[发明专利]一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法

摘要

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，所述测量方法采用的测量系统包括读数头、测量光栅、电子信号处理部件。该二自由度测量方法为：读数头给出两束测量光以利特罗角入射至测量光栅，产生两束衍射光沿原路返回，读数头给出一个外差参考电信号和两个外差测量电信号输入至电子信号处理部件，经解算实现两个自由度的位移输出。该测量方法避免了偏振混叠，能实现纳米甚至更高分辨率及精度，且同时测量二自由度的大行程位移。应用该测量方法的测量系统具有对环境不敏感、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，适用于光刻机超精密工件台、精密机床等需要多自由度精密位移测量的场合。

主权项

1.一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)搭建测量系统：所述测量系统包括读数头(1)、测量光栅(2)和电子信号处理部件(3)；所述读数头(1)包括双频激光发生器(11)、干涉仪(12)、第一光电转换单元(13)、第二光电转换单元(14)和第三光电转换单元(15)；所述双频激光发生器(11)包括激光管(111)、针孔(112)、准直透镜(113)、分光镜(114)、第一声光调制器(115)、第二声光调制器(115')、第一光挡(116)、第二光挡(116')、第一反射镜(117)、第二反射镜(117')、第一偏振片(118)、第二偏振片(118')、第一高透射分光镜(119)、第二高透射分光镜(119')和参考信号合成单元(110)；所述干涉仪(12)包括第一干涉仪分光镜(121)、第二干涉仪分光镜(122)、第一反射器(123)、第二反射器(124)；2)利用步骤1)的测量系统进行测量：a)双频激光发生器(11)的激光管(111)出射一束单频激光，该单频激光经过针孔(112)和准直透镜(113)准直后，经分光镜(114)分为两束功率相同、传播方向垂直的光，两束光分别经第一声光调制器(115)和第二声光调制器(115')后产生衍射光，包括两束零级衍射光和两束一级衍射光，两束零级衍射光分别被第一光挡(116)和第二光挡(116')拦截，两束一级衍射光分别经第一反射镜(117)、第一偏振片(118)和第二反射镜(117')、第二偏振片(118')后，入射至第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')；b)第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')反射出的两束功率较小的光，入射至参考信号合成单元(110)，合成外差参考光信号，第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')透射出的两束功率较大的光，形成非共轴双频激光，出射至干涉仪(12)；c)外差参考光信号出射至第三光电转换单元(15)，转换为外差参考电信号，经电缆输出至电子信号处理部件(3)；d)干涉仪(12)的第一干涉仪分光镜(121)将入射的一束激光分为第一参考光和第一测量光，第一参考光经第二干涉仪分光镜(122)入射至第二光电转换单元(14)；第一测量光经第一反射器(123)后以利特罗角入射至测量光栅(2)并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第一反射器(123)、第一干涉仪分光镜(121)后入射至第一光电转换单元(13)；e)干涉仪(12)的第二干涉仪分光镜(122)将入射的一束激光分为第二参考光和第二测量光，第二参考光经第一干涉仪分光镜(121)入射至第一光电转换单元(13)；第二测量光经第二反射器(124)后以利特罗角入射至测量光栅(2)并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第二反射器(124)、第二干涉仪分光镜(122)后入射至第二光电转换单元(14)；f)第一参考光和第二测量光的衍射光在第二光电转换单元(14)前重合并发生干涉，形成第一拍频光信号I1，第二参考光和第一测量光的衍射光在第一光电转换单元(13)前重合并发生干涉，形成第二拍频光信号I2；g)I1和I2分别被第二光电转换单元(14)和第一光电转换单元(13)转换为外差测量电信号，经电缆输出至电子信号处理部件(3)；h)由a)到g)，电子信号处理部件(3)得到一个外差参考电信号和两个外差测量电信号，做信号解调和处理，得到包含有X和Z两个方向位移信息的相位变化值和表达为：其中，d为测量光栅(2)的栅距，λ1和λ2为双频激光的两个波长，θ1为波长是λ1的激光入射至测量光栅(2)的利特罗角，θ2为波长是λ2的激光入射至测量光栅(2)的利特罗角，Δx为待求的X方向位移值，Δz为待求的Z方向位移值；将已知的参数值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂带入上述的和的表达式，得到一个简单的二元一次方程组，解该方程组，从而得测量光栅(2)分别在在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，实现了二自由度位移测量。