一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法
【专利摘要】一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统及方法，其包括双频激光器、光栅干涉仪、测量光栅、接收器和信号处理单元；光栅干涉仪包括侧向位移分光棱镜、偏振分光棱镜、1/4波片、反射镜和光纤耦合器；所述方法基于光栅衍射、光学多普勒效应和光学‐拍频原理实现位移测量。双频激光器的激光入射至干涉仪、测量光栅后输出光信号至信号处理单元，当干涉仪与测量光栅做二自由度线性相对运动时，系统可输出二个线性位移；测量系统采用利特罗入射条件，测量目标具有很大的被动运动允差，并且能够同时测量二个线性位移，精度能达到纳米级甚至更高；具有光路短、体积小、结构紧凑、质量轻、对测量光栅要求低等优点，适用于二自由度高精度长行程位移测量。
【专利说明】
-种二自由度外差光栅干溃仪位移测量系统及方法
技术领域
[0001] 本发明设及一种二自由度外差光栅干设仪测量系统及方法，特别设及超精密工件 台位移测量，属于位移测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量系 统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干设原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量系统 作为一种发展成熟的位移传感器W其测距长、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电 设备位移测量的首选，但精度通常在微米量级，常见于一般工业应用。
[0003] 超精密位移测量技术在诸如Ξ坐标测量机、超精密工件台、米级光栅制造设备等 工业计量设备中具有重要应用。基于激光波长的位移干设测量技术（Displacement Measuring Interferome化y,DMI)是工业计量中最为精密的位移测量技术之一。超精密工 件台W其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密位移测量技术中 最具代表性的一类系统。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干设仪测量系 统测量超精密工件台多自由度位移。然而随着测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的 不断提高，双频激光干设仪W环境敏感性、测量速度难W提高、占用空间、价格昂贵、测量目 标工件台难W设计制造控制等一系列问题难W满足测量需求。
[0004] 针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研 究，研究主要集中于基于衍射干设原理的光栅测量系统，研究成果在诸多专利论文中均有 掲露。荷兰45]\0^公司美国专利1]57，102,729 62(【公开日】2005年8月4日）、1]57,483，120 62(公 开日2007年11月15日）、US7, ,940,392 B2(【公开日】2009年12月24日）、公开号US2010/ 0321665 Al(【公开日】2010年12月23日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅 测量系统及布置方案，该测量系统主要利用一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台 水平大行程位移，高度方向位移测量采用电满流或干设仪等高度传感器，但多种传感器的 应用限制工件台测量精度。美国ZYG0公司美国专利公开号US2011/0255096 Al(【公开日】2011 年10月20日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统亦采用 二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量，但结构复 杂，并且二维光栅造价极其昂贵；日本CANON公司美国专利公开号US2011/0096334 A1(公开 日2011年4月28日）公开了一种外差干设仪，该干设仪中采用光栅作为目标镜，但该干设仪 仅能实现一维测量。日本学者GA0WEI在研究论文"Design and construction of a two- degree-of-freedom linear encoder for n曰nometric measurement of stage position and strai曲tness.Precision lingineering ：M(2010)145-155"中提出了一种利用衍射干 设原理的单频二维光栅测量系统，该光栅测量系统可同时实现水平和垂直向的位移测量， 但由于采用单频激光，测量信号易受干扰，精度难W保证。另外，中国专利文献公开号 CN103759657A(【公开日】2014年04月30日）及CN103759656A(【公开日】2014年04月30日）分别公 开了一种外差光栅干设仪测量系统，两种干设仪测量系统中的读数头结构中使得其再对垂 向进行测量时的行程非常小，不能对垂向运动进行较大行程的测量，应用范围受到了限制。
【发明内容】
[0005] 考虑到上述技术方案的局限，本发明的目的是提供一种二自由度外差光栅干设仪 位移测量系统及方法，能够利用光栅利特罗原理，在水平方向实现光学四细分结构，实现亚 纳米甚至更高分辨率及精度的测量;在垂直方向实现光学二细分结构，实现纳米甚至更高 分辨率及精度的测量；同时该光栅干设仪测量系统还要具有结构简洁、体积小、质量轻、易 于安装、方便应用等优点。采用该测量系统作为超精密工件台位移测量装置，能够有效的降 低激光干设仪测量系统在超精密工件台应用中的不足，使光刻机超精密工件台性能提升。 该二自由度外差光栅干设仪位移测量系统还可应用于精密机床、Ξ坐标测量机、半导体检 测设备等的工件台多自由度位移的精密测量，且使其具有结构简洁、体积小、质量轻、易于 安装、方便应用等优点。
[0006] 本发明的技术方案如下：
[0007] -种二自由度外差光栅干设仪位移测量系统包括双频激光器、光栅干设仪、测量 光栅、接收器、信号处理单元;其特征在于:光栅干设仪包括带有安装凹槽的底座、侧向位移 分光棱镜、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜、参考光栅、第一 1/4波片、第二1/4波片、 第Ξ1/4波片、第四1/4波片、第一反射镜、第二反射镜、第Ξ反射镜、第一光纤禪合器第二光 纤禪合器；
[000引双频激光器1出射双频激光至侧向位移分光棱镜6后,形成第一透射光和第一反射 光，其中第一透射光进入第一偏振分光棱镜7，第一反射光进入第二偏振分光棱镜8;第一透 射光在经过第一偏振分光棱镜7后产生第二透射光和第二反射光;其中第二透射光依次经 过第一 1/4波片10、第一反射镜14后，W对应测量光栅3的利特罗夹角为入射角打在测量光 栅3上并发生衍射，形成的负一级衍射光沿原路返回，再次经过第一反射镜14和第一 1/4波 片10入射至第一偏振分光棱镜7并发生反射，形成第一测量光;第二反射光依次经过第二1/ 4波片11、第二反射镜15后，W对应测量光栅3的利特罗夹角为入射角打在测量光栅3上并 发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第二反射镜15和第二1/4波片1)入射 至第一偏振分光棱镜7并发生透射，形成第二测量光;第一反射光在经过第二偏振分光棱镜 8后产生第Ξ透射光和第Ξ反射光；其中第Ξ透射光依次经过第四1/4波片13、第Ξ反射镜 16后，W对应测量光栅3的利特罗夹角为入射角打在测量光栅3上并发生衍射，形成的正一 级衍射光沿原路返回，再次经过第Ξ反射镜16和第四1/4波片13入射至第二偏振分光棱镜8 并发生反射，形成第Ξ测量光;第Ξ反射光依次经过第Ξ1/4波片12后，W对应参考光栅9的 利特罗夹角为入射角打在参考光栅9上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次 经过第Ξ1/4波片12入射至第二偏振分光棱镜8并发生透射，形成第一束参考光;第一测量 光和第二测量光在第一偏振分光棱镜7处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的光纤禪合 器17得到第一合光信号，再经过光纤接入接收器4;第Ξ测量光和第一束参考光最终在第二 偏振分光棱镜8处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的光纤禪合器17得到第二合光信 号，再经过光纤接入接收器4,两束合光信号在接收器4中转为电信号，再输入至信号处理单 元5进行处理；当固定于运动台的测量光栅3相对于光栅干设仪2做两个自由度的线性运动 时，信号处理单元5将输出二自由度线性位移。上述技术方案中，所述的测量光栅采用一维 反射型光栅。侧向位移分光镜、偏振分光镜、反射镜、参考光栅都是通过安装底座上相应位 置的凹槽固定在底座上的，1/4玻片是通过粘接固定在偏振反光镜上的。
[0009]采用上述测量系统的一种大行程二自由度外差光栅干设仪位移测量方法包括如 下步骤：
[0010] 1)水平方向位移现慢：
[0011] 第一测量光与第二测量光形成的第一合光信号光强11-2为：
[0012]
[0013] 其中El表不第一测量光光矢量，E2表不第二测量光光矢量，Φιη表不第一合光信号 的相位变化，Im表不第一合光信号光强信号光强的直流分量，Δ fi表不第一测量光与第二测 量光频率的差值。
[0014] 第一合光信号的相位变化Om为：
[0015] 巫 m=(巫 2+Δ φ2)-(巫 1+Δ Φ0
[0016] 其中Φ1和Φ 2分别表示第一测量光和第二测量光由于测量光栅3水平方向运动产 生的相位变化，A Φι和Δ Φ2分别表示第一测量光和第二测量光由于测量光栅3垂直方向运 动产生的相位变化，且：
[0017]
[001 引 Δ φι二 Δ 本2
[0019] 式中Ν为信号处理单元5的电子细分倍数，km为信号处理单元5对第一合光信号相 位变化的计数，A X表示测量光栅3在水平方向上的位移；
[0020] 测量光栅3在水平方向上位移Δ X为：
[0021]
[0022] 其中Xres表示信号处理单元5的单位相位计数所对应的水平测量距离；
[0023] 2)垂直方向位移测量：
[0024] a、第Ξ测量光与第一参考光形成的第二合光信号光强13-4强为：
[0025]
[0026] 其中E3表示第Ξ测量光光矢量，E4表示第一参考光光矢量，Φη表示第二合光信号 相位变化，In表示第一合光信号光强信号光强的直流分量，表示第一测量光与第二测量 光频率的差值。
[0027] 第二合光信号相位变化Φη为：
[002引 巫 η=巫 3+Δ Φ3
[0029] 其中Φ3表示第Ξ测量光由于测量光栅3水平方向运动产生的相位变化，Δ Φ 3表示 第；巧慢光由于测量光栅3垂直方向运动产生的相位变化，且：Φ3=〇2;
[0030] 第Ξ测量光相位变化Δ Φ 3表示为：
[0031]
[0032] 其中Φτ表示测量光栅垂向运动分量使得测量光栅上3的光斑扫过一段栅线并且 由于光栅多普勒效应引起的第二合光信号的相位变化，Φι表示测量光栅3垂向运动分量使 得衍射点沿入射方向发生相对运动时由于激光多普勒效应引起第二合光信号的相位变化；
[0033] b、测量光栅3垂直运动分量引起光斑在栅线上扫过的位移X为：
[0034] X 二 χ〇χ 巫r
[0035] 测量光栅3垂直运动分量引起光栅衍射点沿入射方向的位移L为：
[0036] L=l〇X 巫1
[0037] 且；
[0041 ]其中，Θ表示位移X与位移Y的夹角，Θ表示与测量光栅3相对应的利特罗角，X0表示 单位相位计数对应光栅位移，1〇表示单位相位计数对应的入射方向位移，P表示测量光栅的 光栅常数，N表示信号处理单元电子细分倍数，λ为双频激光器出射激光波长，N为信号处理 单元5的电子细分倍数；
[0042] c、〇i与Or的关系表示为：
[0048] 其中N为信号处理单元的电子细分倍数，km、kn分别为信号处理单元对第一合光信 号和第二合光信号的相位计数，yres表示两合光信号相位计数的单位运算结果所对应的垂 直方向运动距离。
[0049] 本发明所提供的一种二自由度外差光栅干设仪位移测量系统及方法具有W下优 点及突出性效果：
[0050] 该测量系统利用光栅利特罗原理，在水平方向实现光学四细分结构，实现亚纳米 甚至更高分辨率及精度的测量;在垂直方向实现光学二细分结构，实现纳米甚至更高分辨 率及精度的测量;该测量系统能够实现二个线性自由度大行程位移的同时测量;该系统能 够仅通过一维线性光栅实现二个线性自由度位移的同时测量，大大降低了制作成本；同时 该光栅干设仪测量系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。应用 于光刻机超精密工件台的位移测量，对比激光干设仪测量系统，在满足测量需求的基础上， 可有效的降低工件台体积、质量，大大提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提 高。该二自由度外差光栅干设仪位移测量系统还可应用于精密机床、Ξ坐标测量机、半导体 检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。
【附图说明】
[0051] 图1为本发明外差光栅干设仪位移测量系统示意图。
[0052] 图2为本发明光栅干设仪实施方式的内部结构示意图。
[0053] 图3为本发明方法测量原理示意图。
[0054] 图中，1-双频激光器，2-光栅干设仪，3-测量光栅，4-接收器，5-信号处理单 元;6-侧向位移分光棱镜，7-第一偏振分光棱镜，8-第二偏振分光棱镜，9-参考光栅， 10-第一 1/4波片，11-第二1/4波片，12-第Ξ1/4波片，13-第四1/4波片，14-第一反射 镜片，15-第二反射镜，16-第Ξ反射镜，17-第一光纤禪合器，18-第二光纤禪合器，19- 带有凹槽的安装底座，20-第二侧向位移分光镜，21-第Ξ偏振分光镜，22-第五1/4玻片， 23-第六1/4玻片，24-第四反射镜，25-第五反射镜，26-第六反射镜。
【具体实施方式】
[0055] 下面结合附图对本发明的结构、原理和【具体实施方式】作进一步地详细描述。
[0056] 参见图1和图2,本发明提供的二自由度外差光栅干设仪位移测量系统包括双频激 光器1、光栅干设仪2、测量光栅3、接收器4和信号处理单元5;所述光栅干设仪包括带有安装 凹槽的底座、侧向位移分光棱镜6、第一偏振分光棱镜7、第二偏振分光棱镜8、参考光栅9、第 一 1/4波片10、第二1/4波片11、第Ξ1/4波片12、第四1/4波片13、第一反射镜14、第二反射镜 15、第Ξ反射镜16、第一光纤禪合器17和第二光纤禪合器18。
[0057] 双频激光器1出射双频激光至侧向位移分光棱镜6后，透射光进入第一偏振分光棱 镜7，反射光进入第二偏振分光棱镜8;入射至第一偏振分光棱镜7的光在经过第一偏振分光 棱镜7后产生透射光和反射光;其中透射光依次经过第一 1/4波片10、第一反射镜14后，W 对应测量光栅3的利特罗夹角为入射角打在测量光栅3上并发生衍射，形成的负一级衍射光 沿原路返回，再次经过第一反射镜14和第一 1/4波片10入射至第一偏振分光棱镜7并发生反 射，形成第一测量光;反射光依次经过第四1/4波片13、第二反射镜15后，W对应测量光栅3 的利特罗夹角为入射角打在测量光栅3上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再 次经过第二反射镜（15)和第四1/4波片13入射至第一偏振分光棱镜7并发生透射，形成第二 测量光;入射至第二偏振分光棱镜8的光在经过第二偏振分光棱镜8后产生透射光和反射 光;其中透射光依次经过第Ξ1/4波片12、第Ξ反射镜16后，W对应测量光栅3的利特罗夹角 为入射角打在测量光栅3上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第Ξ反 射镜16和第Ξ1/4波片12入射至第二偏振分光棱镜8并发生反射，形成第Ξ测量光;反射光 依次经过第二1/4波片11后，W对应参考光栅9的利特罗夹角为入射角打在参考光栅9上并 发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第四二分之一波片12入射至第二偏 振分光棱镜8并发生透射，形成第一束参考光;第一测量光和第二测量光在第一偏振分光棱 镜7处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的光纤禪合器17得到第一合光信号，再经过光 纤接入接收器4;第Ξ测量光和第一束参考光最终在第二偏振分光棱镜8处实现合光后入射 至内置透镜和偏转片的光纤禪合器17得到第二合光信号，再经过光纤接入接收器4,两束合 光信号在接收器4中转为电信号，再输入至信号处理单元5进行处理；当固定于运动台的测 量光栅3相对于光栅干设仪2做两个自由度的线性运动时，信号处理单元引尋输出二自由度 线性位移。
[0058] 具体测量方法
[0059] 1)水平方向位移测量：
[0060] 双频激光器出射的双频正交偏振激光(频率为fi的Ρ偏振光，频率为f2的S偏振光）， 经侧向位移分光棱镜6入射至第一偏振分光棱镜7中，双频正交偏振激光经第一偏振分光镜 7后，频率fi的P偏振光透射，频率f2的S偏振光反射;频率fi的P偏振光透射后经快轴呈45°布 置的1/4波片后变为左旋偏振光，左旋偏振光经反射镜后W利特罗条件入射至测量光栅3并 发生衍射，-1级衍射光沿原光路返回，再次经过1/4波片后变为S偏振光，至PBS后发生反射； 频率f 2的S偏振光反射后经快轴呈45°布置的1/4波片后变为左旋偏振光，左旋偏振光经反 射镜后W利特罗条件入射至测量光栅3并发生衍射，+1级衍射光沿原光路返回，再次经过1/ 4波片后变为P偏振光，至PBS后发生透射;两路测量光重合入射至光纤禪合器（内置透镜和 偏振片)形成光学拍频信号并经光纤传输至电子相位计，双频激光器同时输出参考信号至 电子相位计;电子相位计利用参考信号和测量信号读出测量信号中光栅运动位移信息。
[0061] 根据光栅多普勒效应，当测量光栅沿光栅矢量方向运动Δ X时，±1级测量光的相 位变化为：
[006^
…
[0063] 式中P表示测量光栅3光栅常数，Φ+1表示+1级衍射光相位变化，Φ-1表示-1级衍射 光相位变化。
[0064] 激光器出射的双频激光的光矢量为：
[0065]
<2)
[0066] Eo为双频激光的电场矢量振幅，为起始相位偏置。fi是其中一束光的频率，f2是另 外一束光的频率。
[0067] 第一测量光的光路为：BS(T) 一 PBSl(T) 一 QW1(45) 一 M1(R) 一 G3(D) 一 M1(R) 一 QW1 (45)^PBSl (R)^L^P(45)，则经光纤禪合后的负一级测量光的光矢量为：
[006 引 El 二 JpJpbrJ 日 w(4 自)JmJgJmJ 日 w(4 自)JpbtJbs(t)Eo (3)
[0069]其中BS(T)表示光经侧向位移分光棱镜透射、PBSl(T)表示光经第一偏振分光棱镜 透射、PBSl(R)表示光经第一偏振分光棱镜反射、QWl (45)表示光通过快轴成45度布置的第 一 1/4玻片、M1(R)表示光第一反射镜上发生反射、G3(D)表示光在测量光栅上发生衍射、L表 示内置于光纤禪合器的透镜、P(45)表示内置于光纤禪合成45度布置的检偏器。
[0070] 第二测量光的光路为：BS(T) 一 PBSl(R) 一 QW2(45) 一 M2(R) 一 G3(D) 一 M2(R) 一 QW2 (45)^PBSl (T)(45)，则经光纤禪合后的负一级测量光的光矢量为：
[0071] E2 = JpJpbtJqw(45)JmJgJmJqw(45)JpbrJbs(t)E〇 (4)
[0072] 其中PBSl(R)表示光经第一偏振分光棱镜反射、QW2(45)表示光通过快轴成45度布 置的第二1/4玻片、M2(R)表示光第一反射镜上发生反射。
[0073] 因此第一测量光与第二测量光合光光强Ii-2为：
[0074]
(5)
[0075] 其中El表不第一测量光光矢量，E2表不第二测量光光矢量，Φιη表不第一合光信号 的相位变化，Im表不第一合光信号光强信号光强的直流分量，Δ fi表不第一测量光与第二测 量光频率的差值。
[0076] 第一合光信号的相位变化〇m为：
[0077] 巫 m=(巫 2+Δ φ2)-(巫 1+Δ ΦΟ (6)
[0078] 其中Δ φι和Δ Φ 2分别表示第一测量光和第二测量光由于测量光栅3垂直方向运 动产生的相位变化，Φι和Φ2分别表示第一测量光和第二测量光由于测量光栅3水平方向运 动产生的相位变化，Ν为信号处理单元5的电子细分倍数，km为信号处理单元5对第一合光信 号的相位计数，且第一路测量光是-1级衍射光，第二路测量光是+1级衍射光，因此：
[0079] 巫2+Δ φ2=巫+1，巫 1+Δ Φ 1=巫-1。 （7)
[0080] 由于第一测量光和第二侧量光的角度关于测量光栅面的垂线对称且分别使用的 是-1级和+1级衍射光，因此：
[0081 ] Δ Φ 1= Δ Φ2 (8)
[0082] 则第一合光信号的相位变化Om为：
[0083]
W
[0084] 又由于相位变化Φ m可表示为：
[0085]
(10)
[0086] 故又(9)和(10)得测量光栅3的水平方向位移为：
[0087]
、I I )
[0088] 其中Xres表示单位信号处理单元计数所对应的水平测量距离，km为信号处理单元5 对第一合光信号相位变化的计数，A X表示测量光栅3在水平方向上的位移。
[0089] 2)垂直方向位移测量：
[0090] 双频激光器出射的双频正交偏振激光(频率为fi的P偏振光，频率为f2的S偏振光）， 经侧向位移分光棱镜6反射后入射至第二偏振分光棱镜8中，双频正交偏振激光经第一偏 振分光镜8后，频率fi的P偏振光透射，频率f 2的S偏振光反射;频率fi的P偏振光透射后经快 轴呈45°布置的1/4波片后变为左旋偏振光，左旋偏振光经反射镜后W利特罗条件入射至测 量光栅(3)并发生衍射，+1级衍射光沿原光路返回，再次经过1/4波片后变为S偏振光，至PBS 后发生反射;频率f2的S偏振光反射后经快轴呈45°布置的1/4波片后变为左旋偏振光，并W 利特罗条件入射至参考光栅并发生衍射，+1级衍射光沿原光路返回，再次经过1/4波片后变 为P偏振光，至PBS后发生透射;两路测量光重合入射至光纤禪合器（内置透镜和偏振片）形 成光学拍频信号并经光纤传输至电子相位计，双频激光器同时输出参考信号至电子相位 计。电子相位计利用参考信号和测量信号读出测量信号中光栅运动位移信息。
[0091] 第 Ξ 测量光的光路为：BS(R) 一 PBS2(T) 一 QW4(45) 一 M3(R) 一 G3(D) 一 M3(R) 一 QW4 (45)^PBS2(R)(45)，则经光纤禪合后的负一级测量光的光矢量为：
[0092] E3 = JpJpbrJqw(45)JmJgJmJqw(45)JpbtJbsrEo (12)
[0093] 其中BS(R)表示光经侧向位移分光棱镜反射、PBS2(T)表示光经第二偏振分光棱镜 透射、PBS2 (R)表示光经第二偏振分光棱镜反射、QW4 (45)表示光通过快轴成45度布置的第 四1/4玻片、M3(R)表示光第Ξ反射镜上发生反射。
[0094] 第一参考光的光路为:BS(R) 一 PBS2(R) 一 QW3(45) 一 G9(D) 一 QW3(45) 一 PBS2(T) 一 L^P(45)，则经光纤禪合后的负一级测量光的光矢量为：
[00 巧]E4=JpJpbtJqw(45)JgJqw(45)JpbrJbsrE〇 (13)
[0096] 其中QW3(45)表示光通过快轴成45度布置的第Ξ1/4玻片、G9(D)表示光光在参考 光栅上发生衍射。
[0097] 因此第Ξ测量光与第一参考光合光光强为：
[009引
（H)
[0099] 其中E3表示第一测量光光矢量，E4表示第二测量光光矢量，Φη表示第二合光信号 的相位变化，Im表示第一合光信号光强信号光强的直流分量，Afi表示第一测量光与第二测 量光频率的差值。
[0100] 第二合光信号相位变化为：
[0101] 巫 n=巫 3+ΔΦ3 (15)
[0102] 其中Φ3表示第Ξ测量光由于测量光栅3水平方向运动产生的相位变化，Δ Φ 3表示 第Ξ测量光由于测量光栅3垂直方向运动产生的相位变化，且由于第二测量光、第Ξ测量 光均是测量光栅上的+ 1级衍射光且相互平行，因此测量光栅3水平运动分量由于光栅多普 勒效应引起的第二测量光、第Ξ测量光相位变化相同，即
[0103] 巫 2=巫 3 (16)
[0104] 再有(6)、（8)式Δ Φ3可表示为：
[0105]
(17)
[0106] 其中Φτ表示测量光栅垂向运动分量使得测量光栅3上的光斑扫过一段栅线并且 由于光栅多普勒效应引起的第二合光信号的相位变化，Φι表示测量光栅3垂向运动分量使 得衍射点沿入射方向发生相对运动时由于激光多普勒效应引起第二合光信号的相位变化。
[0107] 设垂直运动分量引起光线沿入射方向位移为L，光斑在栅线上扫过位移为X，如附 图3所示，激光器1出射的激光波长为λ，测量光栅3的光栅常数为p，信号处理单元5的电子细 分倍数为N。
[010 引贝 IJ:
[0109] χ = χ〇χ 巫r (18)
[0110] L=l〇X 巫 1 (19)
[0111] 其中X0表示单位相位计数对应的光栅位移，1〇表示单位相位计数对应的入射方向 位移，且：
[0114]因为激光是W利特罗条件入射至光栅，所W位移L与位移X的夹角Θ等于与测量光 栅相对应的利特罗角α。
[011引所
[0116]
(22)
[0117]由上式（18)、（19)、（20)、（21)、（22)可得：
[0121] 又因垂向位移Δ y = Lcos白
[0122] 由式（19)、（24)得：
[0123]
[0124] 式中N为电子相位计的电子细分倍数，km、kn分别为电子相位计对第一合光信号和 第二合光信号的相位计数，yres表示两合光信号相位计数的单位运算结果所对应的垂直方 向运动距离。
【主权项】
1. 一种大行程二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，该系统包括双频激光器（1)、光 栅干涉仪(2)、测量光栅(3)、接收器(4)和信号处理单元(5);其特征在于:光栅干涉仪(2)包 括带有安装凹槽的底座（19 )、侧向位移分光棱镜(6 )、第一偏振分光棱镜(7 )、第二偏振分光 棱镜(8)、参考光栅(9)、第一 1/4波片（10)、第二1/4波片（11)、第三1/4波片（12)、第四1/4波 片（13)、第一反射镜（14)、第二反射镜（15)、第三反射镜（16)、第一光纤親合器（17)和第二 光纤親合器（18);双频激光器（1)出射双频激光至侧向位移分光棱镜(6)后，形成第一透射 光和第一反射光，其中第一透射光进入第一偏振分光棱镜(7 )，第一反射光进入第二偏振分 光棱镜(8);第一透射光在经过第一偏振分光棱镜(7)后产生第二透射光和第二反射光;其 中第二透射光依次经过第一 1/4波片（10)、第一反射镜（14)后，以对应测量光栅(3)的利特 罗夹角为入射角打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的负一级衍射光沿原路返回，再次经 过第一反射镜（14)和第一1/4波片（10)入射至第一偏振分光棱镜(7)并发生反射，形成第一 测量光;第二反射光依次经过第二1/4波片（11)、第二反射镜（15)后，以对应测量光栅(3)的 利特罗夹角为入射角打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再 次经过第二反射镜（15)和第二1/4波片（11)入射至第一偏振分光棱镜(7)并发生透射，形成 第二测量光;第一反射光在经过第二偏振分光棱镜(8)后产生第三透射光和第三反射光;其 中第三透射光依次经过第四1 /4波片（13 )、第三反射镜（16)后，以对应测量光栅(3)的利特 罗夹角为入射角打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经 过第三反射镜（16)和第四1/4波片（13)入射至第二偏振分光棱镜(8)并发生反射，形成第三 测量光;第三反射光依次经过第三1/4波片（12)后，以对应参考光栅(9)的利特罗夹角为入 射角打在参考光栅(9)上并发生衍射，形成的正一级衍射光沿原路返回，再次经过第三1/4 波片（12)入射至第二偏振分光棱镜(8)并发生透射，形成第一束参考光;第一测量光和第二 测量光在第一偏振分光棱镜(7)处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的光纤親合器(17) 得到第一合光信号，再经过光纤接入接收器(4);第三测量光和第一束参考光最终在第二偏 振分光棱镜(8)处实现合光后入射至内置透镜和偏转片的光纤親合器(17)得到第二合光信 号，再经过光纤接入接收器(4)，两束合光信号在接收器(4)中转为电信号，再输入至信号处 理单元(5)进行处理；当固定于运动台的测量光栅(3)相对于光栅干涉仪(2)做两个自由度 的线性运动时，信号处理单元(5)将输出二自由度线性位移。2. 根据权利要求1所述的一种大行程二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征 在于:测量光栅为一维线性光栅。3. 根据权利要求1所述的一种大行程二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征 在于:1/4玻片快轴与光线偏振方向成45度布置。4. 根据权利要求1所述的一种大行程二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征 在于:侧向位移分光棱镜(6)、第一偏振分光棱镜(7)、第二偏振分光棱镜(8)、参考光栅(9)、 第一反射镜(14)和第二反射镜(15)都是通过粘接的方式固定在安装底座(19)上的凹槽中。5. 采用如权利要求1所述系统的一种大行程二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法， 其特征在于该方法包括如下步骤： 1)水平方向位移测量： 第一测量光与第二测量光形成的第一合光信号光强Ih为：其中Ei表示第一测量光光矢量，E2表示第二测量光光矢量，〇^表示第一合光信号的相 位变化，Im表示第一合光信号光强信号光强的直流分量，△ ^表示第一测量光与第二测量光 频率的差值； 第一合光信号的相位变化Φ ^为： Φιιι=(Φ2+Δ φ2)~(Φ?+Δ φι) 其中Φ#ΡΦ2分别表不第一测量光和第二测量光由于测量光栅(3)水平方向运动产生 的相位变化，△ Φ 1和△ Φ 2分别表不第一测量光和第二测量光由于测量光栅(3)垂直方向运 动产生的相位变化，且：Δ φ 1= Δ φ 2 式中Ν为信号处理单元(5)的电子细分倍数，km为信号处理单元(5)对第一合光信号相位 变化的计数，Αχ表示测量光栅(3)在水平方向上的位移； 测量光栅(3)在水平方向上位移△ X为：其中Xres表示信号处理单元(5)的单位相位计数所对应的水平测量距离； 2)垂直方向位移测量： a、 第三测量光与第一参考光形成的第二合光信号光强13-4强为：其中E3表示第三测量光光矢量，E4表示第一参考光光矢量，〇"表示第二合光信号相位 变化，In表示第一合光信号光强信号光强的直流分量，A f2表示第一测量光与第二测量光频 率的差值； 第二合光信号相位变化Φ η为： Φη= 〇3+ Α φ 3 其中Φ>3表不第三测量光由于测量光栅(3)水平方向运动产生的相位变化，△ Φ 3表不第 三测量光由于测量光栅(3)垂直方向运动产生的相位变化，且：Φ3= Φ2; 第三测量光相位变化Α Φ 3表示为：其中Φ r表不测量光栅垂向运动分量使得测量光栅上(3 )的光斑扫过一段栅线并且由于 光栅多普勒效应引起的第二合光信号的相位变化，Φ1表示测量光栅(3)垂向运动分量使得 衍射点沿入射方向发生相对运动时由于激光多普勒效应引起第二合光信号的相位变化； b、 测量光栅(3)垂直运动分量引起光斑在栅线上扫过的位移X为： X = xoX ΦΓ 测量光栅(3)垂直运动分量引起光栅衍射点沿入射方向的位移L为： L=l〇X Φι 且：其中，Θ表示位移X与位移Υ的夹角，Θ表示与测量光栅(3)相对应的利特罗角，XQ表示单位 相位计数对应光栅位移，1〇表示单位相位计数对应的入射方向位移，Ρ表示测量光栅的光栅 常数，Ν表示信号处理单元电子细分倍数，λ为双频激光器出射激光波长，Ν为信号处理单元 (5)的电子细分倍数； 的关系表示为：其中km、kn分别为信号处理单元对第一合光信号和第二合光信号的相位计数，yre3s表示 两合光信号相位计数的单位运算结果所对应的垂直方向运动距离。
【文档编号】G01B11/02GK105823422SQ201610115077
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月1日
【发明人】朱煜, 张鸣, 兰斌, 王磊杰, 成荣, 杨开明, 鲁森, 丁思琪, 徐登峰, 胡金春, 尹文生
【申请人】清华大学, 北京华卓精科科技股份有限公司