CN112229332A - 基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统 - Google Patents

基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，包括单频激光器、输入光纤、声光调制器、读数头、测量光栅、输出光纤、光电转换单元和电子信号处理部件，单频激光器发出单频激光通过输入光纤进入声光调制器分为参考光和测量光输入至读数头，读数头和测量光栅将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号通过输出光纤发送到光电转换单元，光电转换单元将测量干涉电光信号和参考干涉光信号转换成测量干涉电信号和参考干涉电信号发送给电子信号处理部件，解算出测量光栅的二自由度线性位移。上述系统采用二次衍射光作为测量信号，达到了对信号四次细分的目的。

Description

基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统
技术领域
本发明涉及光栅测量技术领域，特别涉及一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统。
背景技术
由于精密及超精密加工技术的提高，对加工和测量系统的定位精度和测量精度也就相应的提高，特别是光刻机等高端超精密仪器产业中，对测量精度要求甚至已经达到了亚纳米级。位移测量技术包含多种原理形式，有电容式、霍尔式、光栅尺、激光干涉测量等。其中激光干涉测量技术以其高精度、高动态、大行程等技术优点，在高精度位移测量的发展进程中占据着越来越重要的地位，在现代高精度测量任务中受到广泛重视。
传统的激光干涉仪，以激光波长作为测量基准，环境鲁棒性差，在非真空中传播激光不能达到很好的效果，这显然难以在超精密机床上得到很好的应用；相较于传统的激光干涉仪，光栅干涉仪根据光栅的衍射和光的干涉原理实现位移的测量，光栅干涉仪以光栅栅距作为测量基准而不是光的波长，且光栅干涉测量技术凭借其极短的光路而获取极高的环境鲁棒性，因此光栅干涉测量技术在亚纳米级测量重复性上更具优势。
针对工业生产中对光栅干涉仪提出的测量需求，大量科研人员及科研机构为此作出了贡献。如：美国ZYGO公司美国专利US2011/0255096A1(公开日2011年10月20日)，设计的外差式光栅干涉仪，采用测量光垂直入射至衍射光栅的方式获得正负一级衍射光，可以同时测出面内和垂向二自由度线性位移，但测量光栅的0级衍射光会沿入射光路返回，造成测量误差，不适合光刻机等高度集成化的超精密仪器；日本CANON公司美国专利US2011/0096334A1(公开日2011年4月28日)公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现单自由度位移测量；美国ZYGO公司美国专利US2012/0194824A1(公开日2012年8月2日)，设计了一种结构简单的二自由度外差光栅干涉仪，其利用回射器产生二次衍射光，系统分辨率较高，但其测量光和参考光共光路性较差，光栅转角允差较小。
光栅干涉仪在实际使用过程中，仍然存在一些亟待解决的问题，如：偏振混叠误差带来的周期非线性误差；由于震动、安装等原因存在光栅转角误差时，测量光和参考光会在探测器上形成干涉条纹，影响信号质量；光纤传输过程中造成的误差；光栅干涉仪的分辨率及测量精度问题；单个光栅干涉仪能够尽可能实现更多自由度及更大行程的位移测量；光栅干涉仪的尺寸和集成化问题等。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题和满足本领域未来的发展需求，本发明提供了一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，包括单频激光器、输入光纤、声光调制器、读数头、测量光栅、输出光纤、光电转换单元和电子信号处理部件，单频激光器发出单频激光通过输入光纤进入声光调制器分为参考光和测量光输入至读数头，读数头和测量光栅将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号通过输出光纤发送到光电转换单元，光电转换单元将测量干涉电光信号和参考干涉光信号转换成测量干涉电信号和参考干涉电信号发送给电子信号处理部件，解算出测量光栅的二自由度线性位移，其中，
所述读数头包括干涉仪镜组，单频激光器发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器分为多束参考光和多束测量光，多束参考光和多束测量光采用空间分离式传输，分别从不同的位置进入干涉仪镜组，并产生多路测量干涉信号和多路参考干涉信号。
优选地，所述干涉仪镜组包括多个反射镜、多个四分之一波片、多个偏振分光镜、多个回射器、多个侧向分光棱镜和多个折射镜，单频激光器发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器分为多束参考光和多束测量光，不同参考光进入不同偏振分光镜，不同测量光进入不同偏振分光镜，发生反射和透射，形成测量反射光、测量透射光、参考反射光和参考透射光，多束测量反射光经过四分之一波片、折射镜、测量光栅、折射镜、四分之一波片、偏振分光镜和回射器多次反射形成多束第一测量光；多束测量透射光经过不同的侧向分光棱镜形成多束第二测量光；多束参考放射光经过四分之一波片、反射镜、偏振分光镜、回射器和侧向分光棱镜多次反射形成多束第一参考光，多束参考透射光经过不同的侧向分光棱镜形成多束第二参考光；多束第一测量光和第二测量光分别与参考光进行干涉形成多路测量干涉信号，多束第一参考光和第二参考光分别与测量光进行干涉，形成多路参考干涉信号。
优选地，所述干涉仪镜组包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一侧向分光棱镜、第二侧向分光棱镜、第三侧向分光棱镜、第四侧向分光棱镜、第一回射器、第二回射器、第三回射器、第四回射器、第一四分之一波片、第二第一四分之一波片、第一反射镜、第二反射镜、第一折射镜和第二折射镜；
单频激光器发出两束单频激光，经声光调制器后，形成两束测量光和两束参考光，一束测量光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一测量反射光和一束第一测量透射光，一路参考光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一参考反射光和一束第一参考透射光；
第一测量反射光依次通过第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一测量光；
第一测量透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二测量光；
第一参考反射光依次通过第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第二回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一参考光；
第一参考透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二参考光；
第一测量光和第一参考光干涉形成第一测量干涉信号；第二测量光与第二参考光干涉形成第一参考干涉信号；
另一束测量光通过第二偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第二测量反射光和一束第二测量透射光，另一束参考光通过第二偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第二参考反射光和一束第二参考透射光；
第二测量反射光依次通过第二四分之一波片、第二折射镜、测量光栅、第二折射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第三回射器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第二折射镜、测量光栅、第二折射镜、第二偏振分光镜、第三侧向分光棱镜形成第三测量光；
第二测量透射光经过第四侧向分光棱镜形成第四测量光；
第二参考反射光依次通过第二四分之一波片、第二反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第四回射器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第二反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第三侧向分光棱镜形成第三参考光；
第二参考透射光经过第四侧向分光棱镜形成第四参考光；
第三测量光和第三参考光干涉形成第二测量干涉信号；第四测量光与第四参考光干涉形成第二参考干涉信号。
进一步，优选地，每个偏振分光镜前后各布置了一个侧向分光棱镜；每个偏振分光镜下方皆布置了两个回射器；每个偏振分光镜上方皆布置了一个四分之一波片；每个四分之一波片上方皆平行布置了一个反射镜和一个折射镜。
优选地，第一测量光和第二测量光分别与参考光干涉形成两路测量干涉信号，第一参考光和第二参考光分别与测量光干涉形成两路参考干涉信号。
优选地，所述输入光纤为保偏光纤，输出光纤为多模光纤，测量光栅为一维反射型光栅，回射器为角锥镜。
优选地，所述折射镜满足测量光的利特罗角入射条件。
进一步，优选地，测量反射光经过测量光栅衍射后，形成一次衍射光，一次衍射光依次通过折射镜、四分之一波片、偏振分光镜进入回射器，回射器将入射的一次衍射光平行出射，出射后的一次衍射光依次通过偏振分光镜、四分之一波片、折射镜，并再次以利特罗角进入测量光栅，形成二次衍射光。
优选地，测量光栅相对读数头做面内和垂向两个自由度的线性运动。
优选地，所述读数头采用模块化布置，包括第一读数头模块和第二读数头模块，所述第一读数头模块产生第一测量干涉信号和第一参考干涉信号，所述第二读数头模块产生第二测量干涉信号和第二参考干涉信号，第一读数头模块和第二读数头模块中光路互不干扰，第一读数头模块和第二读数头模块通过连接件连接。
优选地，单频激光器发出单频激光同时包含s偏振分量和p偏振分量。
本发明与现有技术相比，本发明所提供的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统具有以下优点：
测量光和参考光采用空间分离式传输，有效避免了偏振混叠误差造成的周期非线性误差；
有效抑制了光纤传输过程中产生的误差，具体地：第一测量光和第一参考光通过第一偏振分光镜后，第一测量反射光和第一参考反射光通过多个镜组作用，产生第一测量干涉信号；第一测量光和第一参考光通过第一偏振分光镜后，第一测量透射光和第一参考透射光直接通过侧向分光棱镜产生第一参考干涉信号；第一测量干涉信号和第一参考干涉信号做差，便可基本消除第一测量光和第一参考光单模光纤传输过程中产生的误差。同理，第二测量干涉信号和第二参考干涉信号做差，便可基本消除第二测量光和第二参考光单模光纤传输过程中产生的误差；
读数头采用模块化布置，降低了读数头的安装及对准难度；
采用二次衍射光作为测量信号，达到了对信号四次细分的目的，相较于一次衍射光测量系统实现了更高的光学细分；
采用了四个相同的回射器(角锥镜)结构，在测量光栅存在转角误差时，测量光和参考光也能够始终平行干涉，不会有干涉条纹的产生，故相较于传统的光栅干涉仪，本光栅干涉仪测量系统具有更高的转角允差。。
本发明所述基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统可以同时实现测量光栅面向和垂向位移测量，且本光栅干涉测量系统采用利特罗角布置，无论测量光栅垂向如何运动，正一级或负一级衍射光始终可以沿着原光路重新入射至读数头，故可以实现测量光栅垂向大行程位移测量。。
本发明所述基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，结构紧凑、集成化程度高，安装方便，适用的适用范围广。
附图说明
图1为本发明所述基于二次衍射的外差光栅干涉位移测量系统的示意图。
图2、图3、图4为本发明的干涉仪镜组在同一个视角下的示意图；
图5为本发明的干涉仪镜组在另一个视角下的示意图；
图6为本发明第一测量用激光光路示意图；
图7为本发明第一参考用激光光路示意图；
图8为本发明回射器的工作示意图；
图中，1-单频激光器，2-输入光纤，3-声光调制器，4-读数头，5-测量光栅，6-输出光纤，7-光电转换单元，8-电子信号处理部件，41-第一测量用激光光，42-第一参考用激光，43-反射镜，44-四分之一波片，45-偏振分光镜，46-回射器，47-侧向分光棱镜，48-第二测量用激光，49-第二参考用激光，410-折射镜，411-连接件，412-第一测量干涉信号，413-第一参考干涉信号，414-第二测量干涉信号，415-第二参考干涉信号，401-第一折射镜，402-第二折射镜，431-第一反射镜，432-第二反射镜，441-第一四分之一波片，442-第二第一四分之一波片，451-第一偏振分光镜，452-第二偏振分光镜，461-第一回射器，462-第二回射器，463-第三回射器，464-第四回射器，471-第一侧向分光棱镜，472-第二侧向分光棱镜，473-第三侧向分光棱镜，474-第四侧向分光棱镜。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
图1为本发明所述基于二次衍射的外差光栅干涉位移测量系统的示意图，如图1所示，外差光栅干涉测量系统，其特征在于，包括单频激光器1、输入光纤2、声光调制器3、读数头4、测量光栅5、输出光纤6、光电转换单元7和电子信号处理部件8，单频激光器1发出单频激光通过输入光纤2进入声光调制器3分为参考光和测量光输入至读数头4，读数头4和测量光栅5将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号通过输出光纤6发送到光电转换单元7，光电转换单元7将测量干涉电光信号和参考干涉光信号转换成测量干涉电信号和参考干涉电信号发送给电子信号处理部件8，解算出测量光栅5的线性位移，其中，
所述读数头4包括干涉仪镜组，单频激光器1发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器3分为多束参考光和多束测量光，多束参考光和多束测量光采用空间分离式传输，分别从不同的位置进入干涉仪镜组，并产生多路测量干涉信号和多路参考干涉信号。
优选地，测量光栅相对读数头做面内和垂向两个自由度的线性运动，从而通过单频激光器1、输入光纤2、声光调制器3、读数头4、输出光纤6、光电转换单元7和电子信号处理部件8实现测量光栅5的二自由度线性位移的测量。
本发明所述测量系统可以同时测量目标光栅面内和垂向二自由度大行程位移，且相较于一次衍射光测量系统实现了更高的光学细分，与此同时，还有效抑制了偏振混叠误差和光纤传输误差。该测量系统具有体积小、质量轻、便于布置等优点，适用于光刻机超精密工作台、精密机床等需要多自由度精密位移测量的场合。
图2是本发明的干涉仪镜组在一个视角下的示意图，如图2所示，
所述干涉仪镜组包括多个反射镜43、多个四分之一波片44、多个偏振分光镜45、多个回射器46、多个侧向分光棱镜47和多个折射镜410，单频激光器1发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器3分为多束参考光和多束测量光，不同参考光进入不同偏振分光镜45，不同测量光进入不同偏振分光镜，发生反射和投射，形成测量反射光、测量透射光、参考反射光和参考透射光，多束测量反射光经过四分之一波片44、折射镜410、测量光栅5、折射镜410、四分之一波片44、偏振分光镜45和回射器46多次反射形成多束第一测量光；多束测量透射光经过不同的侧向分光棱镜47形成多束第二测量光；多束参考放射光经过四分之一波片44、反射镜43、偏振分光镜45、回射器46和侧向分光棱镜47多次反射形成多束第一参考光，多束参考透射光经过不同的侧向分光棱镜47形成多束第二参考光；多束第一测量光和第二测量光分别与参考光进行干涉形成多路测量干涉信号，多束第一参考光和第二参考光分别与测量光进行干涉，形成多路参考干涉信号。
在一个实施例中，所述读数头4采用模块化布置，具体地，每个偏振分光镜前后各布置了一个侧向分光棱镜；每个偏振分光镜下方皆布置了两个回射器；每个偏振分光镜上方皆布置了一个四分之一波片；每个四分之一波片上方皆平行布置了一个反射镜和一个折射镜，读数头4中各组件紧密连接固定，结构紧凑，安装方便。
优选地，所述读数头包括第一读数头模块和第二读数头模块，所述第一读数头模块产生第一测量干涉信号和第一参考干涉信号，所述第二读数头模块产生第二测量干涉信号和第二参考干涉信号，第一读数头模块和第二读数头模块中光路互不干扰，第一读数头模块和第二读数头模块通过连接件411连接，所述连接件为长方体，第一读数头模块和第二读数头模块分别粘结在连接件上。
在一个优选实施例中，图2、图3、图4为本发明的干涉仪镜组在同一个视角下的示意图，图5为本发明的干涉仪镜组在另一个视角下的示意图，如图2-5所示，干涉仪镜组包括第一偏振分光镜451、第二偏振分光镜452、第一侧向分光棱镜471、第二侧向分光棱镜472、第三侧向分光棱镜473、第四侧向分光棱镜474、第一回射器461、第二回射器462、第三回射器463和第四回射器464、第一四分之一波片441、第二第一四分之一波片442、第一反射镜431、第二反射镜432、第一折射镜401和第二折射镜402；
单频激光器1发出两束单频激光，经声光调制器3后，形成两束测量光和两束参考光，一束测量光通过第一偏振分光镜451，发生反射和透射，形成一束第一测量反射光和一束第一测量透射光，一路参考光通过第一偏振分光镜451，发生反射和透射，形成一束第一参考反射光和一束第一参考透射光；
第一测量反射光依次通过第一四分之一波片441、第一折射镜401、测量光栅、第一折射镜401、第一四分之一波片441、第一偏振分光镜、第一回射器461、第一偏振分光镜、第一四分之一波片441、第一折射镜401、测量光栅、第一折射镜401、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜471形成第一测量光；
第一测量透射光经过第二侧向分光棱镜472形成第二测量光；
第一参考反射光依次通过第一四分之一波片441、第一反射镜431、第一四分之一波片441、第一偏振分光镜、第二回射器462、第一偏振分光镜、第一四分之一波片441、第一反射镜431、第一四分之一波片441、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜471形成第一参考光；
第一参考透射光经过第二侧向分光棱镜472形成第二参考光；
第一测量光和第一参考光干涉形成第一测量干涉信号412；第二测量光与第二参考光干涉形成第一参考干涉信号413；
另一束测量光通过第二偏振分光镜452，发生反射和透射，形成一束第二测量反射光和一束第二测量透射光，另一束参考光通过第二偏振分光镜452，发生反射和透射，形成一束第二参考反射光和一束第二参考透射光；
第二测量反射光依次通过第二四分之一波片442、第二折射镜402、测量光栅、第二折射镜402、第二四分之一波片442、第二偏振分光镜452、第三回射器463、第二偏振分光镜452、第二四分之一波片442、第二折射镜402、测量光栅、第二折射镜402、第二偏振分光镜452、第三侧向分光棱镜473形成第三测量光；
第二测量透射光经过第四侧向分光棱镜474形成第四测量光；
第二参考反射光依次通过第二四分之一波片442、第二反射镜432、第二四分之一波片442、第二偏振分光镜452、第四回射器464、第二偏振分光镜452、第二四分之一波片442、第二反射镜432、第二四分之一波片442、第二偏振分光镜452、第三侧向分光棱镜473形成第三参考光；
第二参考透射光经过第四侧向分光棱镜474形成第四参考光；
第三测量光和第三参考光干涉形成第二测量干涉信号414；第四测量光与第四参考光干涉形成第二参考干涉信号415。
单频激光器给出两束参考光和两束测量光，经读数头共产生两个测量干涉信号和两个参考干涉信号；其中两个参考干涉电信号用于抑制光纤传输过程中造成的误差；同时，读数头采用模块化布置，降低了读数头的安装及对准难度。
在上述各实施例中，优选地，折射镜410满足测量光的利特罗角入射条件，第一测量反射光、第二测量反射光经过测量光栅5衍射后，形成一次衍射光，一次衍射光依次通过对应的折射镜、四分之一波片、偏振分光镜进入回射器，回射器将入射的一次衍射光平行出射，出射后的一次衍射光依次通过偏振分光镜、四分之一波片、折射镜，并再次以利特罗角进入测量光栅，形成二次衍射光。
本发明采用二次衍射光测量系统，实现更高的系统分辨率；布置上采用利特罗式布置，使到达测量光栅的一次衍射光和二次衍射光都沿原路返回再次进入读数头。
在一个实施例中，所述输入光纤2为保偏光纤，输出光纤6为多模光纤，测量光栅5为一维反射型光栅，回射器46为角锥镜，输入光纤2用来将单频激光器1发出的线偏振光输入至读数头，两路测量光和两路参考光采用空间分离式传输，分别从不同的位置进入干涉仪镜组，并产生两个测量干涉信号和两个参考干涉信号，测量光栅5可以相对读数头4做面内和垂向两个自由度的线性运动，输出光纤6为多模光纤，为测量干涉信号和参考干涉信号的接收光纤，所述测量干涉信号和参考干涉信号各为两路，分别经多模光纤耦合接收并输出四路干涉信号；所述光电转换单元7将多模光纤6传输过来的光信号转换为测量干涉电信号和参考干涉电信号，并输入至电子信号处理部件8；电子信号处理部件处理接收到的电信号，解算出测量光栅5的线性位移。
图6为本发明第一测量用激光光路示意图，图7为本发明第一参考用激光光路示意图，第一测量用激光41和第一参考用激光42，用以形成一路测量干涉信号和参考干涉信号，并分别在两个侧向分光棱镜底部输出；第二测量用激光48和第二参考用激光49用以形成另外一路测量干涉信号和参考干涉信号，并分别在另外两个侧向分光棱镜底部输出，具体地，如图6和7所示：
测量光为线偏振光，其中，第一测量用激光41，频率为f1，进入第一偏振分光镜451后，发生反射和透射，第一测量用激光41对应的反射光依次通过第一四分之一波片441、第一折射镜401、测量光栅、第一折射镜401、第一四分之一波片441、第一偏振分光镜、第一回射器461、第一偏振分光镜、第一四分之一波片441、第一折射镜401、测量光栅、第一折射镜401、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜471形成第一测量光，第一参考用激光42，频率为f2，通过第一偏振分光镜451，发生反射和透射，第一参考用激光42对应的反射光依次通过第一四分之一波片441、第一反射镜431、第一四分之一波片441、第一偏振分光镜、第二回射器462、第一偏振分光镜、第一四分之一波片441、第一反射镜431、第一四分之一波片441、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜471形成第一参考光，第一测量光与第一参考光干涉，最终形成第一测量干涉信号412；
第一测量用激光41和第一参考用激光42对应的透射光分别通过第二侧向分光棱镜472形成第二测量光和第二参考光，第二测量光和第二参考光干涉，最终形成第一参考干涉信号413。
第二测量用激光48，频率为f1，通过第二偏振分光镜452，发生反射和透射，第二测量用激光48对应的反射光依次通过第二四分之一波片442、第二折射镜402、测量光栅、第二折射镜402、第二四分之一波片442、第二偏振分光镜452、第三回射器463、第二偏振分光镜452、第二四分之一波片442、第二折射镜402、测量光栅、第二折射镜402、第二偏振分光镜452、第三侧向分光棱镜473形成第三测量光；
第二参考用激光49，频率为f2，通过第二偏振分光镜452，发生反射和透射，第二参考用激光49对应的反射光依次通过依次通过第二四分之一波片442、第二反射镜432、第二四分之一波片442、第二偏振分光镜452、第四回射器464、第二偏振分光镜452、第二四分之一波片442、第二反射镜432、第二四分之一波片442、第二偏振分光镜452、第三侧向分光棱镜473形成第三参考光；第三测量光和第三参考光干涉形成第二测量干涉信号414；
第二测量用激光48和第二参考用激光49对应的透射光分别通过第四侧向分光棱镜474形成第四测量光和第四参考光，第四测量光和第四参考光干涉，最终形成第二参考干涉信号415。
在一个实施例中，单频激光器1发出单频激光同时包含s偏振分量和p偏振分量，以其中一路测量干涉信号和参考干涉信号的形成为例，另外一路测量干涉信号和参考干涉信号形成原理基本一致，具体地：
单频激光器1出射两束单频激光，每束单频激光经输入光纤耦合后入射至声光调制器移频，并经格林透镜准直后得到两路带有频差的线偏振光，该线偏振光同时包含s偏振分量和p偏振分量，其中两路作为参考光，两路作为测量光。
测量光同时包含s偏振分量和p偏振分量，其中一路测量光f1进入偏振分光镜后，发生反射和透射。反射光依次通过：四分之一波片44、折射镜43、测量光栅5、折射镜43、四分之一波片44、偏振分光镜45、角锥镜46、偏振分光镜45、四分之一波片44、折射镜43、测量光栅5、折射镜43、偏振分光镜45、侧向分光棱镜47，作为测量光与参考光干涉，最终形成一路测量干涉信号；
参考光同样同时包含s偏振分量和p偏振分量，参考光f2进入偏振分光镜后，发生反射和折射。反射光依次通过：四分之一波片41、反射镜43、四分之一波片44、偏振分光镜45、角锥镜46、偏振分光镜45、四分之一波片44、反射镜43、偏振分光镜45、侧向分光棱镜47，作为参考光与测量光干涉，最终形成一路测量干涉信号。
上述测量光与参考光形成的一路测量干涉信号，为拍频信号，
Figure BDA0002700965110000141
其中，I1为测量干涉信号，
Figure BDA0002700965110000142
表示经偏振分光镜反射的参考光光矢量，
Figure BDA0002700965110000143
表示经偏振分光镜反射的测量光光光矢量，IDC1表示光强信号中的直流分量的幅值，IAC1表示光强信号中的交流分量的幅值，f表示双频激光的频差，
Figure BDA00027009651100001410
表示由于测量光栅在X和Z方向上位移所引起的相位变化值，
Figure BDA00027009651100001411
表示测量光和参考光的初始相位差。
测量光经偏振分光镜透射后，透射光通过侧向分光棱镜，作为测量光与参考光干涉，最终形成一路参考干涉信号；参考光经偏振分光镜透射后，透射光通过侧向分光棱镜，作为参考光与测量光干涉，最终形成一路参考干涉信号，
Figure BDA0002700965110000144
其中，I2为参考干涉信号，
Figure BDA0002700965110000145
表示经偏振分光镜反射的参考光光矢量，
Figure BDA0002700965110000146
表示经偏振分光镜反射的测量光光光矢量，IDC2表示光强信号中的直流分量的幅值，IAC2表示光强信号中的交流分量的幅值，f表示双频激光的频差，
Figure BDA0002700965110000147
代表的意义与前文相同。
如图1-图7所示，所述两路测量干涉信号和两路参考干涉信号，分别经四个输出光纤6直接耦合，共形成四路信号，其信号强度可满足测量需求。传输至光电转换单元7转换为电信号，并输入至电子信号处理部件8进行处理，利用得到的相位信息，解算二自由度线性运动。所述测量光栅5相对于读数头4做水平向和垂向两个自由度的线性运动时，电子信号处理部件8将解算出二自由度线性位移，
Figure BDA0002700965110000148
Figure BDA0002700965110000149
其中，x、z为测量光栅位移，
Figure BDA0002700965110000151
为两路测量干涉信号相对于参考干涉信号的相位变化，p为测量光栅的栅距，λ为激光波长，θ为利特罗角。
图8为本发明所述回射器的工作原理示意图，如图8所示，所述回射器为角锥镜，角锥镜是由立方体切下来一个角而形成的。角锥镜的三个反射工作面相互垂直，底面为角锥镜的入射面和出射面；当光线以任意方向从底面入射，经过三个直角面依次反射后，出射光线始终平行于入射光线；故保证了存在测量光栅存在转角误差时，测量光和参考光仍然能够平行干涉，避免了干涉条纹的产生，使本测量系统具有有较大的光栅转角允差。
上述基于二次衍射的外差光栅干位移测量系统为基于二次衍射光的二自由度外差光栅干位移测量系统，可以同时测量面内和垂向两个自由度的大行程线性位移；巧妙设置两路参考干涉信号，有效抑制了光纤传输过程中产生的误差；读数头4采用模块化布置，降低了读数头的安装及对准难度；测量光和参考光采用空间分离式传输，有效避免了偏振混叠误差所产生的周期非线性误差对测量精度的影响；采用二次衍射光实现了对干涉信号的四次细分，相较于一次衍射光测量系统实现了更高的光学细分；干涉仪镜组采用回射器结构，保证了存在测量光栅存在转角误差时，测量光和参考光仍然能够平行干涉，避免了干涉条纹的产生，具有较大的转角允差。除此之外，该测量系统具有体积小、质量轻、便于布置等优点，适用于光刻机超精密工作台、精密机床等需要多自由度精密位移测量的场合。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，包括单频激光器(1)、输入光纤(2)、声光调制器(3)、读数头(4)、测量光栅(5)、输出光纤(6)、光电转换单元(7)和电子信号处理部件(8)，单频激光器(1)发出单频激光通过输入光纤(2)进入声光调制器(3)分为参考光和测量光输入至读数头(4)，读数头(4)和测量光栅(5)将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号通过输出光纤(6)发送到光电转换单元(7)，光电转换单元(7)将测量干涉电光信号和参考干涉光信号转换成测量干涉电信号和参考干涉电信号发送给电子信号处理部件(8)，解算出测量光栅(5)的二自由度线性位移，其中，
所述读数头包括干涉仪镜组，单频激光器(1)发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器(3)分为多束参考光和多束测量光，多束参考光和多束测量光采用空间分离式传输，分别从不同的位置进入干涉仪镜组，并产生多路测量干涉信号和多路参考干涉信号。
2.根据权利要求1所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述干涉仪镜组包括多个反射镜(43)、多个四分之一波片(44)、多个偏振分光镜(45)、多个回射器(46)、多个侧向分光棱镜(47)和多个折射镜(410)，单频激光器(1)发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器(3)分为多束参考光和多束测量光，不同参考光进入不同偏振分光镜(45)，不同测量光进入不同偏振分光镜，发生反射和透射，形成测量反射光、测量透射光、参考反射光和参考透射光，多束测量反射光经过四分之一波片(44)、折射镜(410)、测量光栅(5)、折射镜(410)、四分之一波片(44)、偏振分光镜(45)和回射器(46)多次反射形成多束第一测量光；多束测量透射光经过不同的侧向分光棱镜(47)形成多束第二测量光；多束参考放射光经过四分之一波片(44)、反射镜(43)、偏振分光镜(45)、回射器(46)和侧向分光棱镜(47)多次反射形成多束第一参考光，多束参考透射光经过不同的侧向分光棱镜(47)形成多束第二参考光；多束第一测量光和第二测量光分别与参考光进行干涉形成多路测量干涉信号，多束第一参考光和第二参考光分别与测量光进行干涉，形成多路参考干涉信号。
3.根据权利要求2所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述干涉仪镜组包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一侧向分光棱镜、第二侧向分光棱镜、第三侧向分光棱镜、第四侧向分光棱镜、第一回射器、第二回射器、第三回射器、第四回射器、第一四分之一波片、第二第一四分之一波片、第一反射镜、第二反射镜、第一折射镜和第二折射镜；
单频激光器(1)发出两束单频激光，经声光调制器(3)后，形成两束测量光和两束参考光，一束测量光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一测量反射光和一束第一测量透射光，一路参考光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一参考反射光和一束第一参考透射光；
第一测量反射光依次通过第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一测量光；
第一测量透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二测量光；
第一参考反射光依次通过第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第二回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一参考光；
第一参考透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二参考光；
第一测量光和第一参考光干涉形成第一测量干涉信号；第二测量光与第二参考光干涉形成第一参考干涉信号；
另一束测量光通过第二偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第二测量反射光和一束第二测量透射光，另一束参考光通过第二偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第二参考反射光和一束第二参考透射光；
第二测量反射光依次通过第二四分之一波片、第二折射镜、测量光栅、第二折射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第三回射器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第二折射镜、测量光栅、第二折射镜、第二偏振分光镜、第三侧向分光棱镜形成第三测量光；
第二测量透射光经过第四侧向分光棱镜形成第四测量光；
第二参考反射光依次通过第二四分之一波片、第二反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第四回射器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第二反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第三侧向分光棱镜形成第三参考光；
第二参考透射光经过第四侧向分光棱镜形成第四参考光；
第三测量光和第三参考光干涉形成第二测量干涉信号；第四测量光与第四参考光干涉形成第二参考干涉信号。
4.根据权利要求2或3所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，每个偏振分光镜前后各布置了一个侧向分光棱镜；每个偏振分光镜下方皆布置了两个回射器；每个偏振分光镜上方皆布置了一个四分之一波片；每个四分之一波片上方皆平行布置了一个反射镜和一个折射镜。
5.根据权利要求3所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，第一测量光和第二测量光分别与参考光干涉形成两路测量干涉信号，第一参考光和第二参考光分别与测量光干涉形成两路参考干涉信号。
6.根据权利要求1所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述输入光纤(2)为保偏光纤，输出光纤(6)为多模光纤，测量光栅(5)为一维反射型光栅，回射器(46)为角锥镜。
7.根据权利要求2所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述折射镜满足测量光的利特罗角入射条件。
8.根据权利要求7所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，测量反射光经过测量光栅(5)衍射后，形成一次衍射光，一次衍射光依次通过折射镜、四分之一波片、偏振分光镜进入回射器，回射器将入射的一次衍射光平行出射，出射后的一次衍射光依次通过偏振分光镜、四分之一波片、折射镜，并再次以利特罗角进入测量光栅，形成二次衍射光。
9.根据权利要求1所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，测量光栅相对读数头做面内和垂向两个自由度的线性运动。
10.根据权利要求3所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述读数头采用模块化布置，包括第一读数头模块和第二读数头模块，所述第一读数头模块产生第一测量干涉信号和第一参考干涉信号，所述第二读数头模块产生第二测量干涉信号和第二参考干涉信号，第一读数头模块和第二读数头模块中光路互不干扰，第一读数头模块和第二读数头模块通过连接件连接。
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