[发明专利]五自由度外差光栅干涉测量系统

说明书

本发明提供一种五自由度外差光栅干涉测量系统，包括：单频激光器，用于发出单频激光，所述单频激光可分束为一束参考光和一束测量光；干涉仪镜组和测量光栅，用于将所述参考光和测量光形成参考干涉信号和测量干涉信号；多束光纤束，分别接收所述测量干涉信号和参考干涉信号，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干涉信号。该测量系统具有对环境不敏感、体积小、质量轻、便于布置等优点，采用多个五自由度干涉测量系统布置，利用冗余信息即可实现六自由度的超精密测量，适用于光刻机工件台等六自由度位置和姿态测量的需求。

技术领域

本发明涉及干涉测量技术领域，更具体地，涉及一种五自由度外差光栅干涉测量系统。

背景技术

干涉测量系统作为一种典型的位移传感器具有对长度的可追溯性、测量精度高、测量范围大、动态测量范围大、易于安装和调试等优点，而被广泛应用于精密和超精密测量领域，常见于精密机械和加工设备中。目前干涉测量系统主要可以分为激光干涉测量系统和光栅干涉测量系统，激光干涉测量系统是基于激光干涉的测量原理，而光栅干涉测量系统基于衍射干涉原理，其测量基准为光栅的栅距，对环境波动的敏感性相对较低，重复测量精度更高。

工业应用中普遍采用的干涉仪只能实现单个方向的位移测量，目前现有的商用干涉仪测量精度通常可以达到纳米量级，实现较高的测量精度，但在实际测量过程中，往往会受到如阿贝误差和余弦误差等几何安装误差的影响，造成测量结果的不准确；且在运动过程中，由于振动等引起的微小转角带来的附加位移无法避免。随着精密机械的不断进步，测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的不断提高，如在光刻机超精密工件台的位置测量系统中，多自由度测量的需求逐渐提升。

针对上述问题，通常方法是采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，如荷兰ASML公司美国专利US 6020964B2(公开日2000年2月1日)、日本Nikon公司美国专利US 6980279B2(公开日2005年12月27日)、美国Agilent公司美国专利US7355719B2(公开日2008年4月8日)中均采用类似的六自由度测量系统，即水平方向上布置多轴激光干涉仪，利用45°反射镜将测量光引入Z轴，侧面和Z向安装反射镜，利用位移差分计算转角，实现六自由度测量，但分布式的干涉测量系统占用空间大、安装调整困难，难以满足测量需求。光栅干涉测量系统中，常见的为二自由度测量系统如德国Heidenhain公司美国专利US0058173A1(公开日2007年3月15日)，而无法实现更多自由度的同时测量。其他如Lee等基于二自由度光栅干涉测量系统，利用PSD和特定光路结构提出的一种简单的六自由度同时测量方法[C.B.Lee,G.H.Kim,and S.K.Lee,“Design and construction of asingle unit multi-function optical encoder for a six-degree-of-freedom motionerror measurement in an ultra-precision linear stage”,Meas.Sci.Technol,2011]，但测量系统的结构较复杂，多自由度的测量依赖于特定的光路结构，测量的一致性和稳定性较差，并且测量精度很大程度上受限于探测器性能，一般转角测量精度只能达到角秒量级，位移测量精度只能达到微米量级，难以满足超精密测量系统的性能要求。

发明内容

考虑到上述技术方案的局限，寻求一种精密五自由度外差光栅干涉测量系统，该测量系统具有光学结构简单紧凑，便于实际安装操作，稳定性及经济性均较好等优点。该光栅干涉测量系统能够实现纳米和亚微弧度的分辨率，且能够同时测量两个直线位移和三个较小行程的旋转。该测量系统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，该光栅干涉测量系统还能应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量等需要大行程直线位移和多自由度测量的场合。

本发明所采用的技术方案为：