CN110360931A - 一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统 - Google Patents

Abstract

一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，包括双频激光器、非偏振分光棱镜、沃拉斯顿棱镜、偏振片、一维计量光栅、光电探测器及信号处理单元；双频激光器发出的正交线偏振光经非偏振分光棱镜后分为两束，一束经偏振片后由光电探测器接收产生参考信号，另一束经沃拉斯顿棱镜后分为两个偏振方向不同的偏振光并以对称方式入射到计量光栅表面，由满足一定周期条件的计量光栅衍射后原路返回，并由光电探测器接收产生测量信号，参考信号和测量信号经信号处理单元处理后得到光栅位移值；本发明具备小型化、高精度、对环境不敏感、非线性误差低等优点；此外，本发明还可拓展为二维光栅位移测量系统，改进后还适用于特定周期和任意周期的计量光栅。

Description

一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统

技术领域

本发明属于测量仪器设备技术领域，尤其涉及一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统。

背景技术

高精度位移测量作为超精密机床和高端光刻机等加工设备的核心技术，对传统制造业和信息产业的发展具有极其重要的作用。激光干涉仪和光栅编码器凭借其大量程高精度的特点，成为当前实现高精度位移测量应用最为广泛的技术。

激光干涉仪主要是由迈克尔逊干涉仪发展而来，以空气中的激光波长作为测量基准，分为零差干涉仪和外差干涉仪两种类型。由于空气中的激光波长易受空气折射率的影响，而空气中的温度、湿度、压强、二氧化碳含量等参数又时刻在发生变化，从而导致激光干涉仪的测量稳定性受到限制。为了消除环境参数变化对激光干涉仪测量精度的影响，实际应用中通常利用传感器对环境参数进行实时测量，进而补偿由空气折射率变化所引起的测量误差。虽然通过空气折射率补偿方法一定程度上改善了激光干涉仪的测量稳定性，但对于大量程位移测量而言，较大的测量臂与参考臂长度差值使得空气折射率分布不均匀，导致利用传感器补偿的方法通常依旧无法保证其测量精度，因而仍需要探索有效的方法来改善激光干涉仪在大量程下的位移测量精度。

相比于激光干涉仪以空气中的激光波长为测量标准，光栅编码器以实物形式的计量光栅为测量基准。虽然计量光栅同样会由于热胀冷缩使得光栅栅距发生变化，但通过采用低膨胀系数或零膨胀系数的制作材料，使得计量光栅具有相对较好的长期稳定性。于此同时，光栅编码器的光学系统一般密封在一个封闭装置中，且其不随测量位移的增加而发生变化，使得其具有更好的干扰抑制能力。虽然光栅编码器具有以上基准稳定和环境不敏感的优点，但目前光栅编码器的干扰抑制能力仍无法满足各种工业场合应用。与此同时，对于外差式光栅编码器，其非线性误差幅值可以达到几纳米，已成为制约光栅编码器实现更高测量精度的重要因素。此外，相关文献中提出了一些一维和二维外差干涉光栅位移测量系统，但普遍存在光学元件较多，系统结构和装备复杂的不足。因此探索更为有效的一维和二维外差干涉光栅位移测量方法，研制具有更好干扰抑制能力和更小非线性误差影响的小型化紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，对超精密加工和高性能光刻等应用领域具有极为重要的促进作用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，采用沃拉斯顿棱镜对称分束原路返回式结构，使得系统具有接近共光程结构的环境干扰抑制能力，可大幅降低系统的复杂性和装配误差，有效提高位移测量精度。

一种外差干涉光栅位移测量系统，包括双频激光器1、第一非偏振分光棱镜21、第一沃拉斯顿棱镜31、第一偏振片41、第二偏振片42、第一计量光栅61、第一光电探测器71、第二光电探测器72以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅61为反射式光栅，且光栅周期d满足d＝mλ/2sinθ，m为衍射阶次、λ为入射光波长、θ为入射角；

所述双频激光器1发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜21后分为两束，其中一束经第一偏振片41后由第一光电探测器71接收产生参考信号，另一束经第一沃拉斯顿棱镜31后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第一计量光栅61表面；

两束偏振光经由第一计量光栅61的表面衍射后原路返回并入射到第一沃拉斯顿棱镜31，再由第一沃拉斯顿棱镜31出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第一非偏振分光棱镜21，经由第一非偏振分光棱镜21反射到第二偏振片42后，进入第二光电探测器72，得到测量信号；

所述信号处理单元用于获取所述参考信号和测量信号的相位差，并根据该相位差得到第一计量光栅61的位移值。

进一步地，另一种外差干涉光栅位移测量系统，包括双频激光器1、第一非偏振分光棱镜21、第二非偏振分光棱镜22、第三非偏振分光棱镜23、第一沃拉斯顿棱镜31、第二沃拉斯顿棱镜32、第一偏振片41、第二偏振片42、第三偏振片43、第一计量光栅61、第二计量光栅62、第一光电探测器71、第二光电探测器72、第三光电探测器73以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅61与第二计量光栅62均为反射式光栅，且两者的光栅周期d均满足d＝mλ/2sinθ，m为衍射阶次、λ为入射光波长、θ为入射角，同时，第二计量光栅62垂直于第一计量光栅61；

所述双频激光器1发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜21后分为两束，其中一束经第二非偏振分光棱镜22后再次分成两束，另一束经第三非偏振分光棱镜23后也再次分成两束；

所述第二非偏振分光棱镜22出射的两束正交线偏振光，其中一束经第一偏振片41后由第一光电探测器71接收产生参考信号，另一束经第一沃拉斯顿棱镜31后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第一计量光栅61表面；

两束偏振光经由第一计量光栅61的表面衍射后原路返回并入射到第一沃拉斯顿棱镜31，再由第一沃拉斯顿棱镜31出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第二非偏振分光棱镜22，经由第二非偏振分光棱镜22反射到第二偏振片42后，进入第二光电探测器72，得到第一测量信号；

所述第三非偏振分光棱镜23出射的两束正交线偏振光，将其中一束经由第二沃拉斯顿棱镜32分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第二计量光栅62表面，经由第二计量光栅62的表面衍射后原路返回并入射到第二沃拉斯顿棱镜32，再由第二沃拉斯顿棱镜32出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第三非偏振分光棱镜23，经由第三非偏振分光棱镜23反射到第三偏振片43后，进入第三光电探测器73，得到第二测量信号；

所述信号处理单元用于接收第一测量信号与第二测量信号，然后获取两个测量信号与所述参考信号的相位差，并根据两个相位差分别得到第一计量光栅61和第二计量光栅62的位移值。

进一步地，又一种外差干涉光栅位移测量系统，包括双频激光器1、第一非偏振分光棱镜21、第一沃拉斯顿棱镜31、第一偏振片41、第二偏振片42、第三偏振片43、分光镜5、第一计量光栅61、第一光电探测器71、第二光电探测器72、第三光电探测器73以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅61为反射式光栅；

所述双频激光器1发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜21后分为两束，其中一束经第一偏振片41后由第一光电探测器71接收产生参考信号，另一束经第一沃拉斯顿棱镜31后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第一计量光栅61表面；

所述第一计量光栅61用于将对称入射其表面的两束偏振光进行衍射，得到多组相互对称的同级衍射光；

所述分光镜5置于第一沃拉斯顿棱镜31与第一计量光栅61之间，用于对第一计量光栅61衍射后对称出射且相交的两束偏振方向不同的衍射光进行分束，再将自身两侧的出射光分别入射到第二偏振片42与第三偏振片43；

两束出射光分别经由第二偏振片42与第三偏振片43入射到第二光电探测器72与第三光电探测器73，得到两个测量信号；

所述信号处理单元用于获取所述参考信号和任意一个测量信号的相位差，并根据该相位差得到第一计量光栅61的位移值。

可选的，所述分光镜5的分光比为50：50。

可选的，所采用的偏振片的偏振角为45度。

可选的，所采用的沃拉斯顿棱镜的消光比至少为10000：1。

有益效果：

1、本发明提供一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，采用沃拉斯顿棱镜构造完全对称的光路结构，并利用沃拉斯顿棱镜自身分束角较小的特点，配合光栅周期满足一定条件的一维计量光栅，保证了衍射光束能够沿原光路返回，进而使得两种偏振方向的衍射光重新合成一束入射到光电探测器得到测量信号；同时计量光栅采用反射式结构，使得沃拉斯顿棱镜距离计量光栅可以具有较小距离，进一步降低了光束暴露在空气中的光程长度，从而对环境不敏感；由此可见，本发明通过多重设计保证了系统具有更高的稳定性，大幅降低系统的复杂性，有效提高位移测量精度；

此外，本发明的位移测量系统只需使用少量光学元件，配合双频激光器和光电探测器，即可实现对光栅位移的高精度测量，且整个光学元件部分可集成为一个固定单元，便于提高系统的集成度和可靠性；由此可见，本发明充分考虑了位移测量系统在生产和装配中的实际应用问题，尽可能降低了位移测量系统中所使用光学元件数量，使其具有小型化、装调方便的特点。

2、本发明提供一种扩展型对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，通过采用沃拉斯顿棱镜获取两束偏振方向不同的偏振光，再用分光镜使两种偏振方向的衍射光重新合束入射到光电探测器得到测量信号，对一维计量光栅的光栅周期不作具体要求，进一步扩展了该光路的应用范围；同时计量光栅采用反射式结构，使得沃拉斯顿棱镜距离计量光栅可以具有较小距离，进一步降低了光束暴露在空气中的光程长度，从而对对环境不敏感；由此可见，本发明通过多重设计保证了系统具有更高的稳定性，大幅降低系统的复杂性和装配误差，有效提高位移测量精度；

此外，本发明充分考虑了位移测量系统在生产和装配中的实际应用问题，尽可能降低了位移测量系统中所使用光学元件数量，使其具有装调方便的特点。

3、本发明提供一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，采用了具有较高消光比的沃拉斯顿棱镜进行偏振分光，相比传统偏振分光棱镜，其消光比要高出100倍以上；由于外差干涉光栅位移测量系统的非线性误差通常主要来源于由偏振分光棱镜非理想所引起的偏振混叠误差，因此通过本发明中沃拉斯顿棱镜，可有效降低一维和二维外差干涉光栅位移测量系统的非线性误差。

附图说明

图1为本发明提供的一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统的结构示意图；

图2为本发明提供的另一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统的结构示意图；

图3为本发明提供的又一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统的结构示意图；

1-双频激光器、21-第一非偏振分光棱镜、22-第二非偏振分光棱镜、23-第三非偏振分光棱镜、31-第一沃拉斯顿棱镜、32-第二沃拉斯顿棱镜、41-第一偏振片、42-第二偏振片、43-第三偏振片、5-分光镜、61-第一计量光栅、62-第二计量光栅、71-第一光电探测器、72-第二光电探测器、73-第三光电探测器。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例一

参见图1，该图为本实施例提供的一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统的结构示意图。一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，包括双频激光器1、第一非偏振分光棱镜21、第一沃拉斯顿棱镜31、第一偏振片41、第二偏振片42、第一计量光栅61、第一光电探测器71、第二光电探测器72以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅61为反射式光栅，且光栅周期d满足d＝mλ/2sinθ，m为衍射阶次、λ为入射光波长、θ为入射角。

需要说明的是，本实施例所采用的光栅为一维反射式光栅，如在刻蚀后石英基底上镀有金、银或铝等金属的反射式光栅。

所述双频激光器1发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜21反射和透射后分为两束，其中反射光经偏振角为45度的第一偏振片41后产生拍频信号，由第一光电探测器71接收所述拍频信号进而得到参考信号；透射光则直接照射到第一沃拉斯顿棱镜31上，经第一沃拉斯顿棱镜31后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再以相同入射角对称入射到第一计量光栅61表面，以此保证测量系统光路结构的对称性。

为了获得更小的信号周期进而获得更高的位移测量分辨率，可选的，第一沃拉斯顿棱镜31对两束偏振方向不同的偏振光的分束角大于10度，且第一计量光栅61的法线与入射到第一沃拉斯顿棱镜31上的入射光平行；同时，为了保证整个系统具有较小的非线性误差，第一沃拉斯顿棱镜31的消光比应为10000：1或以上。

需要说明的是，正交线偏振光中的水平线偏振光为p波，垂直线偏振光为s波，二者具有一定的频差，用以产生光学拍频信号。

两束偏振光经由第一计量光栅61衍射后原路返回并入射到第一沃拉斯顿棱镜31，再由第一沃拉斯顿棱镜31出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第一非偏振分光棱镜21，经由第一非偏振分光棱镜21反射到偏振角为45度的第二偏振片42后，形成拍频信号，拍频信号再进入第二光电探测器72，进而得到测量信号。

需要说明的是，为了使得两束正交线偏振光经过第一偏振片41后可产生光学拍频信号，从而实现最终的位移测量，可选的，第一偏振片41与第二偏振片42的偏振轴方向相对于水平方向呈45度；同时，第一光电探测器71和第二光电探测器72的信号放大频率范围应能够覆盖两正交线偏振光自身频差及叠加第一计量光栅61运动所引起多普勒频移后的范围，进而满足后端外差信号相位测量要求。

所述信号处理单元用于获取所述参考信号和测量信号的相位差，并根据该相位差得到第一计量光栅61在水平方向或垂直方向的位移值。

本实施例的工作原理为：

当第一计量光栅61静止时，参考信号和测量信号的相位差保持恒定，此时由信号处理单元计算出的光栅位置值为零；当第一计量光栅61发生运动时，测量信号相对参考信号会产生相位差变化，通过该相位差变化的正负及大小，配合第一计量光栅61的光栅周期d即可计算得到第一计量光栅的位移值。

需要说明的是，最终得到第一计量光栅61在水平方向还是在垂直方向的位移值，与整个系统各光学元件的安装方向有关，也与第一计量光栅61所在平面与水平方向的夹角有关，当第一计量光栅61所在平面与水平面平行时，则测量的是第一计量光栅61在X方向的位移值，如图1所示，当第一计量光栅61所在平面垂直于水平面时，则测量的是第一计量光栅61在Y方向的位移值。

由此可见，本实施例采用沃拉斯顿棱镜对称分束原路返回式结构，使得系统具有接近共光程结构的环境干扰抑制能力；于此同时，利用沃拉斯顿棱镜的高消光比特点可有效降低系统的非线性误差影响；此外，系统采用较少的光学元件和对称式布局，可大幅降低系统复杂性和装配误差；也就是说，本实施例的位移测量系统同时具备小型化、高精度、对环境不敏感、非线性误差低等优点。

实施例二

上述实施例只能测量计量光栅在一个方向上产生的位移，为了能够同时测量两个方向上的位移，本实施例提供另一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，将其拓展为二维光栅位移测量系统。

参见图2，该图为本实施例提供的另一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统的结构示意图。本实施例的对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统除了包括上述实施例的各光学元件外，双频激光器1、第一非偏振分光棱镜21、第二非偏振分光棱镜22、第三非偏振分光棱镜23、第一沃拉斯顿棱镜31、第二沃拉斯顿棱镜32、第一偏振片41、第二偏振片42、第三偏振片43、第一计量光栅61、第二计量光栅62、第一光电探测器71、第二光电探测器72、第三光电探测器73以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅61与第二计量光栅62均为反射式光栅，且两者的光栅周期d均满足d＝mλ/2sinθ，m为衍射阶次、λ为入射光波长、θ为入射角，同时，第二计量光栅62垂直于第一计量光栅61。

需要说明的是，由于第一计量光栅61和第二计量光栅62的位移测量是相互独立的，因此，两个计量光栅的周期可以相等也可以不相等。

所述双频激光器1发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜21后发生反射和透射而分为两束，其中透射光经第二非偏振分光棱镜22后再次分成两束，反射光经第三非偏振分光棱镜23后也再次分成两束。

需要说明的是，如图2所示，透射光用于测量第一计量光栅61在X方向的位移，反射光用于测量第二计量光栅62在Y方向的位移。

所述第二非偏振分光棱镜22出射的两束正交线偏振光，其中反射光经偏振角为45度的第一偏振片41后产生拍频信号，由第一光电探测器71接收所述拍频信号进而得到参考信号；透射光则直接照射到第一沃拉斯顿棱镜31上，经第一沃拉斯顿棱镜31后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再以相同入射角对称入射到第一计量光栅61表面；第一沃拉斯顿棱镜31出射的两束偏振光经由第一计量光栅61的表面衍射后原路返回并入射到第一沃拉斯顿棱镜31，再由第一沃拉斯顿棱镜31出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第二非偏振分光棱镜22，经由第二非偏振分光棱镜22反射到偏振角为45度的第二偏振片42后，形成拍频信号，拍频信号再进入第二光电探测器72，进而得到第一测量信号。

所述第三非偏振分光棱镜23出射的两束正交线偏振光，将透射光经由第二沃拉斯顿棱镜32分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再以相同角度对称入射到第二计量光栅62表面，经由第二计量光栅62的表面衍射后原路返回并入射到第二沃拉斯顿棱镜32，再由第二沃拉斯顿棱镜32出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第三非偏振分光棱镜23，经由第三非偏振分光棱镜23反射到偏振角为45度的第三偏振片43后，形成拍频信号，拍频信号再进入第三光电探测器73，进而得到第二测量信号。

所述信号处理单元用于分别获取第一测量信号和第二测量信号与参考信号的相位差，并根据两个相位差分别得到第一计量光栅61和第二计量光栅62在水平方向或垂直方向的位移值。

由此可见，本实施例的对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，所用于测量X和Y方向位移的光路结构相同，均是采用经沃拉斯顿棱镜分光后对称出射，经计量光栅衍射后原路返回的光路结构，同时，本实施例的测量系统共用同一个参考信号，而X与Y方向分别使用各自测量信号，即可测量X或Y方向单独运动位移，也可测量两个方向同时运动的位移。

实施例三

以上实施例所采用的计量光栅的光栅周期需要满足d＝mλ/2sinθ，才能保证两束±m级衍射光能够沿原光路返回；然而，现有的反射式光栅的光栅周期并不一定满足上述条件；因此，本实施例提供一种通用性更强的对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，其所用的计量光栅不需满足特定光栅周期约束条件，只需满足能够产生对称出射且相交的两束衍射光，且衍射光强能够满足相位测量的信噪比要求即可，同时适用于特定周期和任意周期的计量光栅。

参见图3，该图为本实施例提供的一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统的结构示意图。一种对称式紧凑型外差干涉光栅位移测量系统，包括双频激光器1、第一非偏振分光棱镜21、第一沃拉斯顿棱镜31、第一偏振片41、第二偏振片42、第三偏振片43、分光镜5、第一计量光栅61、第一光电探测器71、第二光电探测器72、第三光电探测器73以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅61为反射式光栅。

所述双频激光器1发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜21反射和透射后分为两束，其中反射光经偏振角为45度的第一偏振片41后产生拍频信号，由第一光电探测器71接收所述拍频信号进而得到产生参考信号；透射光则直接照射到第一沃拉斯顿棱镜31上，经第一沃拉斯顿棱镜31后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再以相同入射角入射到第一计量光栅61表面。

所述第一计量光栅61用于将入射其表面的两束偏振光进行衍射，得到多组相互对称的同级衍射光；

需要说明的是，为了保证后续得到的两个测量信号具有最大对比度，分光镜5的分光比为50：50。

所述分光镜5置于第一沃拉斯顿棱镜31与第一计量光栅61之间，即在第一计量光栅61得到的衍射光路中，分光镜5用于对第一计量光栅61衍射后对称出射且相交的两束不同偏振成分衍射光进行分束，然后令自身两侧的出射光分别入射到第二偏振片42与第三偏振片43，并分别经由偏振角为45度的第二偏振片42和第三偏振片43后产生拍频信号，其中，所述出射光由两个偏振方向不同的衍射光合成。需要说明的是，被选取的出射方向相交的衍射光是从分光镜5的两侧对称入射到分光镜5。

两束出射光，即两路拍频信号分别经由第二偏振片42与第三偏振片43入射到第二光电探测器72与第三光电探测器73，得到两个测量信号。

所述信号处理单元用于获取所述参考信号和任意一个测量信号的相位差，并根据该相位差得到第一计量光栅61在水平方向或垂直方向的位移值。

可选的，上述实施例中所采用的计量光栅的光栅基底材料优选低热膨胀系数的石英或零热膨胀系数的玻璃，光栅表面镀膜材料优选金或铝金属，这样可以更好地保证测量基准稳定可靠，减小环境温度、湿度等变化对系统稳定性的影响。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种外差干涉光栅位移测量系统，其特征在于，包括双频激光器(1)、第一非偏振分光棱镜(21)、第一沃拉斯顿棱镜(31)、第一偏振片(41)、第二偏振片(42)、第一计量光栅(61)、第一光电探测器(71)、第二光电探测器(72)以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅(61)为反射式光栅，且光栅周期d满足d＝mλ/2sinθ，m为衍射阶次、λ为入射光波长、θ为入射角；

所述双频激光器(1)发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜(21)后分为两束，其中一束经第一偏振片(41)后由第一光电探测器(71)接收产生参考信号，另一束经第一沃拉斯顿棱镜(31)后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第一计量光栅(61)表面；

两束偏振光经由第一计量光栅(61)的表面衍射后原路返回并入射到第一沃拉斯顿棱镜(31)，再由第一沃拉斯顿棱镜(31)出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第一非偏振分光棱镜(21)，经由第一非偏振分光棱镜(21)反射到第二偏振片(42)后，进入第二光电探测器(72)，得到测量信号；

所述信号处理单元用于获取所述参考信号和测量信号的相位差，并根据该相位差得到第一计量光栅(61)的位移值。

2.一种外差干涉光栅位移测量系统，其特征在于，包括双频激光器(1)、第一非偏振分光棱镜(21)、第二非偏振分光棱镜(22)、第三非偏振分光棱镜(23)、第一沃拉斯顿棱镜(31)、第二沃拉斯顿棱镜(32)、第一偏振片(41)、第二偏振片(42)、第三偏振片(43)、第一计量光栅(61)、第二计量光栅(62)、第一光电探测器(71)、第二光电探测器(72)、第三光电探测器(73)以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅(61)与第二计量光栅(62)均为反射式光栅，且两者的光栅周期d均满足d＝mλ/2sinθ，m为衍射阶次、λ为入射光波长、θ为入射角，同时，第二计量光栅(62)垂直于第一计量光栅(61)；

所述双频激光器(1)发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜(21)后分为两束，其中一束经第二非偏振分光棱镜(22)后再次分成两束，另一束经第三非偏振分光棱镜(23)后也再次分成两束；

所述第二非偏振分光棱镜(22)出射的两束正交线偏振光，其中一束经第一偏振片(41)后由第一光电探测器(71)接收产生参考信号，另一束经第一沃拉斯顿棱镜(31)后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第一计量光栅(61)表面；

两束偏振光经由第一计量光栅(61)的表面衍射后原路返回并入射到第一沃拉斯顿棱镜(31)，再由第一沃拉斯顿棱镜(31)出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第二非偏振分光棱镜(22)，经由第二非偏振分光棱镜(22)反射到第二偏振片(42)后，进入第二光电探测器(72)，得到第一测量信号；

所述第三非偏振分光棱镜(23)出射的两束正交线偏振光，将其中一束经由第二沃拉斯顿棱镜(32)分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第二计量光栅(62)表面，经由第二计量光栅(62)的表面衍射后原路返回并入射到第二沃拉斯顿棱镜(32)，再由第二沃拉斯顿棱镜(32)出射包含两种偏振方向的偏振光，该偏振光再次入射到第三非偏振分光棱镜(23)，经由第三非偏振分光棱镜(23)反射到第三偏振片(43)后，进入第三光电探测器(73)，得到第二测量信号；

所述信号处理单元用于接收第一测量信号与第二测量信号，然后获取两个测量信号与所述参考信号的相位差，并根据两个相位差分别得到第一计量光栅(61)和第二计量光栅(62)的位移值。

3.一种外差干涉光栅位移测量系统，其特征在于，包括双频激光器(1)、第一非偏振分光棱镜(21)、第一沃拉斯顿棱镜(31)、第一偏振片(41)、第二偏振片(42)、第三偏振片(43)、分光镜(5)、第一计量光栅(61)、第一光电探测器(71)、第二光电探测器(72)、第三光电探测器(73)以及信号处理单元，其中，所述第一计量光栅(61)为反射式光栅；

所述双频激光器(1)发出的正交线偏振光，经第一非偏振分光棱镜(21)后分为两束，其中一束经第一偏振片(41)后由第一光电探测器(71)接收产生参考信号，另一束经第一沃拉斯顿棱镜(31)后分为两束偏振方向不同的偏振光，两束偏振光作为所述入射光再对称入射到第一计量光栅(61)表面；

所述第一计量光栅(61)用于将对称入射其表面的两束偏振光进行衍射，得到多组相互对称的同级衍射光；

所述分光镜(5)置于第一沃拉斯顿棱镜(31)与第一计量光栅(61)之间，用于对第一计量光栅(61)衍射后对称出射且相交的两束偏振方向不同的衍射光进行分束，再将自身两侧的出射光分别入射到第二偏振片(42)与第三偏振片(43)；

两束出射光分别经由第二偏振片(42)与第三偏振片(43)入射到第二光电探测器(72)与第三光电探测器(73)，得到两个测量信号；

所述信号处理单元用于获取所述参考信号和任意一个测量信号的相位差，并根据该相位差得到第一计量光栅(61)的位移值。

4.如权利要求1～3任一权利要求所述的一种外差干涉光栅位移测量系统，其特征在于，所述分光镜(5)的分光比为50：50。

5.如权利要求1～3任一权利要求所述的一种外差干涉光栅位移测量系统，其特征在于，所采用的偏振片的偏振角为45度。

6.如权利要求1～3任一权利要求所述的一种外差干涉光栅位移测量系统，其特征在于，所采用的沃拉斯顿棱镜的消光比至少为10000：1。