CN111964587B - 检测系统、检测方法及光栅尺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测系统、检测方法及光栅尺，其中，检测系统包括：光源模块，用于提供检测光束；分光模块，用于接收所述检测光束并进行分光处理以生成若干第一光束和若干第二光束；参考光栅模块，用于对所述第一光束进行调制并生成参考光；检测光栅模块，用于对所述第二光束进行调制并生成检测光；测量模块，用于对由所述参考光、所述检测光发生干涉所产生的相干光进行检测处理得到相干信息；根据所述相干信息得到检测光栅模块的位移变化量。该检测系统结构简单，受环境影响较小，能够实现高精度测量。

Description

检测系统、检测方法及光栅尺

技术领域

本发明涉及精密测量领域，尤其是涉及一种检测系统、检测方法及光栅尺。

背景技术

光栅尺测距方法被广泛应用于器件的微位移检测，且具有精度高及受环境影响小等优点。光栅尺的长度决定了相应测量装置的量程，但由于加工技术以及材料本身因素的影响，难以得到单块长尺度光栅尺。

通常采用多块小尺度光栅拼接的方式来制备长尺度光栅，但这种方法的难点在于如何保证各光栅的姿态一致性，现有光栅方法繁琐，结构复杂，可行性较低。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种检测系统，该检测系统结构简单，受环境影响较小，能够实现高精度测量。

本发明还提出一种具有上述检测系统的检测方法。

本发明还提出一种具有上述检测系统的光栅尺。

根据本发明第一方面提出的检测系统，包括：

光源模块，用于提供检测光束；

分光模块，用于接收所述检测光束并进行分光处理以生成若干第一光束和若干第二光束；

参考光栅模块，用于对所述第一光束进行调制并生成参考光；

检测光栅模块，用于对所述第二光束进行调制并生成检测光；

测量模块，用于对由所述参考光、所述检测光发生干涉所产生的相干光进行检测处理得到相干信息；

根据所述相干信息得到检测光栅模块的位移变化量。

根据本发明第一方面的检测系统，至少具有如下有益效果：利用光栅的光学原理，通过将参考光栅模块生成的参考光作为参照，对检测光栅模块生成的检测光进行光栅位移的检测，可以保证各检测光栅的姿态一致性，得到准确的位移变化量，实现高精度、误差小的器件微距位移测量。

根据本发明的一些实施例，所述光源模块包括：若干光源，用于产生初始光束；若干扩束镜，用于所述初始光束进行扩束处理并产生初始准直光束；若干光阑，用于调节所述初始准直光束的有效面积；若干线偏振片，用于对所述初始准直光束进行偏振处理并形成检测光束。

根据本发明的一些实施例，所述分光模块包括：偏振分光棱镜，用于对检测光束进行分光处理以生成若干所述第一光束和若干所述第二光束；分光平板，设置于所述偏振分光棱镜、所述检测光栅之间，用于所述第二光束进行分光处理；第二四分之一波片，设置于所述分光平板与所述偏振分光棱镜之间。

根据本发明的一些实施例，所述参考光栅模块包括：参考光栅，对所述第一光束进行调制；若干块直角参考反射棱镜，包括第一直角参考反射棱镜和第二直角参考反射棱镜，所述第一直角参考反射棱镜与所述第二直角参考反射棱镜设置于所述参考光栅和所述分光模块之间，所述第一直角参考反射棱镜与所述第二直角参考反射棱镜关于所述参考光栅的中心轴对称。

根据本发明的一些实施例，所述检测光栅模块包括：若干块检测光栅，对所述第二光束进行调制；若干块直角检测反射棱镜，包括第一直角检测反射棱镜和第二直角检测反射棱镜，所述第一直角检测反射棱镜与所述第二直角检测反射棱镜设置于所述检测光栅和所述分光模块之间，所述第一直角检测反射棱镜与所述第二直角检测反射棱镜关于所述检测光栅的中心轴对称。

根据本发明的一些实施例，所述测量模块包括：位移测量模块，用于对所述相干光进行检测处理并得到位移变化量；角度测量模块，用于对所述相干光进行检测处理并得到角位移变化量。

根据本发明的一些实施例，所述位移测量模块包括：非偏振分光棱镜，用于对所述参考光、所述检测光进行分光处理；第三四分之一波片，用于对所述检测光进行相位调制；第一偏振片，用于对所述参考光、所述检测光进行调制处理并产生第一相干光束；第一光电探测器，用于对所述第一相干光束进行检测；第二偏振片，用于对所述参考光、所述检测光进行调制处理并产生第二相干光束；第二光电探测器，用于对所述第二相干光束进行检测；其中，所述非偏振分光棱镜至少设有两个相邻表面，包括第一子表面和第二子表面，所述第一偏振片与所述第一子表面相对设置，所述第二偏振片与所述第二子表面相对设置。

根据本发明的一些实施例，所述角度测量模块包括：若干反射棱镜，用于调节所述相干光束的传播路径；若干聚焦凸透镜，用于将所述相干光束进行聚焦处理；若干光电探测器，用于检测所述相干光束并生成角度变化量。

根据本发明第二方面提出的检测方法，所述方法应用于本发明第一方面提出的检测系统。

根据本发明第二方面提出的检测方法，至少具有如下有益效果：利用光栅的光学原理，通过将参考光栅模块生成的参考光作为参照，对检测光栅模块生成的检测光进行光栅位移的检测，可以保证各检测光栅的姿态一致性，得到准确的位移变化量，实现高精度、误差小的器件微距位移测量。

根据本发明第三方面提出的光栅尺，包括根据本发明第一方面提出的检测系统。

根据本发明第三方面提出的检测方法，至少具有如下有益效果：利用光栅的光学原理，通过将参考光栅模块生成的参考光作为参照，对检测光栅模块生成的检测光进行光栅位移的检测，可以保证各检测光栅的姿态一致性，得到准确的位移变化量，实现高精度、误差小的器件微距位移测量。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明实施例的检测系统的结构示意图；

图2为本发明实施例的光源模块的结构示意图；

图3为本发明实施例的分光模块的结构示意图；

图4为本发明实施例的参考光栅模块的结构示意图；

图5为本发明实施例的检测光栅模块的结构示意图；

图6为本发明实施例的测量模块的结构示意图；

图7为本发明实施例的位移测量模块的结构示意图；

图8为本发明实施例的角度测量模块的结构示意图；

附图标记：光源模块100、光源110、第一光源111、第二光源112、扩束镜120、第一扩束镜121、第二扩束镜122、光阑130、第一光阑131、第二光阑132、线偏振片140、反射棱镜150、分光模块200、偏振分光棱镜210、分光平板220、第一四分之一波片230、第二四分之一波片240、参考光栅模块300、参考光栅310、直角参考反射棱镜320、检测光栅模块400、检测光栅410、直角检测反射棱镜420、测量模块500、位移测量模块510、非偏振分光棱镜511、第三四分之一波片512、第一偏振片513、第一光电探测器514、第二偏振片515、第二光电探测器516、角度测量模块520、反射棱镜521、聚焦凸透镜522、光电探测器523。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

参照图1，示出了本发明第一方面提出的检测系统，包括：光源模块100，用于提供检测光束。其中，检测光束可以为检测系统的初始光束。光源模块100可以包括若干光源，若干光源分别可以提供若干等功率的检测光束。

分光模块200，用于接收检测光束并进行分光处理以生成若干第一光束和若干第二光束。其中，若干第一光束和若干第二光束可以为同规格的不同光束。其中，图1中标注的PBS可以表示为偏振分光棱镜，该偏振分光棱镜可以用于对检测光束并进行分光处理。通过分光模块200可以将光源模块产生的检测光束进行分光处理，使其分别射向不同的光栅模块，以获得对应参考光、检测光，并通过分析参考光、检测光所形成的相干光，从而得到位移变化量。

参考光栅模块300，用于对第一光束进行调制并生成参考光。其中，参考光可以为若干束。参考光栅模块300可以将第一光束衍射，由此可以生成若干参考光。上述若干参考光可以作为检测系统的检测参照光，用于与检测光栅模块400生成的检测光进行比对测量。

检测光栅模块400，用于对第二光束进行调制并生成检测光。其中，检测光可以为若干束。检测光栅模块400可以将第二光束衍射，由此可以生成若干检测光。上述若干检测光可以用于与若干参考光进行比对，得到测量结果。

测量模块500，测量模块，用于对由参考光、检测光发生干涉所产生的相干光进行检测处理得到相干信息；根据相干信息得到检测光栅模块的位移变化量。其中，位移变化量可以是检测光栅模块400中检测光栅的位移大小，相干光可以由参考光和检测光发生干涉得到。其中，图1中标注的NPBS可以表示为非偏振分光棱镜，该非偏振分光棱镜可以用于对参考光和检测光分别进行分光处理。测量模块500可以对相干光进行检测处理得到相干信息，最后可以通过计算得到检测系统对应的位移变化量。

上述检测系统，利用光栅的光学原理，通过将参考光栅模块生成的参考光作为参照，对检测光栅模块生成的检测光进行光栅位移的检测，可以保证各检测光栅的姿态一致性，得到准确的位移变化量，实现高精度、误差小的器件微距位移测量。

参照图2，示出了光源模块100的结构，包括：若干光源110，用于产生初始光束。其中，初始光束可以为若干束。可选的，假设若干光源110分别为第一光源111和第二光源112，第一光源111和第二光源112可以分别由由两个同规格激光二极管产生得到初始光束。

若干扩束镜120，用于对初始光束进行扩束处理并产生初始准直光束。其中，扩束镜120可以对应于若干光源110设置若干个；初始准直光束可以为通过扩束镜的扩束处理将若干光源准直得到平行光束。可选的，假设若干光源为第一光源111和第二光源112，则扩束镜120可以分别为第一扩束镜121和第二扩束镜122。具体的，第一扩束镜121可以将第一光源111发出的光束准直为平行光束，产生第一初始准直光束；第二扩束镜122可以将第二光源112发出的光束准直为平行光束，产生第二初始准直光束。

若干光阑130，用于调节初始准直光束的有效面积。其中，初始准直光束的有效面积可以为初始准直光束中进入检测系统进行检测的有效光束的面积。为使得检测结果更准确，可以通过光阑130将若干初始准直光束的有效面积调节为若干等径光束。可选的，假设初始准直光束分别为第一初始准直光束和第二初始准直光束，而光阑130分别设为第一光阑131和第二光阑132。可以通过第一光阑131将第一初始准直光束的有效面积进行调节，通过第二光阑132将第二初始准直光束的有效面积进行调节，使得二者成为等径光束。

若干线偏振片140，用于对初始准直光束进行偏振处理并形成检测光束。可选的，为控制调节有效面积之后的第一初始准直光束和第二初始准直光束的透过，可以对第一初始准直光束和第二初始准直光束进行偏振处理，得到检测光束为第一检测光束和第二检测光束。具体的，如图2所示，第一初始准直光束可以经过直角反射棱镜150后与第二初始准直光束平行，直角反射棱镜150用于改变第一初始准直光束的传播方向。通过线偏振片140对第一初始准直光束和第二初始准直光束分别进行偏振处理得到第一检测光束、第二检测光束，其中，第一检测光束、第二检测光束为等功率、等半径、偏振方向相同的两束线偏振光。

通过光源模块中的若干光源、扩束镜、光阑和线偏振片，可以对第一检测光束、第二检测光束的传播路径、有效面积、偏振态进行有效调制，从而可以降低检测误差。

参照图3，示出了分光模块的结构，分光模块200包括：

偏振分光棱镜210，用于对检测光束进行分光处理以生成若干第一光束和若干第二光束。偏振分光棱镜可以根据需求设置。可选的，检测光束包括：第一检测光束、第二检测光束。通过偏振分光棱镜210对光源模块100产生的第一检测光束、第二检测光束进行分光处理，例如，可以将第一检测光束、第二检测光束分为等功率透射p光和反射s光。图3中标注的PBS可以表示为偏振分光棱镜。如图3所示，假设检测光束分别为第一检测光束和第二检测光束，则可以通过偏振分光棱镜，将第一检测光束分为等功率的第一透射p光和第一反射s光，将第二检测光束分为等功率的第二透射p光和第二反射s光。第一光束可以包括第一反射s光和第二反射s光，第二光束可以包括第一透射p光和第二透射p光。可以将第一光束射向参考光栅模块400，可以将第二光束射向检测光栅模块500。

分光平板220，设置于偏振分光棱镜210和检测光栅500之间，用于对第二光束进行分光处理。可选的，在设置分光平板220时，可以将分光平板220于偏振分光棱镜210和检测光栅500之间45°放置。

第一四分之一波片230，设置于偏振分光棱镜210和参考光栅模块300之间。其中，第一四分之一波片230用于对射向参考光栅模块300的第一光束进行相位处理，以调节第一光束的偏振态。第一四分之一波片230可以设于偏振分光棱镜210和参考光栅模块300之间，第一四分之一波片230与参考光栅模块300平行设置，且两者的轴向夹角为45°。第一光束可以通过第一四分之一波片230变为圆偏振光，然后射向参考光栅模块300。

第二四分之一波片240，设置于分光平板220与偏振分光棱镜210之间。其中，第二四分之一波片240可以用于对射向检测光栅模块400的第二光束进行相位处理，以调节第二光束的偏振态。第二四分之一波片240可以设于分光平板220与偏振分光棱镜210之间，第二四分之一波片240与偏振分光冷静210平行设置，且两者的轴向夹角为45°。第二光束可以通过第二四分之一波片240变为圆偏振光，然后射向检测光栅模块400。通过设置分光模块中的偏振分光棱镜、分光平板、第一四分之一波片和第二四分之一波片，偏振分光以分成不同偏振态的检测光束，并第一四分之一波片和第二四分之一波片对第一光束、第二光束进行偏振调节或相位调制得到第一光束、第二光束，可以对光源模块提供的检测光束进行合理调制，使得检测光束分别射向参考光栅模块和检测光栅模块。并通过第一光束、第二光束进行检测光栅位移变化量检测。

在一些实施例中，在检测系统开始检测之前，可以通过分光平板220对第二光束进行分光处理，并通过光束位置检测装置对第二光束的入射方向进行位置检测，判断第二光束的入射位置是否为分光平板的中心位置，从而可以保证第二光束射向检测光栅模块400的中心位置，使得检测结果更准确。

参考图4，示出了参考光栅模块300的结构，包括：参考光栅310，对所述第一光束进行调制。参考光栅310可以用于将入射光束(即第一光束)在参考光栅表面发生衍射并生成若干束衍射光，若干束衍射光在参考光栅表面发生反射。可选的，参考光栅310可以将参考光栅模块300的入射光束衍射为原光路返回的0阶光、x方向两束±1阶衍射光、y方向两束阶衍射光。

在一些实施例中，参考光栅310可以为反射光栅，反射光栅为：在高反射率的金属上镀上一层金属膜，并在镜面金属膜上刻划一系列平行等宽、等距的刻线)，刻线宽度、距离调整以适应不同的精度要求。

若干块直角参考反射棱镜320，包括第一直角参考反射棱镜321与第二直角参考反射棱镜322，第一直角参考反射棱镜321与第二直角参考反射棱镜322设置于参考光栅310和分光模块200之间，第一直角参考反射棱镜321与第二直角参考反射棱镜322关于参考光栅310的中心轴对称。如图4所示，将第一直角参考反射棱镜321与第二直角参考反射棱镜322设置于参考光栅310和分光模块200之间，且第一直角参考反射棱镜321与第二直角参考反射棱镜322关于参考光栅310的中心轴对称，可以控制入射的第一光束的传输方向。可选的，若干块直角参考反射棱镜320可以将参考光栅310衍射得到的原光路返回的±1阶衍射光变为平行光束，最后成为射向测量模块500的p偏振光。测量模块500可以将该p偏振光作为参考数据进行检测得到位移变化量。通过参考光栅模块中的参考光栅对第一光束发生衍射并反射，然后通过若干块直角参考反射棱镜对参考光栅反射得到的光束进行调制得到若干束平行光，使其作为参考光射向位移测量模块进行位移变化量的检测。

参照图5，示出了检测光栅模块400的结构，包括：

若干块检测光栅410，对所述第二光束进行调制。其中，若干块检测光栅410可以为若干块拼接光栅。若干块检测光束410可以用于将入射光束(即第二光束)在拼接光栅表面发生衍射并生成若干束衍射光，若干束衍射光在在拼接光栅表面发生反射。可选的，若干块检测光栅410可以将检测光栅模块400的入射光束衍射为原光路返回的0阶光、x方向两束±1阶衍射光、y方向两束阶衍射光。

在一些实施例中，检测光栅410可以为反射光栅，反射光栅为：在高反射率的金属上镀上一层金属膜，并在镜面金属膜上刻划一系列平行等宽、等距的刻线)，刻线宽度、距离调整以适应不同的精度要求。

若干块直角检测反射棱镜420，包括第一直角检测反射棱镜421与第二直角检测反射棱镜422，第一直角检测反射棱镜421与第二直角检测反射棱镜422设置于检测光栅410和分光模块200之间，第一直角检测反射棱镜421与第二直角检测反射棱镜422关于所述检测光栅410的中心轴对称。如图4所示，将第一直角检测反射棱镜421与第二直角检测反射棱镜422设置于检测光栅410和分光模块200之间，且第一直角检测反射棱镜421与第二直角检测反射棱镜422关于检测光栅410的中心轴对称，可以控制入射的第二光束的传输方向。可选的，若干块直角检测反射棱镜420可以将检测光栅410衍射得到的原光路返回的±1阶衍射光，经过若干块直角检测反射棱镜420变为平行光束。然后可以将所得平行光束再次通过分光平板220被分为反射光和透射光，可以将所得反射光和透射光射向测量模块500，测量模块500可以将该反射光和透射光作为测量数据，与参考光栅模块300所得的参考数据进行比对检测得到位移变化量。通过检测光栅模块中的检测光栅对第二光束发生衍射并反射，通过若干块直角检测反射棱镜对参考光栅反射得到的光束进行调制得到若干束平行光，然后通过分光平板的分光处理，使其作为检测光射向位移测量模块进行位移变化量的检测。。

参考图6，示出了测量模块500的结构，包括：

位移测量模块510，用于对相干光进行检测处理并得到位移量。其中，相干光可以由所述参考光、所述检测光发生干涉得到。图6中标注的NPBS可以表示为非偏振分光棱镜。位移量可以是检测光栅410发生位置移动变化的数值，可以通过位移测量模块510检测处理得到位移量。可选的，位移测量模块510可以通过若干光电探测器来检测处理得到位移量。

角度测量模块520，用于对相干光进行检测处理并得到角度量。其中，角度量可以是检测光栅410发生角度变化的数值，可以通过角度测量模块510检测处理得到角度量。可选的，角度测量模块520可以通过若干光电探测器来检测处理得到角度量。通过设置位移测量模块和角度测量模块，分别检测检测光栅的位移变化情况和角度变化情况，从而可以分别得到检测光栅的位移量和角度量，实现从多维度对检测光栅的位移变化量的检测。

参照图7，位移测量模块510包括：

非偏振分光棱镜511，用于对参考光、检测光进行分光处理。非偏振分光棱镜511可以根据需求设置。图7中标注的NPBS可以表示为非偏振分光棱镜。可选的，非偏振分光棱镜511可以将检测光和参考光均分为相等的两部分光，使其分别射向第一光电探测器514和第二光电探测器516。

第三四分之一波片512，用于对参考光、检测光进行相位调制。可选的，第三四分之一波片可以设置于第一光电探测器514与非偏振分光棱镜511之间，用于对分光处理后的参考光和检测光进行相位调制。具体的，可以是将第三四分之一波片0°放置于第一光电探测器514和非偏振分光棱镜511之间，使得参考光、检测光经过第三四分之一波片后相位发生90°延迟。

第一偏振片513，用于对参考光、检测光进行调制处理并产生第一相干光束。可选的，第一偏振片513可以设置于第三四分之一波片512和第一光电探测器514之间。当参考光、检测光通过第三四分之一波片512的相位调制后，参考光、检测光可以在第一偏振片513处发生干涉，由此产生第一相干光束。

第一光电探测器514，用于对第一相干光束进行检测。可选的，可以由第一光电探测器514接收干涉信号，即接收第一相干光束，并对第一相干光束进行检测处理。具体的，假设光束在第一光电探测器514处电流强度为I_AX+1，I_AX-1，I_BX+1，I_BX-1，I_AY+1，I_AY-1，I_BY+1，I_BY-1，假设检测光栅在三个平移自由度上的位移量分别为Δx，Δy，Δz，则Δx，Δy，Δz与电流强度的关系如下：

通过上述公式①、②、③可以计算得到位移量Δx，Δy，Δz，完成对第一相干光束的检测，得到检测光栅的位移量Δx，Δy，Δz。

第二偏振片515，用于对参考光、检测光进行调制处理并产生第二相干光束。可选的，第二偏振片515可以设置于非偏振分光棱镜511和第二光电探测器516之间。当参考光、检测光通过非偏振分光棱镜511分光处理后，参考光、检测光可以在第二偏振片515处发生干涉，由此产生第二相干光束。

第二光电探测器516，用于对第二相干光束进行检测。可选的，可以由第二光电探测器516接收干涉信号，即接收第二相干光束，并对第二相干光束进行检测处理。具体的，假设光束在第二光电探测器516处电流强度为I_AX+1，I_AX-1，I_BX+1，I_BX-1，I_AY+1，I_AY-1，I_BY+1，I_BY-1，假设检测光栅在三个平移自由度上的位移量分别为Δx，Δy，Δz，则Δx，Δy，Δz与电流强度的关系可以通过上述公式①、②、③计算得到，则可以依次计算得到位移量Δx，Δy，Δz，完成对第二相干光束的检测，得到检测光栅的位移量Δx，Δy，Δz。

其中，非偏振分光棱镜至少设有两个相邻表面，包括第一子表面和第二子表面，第一偏振片与所述第一子表面相对设置，第二偏振片与第二子表面相对设置。如图7所示，非偏振分光棱镜511的两个相邻表面中，第一子表面可以对应第一偏振片513，第二子表面可以对应第二偏振片515。由此可以分别由第一偏振片513和第二偏振片515将非偏振分光棱镜511分光处理得到的光束进行调制处理。通过设置位移测量模块中的非偏振分光棱镜、第三四分之一波片、第一偏振片、第二偏振片、第一光电探测器和第二光电探测器，可以检测得到检测光栅的位移量。

请一并参照图6与图8，示出了角度测量模块520的结构，包括：

若干反射棱镜521，用于调节相干光束的传播路径。反射棱镜521的数量可以根据需求设置。可选的，假设若干反射棱镜521可为四块，则四块反射棱镜可以分别用于调节四束相干光束的传播路径，假设四束相干光束分别为-1阶光-1B和+1阶光+1A，则-1阶光-1B和+1阶光+1A在四块直角反射镜521处分别发生反射。如图8所示，四块反射棱镜可以将四束相干光束的传播路径更改90°，使得其传输方向发生直角偏转。

若干聚焦凸透镜522，用于将相干光束进行聚焦处理。聚焦凸透镜522的数量可以根据需求设置。可选的，假设共形成六束相干光束，则可以设置六块聚焦凹透镜。则可以分别根据六块聚焦凸透镜522对六束相干光束进行聚焦处理，使其聚焦于相应的光电探测器523。例如，六束相干光束可以经过聚焦凸透镜522和分别聚焦于光电探测器523中。

若干第三光电探测器523，用于检测相干光束并生成角度量。其中，第三光电探测器523可以根据相干光束的数量进行设置。可选的，假设有六束相干光束，则可以对应设置六个第三光电探测器523，则可以分别根据六个第三光电探测器523进行检测处理。具体的，当检测光栅410发生三个旋转自由度上的角度变化时，相应第三光电探测器523上的光斑位置会发生变化。获得两个第三光电探测器523的数据即可求解得到检测光栅410的角度变化，如：假设三个旋转自由度上的角度变化分别为θ_x,θ_y和θ_z，通过接收0阶光的第三光电探测器523可求解得到θ_x和θ_y，通过接收1阶光的第三光电探测器523可求解得到θ_z。第三光电探测器上光斑位置变化量和三轴角度变化量有如下关系：

通过上述公式①、②和③，可以计算得到检测光栅410发生三个旋转自由度上的角度变化，得到θ_x,θ_y和θ_z，则可以检测得到角度量分别为θ_x,θ_y和θ_z。通过角度检测模块中的若干反射棱镜、若干聚焦凸透镜和若干第三光电探测器，可以实现对检测光栅410的角度变化量进行检测，得到准确的角度量。

根据本发明第二方面提出的检测方法，该检测方法应用于本发明第一方面提出的检测系统。下面以一个具体的实施例说明该检测方法，但并不对该检测方法进行限定，该检测方法包括：

(1)获取测量模块的初始读数。

(2)当检测光栅发生位移，获取测量模块的当前读数，根据初始读数和当前读数计算得到位移变化量。

其中，相邻的检测光栅具有六个自由度差值(Δz，θ_x，θ_y，θ_z，Δx和Δy)；或者，至少具有四个自由度差值(Δz，θ_x，θ_y，θ_z)。

(1)获取测量模块的初始读数，实现校准；

将第一块检测光栅姿态调整好，直至两光源模块的衍射光均出现良好的干涉。假设检测系统的两个光斑均在第一块检测光栅上，假设共六个光电探测器，六个光电探测器均有初始读数，分别为：

Δx_1a,Δy_1a,Δx_2a,Δy_2a,Δx_3a,Δy_3a,Δx_4a,Δy_4a,Δx_5a,Δy_5a,Δx_6a,Δy_6a。

假设水平移动检测光栅至上述光斑跨过两块检测光栅，应当注意，第二块检测光栅与第一块检测光栅理应有六个自由度差值，但只需考虑Δz，θ_x，θ_y，θ_z，因为两块检测光栅Δx和Δy的差值并不会影响检测光栅的性能。

(2)当检测光栅发生位移，获取测量模块的当前读数，根据初始读数和当前读数计算得到位移变化量。

由于在平移过程中，光栅姿态会发生变化，所以可以调整第一块检测光栅姿态使之等于初始数据，即：

Δx_1b＝Δx_1a

Δy_1b＝Δy_1a

Δx_2b＝Δx_2a

Δy_2b＝Δy_2a

Δx_4b＝Δx_4a

Δy_4b＝Δy_4a

第二块光栅调整步骤如下：

①首先调整θ_x，θ_y，即将0阶光调整到位，此时只需

Δx_6b＝Δx_6a

Δy_6b＝Δy_6a

②再调整θ_z,即将+1A阶光调整到位，此时需

Δx_5b＝Δx_5a

Δy_5b＝Δy_5a

③最后调整Δz，即将-1A阶光调整到位，此时需

Δx_4b＝Δx_4a

Δy_4b＝Δy_4a

至此第一第二块光栅姿态调整一致。

(3)继续平移拼接光栅至两个光斑均照射在第二块拼接光栅上，此时记录光电探测器的数据，并作为初始数据，重复上述步骤直至拼接完成。

上述检测方法，通过使用第一方面提出的检测系统，可以实现高精度的精密测量。

第三方面，本发明提出了一种光栅尺，包括本发明第一方面的检测系统。例如，在数控机床中利用包括本发明第一方面的检测系统的光栅尺于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，可以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。通过上述检测系统，利用光栅的光学原理工作，可以进行器件微距位移检测，达到高精度、误差小的检测效果。

以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.检测系统，其特征在于，包括：

光源模块，用于提供检测光束；

分光模块，用于接收所述检测光束并进行分光处理以生成若干第一光束和若干第二光束；

参考光栅模块，用于对所述第一光束进行调制并生成参考光；

检测光栅模块，用于对所述第二光束进行调制并生成检测光，所述检测光栅模块包括若干块直角检测反射棱镜，若干块直角检测反射棱镜将检测光栅衍射得到的原光路返回的±1阶衍射光变成平行光束；

测量模块，用于对由所述参考光、所述检测光发生干涉所产生的相干光进行检测处理得到相干信息；根据所述相干信息得到检测光栅模块的位移变化量，

所述测量模块包括：

位移测量模块，用于对所述相干光进行检测处理并得到位移量；

角度测量模块，用于对所述相干光进行检测处理并得到角度量；

所述位移测量模块包括：

非偏振分光棱镜，用于对所述参考光、所述检测光进行分光处理；

第三四分之一波片，用于对所述参考光、所述检测光进行相位调制；

第一偏振片，用于对所述参考光、所述检测光进行调制处理并产生第一相干光束；

第一光电探测器，用于对所述第一相干光束进行检测；

第二偏振片，用于对所述参考光、所述检测光进行调制处理并产生第二相干光束；

第二光电探测器，用于对所述第二相干光束进行检测；

其中，所述非偏振分光棱镜至少设有两个相邻表面，包括第一子表面和第二子表面，所述第一偏振片与所述第一子表面相对设置，所述第二偏振片与所述第二子表面相对设置；

所述角度测量模块包括：

若干反射棱镜，用于调节所述相干光束的传播路径；

若干聚焦凸透镜，用于将所述相干光束进行聚焦处理；

若干第三光电探测器，用于检测所述相干光束并生成角度量；

其中，通过接收0阶光的第三光电探测器可求解得到θx和θy，通过接收1阶光的第三光电探测器可求解得到θz。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述光源模块包括：

若干光源，用于产生初始光束；

若干扩束镜，用于对所述初始光束进行扩束处理并产生初始准直光束；

若干光阑，用于调节所述初始准直光束的有效面积；

若干线偏振片，用于对所述初始准直光束进行偏振处理并形成检测光束。

3.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述分光模块包括：

偏振分光棱镜，用于对检测光束进行分光处理以生成若干所述第一光束和若干所述第二光束；

分光平板，设置于所述偏振分光棱镜、所述检测光栅模块之间，用于对所述第二光束进行分光处理；

第一四分之一波片，设置于所述偏振分光棱镜和所述参考光栅模块之间；

第二四分之一波片，设置于所述分光平板与所述偏振分光棱镜之间。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述参考光栅模块包括：

参考光栅，对所述第一光束进行调制；

若干块直角参考反射棱镜，包括第一直角参考反射棱镜和第二直角参考反射棱镜，所述第一直角参考反射棱镜与所述第二直角参考反射棱镜设置于所述参考光栅和所述分光模块之间，所述第一直角参考反射棱镜与所述第二直角参考反射棱镜关于所述参考光栅的中心轴对称。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述检测光栅模块包括：

若干块检测光栅，对所述第二光束进行调制；

若干块直角检测反射棱镜，包括第一直角检测反射棱镜和第二直角检测反射棱镜，所述第一直角检测反射棱镜与所述第二直角检测反射棱镜设置于所述检测光栅和所述分光模块之间，所述第一直角检测反射棱镜与所述第二直角检测反射棱镜关于所述检测光栅的中心轴对称。

6.检测方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1至5中任一项所述的检测系统。

7.光栅尺，其特征在于，包括根据权利要求1至5中任一项所述的检测系统。

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