一种六自由度干涉测量系统及方法
【专利摘要】一种六自由度干涉测量系统及方法，包括双频激光发生器、光纤分光器、外差参考光电转换单元、电子信号处理部件，该系统还包括读数头阵列和测量光栅阵列；读数头阵列由三个光栅读数头和三个外差激光读数头交叉叠放而成，测量光栅阵列由三个测量光栅组件和三个外差激光反射镜交叉叠放而成。应用该系统的测量方法为：双频激光发生器产生双频激光经过光纤分光器分为六路进入读数头阵列，读数头阵列将获得的包含测量光栅阵列位移信息的六个电信号输入电子信号处理部件，经解算实现六自由度测量。该测量系统具有结构紧凑、体积小、质量轻、便于布置等优点，适用于光刻机磁浮粗动台和机床直线度标定等需要较大行程位移的六自由度位移和姿态的测量。
【专利说明】
一种六自由度干涉测量系统及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种六自由度干涉测量系统及方法，特别涉及一种多次衍射光栅测量 结构，属于位移测量技术领域。
【背景技术】
[0002] 六自由度干涉测量系统作为一种典型的非接触式传感器广泛应用于众多机电设 备。六自由度干涉测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理，并通过对 三个直线自由度的冗余测量来计算三个旋转自由度，从而实现六自由度测量。基于干涉条 纹原理的激光测量系统作为一种发展成熟的位移传感器以其测距长、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，但通常只能用多个单自由度激光测量系统组 成分布式的多自由度测量系统，难以满足具有大行程直线位移的六自由度测量。
[0003] 六自由度测量技术在诸如光刻机工件台、机床标定等测量设备中具有重要应用。 超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动系 统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粗动台加微动台的 结构，其中粗动台的位移和位姿测量和控制是保证超精密运动的基础，通常采用分布式的 干涉测量系统测量粗动台的多自由度位移。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，分布式的干涉测量系统以测量范围难以提高、占用空间大、安装使用麻烦 等一系列问题难以满足测量需求。此外，超精密机床是机床加工行业的重要发展方向，而机 床标定是消除系统误差，提高机床精度的一个重要方法。机床标定通常使用多个激光干涉 仪，利用平行激光测量多个点的位移从而实现多个自由度的测量，但通常只能得到三个旋 转自由度的偏差，不能得到另外两个直线自由度的偏差。
[0004] 针对上述问题，国内外各大超精密测量领域的公司及研究机构展开了一系列的研 究，研究主要集中于多个光栅测量系统或者激光测量系统的组合和集成，研究成果在诸多 专利论文中均有揭露。
[0005] 荷兰ASML公司美国专利US 6,020,964B2(【公开日】2000年2月1日）、日本Nikon公司 美国专利US 6,980,279B2(【公开日】2005年12月27日）、美国Agilent公司美国专利US 7，158， 236B2(【公开日】2007年1月2日）、美国Agilent公司美国专利US 7，355，719B2(【公开日】2008年4 月8日）中均揭露了类似的应用于光刻机工件台的六自由度测量系统及方案，即在水平方向 布置六轴以上的激光干涉仪，在工件台侧面安装长反射镜、45°反射镜，在Z向安装反射镜， 实现工件台六自由度位移的测量。上述专利中所述测量系统及方案均为分布式测量方法， 经精密装调后可满足工件台六自由度位移测量行程、测量精度等的需求，但在工件台的侧 面安装45°反射镜和在Z向安装反射镜将大大增加测量系统的体积和重量，这将给工件台的 设计、制造、控制带来极大的挑战。清华大学中国专利CN105045042A(【公开日】2015年11月11 日）提出了一种工件台曝光区域六自由度位移测量方法，该方法将集成的读数头置于工件 台与线圈阵列之间的曝光区域，用来测量曝光区域的六自由度位移，该方法的不足在于其 测量范围仅限于很小的曝光区域，且集成的读数头安装困难，不便于使用。
[0006] 考虑到上述技术方案的局限，寻求一种六自由度干涉测量系统，该测量系统要具 有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。该测量系统能够实现纳米和亚微 弧度的分辨率及精度，且能够同时测量三个较大行程的直线位移和三个较小行程的旋转。 选用该测量系统作为超精密工件台的六自由度测量装置，能够有效的降低分布式干涉测量 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。此外，该测量系统还 能应用于机床标定等需要大行程直线位移和多自由度测量的场合。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提供一种六自由度干涉测量系统，使其具有体积小、便于安装、能 够实现纳米和亚微弧度的分辨率及精度，且能够同时测量一个米级行程的位移、两个毫米 级行程的位移和三个毫弧度级行程的旋转。
[0008] 本发明的技术方案如下：
[0009] -种六自由度干涉测量系统，包括双频激光发生器、光纤分光器、外差参考光电转 换单元、电子信号处理部件，其特征在于:该系统还包括读数头阵列和测量光栅阵列；所述 读数头阵列由三个光栅读数头和三个外差激光读数头交叉叠放而成，所述测量光栅阵列由 三个测量光栅组件和三个外差激光反射镜交叉叠放而成；
[0010] 一个光栅读数头和一个测量光栅组件构成一个相对独立的光栅测量模块，一个外 差激光读数头和一个外差激光反射镜构成一个相对独立的外差激光测量模块，六个相对独 立的测量模块组成一个2 X 3的测量模块阵列；其中，一个光栅测量模块配置在该测量模块 阵列的第一行第二列，两个光栅测量模块分别配置在该测量模块阵列的第二行第一列和第 二行第三列，三个外差激光测量模块分别配置在该测量模块阵列的第一行第一列、第一行 第三列和第二行第二列。
[0011] 采用如上所述的测量系统的一种六自由度测量方法包括如下步骤：
[0012] 1)所述双频激光发生器出射的双频激光经过光纤分光器后，平均分为六束双频激 光分别进入读数头阵列的三个光栅读数头和三个外差激光读数头;双频激光发生器出射的 参考光信号进入外差参考光电转换单元，转换为外差参考电信号，输入至电子信号处理部 件；
[0013] 2)进入读数头阵列的第一光栅读数头的双频激光经过光栅读数头偏振分光镜，该 双频激光中的P偏振光透射后进入测量光栅阵列的第一测量光栅组件，该双频激光中的s偏 振光反射至光栅读数头光挡，被其拦截；
[0014] 3)双频激光中的p偏振光垂直入射第一测量光栅组件的一次透射光栅，产生三束 衍射光，包括零级衍射光和正、负一级衍射光，三束衍射光在二次透射光栅处发生二次衍 射，其中零级衍射光的二次衍射光被光挡拦截，正、负一级衍射光的二次衍射光中，各自的 负一级衍射光以垂直于光栅平面的方向出射;这两束二次衍射光经过测量四分之一波片 后，被反射镜反射并沿原路返回，再次经过测量四分之一波片，这两束二次衍射光变为s偏 振光；
[0015] 4)两束s偏振光经过一次透射光栅和二次透射光栅，再次发生一次和二次衍射，其 中沿原光路返回的两束衍射光重合形成零差干涉光信号，并返回第一光栅读数头，再经过 光栅读数头偏振分光镜反射至零差光电转换单元，干涉光信号被转换为电信号输出至电子 信号处理部件，经过计算得到一个X方向的位移值xi;
[0016] 5)与2)至4)的过程同理，读数头阵列的第二光栅读数头和第三光栅读数头分别给 出的电信号经过电子信号处理部件计算得到Z方向的位移值21和22;
[0017] 6)进入读数头阵列的第一外差激光读数头的双频激光经过外差激光读数头偏振 分光镜，该双频激光中的P偏振光透射后经过外差四分之一波片，由外差激光反射镜反射并 按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成s偏振光，被外差激光读数头偏振分光镜反 射至外差测量光电转换单元；
[0018] 7)该双频激光中的s偏振光由外差激光读数头偏振分光镜反射后经过外差四分之 一波片，由外差激光读数头反射镜反射并按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成P 偏振光，透射外差激光读数头偏振分光镜至外差测量光电转换单元；
[0019] 8)两束光在外差测量光电转换单元处形成拍频光信号，转化为外差测量电信号输 出至电子信号处理部件;外差测量电信号经过解调和计算，得到一个Y方向的位移值yi;
[0020] 9)与6)至8)的过程同理，读数头阵列的第二外差激光读数头和第三外差激光读数 头输出的外差测量电信号输入至电子信号处理部件，经过解调和计算，得到Y方向的位移值 Y2^Py3；
[0021 ] 10)由1)至9)步骤得到的一个X方向的位移测量值X1，两个Z方向的位移测量值21和 Z2，三个Y方向的位移测量值yi、y2和y3，测量光栅阵列的六个自由度的位移计算如下：
[0028]其中，Lx为读数头阵列的相邻读数头的中心的X方向上的距离，Lz为读数头阵列的 相邻读数头的中心的Z方向上的距离，X为测量光栅阵列沿X轴正向的位移，y为测量光栅阵 列沿Y轴正向的位移，z为测量光栅阵列沿Z轴正向的位移，θ χ为测量光栅阵列绕X轴正向的 旋转，9y为测量光栅阵列绕Υ轴正向的旋转，θζ为测量光栅阵列绕Ζ轴正向的旋转。
[0029] 本发明所述的一种六自由度干涉测量系统及方法的优点主要表现在：
[0030] ①可实现纳米和亚微弧度甚至更高分辨率及精度；
[0031 ]②可同时测量一个大行程位移、两个中等行程位移和三个小行程旋转；
[0032] ③测量系统读数头阵列体积小、质量轻、易于安装，占空间小，方便应用；
[0033] ④可应用于光刻机磁浮粗动台、机床标定、半导体检测设备等多自由度的精密位 移和姿态测量。
【附图说明】
[0034] 图1为本发明一种六自由度干涉测量系统示意图。
[0035] 图2为本发明一种测量光栅阵列示意图。
[0036] 图3为本发明一种读数头阵列示意图。
[0037] 图4为本发明一种光栅测量模块示意图。
[0038] 图5为本发明一种外差激光测量模块示意图。
[0039] 图6为本发明应用于光刻机磁浮粗动台示意图。
[0040] 图7为本发明应用于机床直线度标定示意图。
[0041 ]图中，1 一一双频激光发生器，2-一光纤分光器，3-一读数头阵列;4 一一测量光 栅阵列，5-一外差参考光电转换单元，6-一电子信号处理部件，7-一磁浮粗动台，8-一 磁浮微动台，9 机床工件台，10 直线导轨;31 第一光概读数头，31 ' 第二光 栅读数头，3 Γ -一第三光栅读数头，32-一第一外差激光读数头，32 ' 一一第二外差激光读 数头，32"一一第三外差激光读数头;41一一第一测量光栅组件，41'一一第二测量光栅组 件，41" 一一第三测量光栅组件，42-一第一外差激光反射镜，42 ' 一一第二外差激光反射 镜，42"--第三外差激光反射镜;311--光栅读数头偏振分光镜，312--光栅读数头光 挡，313-一零差光电转换单元;321-一外差激光读数头偏振分光镜，322-一外差四分之 一波片，323--外差激光读数头反射镜，324--外差测量光电转换单元;411--一次透 射光栅，412--二次透射光栅，413--测量四分之一波片，414--光挡，415--反射镜； 42一一外差激光反射镜。
【具体实施方式】
[0042] 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。
[0043] 请参考图1，图1为本发明的一种六自由度干涉测量系统示意图。如图1所示，包括 双频激光发生器1，光纤分光器2，读数头阵列3;测量光栅阵列4，外差参考光电转换单元5， 电子信号处理部件6。
[0044] 请参考图2,图2为本发明的一种测量光栅阵列示意图。如图2所示，包括第一测量 光栅组件41，第二测量光栅组件41'，第三测量光栅组件41"，第一外差激光反射镜42,第二 外差激光反射镜42'，第三外差激光反射镜42"。
[0045]图2所述的测量光栅阵列由上述的三个测量光栅组件和三个外差激光反射镜交叉 叠放而成。
[0046]请参考图3,图3为发明一种读数头阵列示意图。如图3所示，包括第一光栅读数头 31，第二光栅读数头31'，第三光栅读数头31"，第一外差激光读数头32,第二外差激光读数 头32'，第三外差激光读数头32"。
[0047]图3所述的读数头阵列由上述的三个光栅读数头和三个外差激光读数头交叉叠放 而成。
[0048]图1、图2和图3所述的六自由度干涉测量系统中，一个光栅读数头和一个测量光栅 组件构成一个相对独立的光栅测量模块，一个外差激光读数头和一个外差激光反射镜构成 一个相对独立的外差激光测量模块。如此，第一测量光栅组件，第二测量光栅组件，第三测 量光栅组件，第一外差激光反射镜，第二外差激光反射镜，第三外差激光反射镜，第一光栅 读数头，第二光栅读数头，第三光栅读数头，第一外差激光读数头，第二外差激光读数头，第 三外差激光读数头构成了相对独立的三个光栅测量模块和三个外差激光测量模块，六个测 量模块组成一个2 X 3的测量模块阵列；其中，一个光栅测量模块配置在该测量模块阵列的 第一行第二列，两个光栅测量模块分别配置在该测量模块阵列的第二行第一列和第二行第 三列，三个外差激光测量模块分别配置在该测量模块阵列的第一行第一列、第一行第三列 和第二行第二列。
[0049] 请参考图4,图4为本发明的一种光栅测量模块示意图。如图4所示，该光栅测量模 块包括第一光栅读数头31和第一测量光栅组件41;第一光栅读数头31包括光栅读数头偏振 分光镜311，光栅读数头光挡312，零差光电转换单元313;第一测量光栅组件41包括一次透 射光栅411，二次透射光栅412,测量四分之一波片413,光挡414,反射镜415。
[0050] 图4所述的光栅测量模块的测量原理包含如下步骤：
[0051] 1)进入读数头阵列的第一光栅读数头的双频激光经过光栅读数头偏振分光镜，该 双频激光中的P偏振光透射后进入测量光栅阵列的第一测量光栅组件，该双频激光中的s偏 振光反射至光栅读数头光挡，被其拦截；
[0052] 2)双频激光中的p偏振光垂直入射第一测量光栅组件的一次透射光栅，产生三束 衍射光，包括零级衍射光和正、负一级衍射光，三束衍射光在二次透射光栅处发生二次衍 射，其中零级衍射光的二次衍射光被光挡拦截，正、负一级衍射光的二次衍射光中，各自的 负一级衍射光以垂直于光栅平面的方向出射;这两束二次衍射光经过测量四分之一波片 后，被反射镜反射并沿原路返回，再次经过测量四分之一波片，这两束二次衍射光变为s偏 振光；
[0053] 3)两路s偏振光经过一次透射光栅和二次透射光栅，再次发生一次和二次衍射，其 中沿原光路返回的两束衍射光重合形成零差干涉光信号，并返回第一光栅读数头，再经过 光栅读数头偏振分光镜反射至零差光电转换单元，干涉光信号被转换为电信号输出至电子 信号处理部件，经过计算得到一个X方向的位移值 X1;
[0054] 请参考图5,图5为本发明的一种外差激光测量模块示意图。如图5所示，该外差激 光测量模块包括第一外差激光读数头32和第一外差激光反射镜42;第一外差激光读数头32 包括外差激光读数头偏振分光镜321，外差四分之一波片322,外差激光读数头反射镜323， 外差测量光电转换单元324。
[0055] 图5所述的外差激光测量模块的测量原理包含如下步骤：
[0056] 1)进入读数头阵列的第一外差激光读数头的双频激光经过外差激光读数头偏振 分光镜，该双频激光中的P偏振光透射后经过外差四分之一波片，由外差激光反射镜反射并 按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成s偏振光，被外差激光读数头偏振分光镜反 射至外差测量光电转换单元；
[0057] 2)该双频激光中的s偏振光由外差激光读数头偏振分光镜反射后经过外差四分之 一波片，由外差激光读数头反射镜反射并按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成P 偏振光，透射外差激光读数头偏振分光镜至外差测量光电转换单元；
[0058] 3)两束光在外差测量光电转换单元处形成拍频光信号，转化为外差测量电信号输 出至电子信号处理部件;外差测量电信号经过解调和计算，得到一个Y方向的位移值 yi;
[0059] 图1、图2、图3、图4和图5所述的六自由度干涉测量系统的测量方法包含如下步骤：
[0060] 1)所述双频激光发生器出射的双频激光经过光纤分光器后，平均分为六束双频激 光分别进入读数头阵列的三个光栅读数头和三个外差激光读数头;双频激光发生器出射的 参考光信号进入外差参考光电转换单元，转换为外差参考电信号，输入至电子信号处理部 件；
[0061] 2)进入读数头阵列的第一光栅读数头的双频激光经过光栅读数头偏振分光镜，该 双频激光中的P偏振光透射后进入测量光栅阵列的第一测量光栅组件，该双频激光中的S偏 振光反射至光栅读数头光挡，被其拦截；
[0062] 3)双频激光中的p偏振光垂直入射第一测量光栅组件的一次透射光栅，产生三束 衍射光，包括零级衍射光和正、负一级衍射光，三束衍射光在二次透射光栅处发生二次衍 射，其中零级衍射光的二次衍射光被光挡拦截，正、负一级衍射光的二次衍射光中，各自的 负一级衍射光以垂直于光栅平面的方向出射;这两束二次衍射光经过测量四分之一波片 后，被反射镜反射并沿原路返回，再次经过测量四分之一波片，这两束二次衍射光变为s偏 振光；
[0063] 4)两路s偏振光经过一次透射光栅和二次透射光栅，再次发生一次和二次衍射，其 中沿原光路返回的两束衍射光重合形成零差干涉光信号，并返回第一光栅读数头，再经过 光栅读数头偏振分光镜反射至零差光电转换单元，干涉光信号被转换为电信号输出至电子 信号处理部件，经过计算得到一个X方向的位移值 X1;
[0064] 5)与2)至4)的过程同理，读数头阵列的第二光栅读数头和第三光栅读数头分别给 出的电信号经过电子信号处理部件计算得到Z方向的位移值 21和22;
[0065] 6)进入读数头阵列的第一外差激光读数头的双频激光经过外差激光读数头偏振 分光镜，该双频激光中的P偏振光透射后经过外差四分之一波片，由外差激光反射镜反射并 按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成s偏振光，被外差激光读数头偏振分光镜反 射至外差测量光电转换单元；
[0066] 7)该双频激光中的s偏振光由外差激光读数头偏振分光镜反射后经过外差四分之 一波片，由外差激光读数头反射镜反射并按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成P 偏振光，透射外差激光读数头偏振分光镜至外差测量光电转换单元；
[0067] 8)两束光在外差测量光电转换单元处形成拍频光信号，转化为外差测量电信号输 出至电子信号处理部件;外差测量电信号经过解调和计算，得到一个Y方向的位移值 yi;
[0068] 9)与6)至8)的过程同理，读数头阵列的第二外差激光读数头和第三外差激光读数 头输出的外差测量电信号输入至电子信号处理部件，经过解调和计算，得到Y方向的位移值 Y2^Py3；
[0069] 10)由1)至9)步骤得到的一个X方向的位移测量值X1，两个Z方向的位移测量值 21和 Z2，三个Y方向的位移测量值yi、y2和y3，测量光栅阵列的六个自由度的位移计算如下：
[0076] 其中，Lx为读数头阵列的相邻读数头的中心的X方向上的距离，Lz为读数头阵列的 相邻读数头的中心的Z方向上的距离，X为测量光栅阵列沿X轴正向的位移，y为测量光栅阵 列沿Y轴正向的位移，z为测量光栅阵列沿Z轴正向的位移，θ χ为测量光栅阵列绕X轴正向的 旋转，9y为测量光栅阵列绕Υ轴正向的旋转，θζ为测量光栅阵列绕Ζ轴正向的旋转。
[0077] 请参考图6,图6为本发明应用于光刻机磁浮粗动台示意图。如图6所示，包括读数 头阵列3，测量光栅阵列4，磁浮粗动台7，磁浮微动台8。
[0078]图6所述的应用于光刻机磁浮粗动台的原理包括如下步骤：
[0079] 测量光栅阵列安置在磁浮粗动台的一个侧面，读数头阵列安置在与磁浮粗动台在 X方向同步运动的运动台上，则该六自由度干涉测量系统得到磁浮粗动台在X方向与运动台 的同步位移的偏差，Υ方向上的米级行程位移，Ζ方向上的毫米级行程位移，和三个毫弧度级 行程旋转，从而实现该磁浮粗动台的六自由度测量。
[0080] 请参考图7,图7为本发明应用于机床直线度标定示意图。如图7所示，包括读数头 阵列3,测量光栅阵列4,机床工件台9,直线导轨10。
[0081] 图7所述的应用于机床直线度标定的原理包括如下步骤：
[0082] 测量光栅阵列安置在机床工件台上，读数头阵列的出射激光方向与机床工件台位 移方向相同，当机床工件台沿着直线导轨运动时，该六自由度干涉测量系统得到机床工件 台在垂直于位移方向的上下偏移、左右偏移，以及该工件台的俯仰、滚转和偏航，从而实现 该机床直线运动方向的直线度测量与标定。
[0083] 上述六自由度干涉测量系统不仅能够实现纳米和亚微弧度的分辨率及精度，且能 够在测量一个直线自由度的米级行程位移的同时，实现另外两个直线自由度的毫米级行程 位移测量和三个旋转自由度的毫弧度级行程旋转测量。该测量系统具有结构紧凑、体积小、 质量轻、便于布置等优点，适用于光刻机磁浮粗动台、机床直线度标定等需要较大行程位移 的多自由度的位移和姿态的测量。
【主权项】
1. 一种六自由度干涉测量系统，包括双频激光发生器（1)、光纤分光器(2)、外差参考光 电转换单元(5)、电子信号处理部件(6)，其特征在于:该系统还包括读数头阵列（3)和测量 光栅阵列（4);所述读数头阵列（3)由三个光栅读数头和三个外差激光读数头交叉叠放而 成，所述测量光栅阵列(4)由三个测量光栅组件和三个外差激光反射镜交叉叠放而成； 一个光栅读数头和一个测量光栅组件构成一个相对独立的光栅测量模块，一个外差激 光读数头和一个外差激光反射镜构成一个相对独立的外差激光测量模块，六个相对独立的 测量模块组成一个2 X 3的测量模块阵列；其中，一个光栅测量模块配置在该测量模块阵列 的第一行第二列，两个光栅测量模块分别配置在该测量模块阵列的第二行第一列和第二行 第三列，三个外差激光测量模块配置分别在该测量模块阵列的第一行第一列、第一行第三 列和第二行第二列。 所述双频激光发生器（1)出射的双频激光经过光纤分光器(2)后，平均分为六束双频激 光分别进入读数头阵列(3)的三个光栅读数头和三个外差激光读数头;双频激光发生器(1) 出射的参考光信号进入外差参考光电转换单元(5)，转换为外差参考电信号，输入至电子信 号处理部件(6); 每个光栅读数头出射一束单频激光至其对应的测量光栅阵列（4)的测量光栅组件，测 量光栅组件返回一束携带位移信息的零差测量光信号，沿原光路入射至该光栅读数头，该 光栅读数头给出携带位移信息的零差测量电信号至电子信号处理部件(6)，经信号处理得 到一个位移值;如此，每个光栅读数头得到一个位移值； 每个外差激光读数头出射一束单频激光至其对应的测量光栅阵列(4)的外差激光反射 镜，外差激光反射镜返回一束携带位移信息的外差测量光信号，沿原光路入射至该外差激 光读数头，该外差激光读数头给出携带位移信息的外差测量电信号至电子信号处理部件 (6)，经信号处理得到一个位移值;如此，每个外差激光读数头得到一个位移值。2. 按照权利要求1所述的一种六自由度干涉测量系统，其特征在于:每个光栅读数头包 括光栅读数头偏振分光镜(311)、光栅读数头光挡(312)和零差光电转换单元(313);每个测 量光栅组件包括一次透射光栅(411)、二次透射光栅(412)、测量四分之一波片(413)、光挡 (414)和反射镜(415)。3. 按照权利要求2所述的一种六自由度干涉测量系统，其特征在于:一次透射光栅和二 次透射光栅均为栅距相同的一维透射光栅。4. 按照权利要求1所述的一种六自由度干涉测量系统，其特征在于:每个外差激光读数 头包括外差激光读数头偏振分光镜(321)、外差四分之一波片（322)、外差激光读数头反射 镜(323)和外差测量光电转换单元(324)。5. 采用如权利要求1所述测量系统的一种六自由度测量方法，其特征在于该方法包括 如下步骤： 1) 双频激光发生器（1)出射的双频激光经过光纤分光器(2)后，平均分为六束双频激光 分别进入读数头阵列(3)的三个光栅读数头和三个外差激光读数头;双频激光发生器(1)出 射的参考光信号进入外差参考光电转换单元(5)，转换为外差参考电信号，输入至电子信号 处理部件(6); 2) 进入读数头阵列（3)的第一光栅读数头的双频激光经过光栅读数头偏振分光镜，该 双频激光中的P偏振光透射后进入测量光栅阵列(4)的第一测量光栅组件，该双频激光中的 8偏振光反射至光栅读数头光挡，被其拦截； 3) 双频激光中的P偏振光垂直入射第一测量光栅组件的一次透射光栅，产生三束衍射 光，包括零级衍射光和正、负一级衍射光，三束衍射光在二次透射光栅处发生二次衍射，其 中零级衍射光的二次衍射光被光挡拦截，正、负一级衍射光的二次衍射光中，各自的负一级 衍射光以垂直于光栅平面的方向出射;这两束二次衍射光经过测量四分之一波片后，被反 射镜反射并沿原路返回，再次经过测量四分之一波片，这两束二次衍射光变为S偏振光； 4) 两束s偏振光经过一次透射光栅和二次透射光栅，再次发生一次和二次衍射，其中沿 原光路返回的两束衍射光重合形成零差干涉光信号，并返回第一光栅读数头，再经过光栅 读数头偏振分光镜反射至零差光电转换单元，干涉光信号被转换为电信号输出至电子信号 处理部件(6)，经过计算得到一个X方向的位移值 X1; 5) 与步骤2)至步骤4)的过程同理，读数头阵列（3)的第二光栅读数头和第三光栅读数 头分别给出的电信号经过电子信号处理部件(6)计算得到Z方向的位移值 21和22; 6) 进入读数头阵列（3)的第一外差激光读数头的双频激光经过外差激光读数头偏振分 光镜，该双频激光中的P偏振光透射后经过外差四分之一波片，由外差激光反射镜反射并按 原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成s偏振光，被外差激光读数头偏振分光镜反射 至外差测量光电转换单元； 7) 该双频激光中的s偏振光由外差激光读数头偏振分光镜反射后经过外差四分之一波 片，由外差激光读数头反射镜反射并按原路返回，再次经过外差四分之一波片，变成P偏振 光，透射外差激光读数头偏振分光镜至外差测量光电转换单元； 8) 两束光在外差测量光电转换单元处形成拍频光信号，转化为外差测量电信号输出至 电子信号处理部件(6);外差测量电信号经过解调和计算，得到一个Y方向的位移值y 1; 9) 与步骤6)至步骤8)的过程同理，读数头阵列（3)的第二外差激光读数头和第三外差 激光读数头输出的外差测量电信号输入至电子信号处理部件(6)，经过解调和计算，得到Y 方向的位移值y2和y3; 10) 由1)至9)步骤得到的一个X方向的位移测量值X1，两个Z方向的位移测量值ZjPz2， 三个Y方向的位移测量值 yi、y#Py3，测量光栅阵列(4)的六个自由度的位移计算如下：其中，Lx为读数头阵列（3)的相邻读数头的中心的X方向上的距离，Lz为读数头阵列（3) 的相邻读数头的中心的Z方向上的距离，X为测量光栅阵列(4)沿X轴正向的位移，y为测量光
【文档编号】G01B9/02GK106017308SQ201610589089
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年7月22日
【发明人】张鸣, 朱煜, 倪畅, 成荣, 杨开明, 叶伟楠, 王磊杰, 丁思奇, 崔健章
【申请人】清华大学, 北京华卓精科科技股份有限公司