一种五自由度外差光栅干涉测量系统的制作方法

本发明涉及一种光栅测量系统，特别涉及一种五自由度外差光栅干涉量系统。

背景技术：

由于技术发展和工业需求，在特定的大型精密加工装备的设计制造中，测量系统的精度成为了一种重要的技术指标。干涉测量系统由于其高精度也广泛应用与生产和科研等领域。常见的干涉系统包括激光干涉测量系统和光栅干涉测量系统，同时也有外差干涉测量系统和零差干涉测量系统。

目前已有激光干涉测量系统一般只能实现单自由度的位移测量，多自由度测量系统很少存在。就现有的商用激光干涉仪而言，测量精度通常为纳米量级，但在实际测量过程中，由于几何安装误差、热漂移误差以及周期非线性误差的影响，造成测量结果的精度下降。在实际的运动过程中，振动等其他环境因素导致的微小转角，会带来x方向和z方向位移测量的附加位移。随着测量精度、运动距离、实际速度等运动指标的不断提高，以及多自由度测量的需求不断上升，一个能实现多自由测量、且测量范围和精度等性能指标满足实际需求的测量系统的设计是有必要的。

针对上述问题，为了满足多自由的测量要求，目前市场已有的多自由测量系统采用的方法是多个单自由度激光测量系统分布式组合。在一个方向上安装多轴激光干涉仪，再利用角锥棱镜改变测量光的方向，然后在侧面和光传播方向上安装反射镜，最后利用位移差分，实现六自由度测量。利用该方法的有荷兰asml公司美国专利us6,020,964b2(公开日2000年2月1日)、日本nikon公司美国专利us6,980,279b2(公开日2005年12月27日)、美国agilent公司美国专利us7,355,719b2(公开日2008年4月8日)。这种分布式组合的干涉测量系统结构不紧凑、光学调试复杂，且需要多个测量信号，给信号处理带来困难，难以满足现在的测量需求。还有的多自由度测量方法是通过测量光斑的位置变化，采用多种探测器的组合使用实现多自由的同时测量。上述的这些方法，其系统结构复杂，且实际的测量依赖具体的光路结构，并且测量精度依赖于探测器性能和环境因素，目前的转角测量精度一般为角秒量级，位移测量精度一般为微米量级，很少达到纳米级。

技术实现要素：

根据目前技术方案的不足，以及超精密测量的需求，发明了一种五自由度外差光栅干涉测量系统，该测量系统具有实现多自由测量，结构简单紧凑，精度高，测量范围广，受环境因素影响小，能补偿热漂噪声和光纤传输误差等优点。该测量系统能同时测量两直线位移和三转角，精度为纳米和微弧度。该测量系统相较于上述的多自由度测量系统，具有明显的优势，能应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等需要大行程直线位移和一定转角的精密测量的场合。主要能运用于光刻机超精密工件台的测量中。

本发明所采用的技术方案如下：一种五自由度外差光栅干涉测量系统，其特征在于：包括单频激光器、声光调制器，所述单频激光器出射单频激光，所述单频激光经光纤耦合、分束后入射至声光调制器得到两路不同频率的线偏振光，一路作为参考光，一路作为测量光；干涉仪镜组和测量光栅，用于将所述参考光和测量光形成测量干涉信号和补偿干涉信号；多束光纤束，分别接收所述测量干涉信号和补偿干涉信号，每束光纤束中有多根多模光纤，分别接收同一平面上不同位置处的信号；所述干涉仪镜组包括分光棱镜、直角棱镜、1/4波片、折光元件、反射镜、偏振分光镜。

进一步地，干涉仪镜组各部件上下对称分布，分光棱镜位于镜组上层和下层，且呈对称分布，偏振分光棱镜位于镜组中层，折光元件位于镜组顶端，在光路发生90°偏转处设置直角棱镜，直角棱镜与分光棱镜和偏振分光棱镜，测量光和参考光在所述干涉仪镜组里面所经过的路径相同。

进一步地，所述参考光经过两个分光棱镜分光、直角棱镜反射后分为三束参考光，三束参考光再经过中间的三个偏振分光棱镜反射后作为三路干涉信号；所述测量光经过两个分光棱镜分光、直角棱镜反射后分为三束测量光；三束测量光中的两束依次经过偏振分光棱镜反射，1/4波片，折光元件后，从折光元件左右两边以利特罗角入射到测量光栅，衍射后的光束沿原光路返回，再依次经过1/4波片，中间的两个偏振分光棱镜透射，两个直角棱镜反射，与两束作为干涉信号的参考光分别干涉形成两路测量干涉信号；第三束测量光经过偏振分光棱镜反射，1/4波片，反射镜反射后，再次经过1/4波片，通过偏振分光棱镜透射，两个直角棱镜反射，与第三束作为干涉信号的参考光干涉形成一路补偿干涉信号。

进一步地，所述测量光栅相对于所述干涉仪镜组作二自由度线性运动和三自由度转角运动。

进一步地，所述干涉仪镜上下对称分布，测量光与参考光在所述干涉仪镜里面所经过的路径相同，当解算二自由度线性位移时，平行方向位移的温漂误差自动消除，垂直方向位移的温漂误差通过补偿干涉信号消除。

进一步地，两线性运动的位移是基于多普勒频移原理测量的，精度达到纳米级别；三转角的测量是基于差分波前原理测量的，且转角测量范围为1mrad，精度达到微弧度级别。

进一步地，所述补偿干涉信号为一路，所述测量干涉信号为两路，两路测量干涉信号和一路补偿干涉信号分别经所述光纤束接收，每束光纤束中有四根光纤，四根光纤位于同一平面内的不同位置，用于接收四个象限的干涉信号，每束光纤束输出四个光信号，共十二路光信号。

进一步地，所述干涉测量系统还包括光电转换单元和电子信号处理部件，其中：所述光电转换单元用于接收所述光纤束传输的光信号并转换为电信号，以输入至所述电子信号处理部件；所述电子信号处理部件接收所述电信号，用以解算所述测量光栅的线性位移和/或转角运动。

进一步地，由于补偿干涉信号的存在，又可补偿测量系统的光纤传输误差。

进一步地，测量系统适用于激光干涉仪、光栅干涉仪、外差干涉仪、以及零差干涉仪。

与现有技术相比，本发明所提供的一种精密五自由度外差光栅干涉测量系统具有以下优点：该测量系统能同时实现两个平移位移和三个转角的五自由度的测量，精度分别为纳米和微弧度级别，该测量系统具有实现多自由测量，结构简单紧凑，精度高，测量范围广，受环境因素影响小，能补偿热漂噪声和光纤传输误差的优点；相较于已有多自由干涉测量系统，该测量系统能避免阿贝误差和余弦误差等几何安装误差对精度的影响，更能满足现有的测量需求。同时，该测量系统可以通过自身对称的光学结构从而补偿温漂引起的误差，由于补偿干涉信号的存在又可补偿光纤传输误差。该五自由度外差光栅干涉仪位移测量系统还可广泛应用于需要多自由度位移的精密测量的场合中，如精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备，尤其适用于光刻机超精密工件台的测量中。

附图说明

图1为本发明一种五自由度干涉测量系统示意图。

图2、3为本发明的干涉仪镜组结构示意图。

图4为本发明所用的光纤束截面示意图。

图中，1——单频激光器，2——声光调制器，3——干涉仪镜组，4——一维平面反射光栅，5——光纤束，6——光电探测器，7——电子信号处理单元；31——分光棱镜，32——直角棱镜，33——1/4波片，34——折光元件，35——反射镜，36——偏振分光棱镜。

具体实施方式

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。

请参考图1，图1为本发明的五自由度外差光栅干涉测量系统示意图。如图1所示，该五自由度外差光栅干涉测量系统包括单频激光器1、声光调制器2、干涉仪镜组3、测量光栅4、光纤束5、光电探测器6、电子信号处理单元7。

请参考图2、3，图2、3为本发明的干涉仪镜组结构示意图。如图2所示，干涉仪镜组3包括分光棱镜31、偏振分光棱镜36、折光元件34、1/4波片33、反射镜35、直角棱镜32。分光棱镜31位于镜组上层和下层，且呈对称分布，偏振分光棱镜36位于镜组中层，折光元件34位于镜组顶端，在光路发生90°偏转处设置直角棱镜32，直角棱镜32与分光棱镜31和偏振分光棱镜36贴合。所有元件之间均采用粘接的方式固定。

请参考图4，图4为本发明的光纤束截面示意图。如图4所示，每个光纤束5中含有四根多模光纤。四根多模光纤位于同一平面内的不同位置，替代象限光电探测器，用于接收四个象限的干涉信号，。

结合图1、图2详细说明测量系统的原理，单频激光器1出射单频激光经光纤耦合、分束后入射至声光调制器2得到两路不同频率的偏振光，一路作为参考光，一路作为测量光参考光经过两个分光棱镜31分光、直角棱镜32反射后分为三束参考光，三束参考光再经过中间的三个偏振分光棱镜36反射后作为三路干涉信号；测量光经过两个分光棱镜31分光、直角棱镜32反射后分为三束测量光；三束测量光中的两束依次经过偏振分光棱镜32反射，1/4波片33，折光元件34后，从折光元件34左右两边以利特罗角入射到测量光栅4，衍射后的光束沿原光路返回，再依次经过1/4波片33，中间的两个偏振分光棱镜36透射，两个直角棱镜32反射，与两束作为干涉信号的参考光分别干涉形成两路测量干涉信号；第三束测量光经过偏振分光棱镜36反射，1/4波片33，反射镜35反射后，再次经过1/4波片33，通过偏振分光棱镜32透射，两个直角棱镜32反射，与第三束作为干涉信号的参考光干涉形成一路补偿干涉信号。

所述两路测量干涉信号和一路补偿干涉信号，分别经三个光纤束5接收，每束光纤束内部含有四根多模光纤，采集同一干涉信号四个象限的光信号，经光线束5接收所形成的十二路信号传输至光电探测器6转换为电信号，再传至电子信号处理单元7进行处理，利用得到的相位信息，基于差分波前原理即可解算出光栅的转角信息，根据所得转角对附加位移引起的相位进行补偿，再解算二自由度线性运动。所述测量栅4相对于干涉仪镜组3做x向和z向的平移运动，和三个转角运动时，电子信号处理单元7将输出二自由度线性位移和三自由度运动转角。

五自由度运动解算的表达式为

式中θx,y,z为光栅相对与干涉仪镜组的转角，x,z为光栅相对于干涉仪镜组的位移，φ1,2,3,4,5,6,7,8为两路测量信号在电子信号处理卡的读数值，γx,y,z为标定常数，φxθ,zθ为附加位移补偿相位，p为光栅的栅距，λ为激光波长，θ为利特罗角。

上述实施方式中给出的测量系统及结构方案能够同时测量三个转动角度和两个线性位移，系统测量精度高，转角的测量的精度为微弧度级，线性位移的测量精度为纳米级。该系统受环境影响很小，采用光纤束使光路简化，同时提高测量系统的抗干扰能力和系统集成性，同时该系统的光学结构采用上下对称的结构，补偿温漂引起的误差。该测量系统应用于光刻机超精密工件台的位移测量，对比激光干涉仪测量系统，在满足测量需求的基础上，可有效的降低工件台质量和体积，大大提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提高。该五自由度外差光栅干涉测量系统还可应用于其他多自由度精密测量的场合中，如精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备。

本发明并不限于上述实施方式，采用与本发明上述实施例相同或相近的结构，而得到的其他结构设计，均在本发明的保护范围之内。