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二维光栅纳米位移测量系统设计与分析 　　摘 要：文章提出了一种以衍射光栅为基准件的二维纳米位移测量系统，阐述了系统的组成和光路?构，分析了系统的测量原理。最后利用Lighttools软件对系统的光学?构进行仿真设计，研究系统干涉信号的变化规律，为后续的光路优化和误差补偿提供了理论模型。 　　关键词： 衍射光栅；干涉；位移测量；Lighttools软件 　　中图分类号：TN16 文献标识码：A 　　 　　Design of 2-D Laser Interferometer System with Diffraction Grating 　　 　　LI Shuai 　　(School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering, Hefei University of Technology, Hefei Anhui 230009, China) 　　 　　Abstract: 2-D nano-displacement measurement system is developed based on diffraction grating. This system consists of optical structure and electronic subdivision circuit. The measurement principle of the system is proposed. And by the simulation, the change rule is found, theoretical model for the follow-up structural optimization and error compensation is provided. 　　Keywords: diffraction grating; Interference; displacement measurement; lighttools software 　　 　　引 言 　　 　　 衍射光栅作为计量光栅的一种，在精密测量、超精密加工和纳米技术等领域有着广泛的应用。与其它纳米测量方法相比，如STM法、SPM法、电容电感测微法和激光干涉仪法等，光栅纳米测量方法具有以下优势：（1）高精度，低成本，由于精密的光刻技术和电子细分技术，以及莫尔条纹所具有的对局部误差的消除作用，光栅传感器可以得到很高的测量精度；（2）同时具备大量程、高分辨率的特点，尤其在大量程方面，光栅传感器的测量精度仅次于激光测量，而成本却比其低得多；（3）较强的抗干扰能力，其对环境的适应性比激光干涉仪更强。因此，研制基于衍射光栅的二维纳米测量系统具有重要的现实意义。 　　1 系统组成 　　 　　 二维光栅纳米位移测量系统主要是基于光栅衍射与相干光干涉原理组成的几何光学测量系统，整个系统由几何光路部分和信号处理部分组成，其?构如图1所示。由半导体激光器发出的光束经过起偏器P1垂直入射到二维光栅表面，反射的正交衍射光通过偏振分光光路形成相位相差90°的干涉信号，然后进入光电转换模块使得光学信号转换为正弦和脉冲电信号，然后由计数细分电路对信号进行计数细分处理，最后把数据处理的?果经过误差补偿后进行记录和显示。 　　 　　2 光路?构设计 　　 　　 整个系统的光路?构如图2所示，为了提高信号的输出频率，光路采用二次衍射设计。 　　 由半导体激光器发出的光束经过偏振分光镜PBS2后分成振动方向相互垂直的偏振光的s光和p光。若s光被PBS2反射，经过四分之一波片Q3后变为圆偏振光，该圆偏振光经过反射镜R反射后再次通过四分之一波片Q3，该光束变为p光直接通过PBS2，经过Q4后变为圆偏振光在光栅表面衍射，适当调整光栅与读数头之间的距离，-1级衍射光垂直入射到平面反射镜M2上后沿原路返回，通过光栅表面再次衍射后，+1级衍射光沿原路进入PBS2，此时经过Q4的再次旋光变为s光，s光被PBS2的偏振分光面全部反射后，经Q2和M1返回后变为p光，该光束完全通过PBS2偏振面出射，进入偏振光检测部分。同理对于激光器出射光经PBS2透射的p光经过Q2和M1返回变为s光，被PBS2的偏振分光面全部反射，通过Q4后变为圆偏振光被衍射光栅表面衍射，+1级衍射光被M2反射后再次衍射，再次衍射后的-1级衍射光沿原路通过Q4进入PBS2，变为P光全部通过PBS2的偏振分光面，经过反射镜R和四分之波片Q3后，变为s光再次进入PBS2，经过PBS2的偏振分光面后被全部反射进入偏振光检测部分。 　　 　　3 位移测量原理 　　 　　 二维衍射光栅系统可以同时对两个方向上的位移进行测量