，所述偏振棱镜组件(1011)仅包含：第一四分之一波片(11)，偏振棱镜(10)，第二四分之一波片(13)；所述三轴测量光束产生单元(101)光路如下：以偏振棱镜(10)为偏振态参考物，偏振准直激光光源(1)发出具有p光和s光偏振分量的线偏振光束，其p光分量光束通过偏振棱镜(10)和第一四分之一波片(11)及第一准直透
镜(8)，正入射于反射型分束用二维衍射光栅(2)分成左光束(3)、右光束(5)、前光束(7)、后光束(4)及中间光束(6)共五束光束，且左光束(3)、右光束(5)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称，前光束(7)、后光束(4)在与中间光束(6)组成的平面内以中间光束(6)轴对称；五束光束再由第一准直透镜(8)准直后，通过第一四分之一波片(11)，偏振态皆转变为s偏振态，一起经偏振棱镜(10)反射后，再经过第二四分之一波片(13)及第二准直透镜(14)会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅(15)表面。其中，左光束(3)和右光束(5)分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；后光束(4)和前光束(7) 分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束(6)的p光分量正入射并回射，形成z轴回射光束p光分量；所述左光束(3)、右光束(5)、后光束(4)、前光束(7)、中间光束(6)之p光分量的回射光束再由第二准直透镜(14)准直回射后，第二次经第二四分之一波片(13)转变为p偏振态光束，直接通过偏振棱镜(10)出射得到分别对应左光束(3)和右光束(5)的下光束(17)和上光束(16)，分别对应前光束(7)和后两束(4)的外光束(20)和里光束(19)，以及对应中间光束(6)的中心光束(18)，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅(15)位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；所述中间光束(6)的s偏振态光束直接通过偏振棱镜(10)反射与光束(18)重合，形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。8.根据权利要求项1所述三轴光栅尺，其特征在于：所述三轴测量光束产生单元(101)中x轴测量光束的光路与x轴测量光束探测单元(104)光路，y轴测量光束的光路与y轴测量光束探测单元(103)光路，共同构成两维mach-zehnder(马赫-泽德)零差干涉仪；z轴测量光束的光路与z轴测量光束探测单元(102)光路构成一维michelson(迈克尔逊)或一维mach-zehnder(马赫-泽德)零差干涉仪；由此构成一体的三维位移测量零差光栅干涉仪；x，y轴光路具有2倍光学细分及光学差分信号。9.根据权利要求项1所述三轴光栅尺，其特征在于：所述分束用二维衍射光栅(2)是dammann(达曼)光栅，或者两个一维衍射光栅组合。10.根据权利要求项1所述三轴光栅尺，其特征在于：所述第一相移光栅(34)、第二相移光栅(29)、第三相移光栅(23)是一维衍射光栅，或二维衍射光栅。

技术总结
本发明三轴光栅尺包括三轴测量光束产生单元、X轴测量光束探测单元、Y轴测量光束探测单元、Z轴测量光束探测单元和信号采集及处理单元。三轴测量光束产生单元，包括偏振准直激光光源、分束用二维衍射光栅、第一准直物镜、偏振棱镜组件、第二准直物镜和测量用二维衍射光栅。分束用二维衍射光栅和测量用二维衍射光栅是二维正交对称，各自两维度栅距相等。X，Y轴测量光束产生光路具有2倍光学细分及光学差分特性，精度高，安装容差大；测量光束产生单元光路与测量光束探测单元光路，共同构成一体的三维位移测量零差光栅干涉仪，结构紧凑，成本低，并且避免了不满足正交和共交点所导致的阿贝误差和余弦误差。差和余弦误差。差和余弦误差。


技术研发人员：韦春龙 周常河
受保护的技术使用者：中国科学院上海光学精密机械研究所
技术研发日：2020.09.17
技术公布日：2021/11/26