一种基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪及位移测量方法

本发明涉及，特别是涉及一种基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪及位移测量方法。

背景技术：

1、光栅干涉仪工业上一种常见的位移测量方法，根据光源的类型可分为零差光栅干涉仪和外差光栅干涉仪。零差干涉仪的精度在几十微米至亚微米期间。外差光栅干涉仪的精度在几十纳米到亚纳米区间。外差光栅干涉仪是超精密机床、光刻机等应用中的一种先进方案。外差光栅干涉仪采用双频光源实现测量，其中双频激光的分离、光路设计决定了光栅干涉仪的测量自由度、噪声水平等。

2、2011年日本canon公司的美国专利(us2011/0096334a1)公开了一种外差干涉仪，其中使用光栅作为物镜反射器，但干涉仪只能实现单自由度位移测量。

3、2014年美国zygo公司的美国专利(us8,885,172b2)公开了一种消除周期非线性误差的光栅干涉仪，但该方案无法同时实现多个自由度的测量。

4、2017年清华大学王磊杰等提出了一种超精密外差利特罗式光栅干涉仪位移测量系统，该系统采用双频光源，采用偏振分光棱镜(pbs)分离双频激光，并且激光从利特罗角入射光栅，利用利特罗光路的性质最终实现死区误差较小的单自由度位移测量。该团队在2020年基于该装置提出了一种五自由度的外差光栅干涉测量系统。但此类系统采用共光路设计，依靠偏振分光元件实现差频激光的分离，由于偏振光学元件的性能影响，存在频率混叠、偏振混叠等影响，对系统测量精度进一步提升造成阻碍。

5、2017年哈尔滨工业大学谭久彬院士团队的邢旭提出了一种空间分离式的光栅干涉仪，该方案采用双频激光分离入射光栅，经过二次衍射及光学元件实现双频激光的合光。该方案可实现周期非线性误差的消除，但二次衍射对激光功率要求较高，且未能实现垂直光栅面的z向位移测量。

6、2022年上海微电子装备(集团)股份有限公司提出了一种空间分离式的可测量多自由度的外差光栅干涉仪，该方案可实现周期非线性误差的消除，具备较强的抗干扰能力，易于集成。但是采用了二次衍射的方案，对激光功率要求较高，并且为双测点，受角度影响大。

7、上述光栅干涉仪大多无法在实现周期非线性误差消除的同时实现多自由度测量，此外对系统的抗环境干扰能力提升没有做深入设计，或者同时实现单测点多自由度测量。

技术实现思路

1、本发明的目的在于实现光栅干涉仪周期非线性误差的消除的同时具备优秀的抗环境干扰能力，提出一种基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪及位移测量方法。

2、本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

3、一种基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪，包括双频光源、第一至第二激光头、第一至第二偏振分光棱镜、第一直角棱镜组、第二直角棱镜组、第一至第二四分之一波片、二分之一波片、偏振片、二维反射式的测量光栅及参考光栅、光纤以第一至第五探测器，所述第一至第二激光头分别输出具有频差的激光，垂直于光栅面型的方向为z向，光栅面内为正交的x、y方向；

4、所述第一激光头出射频率为f1的p偏振光作为测量光，p偏振光通过所述第一偏振分光棱镜和所述第一四分之一波片并垂直入射所述测量光栅，所述第一四分之一波片将p偏振光转为圆偏振光，圆偏振光入射所述测量光栅后形成0级衍射光、x向正一级衍射光、x向负一级衍射光、y向正一级衍射光、y向负一级衍射光，其中0级衍射光直接反射，而后四束衍射光由所述第一直角棱镜组反射，沿z轴传播，再次通过所述第一四分之一波片转为s偏振光后入射所述第一偏振分光棱镜，并在其偏振分离面上反射，沿x轴正方向传播，随后通过所述二分之一波片转为p偏振光，并透射穿过所述第二偏振分光棱镜，经过所述偏振片后，入射对应的探测器；

5、所述第二激光头出射频率为f2的p偏振光作为参考光，p偏振光通过所述第二偏振分光棱镜和所述第二四分之一波片并垂直入射所述参考光栅，所述第二四分之一波片将p偏振光转为圆偏振光，圆偏振光入射所述测量光栅后形成0级衍射光、x向正一级衍射光、x向负一级衍射光、y向正一级衍射光、y向负一级衍射光，其中0级衍射光直接反射，而后四束衍射光由所述第二直角棱镜组反射，沿z轴传播，再次通过所述第二四分之一波片转为s偏振光后入射所述第二偏振分光棱镜，并在其偏振分离面上反射，沿x轴正方向传播，与所述第一激光头出射的频率为f1的测量光平行且重合，共同入射对应的探测器。

6、在一些实施例中，根据所述第一至第五探测器的测量结果，x向位移δx、y向位移δy和z向位移δz分别由如下公式计算得到：

7、

8、

9、

10、其中，λ表示激光在真空中的波长，g表示光栅常数，δφ13是第一探测器和第三探测器接收到的信号之间的相位差，δφ45是第四探测器和第五探测器接收到的信号之间的相位差，δφ1、δφ2、δφ3、δφ4、δφ5分别表示第一至第五探测器接收到的信号相对于初始时刻各探测器测得的信号的相位变化量；其中，第一探测器和第三探测器分别对应x向正一级衍射光和x向负一级衍射光，第四探测器和第五探测器分别对应y向正一级衍射光和y向负一级衍射光，第二探测器对应0级衍射光。

11、在一些实施例中，所述测量光栅及参考光栅分别布置于x向的两侧，所述第一至第二激光头分别布置于x向的两侧，与所述测量光栅及参考光栅相对设置。

12、在一些实施例中，所述测量光栅及参考光栅分别布置于x向的同侧，所述第一至第二激光头分别布置于x向的另一侧，与所述测量光栅及参考光栅相对设置。

13、本发明还提出一种基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪，包括双频光源、第一至第二激光头、第一至第二偏振分光棱镜、第一直角棱镜组、第二直角棱镜组、第一至第二四分之一波片、二分之一波片、偏振片、二维反射式的测量光栅及参考光栅、光纤以第一至第五探测器，所述第一至第二激光头分别输出具有频差的激光，垂直于光栅面型的方向为z向，光栅面内为正交的x、y方向；

14、所述第一激光头出射频率为f1的p偏振光作为测量光，p偏振光通过所述第一偏振分光棱镜和所述第一四分之一波片并垂直入射所述测量光栅，所述第一四分之一波片将p偏振光转为圆偏振光，圆偏振光入射所述测量光栅后形成0级衍射光、x向正一级衍射光、x向负一级衍射光、y向正一级衍射光、y向负一级衍射光，其中0级衍射光直接反射，而后四束衍射光由所述第一直角棱镜组反射，沿z轴传播，再次通过所述第一四分之一波片转为s偏振光后入射所述第一偏振分光棱镜，并在其偏振分离面上反射，沿x轴正方向传播，经过所述偏振片后，入射对应的探测器；

15、所述第二激光头出射频率为f2的s偏振光作为参考光，s偏振光通过所述第二偏振分光棱镜，在其偏振分离面上反射，通过所述第二四分之一波片并垂直入射所述参考光栅，所述第二四分之一波片将s偏振光转为圆偏振光，圆偏振光入射所述测量光栅后形成0级衍射光、x向正一级衍射光、x向负一级衍射光、y向正一级衍射光、y向负一级衍射光，其中0级衍射光直接反射，而后四束衍射光由所述第二直角棱镜组反射，沿x轴传播，入射所述第二偏振分光棱镜，并在其偏振分离面上反射，沿x轴正方向传播，再次通过所述第二四分之一波片转为p偏振光后入射所述第二偏振分光棱镜，再透射穿过所述第一偏振分光棱镜，与所述第一激光头出射的频率为f1的测量光平行且重合，共同入射对应的探测器。

16、在一些实施例中，采用光纤传播激光。

17、在一些实施例中，激光头中设置有光纤准直器。

18、本发明还提出一种位移测量方法，使用如上述的基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪进行位移测量。

19、本发明与现有技术对比的有益效果包括：

20、本发明提出的基于双光栅的空间分离式光栅干涉仪通过解算5路外差干涉信号相位差实现光栅位姿三自由度同步测量。

21、采用中心对称式光路，使双频激光传播达到近似共光路传播的效果，极大地减小了激光死区长度，理论上x向光路、y向光路和z向光路的死区长度可为0，具备优秀的抗环境干扰能力。

22、激光死区长度与外差光源频率波动影响成正比，死区长度的减小显著降低对外差光栅干涉系统的光源稳频要求。

23、在本发明光路设计的基础上，双频光源以非共光路传播的方式分别入射参考光栅和测量光栅，降低了系统对偏振元件的要求，并且从原理上不存在由于双频激光混合后无法完美分离产生的周期非线性误差。降低周期非线性误差水平。

24、双光栅中心对称式布置方案以及光学元件布置形式使结构紧凑，集成性好。

25、本发明实施例中的其他有益效果将在下文中进一步述及。