基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统技术方案

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统
本专利技术涉及光栅测量
，特别涉及一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统。
技术介绍
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。
技术实现思路
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，本专利技术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。优选地，所述干涉仪镜组包括多个反射镜、多个四分之一波片、多个偏振分光镜、多个回射器、多个侧向分光棱镜和多个折射镜，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，不同参考光进入不同偏振分光镜，不同测量光进入不同偏振分光镜，发生反射和透射，形成测量反射光、测量透射光、参考反射光和参考透射光，多束测量反射光经过四分之一波片、折射镜、测量光栅、折射镜、四分之一波片、偏振分光镜和回射器多次反射形成多束第一测量光；多束测量透射光经过不同的侧向分光棱镜形成多束第二测量光；多束参考放射光经过四分之一波片、反射镜、偏振分光镜、回射器和侧向分光棱镜多次反射形成多束第一参考光，多束参考透射光经过不同的侧向分光棱镜形成多束第二参考光；多束第一测量光和第二测量光分别与参考光进行干涉形成多路测量干涉信号，多束第一参考光和第二参考光分别与测量光进行干涉，形成多路参考干涉信号。优选地，所述干涉仪镜组包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一侧向分光棱镜、第二侧向分光棱镜、第三侧向分光棱镜、第四侧向分光棱镜、第一回射器、第二回射器、第三回射器、第四回射器、第一四分之一波片、第二第一四分之一波片、第一反射镜、第二反射镜、第一折射镜和第二折射镜；单频激光器发出两束单频激光，经声光调制器后，形成两束测量光和两束参考光，一束测量光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一测量反射光和一束第一测量透射光，一路参考光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一参考反射光和一束第一参考透射光；第一测量反射光依次通过第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一测量光；第一测量透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二测量光；第一参考反射光依次通过第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第二回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一参考光；第一参考透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二参考光；第一测量光和第一参考光干涉形成第一测量干涉信号；第二测量光与第二参考光干涉形成第一参考干涉信号；另一束测量光通过第二偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第二测量反射光和一束第二测量透射光，另一束参考光通过第二偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第二参考反射光和一束第二参考透射光；第二测量反射光依次通过第二四分之一波片、第二折射镜、测量光栅、第二折射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第三回射器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第二折射镜、测量光栅、第二折射镜、第二偏振分光镜、第三侧向分光棱镜形成第三测量光；第二测量透射光经过第四侧向分光棱镜形成第四测量光；第二参考反射光依次通过第二四分之一波片、第二反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第四回射器、第二偏振分光镜、第二四分之一波片、第二反射镜、第二四分之一波片、第二偏振分光镜、第三侧向分光棱镜形成第三参考光；第二参考透射光经过第四侧向分光棱镜形成第四参考光；第三测量光和第三参考光干涉形成第二测量干涉信号；第四测量光与第四参考光干涉形成第二参考干涉信号。进一步，优选地，每个偏振分光镜前后各布置了一个侧向分光棱镜；每个偏振分光镜下方皆布置了两个回射器；每个偏振分光镜上方皆布置了一个四分之一波片；每个四分之一波片上方皆平行布置了一个反射镜和一个折射镜。优选地，第一测量光和第二测量光分别与参考光干涉形成两本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，包括单频激光器(1)、输入光纤(2)、声光调制器(3)、读数头(4)、测量光栅(5)、输出光纤(6)、光电转换单元(7)和电子信号处理部件(8)，单频激光器(1)发出单频激光通过输入光纤(2)进入声光调制器(3)分为参考光和测量光输入至读数头(4)，读数头(4)和测量光栅(5)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(6)发送到光电转换单元(7)，光电转换单元(7)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(8)，解算出测量光栅(5)的二自由度线性位移，其中，/n所述读数头包括干涉仪镜组，单频激光器(1)发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器(3)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。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，包括单频激光器(1)、输入光纤(2)、声光调制器(3)、读数头(4)、测量光栅(5)、输出光纤(6)、光电转换单元(7)和电子信号处理部件(8)，单频激光器(1)发出单频激光通过输入光纤(2)进入声光调制器(3)分为参考光和测量光输入至读数头(4)，读数头(4)和测量光栅(5)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(6)发送到光电转换单元(7)，光电转换单元(7)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(8)，解算出测量光栅(5)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(1)发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器(3)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。


2.根据权利要求1所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述干涉仪镜组包括多个反射镜(43)、多个四分之一波片(44)、多个偏振分光镜(45)、多个回射器(46)、多个侧向分光棱镜(47)和多个折射镜(410)，单频激光器(1)发出多束单频激光，多束单频激光经声光调制器(3)分为多束参考光和多束测量光，不同参考光进入不同偏振分光镜(45)，不同测量光进入不同偏振分光镜，发生反射和透射，形成测量反射光、测量透射光、参考反射光和参考透射光，多束测量反射光经过四分之一波片(44)、折射镜(410)、测量光栅(5)、折射镜(410)、四分之一波片(44)、偏振分光镜(45)和回射器(46)多次反射形成多束第一测量光；多束测量透射光经过不同的侧向分光棱镜(47)形成多束第二测量光；多束参考放射光经过四分之一波片(44)、反射镜(43)、偏振分光镜(45)、回射器(46)和侧向分光棱镜(47)多次反射形成多束第一参考光，多束参考透射光经过不同的侧向分光棱镜(47)形成多束第二参考光；多束第一测量光和第二测量光分别与参考光进行干涉形成多路测量干涉信号，多束第一参考光和第二参考光分别与测量光进行干涉，形成多路参考干涉信号。


3.根据权利要求2所述的基于二次衍射的外差光栅干涉测量系统，其特征在于，所述干涉仪镜组包括第一偏振分光镜、第二偏振分光镜、第一侧向分光棱镜、第二侧向分光棱镜、第三侧向分光棱镜、第四侧向分光棱镜、第一回射器、第二回射器、第三回射器、第四回射器、第一四分之一波片、第二第一四分之一波片、第一反射镜、第二反射镜、第一折射镜和第二折射镜；
单频激光器(1)发出两束单频激光，经声光调制器(3)后，形成两束测量光和两束参考光，一束测量光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一测量反射光和一束第一测量透射光，一路参考光通过第一偏振分光镜，发生反射和透射，形成一束第一参考反射光和一束第一参考透射光；
第一测量反射光依次通过第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一四分之一波片、第一偏振分光镜、第一回射器、第一偏振分光镜、第一四分之一波片、第一折射镜、测量光栅、第一折射镜、第一偏振分光镜、第一侧向分光棱镜形成第一测量光；
第一测量透射光经过第二侧向分光棱镜形成第二测量光；
第一参考反射光依次通过第一四分之一波片、第一反射镜、第一四分...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱煜，王磊杰，郭子文，张鸣，成荣，叶伟楠，程朝奎，
申请(专利权)人：清华大学，北京华卓精科科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11