拼接光栅位移测量系统及测量方法
技术领域
本发明涉及精密位移测量技术领域，特别涉及一种拼接光栅位移测量系统及测量方法。
背景技术
目前，在超精密位移测量领域，激光干涉仪与光栅位移测量系统均能够实现纳米级分辨率及大量程的测量。但激光干涉仪受限于其测量原理，在实现米级尺寸的测量时需要严格控制环境变量，成本十分巨大。光栅位移测量系统以光栅的栅距作为测量基准，对环境要求较低，但由于受到光栅制作工艺的限制，在实现大量程测量时存在问题。
申请号为201710735473.X的中国发明专利公开一种长行程、高精度测量的光栅位移测量系统，通过多块光栅拼接外延最终可实现米级尺寸的测量。但是该发明专利中的外差测量系统采用的是两路频率不同的衍射光束共光路，易受到系统光学元件加工制造缺陷的影响，产生频率混叠，从而带来较大的周期非线性误差，影响测量精度；为解决频率混叠的影响，通常采用的手段是将两路频率不同的信号进行分离，由于系统中光栅以上下两层分布，需要两套信号处理单元对上下两路信号分别进行处理，两路频率不同的信号在分离后，需要采用四套信号处理单元进行信号采集与处理，整套系统结构复杂且空间尺度较大，不利于光栅位移测量系统的整体搭建；多套接收器接收测量信号会增加信号处理的复杂度，并且测量数据的切换会引入新的测量误差。
发明内容
本发明旨在提供一种拼接光栅位移测量系统及测量方法，用于实现拼接光栅的长行程、高精度的位移测量，在拼接光栅的位置测量过程中，采用双频激光器发出固定频差的测量光和参考光，测量光和参考光在读数头内进行空间分离，单束测量光在经读数头分束后同时入射到拼接光栅的表面，经上下两层光栅衍射后得到的衍射光与参考光同时汇聚进同一个光纤耦合器内，最终在实现测量光与参考光空间分离的同时实现单光纤耦合器处理多光栅的位移信号，从而实现拼接光栅位移测量系统的小型化。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
本发明提供一种拼接光栅位移测量系统，包括双频激光器、读数头、光纤耦合输出器、光纤耦合接收器和信号处理系统，双频激光器发出固定频差的测量光和参考光，测量光与参考光分别通过光纤耦合输出模块进入读数头，测量光经读数头入射到移动的拼接光栅发生衍射后返回读数头，并透过读数头进入光纤耦合接收模块，参考光在读数头内折转后进入光纤耦合接收模块，并与测量光发生干涉形成干涉信号，光纤耦合接收模块将干涉信号上传至信号处理系统进行处理，获得拼接光栅的位移量。
优选地，光纤耦合输出模块包括第一光纤耦合器和第二光纤耦合器，光纤耦合接收模块包括第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；其中，测量光通过第一光纤耦合器进入读数头，经读数头分成两路后分别入射到拼接光栅的表面获得±1级衍射光；参考光通过第二光纤耦合器进入读数头，经读数头分成两路，其中一路参考光与+1级衍射光同时进入第三光纤耦合器发生干涉，另一路参考光与-1衍射光同时进入第四光纤耦合器发生干涉，第三光纤耦合器和第四光纤耦合器分别将接收到的干涉信号转换为电信号后发送至信号处理系统。
优选地，读数头包括两个分光棱镜、两个反射棱镜、一个偏振分光棱镜和一个在出射面贴有四分之一波片的折射棱镜；其中，测量光经一个分光棱镜分成两路，其中一路测量光经一个反射棱镜、偏振分光棱镜、折射棱镜后由四分之一波片以Littrow角出射到拼接光栅的表面，获得+1级衍射光；另一路测量光经偏振分光棱镜、折射棱镜后由四分之一波片以Littrow角出射到拼接光栅的表面，获得-1级衍射光；+1级衍射光与-1级衍射光再次经过四分之一波片转换为P偏正光后透过折射棱镜分别进入第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；参考光经另一个分光棱镜分成两路，其中一路参考光经偏振分光棱镜反射后进入第三光纤耦合器，另一路参考光经另一个反射棱镜、偏振分光棱镜反射后进入第四光纤耦合器。
优选地，拼接光栅由至少两块光栅拼接而成。
优选地，拼接光栅由三块光栅拼接而成，其中的两块光栅搭接在另一块光栅的两端，且在两块光栅的重叠部分中，槽与槽相对应，脊与脊相对应。
本发明还提供一种拼接光栅位移测量方法，包括如下步骤：
S1、双频激光器发出固定频差的两束激光，一束作为测量光，另一束作为参考光；
S2、测量光与参考光分别通过光纤耦合输出模块进入读数头；其中，测量光经读数头入射到移动的拼接光栅发生衍射后返回读数头，并透过读数头进入光纤耦合接收模块，参考光在读数头内折转后进入光纤耦合接收模块，参考光与测量光在光纤耦合接收模块内发生干涉形成干涉信号；
S3、光纤耦合接收模块将干涉信号上传至信号处理系统进行处理，获得光栅运动的位移量。
优选地，步骤S2具体包括如下步骤：
S210、测量光通过第一光纤耦合器进入读数头，测量光经读数头分成两路后分别入射到拼接光栅的表面获得±1级衍射光；参考光通过第二光纤耦合器进入读数头，经读数头分成两路，其中一路参考光与+1级衍射光同时进入第三光纤耦合器发生干涉形成干涉信号，另一路参考光与-1衍射光同时进入第四光纤耦合器发生干涉形成干涉信号；
S220、第三光纤耦合器和第四光纤耦合器分别将接收到的干涉信号转换为电信号后发送至信号处理系统。
优选地，在拼接光栅移动时，根据两路测量光的入射位置，第三光纤耦合器和第四光纤耦合器接收的干涉信号分别为如下两种情况：
i、两路测量光分别入射到拼接光栅的未重叠部分产生两束衍射光，两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉形成两个干涉信号；
ii、两路测量光分别入射到拼接光栅的未重叠部分与重叠部分产生两束衍射光，两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉形成两个干涉信号。
优选地，对于i情况，拼接光栅的位移量Δx＝d(φright-φleft)/4πm；其中，φright、φleft分别为第三光纤耦合器和第四光纤耦合器内测量光与参考光的相位变化量，m为衍射级次的绝对值，d为拼接光栅的栅距；对于ii情况，拼接光栅的位移量Δx＝βd(φright-φleft)/4πm；其中，φright、φleft分别为第三光纤耦合器和第四光纤耦合器内测量光与参考光的相位变化量，m为衍射级次的绝对值，β为α的倒数，α为拼接光栅相位变化的相关系数。
优选地，在步骤S210中，测量光经一个分光棱镜分成两路，其中一路测量光经一个反射棱镜、偏振分光棱镜、折射棱镜后，再经四分之一波片以Littrow角出射到拼接光栅的表面，获得+1级衍射光；另一路测量光经偏振分光棱镜、折射棱镜后，再经四分之一波片以Littrow角出射到拼接光栅的表面，获得-1级衍射光；+1级衍射光与-1级衍射光再次经过四分之一波片转换为P偏正光后透过折射棱镜分别进入第三光纤耦合器和第四光纤耦合器；参考光经另一个分光棱镜分成两路，其中一路参考光经偏振分光棱镜反射后进入第三光纤耦合器，另一路参考光经另一个反射棱镜、偏振分光棱镜反射后进入第四光纤耦合器。
与现有技术相比，本发明采用单束测量光在经读数头分束后同时入射到拼接光栅的表面，经上下两层光栅衍射后得到的衍射光与参考光同时汇聚进同一个光纤耦合接收器内，最终在实现长行程测量的同时减少数据处理所需的光纤耦合接收器的数量，从光学结构上实现拼接光栅位移测量系统的小型化设计。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的拼接光栅位移测量系统的结构示意图；
图2是根据本发明一个实施例的读数头的结构示意图；
图3是根据本发明一个实施例的拼接光栅的结构示意图；
图4是根据本发明一个实施例的拼接光栅位移测量方法的流程示意图。
其中的附图标记包括：双频激光器1、读数头2、第一分光棱镜201、第二分光棱镜202、偏振分光棱镜203、第一反射棱镜204、第二反射棱镜205、折射棱镜206、光纤耦合输出模块3、第一光纤耦合器301、第二光纤耦合器302、光纤耦合接收模块4、第三光纤耦合器401、第四光纤耦合器402、信号处理系统5、拼接光栅6、第一光栅601、第二光栅602、第三光栅603、测量光701～702。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明提供的拼接光栅位移测量系统及测量方法用于实现拼接光栅的高精度、长行程的位置测量。本发明中的拼接光栅是指由至少两块光栅上下拼接而成的整体，拼接的两块光栅具有相重叠的部分，在重叠部分中，两块光栅的槽与槽相对应，脊与脊相对应。在下述实施例中，拼接光栅以三块光栅为例进行说明，其他数量的光栅测量原理同理可得。
图3是根据本发明一个实施例的拼接光栅的结构。
如图3所示，拼接光栅包括三块高刻线密度且栅距相同的全息光栅，分别为第一光栅601、第二光栅602和第三光栅603，第一光栅601的一端与第三光栅603的一端分别与第二光栅602的两端搭接，拼接成“品”字形，在第一光栅601与第二光栅602的重叠部分中，槽与槽相对应，脊与脊相对应。同理，在第三光栅603与第二光栅602的重叠部分中，槽与槽相对应，脊与脊相对应。
下面将对本发明实施例提供的拼接光栅位移测量系统及测量方法进行详细说明。
图1示出了根据本发明一个实施例的拼接光栅位移测量系统的结构。
如图1所示，本发明实施例提供的拼接光栅位移测量系统，包括：双频激光器1、读数头2、光纤耦合输出器3、光纤耦合接收器4和信号处理系统5，双频激光器1用于发出固定频差两束激光，一束作为测量光，另一束作为参考光，测量光与参考光分别通过光纤耦合输出器3进入读数头2，读数头2用于对测量光与参考光进行空间分离，测量光经读数头2入射到移动的拼接光栅6的表面发生衍射，产生的衍射光返回读数头2，并透过读数头2进入光纤耦合接收器4，参考光在读数头2内折转后进入光纤耦合接收器4，并与衍射光发生干涉产生干涉信号，光纤耦合接收器4将干涉信号上传至信号处理系统5进行处理，获得拼接光栅6的位移量。
由于读数头2能够使衍射光与参考光同时汇聚进同一个光纤耦合接收器4内，最终在实现长行程测量的同时减少数据处理所需的光纤耦合接收器4的数量，从光学结构上实现拼接光栅位移测量系统的小型化。
由于拼接光栅6包括三块光栅，随着拼接光栅6的移动，测量光会入射到不同的光栅上，产生不同的衍射光，不同的衍射光与参考光产生不同的干涉信号，为了获得不同的相位变化，需要对测量光进行分束，将测量光分成两路，分别入射到拼接光栅6不同的位置，产生两束衍射光。
为了实现两束衍射光的接收，光纤耦合接收器4的数量为两个，光纤耦合输出器3也为两个，其中的一个用于将测量光耦合入读数头2，另一个用于将参考光耦合入读数头2。
图2示出了根据本发明一个实施例的读数头的结构。
如图2所示，读数头包括第一分光棱镜201、第二分光棱镜202、偏振分光棱镜203、第一反射棱镜204、第二反射棱镜205和折射棱镜206；其中，第一分光棱镜201、第二分光棱镜202分别位于偏振分光棱镜203的两侧，第一反射棱镜204、第二反射棱镜205也分别位于偏振分光棱镜203的两侧，第一反射棱镜204位于第一分光棱镜201的透射方向上，第二反射棱镜205位于第二分光棱镜202的透射方向上，折射棱镜206位于偏振分光棱镜203的出射方向上，在折射棱镜206的出射面上胶合有四分之一波片，四分之一波片用于将偏振光的偏振态S转换为P。
第一光纤耦合器301设置在对应于第一分光棱镜201的位置，第二光纤耦合器302设置在对应于第二分光棱镜202的位置，第三光纤耦合器401和第四光纤耦合器402设置在对应于偏振分光棱镜203的位置。
双频激光器发出的固定频差的测量光与参考光均为偏振光，测量光通过第一光纤耦合器301进入读数头入射到第一分光棱镜201，由第一分光棱镜201分为两路，参考光通过第二光纤耦合器302进入读数头入射到第二分光棱镜202分为两路。
一路测量光经第一分光棱镜201反射到偏振分光棱镜203，经偏振分光棱镜203反射到折射棱镜206，经折射棱镜206折射后经过四分之一波片出射到拼接光栅6的表面，得到-1级衍射光，该路测量光是以满足光栅方程的Littrow角入到拼接光栅6的表面，获得的-1级衍射光原路返回至折射棱镜206，再一次经过四分之一波片进入偏振分光棱镜203，经偏振分光棱镜203透射进入第四光纤耦合器402。
另一路测量光经第一分光棱镜201透射入射到第一反射棱镜204，经第一反射棱镜204反射到偏振分光棱镜203，在经偏振分光棱镜203反射到折射棱镜206，经折射棱镜206折射后经过四分之一波片以Littrow角入到拼接光栅6的表面，得到+1级衍射光，+1级衍射光原路返回至折射棱镜206，再一次经过四分之一波片进入偏振分光棱镜203，经偏振分光棱镜203透射进入第三光纤耦合器401。
由于两路测量光均两次经过四分之一波片，因此四分之一波片能够将两路衍射光的S偏振态转换为P偏振态，使两路衍射光透过偏振分光棱镜203进入第三光纤耦合器401和第四光纤耦合器402。
一路参考光经第二分光棱镜202反射到偏振分光棱镜203，再偏振分光棱镜203反射后进入第四光纤耦合器402，与-1级衍射光发生干涉，产生干涉信号。
另一路参考光经第二分光棱镜202透射入射到第二反射棱镜205，经第二反射棱镜205反射到偏振分光棱镜203，在经偏振分光棱镜203反射后进入第三光纤耦合器401，与+1级衍射光发生干涉，产生干涉信号。
第三光纤耦合器401和第四光纤耦合器402在接收到干涉信号后，将光信号转换为电信号后分别上传至信号处理系统5，通过信号处理系统对电信号进行分析，消除上下两块部分重叠的光栅由相位变化不一致带来的干扰误差，从而得到拼接光栅的位移量。
上述详细说明了本发明实施例提供的拼接光栅位移测量系统的结构，与该拼接光栅位移测量系统相对应，本发明还提供一种拼接光栅位移测量方法。
图4示出了根据本发明一个实施例的拼接光栅位移测量方法的流程。
如图4所示，本发明实施例提供的拼接光栅位移测量方法，包括如下步骤：
S1、双频激光器发出固定频差的两束激光，一束作为测量光，另一束作为参考光。
双频激光器可以替换为两台输出频率不同的激光器，两台激光器同样能够发出具有频率差的激光，两束激光均为偏振光。
S2、测量光与参考光分别通过光纤耦合输出模块进入读数头；其中，测量光经读数头入射到移动的拼接光栅发生衍射后返回读数头，并透过读数头进入光纤耦合接收模块，参考光在读数头内折转后进入光纤耦合接收模块，参考光与测量光在光纤耦合接收模块内发生干涉形成干涉信号。
参考图2所示，测量光通过第一光纤耦合器301进入读数头，测量光经读数头分成两路后分别入射到拼接光栅的表面获得+1级衍射光和-1级衍射光。
更为具体地，测量光通过第一光纤耦合器301进入读数头入射到第一分光棱镜201，由第一分光棱镜201分为两路，一路测量光经第一分光棱镜201反射到偏振分光棱镜203，经偏振分光棱镜203反射到折射棱镜206，经折射棱镜206折射后经过四分之一波片出射到拼接光栅6的表面，得到-1级衍射光，该路测量光是以满足光栅方程的Littrow角入到拼接光栅6的表面，获得的-1级衍射光原路返回至折射棱镜206，再一次经过四分之一波片进入偏振分光棱镜203，经偏振分光棱镜203透射进入第四光纤耦合器402。另一路测量光经第一分光棱镜201透射入射到第一反射棱镜204，经第一反射棱镜204反射到偏振分光棱镜203，在经偏振分光棱镜203反射到折射棱镜206，经折射棱镜206折射后经过四分之一波片以Littrow角入到拼接光栅6的表面，得到+1级衍射光，+1级衍射光原路返回至折射棱镜206，再一次经过四分之一波片进入偏振分光棱镜203，经偏振分光棱镜203透射进入第三光纤耦合器401。
参考光通过第二光纤耦合器302进入读数头，经读数头分成两路，其中一路参考光与+1级衍射光同时进入第三光纤耦合器401发生干涉形成干涉信号，另一路参考光与-1衍射光同时进入第四光纤耦合器402发生干涉形成干涉信号。
更为具体地，参考光通过第二光纤耦合器302进入读数头入射到第二分光棱镜202分为两路。其中一路参考光经第二分光棱镜202反射到偏振分光棱镜203，再偏振分光棱镜203反射后进入第四光纤耦合器402，与-1级衍射光发生干涉，产生干涉信号。另一路参考光经第二分光棱镜202透射入射到第二反射棱镜205，经第二反射棱镜205反射到偏振分光棱镜203，在经偏振分光棱镜203反射后进入第三光纤耦合器401，与+1级衍射光发生干涉，产生干涉信号。
S3、光纤耦合接收模块将干涉信号上传至信号处理系统进行处理，获得光栅运动的位移量。
在第三光纤耦合器401与第四光纤耦合器402接收到干涉信号后，将光信号转换为电信号后上传至信号处理系统进行位移分析，获得光栅运动的位移量。
参考图3所示，拼接光栅由第一光栅601、第二光栅602和第三光栅603拼接而成，当拼接光栅移动时，两路测量光701和702会入射到拼接光栅不同的位置，产生不同的干涉信号。
根据两路测量光的入射位置，第三光纤耦合器401和第四光纤耦合器402接收的干涉信号由多种组合形式，总体分别为如下两种情况：
i、两路测量光701和702分别入射到拼接光栅的未重叠部分产生两束衍射光，两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉形成两个干涉信号。
对于i情况，又可以细分为如下几种情况：
①两路测量光701和702分别入射到第一光栅601未与第二光栅602重叠的部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号I，如图3中的圈A所示。
②两路测量光701和702分别入射到第三光栅603未与第二光栅602重叠的部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号II，如图3中的圈A所示。
③两路测量光701和702分别入射到第二光栅602未与第一光栅601、第三光栅603重叠的部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号III，如图3中的圈B所示。
④两路测量光701和702分别入射到第二光栅602与第一光栅601、第三光栅603的重叠部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号IV，如图3中的圈C所示。
根据①、②、③、④情况能够形成四种干涉信号组合，分别为两路干涉信号I、两路干涉信号II、两路干涉信号III和两路干涉信号IV，四种干涉信号组合模式下的相位变化均为φ＝±2πmΔx/d，其中，m为衍射级次的绝对值，d为拼接光栅的栅距，Δx为拼接光栅的实际位移量。
令参考光相位为0，随着拼接光栅的移动，拼接光栅的相位变化满足φ＝±2πmΔx/d，通过该关系表达式可以求出拼接光栅运动的实际位移量Δx，Δx＝d(φright-φleft)/4πm，φright、φleft第三光纤耦合器和第四光纤耦合器内测量光与参考光的相位变化量。
ii、两路测量光分别入射到拼接光栅的未重叠部分与重叠部分产生两束衍射光，两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉形成两个干涉信号。
对于ii情况，又可以细分为如下几种情况：
⑴测量光701入射到第一光栅601未与第二光栅602重叠的部分，测量光702入射到第一光栅601与第二光栅602的重叠部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号V。
⑵测量光701入射到第一光栅601与第二光栅602的重叠部分，测量光702入射到第二光栅602未与第一光栅601、第三光栅603重叠的部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号VI。
⑶测量光701入射到第二光栅602未与第一光栅601、第三光栅603重叠的部分，测量光702入射到第二光栅602与第三光栅603的重叠部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号VII。
⑷测量光701入射到第二光栅602与第三光栅603的重叠部分，测量光702入射到第三光栅603未与第二光栅602重叠的部分，产生的两束衍射光分别与对应的参考光发生干涉，形成两路干涉信号VIII。
根据⑴、⑵、⑶、⑷情况能够形成四种干涉信号组合，分别为两路干涉信号V、两路干涉信号VI、两路干涉信号VII和两路干涉信号VIII，四种干涉信号组合模式下的相位变化均为φ＝±2πmα(Δx+Δx)/d＝±4πmαΔx/d，其中，α为拼接光栅相位变化的相关系数，由上下两块光栅(例如第一光栅601与第二光栅602，又如第二光栅602与第三光栅603)的空间位置、面型、刻线等差异引起。
当处于⑴、⑵、⑶、⑷情况时，第三光纤耦合器401和第四光纤耦合器402处的信号变化除包含运动相位之外，还受到上下光栅相位变化不一致引起的低频余弦量。通过傅里叶变换滤波去除影响测量结果的变化量，最终得到拼接光栅在ii情况下的位移量为Δx＝βd(φright-φleft)/4πm，其中β为α的倒数。
第三光纤耦合器401和第四光纤耦合器402将电信号输入给信号处理系统后，信号处理系统首先判断读数头处于i情况还是ii情况，然后进行补偿与纠正后将位移信息提取出来，再通过高倍率的电子细分实现高分辨率测量，从而实现在长行程拼接光栅的位移测量。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
