[发明专利]基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统

说明书

本发明提供一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，包括单频激光器、输入光纤、声光调制器、读数头、测量光栅、输出光纤、光电转换单元和电子信号处理部件，单频激光器发出单频激光通过输入光纤进入声光调制器分为参考光和测量光输入至读数头，读数头和测量光栅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通过输出光纤发送到光电转换单元，光电转换单元将测量干涉电光信号和参考干涉光信号转换成测量干涉电信号和参考干涉电信号发送给电子信号处理部件，解算出测量光栅的二自由度线性位移。上述系统采用二次衍射光作为测量信号，达到了对信号四次细分的目的。

技术领域

本发明涉及光栅测量技术领域，特别涉及一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统。

背景技术

由于精密及超精密加工技术的提高，对加工和测量系统的定位精度和测量精度也就相应的提高，特别是光刻机等高端超精密仪器产业中，对测量精度要求甚至已经达到了亚纳米级。位移测量技术包含多种原理形式，有电容式、霍尔式、光栅尺、激光干涉测量等。其中激光干涉测量技术以其高精度、高动态、大行程等技术优点，在高精度位移测量的发展进程中占据着越来越重要的地位，在现代高精度测量任务中受到广泛重视。

传统的激光干涉仪，以激光波长作为测量基准，环境鲁棒性差，在非真空中传播激光不能达到很好的效果，这显然难以在超精密机床上得到很好的应用；相较于传统的激光干涉仪，光栅干涉仪根据光栅的衍射和光的干涉原理实现位移的测量，光栅干涉仪以光栅栅距作为测量基准而不是光的波长，且光栅干涉测量技术凭借其极短的光路而获取极高的环境鲁棒性，因此光栅干涉测量技术在亚纳米级测量重复性上更具优势。

针对工业生产中对光栅干涉仪提出的测量需求，大量科研人员及科研机构为此作出了贡献。如：美国ZYGO公司美国专利US2011/0255096A1(公开日2011年10月20日)，设计的外差式光栅干涉仪，采用测量光垂直入射至衍射光栅的方式获得正负一级衍射光，可以同时测出面内和垂向二自由度线性位移，但测量光栅的0级衍射光会沿入射光路返回，造成测量误差，不适合光刻机等高度集成化的超精密仪器；日本CANON公司美国专利US2011/0096334A1(公开日2011年4月28日)公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现单自由度位移测量；美国ZYGO公司美国专利US2012/0194824A1(公开日2012年8月2日)，设计了一种结构简单的二自由度外差光栅干涉仪，其利用回射器产生二次衍射光，系统分辨率较高，但其测量光和参考光共光路性较差，光栅转角允差较小。

光栅干涉仪在实际使用过程中，仍然存在一些亟待解决的问题，如：偏振混叠误差带来的周期非线性误差；由于震动、安装等原因存在光栅转角误差时，测量光和参考光会在探测器上形成干涉条纹，影响信号质量；光纤传输过程中造成的误差；光栅干涉仪的分辨率及测量精度问题；单个光栅干涉仪能够尽可能实现更多自由度及更大行程的位移测量；光栅干涉仪的尺寸和集成化问题等。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题和满足本领域未来的发展需求，本发明提供了一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，包括单频激光器、输入光纤、声光调制器、读数头、测量光栅、输出光纤、光电转换单元和电子信号处理部件，单频激光器发出单频激光通过输入光纤进入声光调制器分为参考光和测量光输入至读数头，读数头和测量光栅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通过输出光纤发送到光电转换单元，光电转换单元将测量干涉电光信号和参考干涉光信号转换成测量干涉电信号和参考干涉电信号发送给电子信号处理部件，解算出测量光栅的二自由度线性位移，其中，

所述读数头包括干涉仪镜组，单频激光器发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器分为多束参考光和多束测量光，多束参考光和多束测量光采用空间分离式传输，分别从不同的位置进入干涉仪镜组，并产生多路测量干涉信号和多路参考干涉信号。