CN104567695A - 一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置 - Google Patents
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Abstract
一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置涉及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，由标尺光栅和读数头两部分组成，读数头包括双频激光光源、Z向干涉部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件、信号处理部件；该装置基于典型迈克尔逊干涉仪原理、多衍射光栅干涉原理和光学拍频原理实现了X向、Y向和Z向位移的同时测量，具有结构紧凑、抗干扰能力强、对标尺光栅后向零级衍射强度要求低以及X向、Y向和Z向测量不耦合等优点，能够实现纳米甚至更高测量分辨力，可应用于多自由度高精度的位移测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，特别涉及一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置。
背景技术
近年来，超精密测量已成为世界测量领域的研究热点。考虑到测量范围、精度、系统尺寸和工作环境等因素的影响，用小体积多自由度的测量方法来实现高精度测量在现代位移测量中的需求也越来越突出。在半导体加工领域，光刻机中的掩膜台和工件台的定位精度和运动精度是限制半导体芯片加工线宽的主要因素，为了保证掩膜台和工件台的定位精度和运动精度，光刻机中通常采用具有高精度、大量程的双频激光干涉仪测量系统进行位移测量。目前市场上现有的半导体芯片的线宽已经逼近14nm，不断提高的半导体加工要求对超精密位移测量技术提出了更大的挑战，而双频激光干涉仪测量系统由于其长光程测量易受环境影响，且存在系统体积大、价格高昂等一系列问题，难以满足新的测量需求。
针对上述问题，国内外超精密测量领域的各大公司及研究机构都投入了大量精力进行研究，其中一个主要研究方向包括研发基于衍射光栅的新型位移测量系统。基于衍射光栅的位移测量系统经过数十年的发展，已有较多的研究成果，在诸多专利和论文中均有揭露。
德国HEIDENHAIN公司的专利US4776701(公开日1988年10月11日)提出了利用光束通过折射光栅和反射光栅后实现相干叠加与光学移相的方式来测量X方向位移的方法。该方法利用光栅本身的结构参数调整实现了干涉信号移相，同时测量结果不受Y方向和Z方向位移的影响。由于该方法不需额外的移相元件，因此系统体积较小，但是该方法只能用于X方向的位移测量。
荷兰ASML公司的专利US7362446B2(公开日2008年4月22日)提出了一种利用光栅衍射编码器和干涉仪原理测量标尺光栅在X方向和Z方向位移的位置测量单元，利用3个该位置测量单元能够同时测量平台的6个自由度；通过特殊的棱镜结构设计，使得该位置测量单元除了标尺光栅以外的其他分光、移相、合光等光学元件组合成一个整体，达到减轻单元尺寸和质量，结构紧凑的目的；该位置测量单元测量标尺光栅X向位移所使用光栅衍射编码器的测量光来自标尺光栅的衍射光，测量标尺光栅Z向位移所使用干涉仪的测量光也来自标尺光栅的衍射光，但来源于不同光束的衍射，是分立的。该方法可同时实现X向和Z向的位移测量，但干涉仪和光栅衍射测量的位置不同，棱镜组结构较复杂。
日本学者Wei Gao与清华大学学者曾理江等人联合发表的论文“Design and construction ofa two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position andstraightness.Precision Engineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射光栅干涉原理的二维光栅测量装置。激光器出射的激光经过偏振分光棱镜分为测量光和参考光，二者分别入射到标尺光栅和参考光栅并发生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱镜处汇聚后入射到光电探测单元发生干涉，利用后续光路移相，可以在四组探测器表面接收到干涉信号。通过对干涉信号进行处理，可以解耦出光栅读数头相对于标尺光栅在X向和Z向两个方向的位移信息。该方法为了实现对信号的移相，引入了很多的移相合光器件，体积较大；而且当读数头与光栅产生的Z向运动时，干涉区域的范围变小，不利于Z向较大量程的测量。
清华大学学者朱煜的专利CN102937411A(公开日2013年2月20日)和CN102944176A(公开日2013年2月27日)中，提出了利用衍射光栅干涉原理设计的二维光栅测量系统，并引入了双频激光产生了拍频信号，增强了测量信号的抗干扰能力。该组专利当读数头相对于标尺光栅发生Z向运动时，干涉区域范围变小，不利于Z向较大量程的测量。
日本株式会社三丰的专利CN102865817A(公开日2013年1月9日)以及US8604413B2(公开日2013年12月10日)提出了一种二维位移传感器的构造，该构造能够实现多维位移测量，但是整个系统采用透射方式，并且使用了棱镜等光学器件用于折光，因此系统体积较大。
哈尔滨工业大学学者胡鹏程等人的专利CN103604376A(公开日2014年2月26日)中，提出了一种抗光学频率混叠的光栅干涉仪系统，通过激光器出射的双频激光在空间上分开传输的设置，消除了光学频率混叠和相应的周期非线性误差，并能够实现三维位移的测量；哈尔滨工业大学学者林杰等人的专利CN103644849A(公开日2014年3月19日)中，通过引入自准直原理提出了一种三维位移测量系统，该系统能够实现较大量程的Z向位移测量，但是由于光束分光次数较多，不利于提高干涉信号的质量。
发明内容
为解决上述方案的局限性，适应和满足前述的测量要求，本发明利用典型迈克尔逊干涉仪原理、多衍射光栅干涉原理和光学拍频原理，设计了一种结构简单紧凑、体积小、抗干扰能力强的使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置。当本装置的读数头相对于标尺光栅发生水平方向(X向)、竖直方向(Y向)、垂直方向(Z向)的位移时，可实现高精度的三维位移实时测量。
本发明的技术方案如下：
一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅和读数头，读数头包括双频激光光源、Z向干涉部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件、信号处理部件；所述的双频激光光源包括双频激光器、分光棱镜、偏振片A；Z向干涉部件包括偏振分光棱镜、1/4波片A、反射部件、1/4波片B、偏振片B；扫描分光光栅部件包括扫描分光光栅、光阑；扫描分光光栅的栅线所在平面和标尺光栅的栅线所在平面平行；扫描分光光栅为组合光栅，包括位于扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅以及位于二维正交光栅两侧的一维光栅A和一维光栅B，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的栅线共面，一维光栅A和一维光栅B的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅的两个栅线方向，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的光栅周期相等；扫描分光光栅在放置时，其栅线方向与标尺光栅的栅线方向成45°；标尺光栅为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅周期的X方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A栅线的方向；Y方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B栅线的方向；Z方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面垂直的方向；双频激光器出射的双频正交偏振光入射到分光棱镜，其反射光透过偏振片A后入射到Z向探测部件，形成的拍频信号作为Z向测量的一路参考信号，其透射光入射到偏振分光棱镜后分为参考光和测量光；参考光透过1/4波片A，并由反射部件反射后，依次透过1/4波片A、偏振分光棱镜、偏振片B入射到Z向探测部件；测量光透过1/4波片B后沿Z方向入射到扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅，经二维正交光栅衍射后衍射光束入射到标尺光栅并发生反向衍射，得到九束测量光束与其他杂散光束；九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅的一维光栅A上两两相交并衍射入射到X向探测部件形成四组干涉信号，通过信号处理单元解算后得到读数头相对于标尺光栅在X向发生的位移；九束测量光束中，另外四束在扫描分光光栅的一维光栅B上两两相交并衍射入射到Y向探测部件形成另外四组干涉信号，通过信号处理单元解算后得到读数头相对于标尺光栅在Y向发生的位移；九束测量光束中的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅、1/4波片B，并由偏振分光棱镜反射后透过偏振片B入射到Z向探测部件；入射到Z向探测部件的参考光和测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测量的一路测量信号，Z向测量的参考信号和测量信号通过信号处理单元解算后得到读数头相对于标尺光栅在Z向发生的位移。
在扫描分光光栅部件中增设了光阑，并且光阑位于扫描分光光栅与X向探测部件之间，光阑同时位于扫描分光光栅与Y向探测部件之间。
在双频激光器出射的透过扫描分光光栅的测量光的波长λ＝632.8nm时，扫描分光光栅采用矩形光栅，一组优选参数为二维正交光栅两个栅线方向的光栅周期d1＝d2＝10μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个栅线方向的光栅台阶宽度a1＝a2＝5.67μm，一维光栅A和一维光栅B的光栅周期d＝10μm、光栅台阶高度h＝488nm、光栅台阶宽度a＝3.567μm，标尺光栅采用二维矩形光栅，其一组优选参数为两个栅线方向的光栅周期d1＝d2＝7.07μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个栅线方向光栅台阶宽度a1＝a2＝4.01μm。
本发明是利用典型迈克尔逊干涉仪原理、多衍射光栅干涉原理和光学拍频原理提出的一种使用双频激光和衍射光栅的的三维位移测量装置，具有以下创新性和突出效果：
1.通过将标尺光栅和扫描分光光栅平行放置、扫描分光光栅的栅线方向与标尺光栅的栅线方向成45°、标尺光栅周期为扫描分光光栅周期的标尺光栅具有后向零级衍射光的设置，可同时为X向、Y向和Z向提供测量信号，进而同时测量读数头相对于标尺光栅在X向、Y向和Z向三个方向的位移，并实现了光学2细分，搭配合适的电学细分卡，可以实现纳米精度测量。
2.扫描分光光栅为组合光栅，其结构特征为：包括位于扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅以及位于二维正交光栅两侧的一维光栅A和一维光栅B，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的栅线共面，一维光栅A和一维光栅B的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅的两个栅线方向，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的光栅周期相等；这样的结构特征使得中间区域的二维正交光栅仅用于分光，一维光栅A和一维光栅B分别实现X向与Y向移相合光，提高能量利用效率，并减少杂散光。
3.Z向测量采用双频激光的光学拍频原理，对标尺光栅后向零级衍射强度要求降低，降低了对激光器的功率要求，同时也增强了信号的抗干扰能力，可实现Z向高精度测量。
4.由于X向和Y向的位移测量利用了扫描分光光栅和标尺光栅自身的分光特性实现相干叠加与光学移相，因此不需要额外的移相合光器件，既减小了结构尺寸，又避免了移相合光器件带来的误差。
5.通过将标尺光栅和扫描分光光栅平行放置，以及标尺光栅周期为扫描分光光栅周期的的设置，可使得读数头相对于标尺光栅在Z向运动时，不影响X向和Y向测量干涉区域的范围，故而够提供较大的Z向测量范围。
6.在检测位移量时，X向、Y向和Z向的测量信号之间不存在耦合关系，简化了后续的信号处理方式，减少了信号处理引入的误差。
7.X向、Y向测量与Z向测量信号可以通过光纤导出，能进一步减小读数头的体积，特别是设计光栅的周期为微米量级时，该三维位移测量装置同时具有结构紧凑、体积小、质量轻的优点，方便应用。
附图说明
图1为本发明的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置的结构示意图。
图2为本发明应用的扫描分光光栅的结构示意图。
图3为本发明扫描分光光栅与标尺光栅放置方式示意图。
图4a为本发明应用的一维矩形光栅的结构示意图。
图4b为本发明应用的二维矩形光栅的结构示意图。
图5为本发明的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置实施例的光路传输方向示意图。
图中件号说明：1-双频激光光源，2-Z向干涉部件，3-扫描分光光栅部件，4-标尺光栅，5-X向探测部件，6-Y向探测部件，7-Z向探测部件，8-信号处理部件，11-双频激光器，12-分光棱镜，13-偏振片A，21-偏振分光棱镜，22-1/4波片A，23-反射部件，24-1/4波片B，25-偏振片B，31-扫描分光光栅，32-光阑，311-一维光栅A，312-二维正交光栅，313-一维光栅B。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细介绍。
一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅4和读数头，读数头包括双频激光光源1、Z向干涉部件2、扫描分光光栅部件3、X向探测部件5、Y向探测部件6、Z向探测部件7、信号处理部件8；双频激光光源1包括双频激光器11、分光棱镜12、偏振片A13；Z向干涉部件2包括偏振分光棱镜21、1/4波片A22、反射部件23、1/4波片B24、偏振片B25；扫描分光光栅部件3包括扫描分光光栅31、光阑32；扫描分光光栅31的栅线所在平面和标尺光栅4的栅线所在平面平行；扫描分光光栅31为组合光栅，包括位于扫描分光光栅31中间区域的二维正交光栅312以及位于二维正交光栅312两侧的一维光栅A311和一维光栅B313，二维正交光栅312、一维光栅A311和一维光栅B313的栅线共面，一维光栅A311和一维光栅B313的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅312的两个栅线方向，二维正交光栅312、一维光栅A311和一维光栅B313的光栅周期相等；扫描分光光栅31在放置时，其栅线方向与标尺光栅4的栅线方向成45°；标尺光栅4为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅周期的X方向是与扫描分光光栅31的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A311栅线的方向；Y方向是与扫描分光光栅31的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B313栅线的方向；Z方向是与扫描分光光栅31的栅线所在平面垂直的方向；双频激光器11出射的双频正交偏振光入射到分光棱镜12，其反射光透过偏振片A13后入射到Z向探测部件7，形成的拍频信号作为Z向测量的一路参考信号，其透射光入射到偏振分光棱镜21后分为参考光和测量光；参考光透过1/4波片A22，并由反射部件23反射后，依次透过1/4波片A22、偏振分光棱镜21、偏振片B25入射到Z向探测部件7；测量光透过1/4波片B24后沿Z方向入射到扫描分光光栅31中间区域的二维正交光栅312，经二维正交光栅312衍射后衍射光束入射到标尺光栅4并发生反向衍射，得到九束测量光束与其他杂散光束；九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅31的一维光栅A311上两两相交并衍射入射到X向探测部件5形成四组干涉信号，通过信号处理单元8解算后得到读数头相对于标尺光栅4在X向发生的位移；九束测量光束中，另外四束在扫描分光光栅31的一维光栅B313上两两相交并衍射入射到Y向探测部件6形成另外四组干涉信号，通过信号处理单元8解算后得到读数头相对于标尺光栅4在Y向发生的位移；九束测量光束中的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫描分光光栅31中间区域的二维正交光栅312、1/4波片B24，并由偏振分光棱镜21反射后透过偏振片B25入射到Z向探测部件7；入射到Z向探测部件7的参考光和测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测量的一路测量信号，Z向测量的参考信号和测量信号通过信号处理单元8解算后得到读数头相对于标尺光栅4在Z向发生的位移。
本发明的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，在扫描分光光栅部件3中增设了光阑32，并且光阑32位于扫描分光光栅31与X向探测部件5之间，光阑32同时位于扫描分光光栅31与Y向探测部件6之间。
本发明的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，在双频激光器11出射的透过扫描分光光栅31的测量光的波长λ＝632.8nm时，扫描分光光栅31采用矩形光栅，一组优选参数为二维正交光栅312两个栅线方向的光栅周期d1＝d2＝10μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个栅线方向的光栅台阶宽度a1＝a2＝5.67μm，一维光栅A311和一维光栅B313的光栅周期d＝10μm、光栅台阶高度h＝488nm、光栅台阶宽度a＝3.567μm，标尺光栅4采用二维矩形光栅，其一组优选参数为两个栅线方向的光栅周期d1＝d2＝7.07μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个栅线方向光栅台阶宽度a1＝a2＝4.01μm。
本发明的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置在具体实施时，如附图5所示，双频激光器11出射的包含波长λ1和λ2双频正交偏振光OP入射到分光棱镜12后，其反射光透过偏振片A13后入射到Z向探测部件7，形成的拍频信号作为Z向测量的一路参考信号，其透射光OP1入射到偏振分光棱镜21上，偏振分光棱镜21设置为使得透射光OP1入射到偏振分光棱镜21后分为振动方向平行于Y-Z平面(p波)且波长为λ1的测量光束OP2-2和振动方向垂直于Y-Z平面(s波)且波长为λ2的参考光束OP2-1。
测量光OP2-2透过1/4波片B24入射到扫描分光光栅31上，在扫描分光光栅31中间区域的二维正交光栅312处衍射分光，产生(0，0)级OP3-0、(+1，0)级OP3-1、(-1，0)级OP3-3、(0，-1)级OP3-4四束测量光束和其他杂散光束；四束测量光束OP3-0、OP3-1、OP3-3和OP3-4入射到标尺光栅4后发生反向衍射，得到九束测量光束[0，0，+1，0]级OP3-01与[+1，0，0，+1]级OP3-12、[0，0，0，+1]级OP3-02与[-1，0，+1，0]级OP3-31、[0，0，-1，0]级OP3-03与[0，-1，0，+1]级OP3-42、[0，0，0，-1]级OP3-04与[0，-1，+1，0]级OP3-41、[0，0，0，0]级OP3-00和其他杂散光束；该九束测量光束入射到扫描分光光栅31上，其中[0，0，+1，0]级OP3-01与[+1，0，0，+1]级OP3-12、[0，0，0，+1]级OP3-02与[-1，0，+1，0]级OP3-31在一维光栅A311上分别两两相遇并再次衍射，形成的四组干涉信号被X向探测部件5接收，[0，0，-1，0]级OP3-03与[0，-1，0，+1]级OP3-42、[0，0，0，-1]级OP3-04与[0，-1，+1，0]级OP3-41在一维光栅B313处分别两两相遇并再次衍射，形成的四组干涉信号被Y向探测部件6接收，[0，0，0，0]级OP3-00入射到二维正交光栅312处并再次衍射，其[0，0，0，0，0]级透射衍射光OP3-000入射到Z向干涉部件2；除上述用于测量的光束外，衍射光中的杂散光束被设置在扫描分光光栅31与X向探测部件5之间的光阑32遮挡。
被X向探测部件5接收的四组干涉信号的变化只和读数头相对于标尺光栅4在X向发生的位移有关，通过信号处理单元8处理后得到两路互相正交的电学信号，解算后得到读数头相对于标尺光栅4在X向发生的位移；被Y向探测部件6接收的四组干涉信号的变化只和读数头相对于标尺光栅4在Y向发生的位移有关，通过信号处理单元8处理后得到两路互相正交的电学信号，解算后得到读数头相对于标尺光栅4在Y向发生的位移。
1/4波片A22的放置方式可设置为快轴方向与X-Y面平行并与Y-Z平面夹角为45°，参考光OP2-1透过1/4波片A22，并由反射部件23反射之后再次透过1/4波片A22，其偏振方向旋转90°并入射到偏振分光棱镜21上发生透射，透过偏振片B25后最终作为Z向测量的参考光入射到Z向探测部件7；1/4波片B24的放置方式可设置为快轴方向与X-Y面平行并与与Y-Z平面夹角为45°，测量光OP2-2透过1/4波片B24、扫描分光光栅31，并由标尺光栅4反射，再次透过扫描分光光栅31，得到沿入射方向返回的测量光束[0，0，0，0，0]级OP3-000，入射到Z向干涉部件2，其透过1/4波片B24后偏振方向旋转90°入射到偏振分光棱镜21上发生反射，反射光透过偏振片B25后最终作为Z向测量的测量光入射到Z向探测部件7；入射到Z向探测部件7的参考光和测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测量的一路测量信号，而且该拍频信号只包含读数头相对于标尺光栅4在Z向发生的位移信息；被Z向探测部件7接收的Z向测量的参考信号和测量信号通过信号处理单元8解算后可得到读数头相对于标尺光栅4在Z向发生的位移。
为了提高Z向探测部件6接收到的拍频信号的质量，需要使得入射到Z向探测部件6的测量光和参考光能量近似相等，因此在具体实施时，反射部件23设置为部分反射器件，使得Z向探测部件6接收到的测量光和参考光能量近似相等。
具体实施过程中，为了进一步减小读数头体积，分光棱镜12、偏振片A13、偏振分光棱镜21、1/4波片A22、1/4波片B24、反射部件23、偏振片B25、可以采用一体化结构。
具体实施过程中，为了减小读数头体积，同时减弱双频激光器11的散热对探测器的影响，可以利用光纤将双频激光器11出射的光束传输至光路。
参考图2，为本发明应用的扫描分光光栅31的结构示意图，其为组合矩形光栅，包括位于扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)以及位于二维正交光栅(312)两侧的一维光栅A(311)和一维光栅B(313)。
参考图3，为本发明扫描分光光栅31与标尺光栅4放置方式示意图，其中标尺光栅4为二维矩形光栅，且标尺光栅4的两个栅线方向与扫描分光光栅31的栅线方向成45°。
参考图4a，为本发明应用的一维矩形光栅结构示意图，其中各参数为：光栅周期d、光栅台阶高度h、光栅台阶宽度a。
参考图4b，为本发明应用的二维矩形光栅结构示意图，其中各参数为：两个方向光栅周期d1和d2、光栅台阶高度h、两个方向光栅台阶宽度a1和a2。
Claims (3)
1.一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅(4)和读数头，其特征在于：所述的读数头包括双频激光光源(1)、Z向干涉部件(2)、扫描分光光栅部件(3)、X向探测部件(5)、Y向探测部件(6)、Z向探测部件(7)、信号处理部件(8)；所述的双频激光光源(1)包括双频激光器(11)、分光棱镜(12)、偏振片A(13)；所述的Z向干涉部件(2)包括偏振分光棱镜(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24)、偏振片B(25)；所述的扫描分光光栅部件(3)包括扫描分光光栅(31)、光阑(32)；所述的扫描分光光栅(31)的栅线所在平面和标尺光栅(4)的栅线所在平面平行；所述的扫描分光光栅(31)为组合光栅，包括位于扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)以及位于二维正交光栅(312)两侧的一维光栅A(311)和一维光栅B(313)，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线共面，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅(312)的两个栅线方向，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期相等；所述的扫描分光光栅(31)在放置时，其栅线方向与标尺光栅(4)的栅线方向成45°；所述的标尺光栅(4)为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅周期的所述的X方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A(311)栅线的方向；所述的Y方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B(313)栅线的方向；所述的Z方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面垂直的方向；所述的双频激光器(11)出射的双频正交偏振光入射到分光棱镜(12)，其反射光透过偏振片A(13)后入射到Z向探测部件(7)，形成的拍频信号作为Z向测量的一路参考信号，其透射光入射到偏振分光棱镜(21)后分为参考光和测量光；所述的参考光透过1/4波片A(22)，并由反射部件(23)反射后，依次透过1/4波片A(22)、偏振分光棱镜(21)、偏振片B(25)入射到Z向探测部件(7)；所述的测量光透过1/4波片B(24)后沿Z方向入射到扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)，经二维正交光栅(312)衍射后衍射光束入射到标尺光栅(4)并发生反向衍射，得到九束测量光束与其他杂散光束；所述的九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅(31)的一维光栅A(311)上两两相交并衍射入射到X向探测部件(5)形成四组干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在X向发生的位移；所述的九束测量光束中，另外四束在扫描分光光栅(31)的一维光栅B(313)上两两相交并衍射入射到Y向探测部件(6)形成另外四组干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Y向发生的位移；所述的九束测量光束中的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)、1/4波片B(24)，并由偏振分光棱镜(21)反射后透过偏振片B(25)入射到Z向探测部件(7)；入射到Z向探测部件(7)的参考光和测量光相遇形成的拍频信号作为Z向测量的一路测量信号，Z向测量的参考信号和测量信号通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Z向发生的位移。
2.如权利要求1所述的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，其特征在于：在所述的扫描分光光栅部件(3)中增设了光阑(32)，并且光阑(32)位于扫描分光光栅(31)与X向探测部件(5)之间，光阑(32)同时位于扫描分光光栅(31)与Y向探测部件(6)之间。
3.如权利要求1所述的一种使用双频激光和衍射光栅的三维位移测量装置，其特征在于：在双频激光器(11)出射的透过扫描分光光栅(31)的测量光的波长λ＝632.8nm时，所述的扫描分光光栅(31)采用矩形光栅，一组优选参数为二维正交光栅(312)两个栅线方向的光栅周期d1＝d2＝10μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个栅线方向的光栅台阶宽度a1＝a2＝5.67μm，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期d＝10μm、光栅台阶高度h＝488nm、光栅台阶宽度a＝3.567μm，标尺光栅(4)采用二维矩形光栅，其一组优选参数为两个栅线方向的光栅周期d1＝d2＝7.07μm、光栅台阶高度h＝159nm、两个栅线方向光栅台阶宽度a1＝a2＝4.01μm。
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