CN113701625B - 一种六自由度测量光栅尺 - Google Patents

Abstract

本发明一种六自由度测量光栅尺，包括：激光器，分束与准直模块，偏振分光器，反光模块，自准直模块，测量光栅，线偏振片、六个探测单元和信号采集及处理器。其单只读数头即可实现被测物体六自由度的高精度测量；通过有效的光路设计，可获得大安装容差的Littrow自准直入射测量光栅的光路结构。光栅尺系统整体结构简单紧凑，易于制造，成本低。

Description

一种六自由度测量光栅尺

技术领域

本发明属于光栅测量领域，特别涉及一种六自由度测量光栅尺。

背景技术

随着精密制造技术的发展，诸如光刻机、三坐标测量机、数控机床、机器人智能化设备，都广泛需要六自由度的测量。

目前，针对高精度的诸如光刻机工件台的六自由度的测量方式，主要采用激光平面镜干涉仪的多轴分布式测量，如美国专利US6020964B2、US7158236B2、US7366719B2、US6980279B2等。这类测量方式大大增加了系统的复杂度和成本。

光栅尺又称光学编码器，广泛应用于精密运动台、精密光学机械、精密测量仪器等领域的位移和角度测量。其中，基于高密度衍射光栅的光栅尺相比基于低密度普通几何光栅的光栅尺，具有更高精度和分辨率，可达到亚纳米级。荷兰ASML已在其光刻机上采用平面光栅加四个对称分布的读数头进行六自由度的测量。此类测量方式由于多轴分离，容易造成阿贝误差和余弦误差，仍旧存在高复杂度和成本问题。

Gao研究小组提出了一种六自由度测量光栅尺(X.Li，Wei Gao，et.al.，A six-degree-of -freedom surface encoder for precision positioning of a planarmotion stage，Precision Engineering 37(2012)，576-585)。这一方案所给出的光路表明，相对于固定在被测量物体表面的测量衍射光栅，读数头的安装距离要求严格，稍有前后移动便会导致其探测器上的光斑横向移动，产生误差。此外，其采用四象限探测器进行角度测量，相对干涉仪的测量方法，精度不高，并且其结构仍旧复杂。

中国专利CN10862709913给出了一种五自由度测量光栅尺。其光路堆叠，不易制造，且未能实现六自由度测量。中国专利CN106017308B给出了一种六自由度测量的系统，采用三个测量光栅组件和三个外差激光反射镜交叉叠放而成，较为复杂，不易制造，并且X、Y、Z轴是分离的，容易造成阿贝误差和余弦误差。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种仅有一只读数头的六自由度测量光栅尺，实现全六自由度参数的干涉式的高精度测量，并且采用大安装容差的Littrow自准直入射测量光栅的光路结构，此外，系统简单紧凑，易于制造，成本低。

本发明技术方案如下：

采用反射型二维衍射测量光栅及同一光学孔径中的六束并行测量光束的六维Michelsion(迈克尔逊)干涉仪或六维Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪设计，组成紧凑型六自由度测量光栅尺，使得单只读数头即可实现被测物体六自由度的高精度测量。

所述六自由度测量光栅尺，包括：

激光器，用于输出具有P光和S光两个偏振分量的光束；

分束与准直模块，用于将激光器输出的光束分为六束并准直入射到偏振分光器；在垂直该准直后的六束光束的截面上，其中四束光束成2*2等距排列，相邻每束光束中心连线可构成正方形，用于测量光栅六自由度中的X、Y、Z轴的位移和Z轴转角θz的测量，另外两束光束用于X轴转角和Y轴转角的测量，分别位于所述正方形的与边平行的两对称轴上；所述正方形的边分别平行X轴和Y轴，且与偏振分光器的S光或P光偏振轴平行或垂直；

偏振分光器，使入射光为S偏振分量的光束反射，入射光为P偏振分量的光束透射；

反光模块，使经偏振分光器反射或透射的参考光或测量光沿原路返回至偏振分光器并进行P 光和S光两个偏振分量偏振态的相互转换，即P光变为S光或S光变为P光；

自准直模块，使经偏振分光器反射或透射的所述六束光束中的2*2等距的四束光束的对角光束以Littrow角入射测量光栅表面，进一步地，四束光束的每束光束的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束或其延长线相交于测量光栅外一点；所述六束光束中另外光束垂直入射于测量光栅；所述六束光束经测量光栅自准直回射后沿原路返回至偏振分光器，并进行P光和S光两个偏振分量偏振态的相互转换，即P光变为S光或S光变为P光；所述四束光束具有测量光栅六自由度中的X、Y、Z轴的位移和Z轴转角θz的信息，所述另外两束光束具有X轴转角θx和Y轴转角θy的信息；

测量光栅，具有两个相互正交的维度，且对称并且栅距相等；安装于被测物体上，并与所述自准直模块发出的六束光束作相对运动；所述测量光栅表面的正方形的相邻两边分别平行于 X轴和Y轴，且Z轴垂直于其平面，坐标零点亦设在其平面上，构成测量坐标系，四束光束投影坐标如下：(X1，Y1)，(X1，Y2)，(X2，Y1)，(X2，Y2)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|；另二束光束投影坐标如下：(X3，(Y2+Y1)/2)，((X2+X1)/2，Y3)，X3≠(X2+X1) /2，Y3≠(Y2+Y1)/2；

线偏振片，用于将通过偏振分光器的六束测量光的各自两个偏振分量合束形成干涉光束；六个探测单元，用于分别探测具有两个偏振分量的六束测量光的各自干涉光束，并转化为电信号传输至信号采集及处理器；

信号采集及处理器，用于接收电信号，并当测量光栅在XYZ向三个自由度的线性移动及其三个自由度的旋转角度时，计算并输出相应参数。

所述的六自由度测量光栅尺的三自由度线性位移及其三个自由度的旋转角度的计算公式如下：

X轴向位移ΔX：ΔX＝β1＊[(Φ2+Φ4-Φ1-Φ3)/4-α1＊θy]；

Y轴向位移ΔY：ΔY＝β2＊[(Φ1+Φ2-Φ3-Φ4)/4-α2＊θx]；

Z轴向位移ΔZ：ΔZ＝β3＊(Φ1+Φ2+Φ3+Φ5)/4；

X轴转角θx：θx＝β4＊(K1＊Φ6-ΔZ)；

Y轴转角θy：θy＝β5＊(K2＊Φ5-ΔZ)；

Z轴转角θz：θz＝β6＊(Φ2-Φ1-Φ4+Φ3)；

式中，Φ1为第二探测单元探测到的经投影坐标(X1，Y2)的测量光束相位，Φ2为第六探测单元探测到的经投影坐标(X2，Y2)的测量光束相位，Φ3为第一探测单元探测到的经投影坐标(X1，Y1)的测量光束相位，Φ4为第三探测单元探测到的经投影坐标(X2，Y1)的测量光束相位，Φ5为第四探测单元探测到的经投影坐标(X3，(Y2+Y1)/2)的测量光束相位，Φ6为第五探测单元探测到的经投影坐标((X2+X1)/2，Y3)的测量光束相位，α1、α2、β1、β2、β3、β4、β5、β6、K1、K2为比例系数，由系统标定给出。

所述的激光器是线偏振的或是双频正交偏振的。

所述的六自由度测量光栅尺，当激光器是线偏振的情形，所述的探测单元包括沿线偏振片出射光方向依次放置的相位光栅，并行放置的第一探测器，第二探测器，第三探测器，封装外壳，传输线缆；所述相位光栅将由线偏振片出射的入射光衍射后形成三束干涉光束，所述三束干涉光束彼此相位相差优选角度是120°，由第一探测器、第二探测器、第三探测器分别探测，探测信号由传输线缆传至信号采集及处理器；当激光器是双频正交偏振的情形，所述每一探测单元为单只探测器，探测信号和激光器参考信号由传输线缆传至信号采集及处理器。

所述的分束与准直模块包括：沿入射光方向依次放置的分束衍射光栅、准直元件和光阑，入射光经分束衍射光栅分成至少6束光束，通过准直元件后，再由光阑使六束光束通过。所述准直元件是准直物镜或是同样焦距的菲涅尔波带片或是位于透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅，所述一组一维衍射光栅分别设置在由光阑选择的六束光束在透明玻璃基板的入射点，选用其+1级或-1级衍射光准直，再由光阑仅使准直的六束光束通过。

所述的反光模块包括沿入射光方向依次放置的第一四分之一波片和全反镜；

所述的自准直模块包括沿入射光方向依次放置的第二四分之一波片和自准直组件；

所述的自准直组件是自准直物镜且具有两个以上的镜边月形豁口，以便测量X轴转角θx的光束和测量Y轴转角θy的光束直接通过。

所述的自准直组件是带有至少两个豁口的与所述自准直物镜同样焦距的菲涅尔波带片或是带有至少两个豁口的上大下小的倒梯型四面锥棱体，或是实现同等自准直功能的与其四个斜面反射方位一致的四个平面反射镜。

所述的自准直组件，包括位于带豁口的透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅和光阑；所述一组一维衍射光栅分别设置在所述六束光束中的2*2等距的四束光束在透明玻璃基板的入射点，且所述六束光束中的2*2等距的四束光束的对角光束经所述一组一维衍射光栅衍射后，由光阑选择其+1级或-1级衍射光以Littrow角入射测量光栅表面并回射，且四束光束或其延长线相交于测量光栅外一点；所述六束光束中另外两束光束通过透明玻璃基板上的豁口直接垂直入射于测量光栅并回射。

所述的分束衍射光栅为正交二维衍射光栅或是Dammann(达曼)光栅，或者是两个一维衍射光栅的组合。

所述的分束衍射光栅为反射型或是透射型的。

所述线偏振片的偏振轴与入射P光或S光呈一定夹角放置，其优选夹角为45°。

所述的测量光栅为反射型二维正交衍射光栅。

所述相位光栅是一维衍射光栅，或二维衍射光栅。

所述偏振分光器是偏振棱镜或是45°放置的偏振分光片。

下面就所述紧凑型六自由度测量光栅尺光学系统的详细光路特征进行描述。

所述紧凑型六自由度测量光栅尺光学系统具有三类光路基本构型：

1、第一种类光路基本构型：Michelson(迈克尔逊)干涉仪型

由分束与准直模块出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，存在两种情形：

(1)所述六束光束的S光分量光束一起经过偏振分光器反射后通过反光模块，所述六束光束的偏振态皆由S光转变为P光，直接通过偏振分光器，本质上形成Michelson(迈克尔逊)干涉仪的参考光束；

所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振分光器，再一起经过自准直模块入射于测量光栅表面。其中四束光束在测量光栅表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外两束直接通过自准直模块垂直入射于测量光栅表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、 ((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、 Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过自准直模块准直之后，再次通过其第二四分之一波片，偏振态皆由P光转变为S光，经由偏振分光器反射后与先前出射的参考光P光重合，形成测量光栅的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器处理，获得相应的六自由度参数。

(2)所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振分光器和反光模块，所述六束光束的偏振态皆由P光转变为S光，再经偏振分光器反射后出射，本质上形成Michelson(迈克尔逊) 干涉仪的参考光束；

所述六束光束的S光分量光束一起经由偏振分光器反射，再一起经过自准直模块入射于测量光栅表面。其中四束光束在测量光栅表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、 (X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外两束直接通过自准直模块垂直入射于测量光栅表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、 ((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、 Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过自准直模块准直之后，再次通过其第二四分之一波片，偏振态皆由S光转变为P光，经由偏振分光器出射后与先前出射的参考光S光重合，形成测量光栅的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器处理，获得相应的六自由度参数。

2、第二类光路基本构型：所述六束光束的S光分量直接由偏振分光器反射作为参考光的 Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪型

由分束与准直模块出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的S 光分量光束一起经偏振分光器反射出射，形成本质上是Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪的参考光。

所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振分光器后，存在两种情形：

(1)所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振分光器，再一起经过自准直模块入射于测量光栅表面。其中四束光束在测量光栅表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外两束直接通过自准直模块垂直入射于测量光栅表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、 ((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、 Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过自准直模块准直之后，再次通过其第二四分之一波片，偏振态皆由P光转变为S光，经由偏振分光器反射后再通过反光模块，所述六束光束的偏振态皆由S光转变为P光，再直接通过偏振分光器出射，与先前出射的参考光S光重合，形成测量光栅的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器处理，获得相应的六自由度参数。 (2)所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振分光器，经由反光模块反射后偏振态皆由P 光转变为S光，再次由偏振分光器反射，进而一起经过自准直模块入射于测量光栅表面。

其中四束光束在测量光栅表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且 |X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外两束直接通过自准直模块垂直入射于测量光栅表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、 ((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、 Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过自准直模块准直之后，再次通过其第二四分之一波片，偏振态皆由S光转变为P光，直接通过偏振分光器出射，与先前出射的参考光S光重合，形成测量光栅的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器处理，获得相应的六自由度参数。

3、第三类光路基本构型：所述六束光束的P光分量直接由偏振分光器出射作为参考光的 Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪型

由分束与准直模块出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的P 光分量光束一起经偏振分光器直接出射，形成本质上是Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪的参考光。

所述六束光束的S光分量光束一起经偏振分光器反射后，存在两种情形：

(1)再一起经过自准直模块入射于测量光栅表面。其中四束光束在测量光栅表面投影坐标为 (X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外两束直接通过自准直模块垂直入射于测量光栅表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1) /2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过自准直模块准直之后，再次通过其第二四分之一波片，偏振态皆由S光转变为P光，通过偏振分光器后，经由反光模块反射，所述六束光束的偏振态皆由P光转变为S光，再通过偏振分光器反射出射，与先前出射的参考光P光重合，形成测量光栅的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器处，获得相应的六自由度参数。

(2)再经由反光模块反射后偏振态皆由S光转变为P光，通过偏振分光器，一起经过自准直模块入射于测量光栅表面。其中四束光束在测量光栅表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、 (X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外两束直接通过自准直模块垂直入射于测量光栅表面并回射，投影坐标为(X3， (Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过自准直模块准直之后，再次通过其第二四分之一波片，偏振态皆由P光转变为S 光，通过偏振分光器反射出射，与先前出射的参考光P光重合，形成测量光栅的六自由度的 P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器处理，获得相应的六自由度参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

提出一种采用基于测量光栅及同一光学孔径中的六束并行测量光束的六维Michelson (迈克尔逊)干涉仪或六维Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪设计，组成紧凑型六自由度测量光栅尺，其单只读数头即可实现被测物体六自由度的高精度测量；通过有效的光路设计，获得了大安装容差的Littrow自准直入射测量光栅的光路结构，同时，入射测量光栅的四束光束可交于测量光栅外一点，避免了阿贝误差和余弦误差。所设计的光路元件中，仅使用一个偏振棱镜，系统光路整体结构简单紧凑，易于制造，成本低。本发明较全面解决了已有技术的缺陷和不足，进而可以获得本领域研发人员长期渴望得到的具有广泛用途且优良性能的紧凑型六自由度测量光栅尺。

附图说明

图1为本发明六自由度测量光栅尺光学系统示意图；

图2为本发明第二种光学系统示意图；

图3为本发明第三种光学系统示意图；

图4为本发明第四种光学系统示意图；

图5为本发明第五种光学系统示意图；

图6为本发明第六种光学系统示意图；

图7为探测单元示意图；

图8为带有豁口的上大下小的倒梯型四面锥棱体25示意图；

图9为反射型分束衍射光栅2分束光路图。

图10为准直元件-----透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅

图11为自准直组件-----带豁口的透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1为本发明六自由度测量光栅尺光学系统示意图，包括：偏振准直激光光源1，分束衍射光栅2，第一准直物镜3，光阑4、偏振棱镜11，第一四分之一波片12、全反镜13、第二四分之一波片14、第二准直物镜15，测量用反射型二维衍射光栅16，线偏振片17；第一探测单元18、第二探测单元19、第三探测单元20、第四探测单元21、第五探测单元 22、第六探测单元23和信号采集及处理器24。

所述分束衍射光栅2和测量光栅16是反射型的且二维正交对称衍射光栅，各自两维度栅距相等；所述第二准直物镜15具有2个以上镜边月形豁口，以便光束直接通过。

所述第一至第六探测单元，都采用同一结构，见图7。该结构包括：相位光栅101，第一探测器102，第二探测器103，第三探测器104，外壳105，传输线缆106。

所述六自由度测量光栅尺光学系统原理如下：

以偏振棱镜11为偏振态参考物，偏振准直激光光源1发出具有P光和S光偏振分量的线偏振光束，经分束衍射光栅2分成9束光束，通过第一准直透镜准直后形成3*3的等距光束，且中心光束与光轴重合。由光阑4选取其中六束入射到偏振棱镜11。在垂直该准直后的六束光束的截面上，其中四束光束成2*2等距排列，相邻每束光束中心连线可构成正方形，用于测量光栅六自由度中的X、Y、Z轴的位移和Z轴转角θz的测量，另外两束光束用于X轴转角θx和Y轴转角θy的测量，分别位于所述正方形的与边平行的两对称轴上，且分别平行 X轴和Y轴；所述正方形的边与偏振棱镜11的S光或P光偏振轴平行或垂直；

由光阑4出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的S光分量光束一起经过偏振棱镜11反射后通过第一四分之一波片12，由全反镜13反射后再次通过第一四分之一波片12，所述六束光束的偏振态皆由S光转变为P光，直接通过偏振棱镜11 出射，本质上形成Michelson(迈克尔逊)干涉仪的参考光束；

所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振棱镜11再一起经过第二四分之一波片14，和第二准直透镜15入射于测量光栅16表面。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅16表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅16且交于测量光栅16外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外左边光束5和中下光束10两束光，直接通过第二准直透镜15的月形豁口垂直入射于测量光栅16表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1) /2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过第二准直透镜15准直之后，再次通过其第二四分之一波片14，偏振态皆由P光转变为S光，经由偏振棱镜11反射后与先前出射的参考光P光重合，形成测量光栅16的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片17出射，形成测量光栅16的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器24处理，获得相应的六自由度参数。

经由偏振棱镜11出射的所述带有P光和S光的六束光束分别由所述第一至第六探测单元探测；所述第一至第六探测单元采用同一种结构，如图7。其原理如下：带有P光和S光的每一支测量光束经偏振轴与之成45°放置的线偏振片17后入射于相位光栅101并衍射后形成三束干涉光束，所述三束干涉光束彼此相位相差优选角度是120°，由第一探测器102、第二探测器103、第三探测器104分别探测，探测信号由传输线缆106传至信号采集及处理器24。

所述测量光栅16的六自由度信息具体获取如下：

采用相移干涉术计算可获得每一支测量光束相对应的相位。对应第一探测单元18探测获得的相位为Φ3，第二探测单元19探测获得的相位为Φ1，第三探测单元20探测获得的相位为Φ4，第四探测单元21探测获得的相位为Φ5，第五探测单元22探测获得的相位为Φ6，第六探测单元23探测获得的相位为Φ2；由此，测量光栅16的六自由度参数计算公式如下：

X轴向位移ΔX：ΔX＝β1＊[(Φ2+Φ4-Φ1-Φ3)/4-α1＊θy]；

Y轴向位移ΔY：ΔY＝β2＊[(Φ1+Φ2-Φ3-Φ4)/4-α2＊θx]；

Z轴向位移ΔZ：ΔZ＝β3＊(Φ1+Φ2+Φ3+Φ5)/4；

X轴转角θx：θx＝β4＊(K1＊Φ6-ΔZ)；

Y轴转角θy：θy＝β5＊(K2＊Φ5-ΔZ)；

Z轴转角θz：θz＝β6＊(Φ2-Φ1-Φ4+Φ3)；

式中，Φ1为第二探测单元19探测到的经投影坐标(X1，Y2)的测量光束相位，Φ2为第六探测单元23探测到的经投影坐标(X2，Y2)的测量光束相位，Φ3为第一探测单元18探测到的经投影坐标(X1，Y1)的测量光束相位，Φ4为第三探测单元20探测到的经投影坐标(X2，Y1)的测量光束相位，Φ5为第四探测单元21探测到的经投影坐标(X3，(Y2+Y1)/2) 的测量光束相位，Φ6为第五探测单元22探测到的经投影坐标((X2+X1)/2，Y3)的测量光束相位，α1、α2、β1、β2、β3、β4、β5、β6、K1、K2为比例系数，由系统标定给出。

图2为所述六自由度测量光栅尺光学系统第二种方案。其与图1不同在于：

由光阑4出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振棱镜11和第一四分之一波片12，由全反镜13反射后再次通过第一四分之一波片12，所述六束光束的偏振态皆由P光转变为S光，经偏振棱镜11反射出射，本质上形成Michelson(迈克尔逊)干涉仪的参考光束；

所述六束光束的S光分量光束一起通过偏振棱镜11再一起经过第二四分之一波片14，和第二准直透镜15入射于测量光栅16表面。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅16表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅16且交于测量光栅16外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外左边光束5和中下光束10两束光，直接通过第二准直透镜15的月形豁口垂直入射于测量光栅16表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1) /2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过第二准直透镜15准直之后，再次通过其第二四分之一波片14，偏振态皆由S光转变为P光，直接通过偏振棱镜11出射后与先前出射的参考光S光重合，形成测量光栅16的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片17出射，形成测量光栅的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器24处理，获得相应的六自由度参数。

图3为所述六自由度测量光栅尺光学系统第三种方案。其与图1不同在于：

由光阑4出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的S光分量光束一起经偏振棱镜11反射，形成本质上是Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪的参考光。所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振棱镜11后，再一起经过第二四分之一波片14 和第二准直透镜15入射于测量光栅16表面。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅16表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅16且交于测量光栅16外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外左边光束5和中下光束10两束光，直接通过第二准直透镜15的月形豁口垂直入射于测量光栅16表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1) /2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过第二准直透镜15准直之后，再次通过其第二四分之一波片14，偏振态皆由P光转变为S光，经由偏振棱镜11反射后再通过第一四分之一波片12，由全反镜13反射后再次通过第一四分之一波片12，所述六束光束的偏振态皆由S光转变为P光，再直接通过偏振棱镜11出射，与先前出射的参考光S光重合，形成测量光栅16的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片17出射，形成测量光栅16的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器24处理，获得相应的六自由度参数。

图4为所述六自由度测量光栅尺光学系统第四种方案。其与图1不同在于：

由光阑4出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的S光分量光束一起经偏振棱镜11反射，形成本质上是Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪的参考光。

所述六束光束的P光分量光束一起通过偏振棱镜11和第一四分之一波片12，由全反镜 13反射后再次通过第一四分之一波片12，所述六束光束的偏振态皆由P光转变为S光，一起经偏振棱镜11反射后，再一起经过第二四分之一波片14和第二准直透镜15入射于测量光栅16表面。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅16表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以 Littrow自准直角度入射测量光栅16且交于测量光栅外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外左边光束5和中下光束10 两束光，直接通过自准直模块的第二准直透镜15的月形豁口垂直入射于测量光栅16表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠ (Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过第二准直透镜15准直之后，再次通过第二四分之一波片14，偏振态皆由S光转变为P光，直接通过偏振棱镜11出射，与先前出射的参考光S 光重合，形成测量光栅16的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P 光成45°放置的线偏振片17出射，形成测量光栅16的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器24处理，获得相应的六自由度参数。

图5为所述六自由度测量光栅尺光学系统第五种方案。其与图1不同在于：

图5视图右旋90°观看，由光阑4出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的P光分量光束一起直接通过偏振棱镜11出射，形成本质上是Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪的参考光。

所述六束光束的S光分量光束一起经偏振棱镜11反射后，再一起经过第二四分之一波片14 和第二准直透镜15入射于测量光栅16表面。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅16表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow自准直角度入射测量光栅16且交于测量光栅16外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外左边光束5和中下光束10两束光直接通过第二准直透镜15的月形豁口垂直入射于测量光栅16表面并回射，投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1) /2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过第二准直透镜16准直之后，再次通过第二四分之一波片14，偏振态皆由S光转变为P光，通过偏振棱镜11后，经由第一四分之一波片 12，由全反镜13反射后再次通过第一四分之一波片12，所述六束光束的偏振态皆由P光转变为S光，再通过偏振棱镜11反射出射，与先前出射的参考光P光重合，形成测量光栅16 的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片 17出射，形成测量光栅16的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器24处理，获得相应的六自由度参数。

图6为所述六自由度测量光栅尺光学系统第六种方案。其与图1不同在于：

图6视图右旋90°观看，由光阑4出射的所述六束光束皆具备P光和S光两个分量，所述六束光束的P光分量光束一起直接通过偏振棱镜11出射，形成本质上是Mach-Zehnder(马赫-泽德)干涉仪的参考光。

所述六束光束的S光分量光束一起通过偏振棱镜11反射再经由第一四分之一波片12，由全反镜13反射后再次通过第一四分之一波片12，所述六束光束的偏振态皆由S光转变为 P光，再通过偏振棱镜11和第二四分之一波片14及第二准直透镜15入射于测量光栅16表面。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16 表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，每束光束投影的中心连线在测量光栅16表面形成正方形，且四束光束中的对角光束分别以Littrow 自准直角度入射测量光栅且交于测量光栅16外一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时避免零级光的干扰；所述六束光束中的另外左边光束5和中下光束10两束光直接通过第二准直透镜15的月形豁口垂直入射于测量光栅16表面并回射，投影坐标为(X3， (Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2，Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束；所述六束光束的回射光束经过第二准直透镜15准直之后，再次通过其第二四分之一波片14，偏振态皆由P 光转变为S光，通过偏振棱镜11反射出射，与先前出射的参考光P光重合，形成测量光栅 16的六自由度的P光和S光信号光束，最后通过偏振轴与S光或P光成45°放置的线偏振片17出射，形成测量光栅16的六自由度的干涉信号，供探测单元探测并传输至信号采集及处理器24处理，获得相应的六自由度参数。

如图10，图1至图6中所述第一准直透镜3可以由位于透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅26替代，所述一组一维衍射光栅26分别设置在由光阑4选择的六束光束在透明玻璃基板的入射点，选用其+1级或-1级衍射光准直，再由光阑4仅使准直的六束光束通过。

图1至图6中所述第一准直透镜3可以由同样焦距的菲涅尔波带片替代。

图1至图6中所述第二准直透镜15可由带有至少两个豁口的同样焦距的菲涅尔波带片替代。

图1至图6中，第二准直透镜15可用带有至少两个豁口的上大下小的倒梯型四面锥棱体25替代，如图8所示。所述六束光束的S或P光分量光束一起通过偏振棱镜11，再一起经过第二四分之一波片14及第二准直透镜15。其中四束光束，右外光束9、左外光束7、右里光束8、左里光束6在测量光栅16表面投影坐标为(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，分别通过倒梯型四面锥棱体25的四个斜面反射后入射于测量用反射型二维衍射光栅16表面，并且左外光束7和右里光束8、左里光束6和右外光束9分别以Littrow自准直角度入射且交于一点并回射；该交点保证避免阿贝误差和余弦误差，同时不在测量用反射型二维衍射光栅16表面，以避免零级光的干扰；所述六束光束的的另外左边光束5和中下光束10两束光，直接通过倒梯型四面锥棱体25的豁口正入射于测量光栅 16表面并回射，对应在测量光栅16表面投影坐标为(X3，(Y2+Y1)/2)、((X2+X1)/2， Y3)且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；从而形成含有X轴、Y轴、Z轴位移及其相应转角的六自由度信息的回射光束。

上面所述上大下小的倒梯型四面锥棱体25亦可由与其四个斜面反射方位一致的四个反射镜替代。

如图11，图1至图6中所述第二准直透镜15可由位于带豁口的透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅27和光阑28(图中未画出)替代；所述一组一维衍射光栅27分别设置在所述六束光束中的2*2等距的四束光束在透明玻璃基板的入射点，且所述六束光束中的2*2 等距的四束光束的对角光束经所述一组一维衍射光栅衍射27后，由光阑28选择其+1级或-1级衍射光以Littrow角入射测量光栅16表面并回射，且四束光束或其延长线相交于测量光栅16外一点；所述六束光束中另外两束光束通过透明玻璃基板上的豁口直接垂直入射于测量光栅16并回射。

图1至图6中，分束衍射光栅2可以是反射型的。当采用反射型的分束衍射光栅2时，其分束光路见图9所示。偏振准直激光光源1发出具有P光和S光偏振分量的线偏振光束，经反射棱镜1A正入射于分束衍射光栅2分成8支光束，经由光阑4出射得到所述六束测量光束。

所述相位光栅101是一维衍射光栅，亦可是二维衍射光栅。

所述偏振准直激光光源1可以是线偏振的。

所述偏振准直激光光源1可以是双频正交偏振的，此时，所述第一至第六探测单元分别由单只探测器替代，信号采集及处理器24采用双频外差干涉术获取各测量光束相位，且计算后可获得测量二维衍射光栅16的六自由度信息。

Claims (18)

1.一种六自由度测量光栅尺，其特征在于，包括：

激光器，用于输出具有P光和S光两个偏振分量的光束；

分束与准直模块，用于将激光器输出的光束分为六束并准直垂直入射到偏振分光器；在垂直该准直后的六束光束的截面上，其中四束光束成2*2等距排列，即相邻每束光束中心连线构成正方形，用于测量光栅六自由度中的X、Y、Z轴的位移和Z轴转角θz的测量；另外两束光束用于X轴转角θx和Y轴转角θy的测量，分别位于与所述正方形相邻两边平行的对称轴上；设该正方形的边分别平行X轴和Y轴，且与偏振分光器的S光或P光偏振轴平行或垂直；

偏振分光器，使入射光为S偏振分量的光束反射，入射光为P偏振分量的光束透射；

反光模块，使经偏振分光器反射或透射的参考光或测量光沿原路返回至偏振分光器并进行P光和S光两个偏振分量偏振态的相互转换，即P光变为S光或S光变为P光；

自准直模块，使经偏振分光器反射或透射的所述六束光束中的2*2等距的四束光束的两组对角光束以Littrow角入射测量光栅表面，且四束光束的每束光束的中心连线在测量光栅表面形成正方形，四束光束或其延长线相交于测量光栅外一点；所述六束光束中另外两束光束垂直入射于测量光栅；所述六束光束经测量光栅自准直回射后沿原路返回至偏振分光器，并进行P光和S光两个偏振分量偏振态的相互转换，即P光变为S光或S光变为P光；所述四束光束具有测量光栅六自由度中的X、Y、Z轴的位移和Z轴转角θz的信息，所述另外两束光束具有X轴转角θx和Y轴转角θy的信息；

测量光栅，具有两个相互正交的维度，对称并且栅距相等；与所述自准直模块发出的六束光束作相对运动；所述在测量光栅表面以Littrow角入射的光束中心连线形成的正方形，其相邻两边分别平行于X轴和Y轴，且Z轴垂直于该正方形平面，坐标零点亦设在其平面上，构成测量坐标系，四束光束投影坐标如下：(X1，Y2)、(X2，Y2)、(X1，Y1)、(X2，Y1)，且|X1-X2|＝|Y1-Y2|，另两束光束投影坐标如下：(X3，(Y2+Y1)/2)，((X2+X1)/2，Y3)，且X3≠(X2+X1)/2，Y3≠(Y2+Y1)/2；

线偏振片，用于将最终通过偏振分光器出射的六束测量光的各自两个偏振分量合束形成干涉光束；

六个探测单元，用于分别探测具有两个偏振分量的六束测量光的各自干涉光束，并转化为电信号传输至信号采集及处理器；

信号采集及处理器，用于接收电信号，并当测量光栅在XYZ向三个自由度的线性移动及其三个自由度的旋转角度时，计算并输出相应参数。

2.根据权利要求1所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的三个自由度线性位移及其三个自由度的旋转角度的计算公式如下：

X轴向位移ΔX：ΔX＝β1＊[(φ2+φ4-φ1-φ3)/4-α1＊θy]；

Y轴向位移ΔY：ΔY＝β2＊[(φ1+φ2-φ3-φ4)/4-α2＊θx]；

Z轴向位移ΔZ：ΔZ＝β3＊(φ1+φ2+φ3+φ5)/4；

X轴转角θx：θx＝β4＊(K1＊φ6-ΔZ)；

Y轴转角θy：θy＝β5＊(K2＊φ5-ΔZ)；

Z轴转角θz：θz＝β6＊(φ2-φ1-φ4+φ3)；

式中，φ1为第二探测单元探测到的经投影坐标(X1，Y2)的测量光束相位，φ2为第六探测单元探测到的经投影坐标(X2，Y2)的测量光束相位，φ3为第一探测单元探测到的经投影坐标(X1，Y1)的测量光束相位，φ4为第三探测单元探测到的经投影坐标(X2，Y1)的测量光束相位，φ5为第四探测单元探测到的经投影坐标(X3，(Y2+Y1)/2)的测量光束相位，φ6为第五探测单元探测到的经投影坐标((X2+X1)/2，Y3)的测量光束相位，α1、α2、β1、β2、β3、β4、β5、β6、K1、K2为比例系数，由系统标定给出。

3.根据权利要求1所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的激光器是线偏振的或是双频正交偏振的。

4.根据权利要求3所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，当激光器是线偏振的情形，每个所述的探测单元包括封装在壳体内的相位光栅、第一探测器，第二探测器和第三探测器，以及传输线缆；沿线偏振片出射光方向放置相位光栅，所述的第一探测器，第二探测器和第三探测器平行放置；所述相位光栅将由线偏振片出射的入射光衍射后形成三束干涉光束，由第一探测器、第二探测器、第三探测器分别探测，探测信号由传输线缆传至信号采集及处理器；

当激光器是双频正交偏振的情形，所述探测单元为单只探测器，探测信号和激光器参考信号由传输线缆传至信号采集及处理器。

5.根据权利要求1所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的分束与准直模块包括：沿入射光方向依次放置的分束衍射光栅、准直元件和光阑，入射光经分束衍射光栅分成至少6束光束，通过准直元件准直后，再由光阑使六束光束通过。

6.根据权利要求1的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的反光模块包括沿入射光方向依次放置的第一四分之一波片和全反镜。

7.根据权利要求1所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的自准直模块包括沿入射光方向依次放置的第二四分之一波片和自准直组件。

8.根据权利要求5所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述准直元件是准直物镜或是与准直物镜同样焦距的菲涅尔波带片或是位于透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅，所述一组一维衍射光栅分别设置在由光阑选择的六束光束在透明玻璃基板的入射点，选用其+1级或-1级衍射光准直，再由光阑仅使准直的六束光束通过。

9.根据权利要求7所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的自准直组件是自准直物镜且具有两个以上的镜边月形豁口，以便测量X轴转角θx的光束和测量Y轴转角θy的光束直接通过。

10.根据权利要求7所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的自准直组件是带有至少两个豁口的与自准直物镜同样焦距的菲涅尔波带片或是带有至少两个豁口的上大下小的倒梯型四面锥棱体，或是实现同等自准直功能的与其四个斜面反射方位一致的四个平面反射镜。

11.根据权利要求7所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的自准直组件包括位于带豁口的透明玻璃基板上的一组一维衍射光栅和光阑；所述一组一维衍射光栅分别设置在所述六束光束中的2*2等距的四束光束在透明玻璃基板的入射点，且所述六束光束中的2*2等距的四束光束的对角光束经所述一组一维衍射光栅衍射后，由光阑选择其+1级或-1级衍射光以Littrow角入射测量光栅表面并回射，且四束光束或其延长线相交于测量光栅外一点；所述六束光束中另外两束光束通过透明玻璃基板上的豁口直接垂直入射于测量光栅并回射。

12.根据权利要求5所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的分束衍射光栅为正交二维衍射光栅或是Dammann(达曼)光栅，或者是两个一维衍射光栅的组合。

13.根据权利要求5所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的分束衍射光栅为反射型或是透射型的。

14.根据权利要求1所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述线偏振片的偏振轴与入射P光或S光呈一定夹角放置。

15.根据权利要求1所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述的测量光栅为反射型二维正交衍射光栅。

16.根据权利要求4所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述相位光栅是一维衍射光栅，或二维衍射光栅。

17.根据权利要求4所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述偏振分光器是偏振棱镜或是45°放置的偏振分光片。

18.根据权利要求4所述的六自由度测量光栅尺，其特征在于，所述三束干涉光束彼此相位相差角度是120°。

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