[发明专利]一种五自由度外差光栅干涉测量系统

说明书

本发明为一种五自由度外差光栅干涉测量系统，包括单频激光器、声光调制器，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。该测量系统具有测量精度高、测量范围大、对温漂不敏感、整体尺寸小等优点，可用作光刻机超精密工件台位置测量系统。

技术领域

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 7,355,719B2(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。

发明内容

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。