一種六自由度干涉測量系統及方法
【專利摘要】一種六自由度干涉測量系統及方法，包括雙頻激光發生器、光纖分光器、外差參考光電轉換單元、電子信號處理部件，該系統還包括讀數頭陣列和測量光柵陣列；讀數頭陣列由三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭交叉疊放而成，測量光柵陣列由三個測量光柵組件和三個外差激光反射鏡交叉疊放而成。應用該系統的測量方法為：雙頻激光發生器產生雙頻激光經過光纖分光器分為六路進入讀數頭陣列，讀數頭陣列將獲得的包含測量光柵陣列位移信息的六個電信號輸入電子信號處理部件，經解算實現六自由度測量。該測量系統具有結構緊湊、體積小、質量輕、便于布置等優點，適用于光刻機磁浮粗動臺和機床直線度標定等需要較大行程位移的六自由度位移和姿態的測量。
【專利說明】
一種六自由度干涉測量系統及方法
技術領域
[0001] 本發明涉及一種六自由度干涉測量系統及方法，特別涉及一種多次衍射光柵測量 結構，屬于位移測量技術領域。
【背景技術】
[0002] 六自由度干涉測量系統作為一種典型的非接觸式傳感器廣泛應用于眾多機電設 備。六自由度干涉測量系統的測量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理，并通過對 三個直線自由度的冗余測量來計算三個旋轉自由度，從而實現六自由度測量。基于干涉條 紋原理的激光測量系統作為一種發展成熟的位移傳感器以其測距長、成本低、易于裝調等 眾多優點成為眾多機電設備位移測量的首選，但通常只能用多個單自由度激光測量系統組 成分布式的多自由度測量系統，難以滿足具有大行程直線位移的六自由度測量。
[0003] 六自由度測量技術在諸如光刻機工件臺、機床標定等測量設備中具有重要應用。 超精密工件臺以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等運動特點成為超精密運動系 統中最具代表性的一類系統。為實現上述運動，超精密工件臺通常采用粗動臺加微動臺的 結構，其中粗動臺的位移和位姿測量和控制是保證超精密運動的基礎，通常采用分布式的 干涉測量系統測量粗動臺的多自由度位移。然而隨著測量精度、測量距離、測量速度等運動 指標的不斷提高，分布式的干涉測量系統以測量范圍難以提高、占用空間大、安裝使用麻煩 等一系列問題難以滿足測量需求。此外，超精密機床是機床加工行業的重要發展方向，而機 床標定是消除系統誤差，提高機床精度的一個重要方法。機床標定通常使用多個激光干涉 儀，利用平行激光測量多個點的位移從而實現多個自由度的測量，但通常只能得到三個旋 轉自由度的偏差，不能得到另外兩個直線自由度的偏差。
[0004] 針對上述問題，國內外各大超精密測量領域的公司及研究機構展開了一系列的研 究，研究主要集中于多個光柵測量系統或者激光測量系統的組合和集成，研究成果在諸多 專利論文中均有揭露。
[0005] 荷蘭ASML公司美國專利US 6,020,964B2(【公開日】2000年2月1日）、日本Nikon公司 美國專利US 6,980,279B2(【公開日】2005年12月27日）、美國Agilent公司美國專利US 7，158， 236B2(【公開日】2007年1月2日）、美國Agilent公司美國專利US 7，355，719B2(【公開日】2008年4 月8日）中均揭露了類似的應用于光刻機工件臺的六自由度測量系統及方案，即在水平方向 布置六軸以上的激光干涉儀，在工件臺側面安裝長反射鏡、45°反射鏡，在Z向安裝反射鏡， 實現工件臺六自由度位移的測量。上述專利中所述測量系統及方案均為分布式測量方法， 經精密裝調后可滿足工件臺六自由度位移測量行程、測量精度等的需求，但在工件臺的側 面安裝45°反射鏡和在Z向安裝反射鏡將大大增加測量系統的體積和重量，這將給工件臺的 設計、制造、控制帶來極大的挑戰。清華大學中國專利CN105045042A(【公開日】2015年11月11 日）提出了一種工件臺曝光區域六自由度位移測量方法，該方法將集成的讀數頭置于工件 臺與線圈陣列之間的曝光區域，用來測量曝光區域的六自由度位移，該方法的不足在于其 測量范圍僅限于很小的曝光區域，且集成的讀數頭安裝困難，不便于使用。
[0006] 考慮到上述技術方案的局限，尋求一種六自由度干涉測量系統，該測量系統要具 有結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用等優點。該測量系統能夠實現納米和亞微 弧度的分辨率及精度，且能夠同時測量三個較大行程的直線位移和三個較小行程的旋轉。 選用該測量系統作為超精密工件臺的六自由度測量裝置，能夠有效的降低分布式干涉測量 系統在超精密工件臺應用中的不足，使光刻機超精密工件臺性能提升。此外，該測量系統還 能應用于機床標定等需要大行程直線位移和多自由度測量的場合。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的是提供一種六自由度干涉測量系統，使其具有體積小、便于安裝、能 夠實現納米和亞微弧度的分辨率及精度，且能夠同時測量一個米級行程的位移、兩個毫米 級行程的位移和三個毫弧度級行程的旋轉。
[0008] 本發明的技術方案如下：
[0009] -種六自由度干涉測量系統，包括雙頻激光發生器、光纖分光器、外差參考光電轉 換單元、電子信號處理部件，其特征在于:該系統還包括讀數頭陣列和測量光柵陣列；所述 讀數頭陣列由三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭交叉疊放而成，所述測量光柵陣列由 三個測量光柵組件和三個外差激光反射鏡交叉疊放而成；
[0010] 一個光柵讀數頭和一個測量光柵組件構成一個相對獨立的光柵測量模塊，一個外 差激光讀數頭和一個外差激光反射鏡構成一個相對獨立的外差激光測量模塊，六個相對獨 立的測量模塊組成一個2 X 3的測量模塊陣列；其中，一個光柵測量模塊配置在該測量模塊 陣列的第一行第二列，兩個光柵測量模塊分別配置在該測量模塊陣列的第二行第一列和第 二行第三列，三個外差激光測量模塊分別配置在該測量模塊陣列的第一行第一列、第一行 第三列和第二行第二列。
[0011] 采用如上所述的測量系統的一種六自由度測量方法包括如下步驟：
[0012] 1)所述雙頻激光發生器出射的雙頻激光經過光纖分光器后，平均分為六束雙頻激 光分別進入讀數頭陣列的三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭;雙頻激光發生器出射的 參考光信號進入外差參考光電轉換單元，轉換為外差參考電信號，輸入至電子信號處理部 件；
[0013] 2)進入讀數頭陣列的第一光柵讀數頭的雙頻激光經過光柵讀數頭偏振分光鏡，該 雙頻激光中的P偏振光透射后進入測量光柵陣列的第一測量光柵組件，該雙頻激光中的s偏 振光反射至光柵讀數頭光擋，被其攔截；
[0014] 3)雙頻激光中的p偏振光垂直入射第一測量光柵組件的一次透射光柵，產生三束 衍射光，包括零級衍射光和正、負一級衍射光，三束衍射光在二次透射光柵處發生二次衍 射，其中零級衍射光的二次衍射光被光擋攔截，正、負一級衍射光的二次衍射光中，各自的 負一級衍射光以垂直于光柵平面的方向出射;這兩束二次衍射光經過測量四分之一波片 后，被反射鏡反射并沿原路返回，再次經過測量四分之一波片，這兩束二次衍射光變為s偏 振光；
[0015] 4)兩束s偏振光經過一次透射光柵和二次透射光柵，再次發生一次和二次衍射，其 中沿原光路返回的兩束衍射光重合形成零差干涉光信號，并返回第一光柵讀數頭，再經過 光柵讀數頭偏振分光鏡反射至零差光電轉換單元，干涉光信號被轉換為電信號輸出至電子 信號處理部件，經過計算得到一個X方向的位移值xi;
[0016] 5)與2)至4)的過程同理，讀數頭陣列的第二光柵讀數頭和第三光柵讀數頭分別給 出的電信號經過電子信號處理部件計算得到Z方向的位移值21和22;
[0017] 6)進入讀數頭陣列的第一外差激光讀數頭的雙頻激光經過外差激光讀數頭偏振 分光鏡，該雙頻激光中的P偏振光透射后經過外差四分之一波片，由外差激光反射鏡反射并 按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成s偏振光，被外差激光讀數頭偏振分光鏡反 射至外差測量光電轉換單元；
[0018] 7)該雙頻激光中的s偏振光由外差激光讀數頭偏振分光鏡反射后經過外差四分之 一波片，由外差激光讀數頭反射鏡反射并按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成P 偏振光，透射外差激光讀數頭偏振分光鏡至外差測量光電轉換單元；
[0019] 8)兩束光在外差測量光電轉換單元處形成拍頻光信號，轉化為外差測量電信號輸 出至電子信號處理部件;外差測量電信號經過解調和計算，得到一個Y方向的位移值yi;
[0020] 9)與6)至8)的過程同理，讀數頭陣列的第二外差激光讀數頭和第三外差激光讀數 頭輸出的外差測量電信號輸入至電子信號處理部件，經過解調和計算，得到Y方向的位移值 Y2^Py3；
[0021 ] 10)由1)至9)步驟得到的一個X方向的位移測量值X1，兩個Z方向的位移測量值21和 Z2，三個Y方向的位移測量值yi、y2和y3，測量光柵陣列的六個自由度的位移計算如下：
[0028]其中，Lx為讀數頭陣列的相鄰讀數頭的中心的X方向上的距離，Lz為讀數頭陣列的 相鄰讀數頭的中心的Z方向上的距離，X為測量光柵陣列沿X軸正向的位移，y為測量光柵陣 列沿Y軸正向的位移，z為測量光柵陣列沿Z軸正向的位移，θ χ為測量光柵陣列繞X軸正向的 旋轉，9y為測量光柵陣列繞Υ軸正向的旋轉，θζ為測量光柵陣列繞Ζ軸正向的旋轉。
[0029] 本發明所述的一種六自由度干涉測量系統及方法的優點主要表現在：
[0030] ①可實現納米和亞微弧度甚至更高分辨率及精度；
[0031 ]②可同時測量一個大行程位移、兩個中等行程位移和三個小行程旋轉；
[0032] ③測量系統讀數頭陣列體積小、質量輕、易于安裝，占空間小，方便應用；
[0033] ④可應用于光刻機磁浮粗動臺、機床標定、半導體檢測設備等多自由度的精密位 移和姿態測量。
【附圖說明】
[0034] 圖1為本發明一種六自由度干涉測量系統示意圖。
[0035] 圖2為本發明一種測量光柵陣列示意圖。
[0036] 圖3為本發明一種讀數頭陣列示意圖。
[0037] 圖4為本發明一種光柵測量模塊示意圖。
[0038] 圖5為本發明一種外差激光測量模塊示意圖。
[0039] 圖6為本發明應用于光刻機磁浮粗動臺示意圖。
[0040] 圖7為本發明應用于機床直線度標定示意圖。
[0041 ]圖中，1 一一雙頻激光發生器，2-一光纖分光器，3-一讀數頭陣列;4 一一測量光 柵陣列，5-一外差參考光電轉換單元，6-一電子信號處理部件，7-一磁浮粗動臺，8-一 磁浮微動臺，9 機床工件臺，10 直線導軌;31 第一光概讀數頭，31 ' 第二光 柵讀數頭，3 Γ -一第三光柵讀數頭，32-一第一外差激光讀數頭，32 ' 一一第二外差激光讀 數頭，32"一一第三外差激光讀數頭;41一一第一測量光柵組件，41'一一第二測量光柵組 件，41" 一一第三測量光柵組件，42-一第一外差激光反射鏡，42 ' 一一第二外差激光反射 鏡，42"--第三外差激光反射鏡;311--光柵讀數頭偏振分光鏡，312--光柵讀數頭光 擋，313-一零差光電轉換單元;321-一外差激光讀數頭偏振分光鏡，322-一外差四分之 一波片，323--外差激光讀數頭反射鏡，324--外差測量光電轉換單元;411--一次透 射光柵，412--二次透射光柵，413--測量四分之一波片，414--光擋，415--反射鏡； 42一一外差激光反射鏡。
【具體實施方式】
[0042] 下面結合附圖對本發明的結構、原理和【具體實施方式】作進一步地詳細描述。
[0043] 請參考圖1，圖1為本發明的一種六自由度干涉測量系統示意圖。如圖1所示，包括 雙頻激光發生器1，光纖分光器2，讀數頭陣列3;測量光柵陣列4，外差參考光電轉換單元5， 電子信號處理部件6。
[0044] 請參考圖2,圖2為本發明的一種測量光柵陣列示意圖。如圖2所示，包括第一測量 光柵組件41，第二測量光柵組件41'，第三測量光柵組件41"，第一外差激光反射鏡42,第二 外差激光反射鏡42'，第三外差激光反射鏡42"。
[0045]圖2所述的測量光柵陣列由上述的三個測量光柵組件和三個外差激光反射鏡交叉 疊放而成。
[0046]請參考圖3,圖3為發明一種讀數頭陣列示意圖。如圖3所示，包括第一光柵讀數頭 31，第二光柵讀數頭31'，第三光柵讀數頭31"，第一外差激光讀數頭32,第二外差激光讀數 頭32'，第三外差激光讀數頭32"。
[0047]圖3所述的讀數頭陣列由上述的三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭交叉疊放 而成。
[0048]圖1、圖2和圖3所述的六自由度干涉測量系統中，一個光柵讀數頭和一個測量光柵 組件構成一個相對獨立的光柵測量模塊，一個外差激光讀數頭和一個外差激光反射鏡構成 一個相對獨立的外差激光測量模塊。如此，第一測量光柵組件，第二測量光柵組件，第三測 量光柵組件，第一外差激光反射鏡，第二外差激光反射鏡，第三外差激光反射鏡，第一光柵 讀數頭，第二光柵讀數頭，第三光柵讀數頭，第一外差激光讀數頭，第二外差激光讀數頭，第 三外差激光讀數頭構成了相對獨立的三個光柵測量模塊和三個外差激光測量模塊，六個測 量模塊組成一個2 X 3的測量模塊陣列；其中，一個光柵測量模塊配置在該測量模塊陣列的 第一行第二列，兩個光柵測量模塊分別配置在該測量模塊陣列的第二行第一列和第二行第 三列，三個外差激光測量模塊分別配置在該測量模塊陣列的第一行第一列、第一行第三列 和第二行第二列。
[0049] 請參考圖4,圖4為本發明的一種光柵測量模塊示意圖。如圖4所示，該光柵測量模 塊包括第一光柵讀數頭31和第一測量光柵組件41;第一光柵讀數頭31包括光柵讀數頭偏振 分光鏡311，光柵讀數頭光擋312，零差光電轉換單元313;第一測量光柵組件41包括一次透 射光柵411，二次透射光柵412,測量四分之一波片413,光擋414,反射鏡415。
[0050] 圖4所述的光柵測量模塊的測量原理包含如下步驟：
[0051] 1)進入讀數頭陣列的第一光柵讀數頭的雙頻激光經過光柵讀數頭偏振分光鏡，該 雙頻激光中的P偏振光透射后進入測量光柵陣列的第一測量光柵組件，該雙頻激光中的s偏 振光反射至光柵讀數頭光擋，被其攔截；
[0052] 2)雙頻激光中的p偏振光垂直入射第一測量光柵組件的一次透射光柵，產生三束 衍射光，包括零級衍射光和正、負一級衍射光，三束衍射光在二次透射光柵處發生二次衍 射，其中零級衍射光的二次衍射光被光擋攔截，正、負一級衍射光的二次衍射光中，各自的 負一級衍射光以垂直于光柵平面的方向出射;這兩束二次衍射光經過測量四分之一波片 后，被反射鏡反射并沿原路返回，再次經過測量四分之一波片，這兩束二次衍射光變為s偏 振光；
[0053] 3)兩路s偏振光經過一次透射光柵和二次透射光柵，再次發生一次和二次衍射，其 中沿原光路返回的兩束衍射光重合形成零差干涉光信號，并返回第一光柵讀數頭，再經過 光柵讀數頭偏振分光鏡反射至零差光電轉換單元，干涉光信號被轉換為電信號輸出至電子 信號處理部件，經過計算得到一個X方向的位移值 X1;
[0054] 請參考圖5,圖5為本發明的一種外差激光測量模塊示意圖。如圖5所示，該外差激 光測量模塊包括第一外差激光讀數頭32和第一外差激光反射鏡42;第一外差激光讀數頭32 包括外差激光讀數頭偏振分光鏡321，外差四分之一波片322,外差激光讀數頭反射鏡323， 外差測量光電轉換單元324。
[0055] 圖5所述的外差激光測量模塊的測量原理包含如下步驟：
[0056] 1)進入讀數頭陣列的第一外差激光讀數頭的雙頻激光經過外差激光讀數頭偏振 分光鏡，該雙頻激光中的P偏振光透射后經過外差四分之一波片，由外差激光反射鏡反射并 按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成s偏振光，被外差激光讀數頭偏振分光鏡反 射至外差測量光電轉換單元；
[0057] 2)該雙頻激光中的s偏振光由外差激光讀數頭偏振分光鏡反射后經過外差四分之 一波片，由外差激光讀數頭反射鏡反射并按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成P 偏振光，透射外差激光讀數頭偏振分光鏡至外差測量光電轉換單元；
[0058] 3)兩束光在外差測量光電轉換單元處形成拍頻光信號，轉化為外差測量電信號輸 出至電子信號處理部件;外差測量電信號經過解調和計算，得到一個Y方向的位移值 yi;
[0059] 圖1、圖2、圖3、圖4和圖5所述的六自由度干涉測量系統的測量方法包含如下步驟：
[0060] 1)所述雙頻激光發生器出射的雙頻激光經過光纖分光器后，平均分為六束雙頻激 光分別進入讀數頭陣列的三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭;雙頻激光發生器出射的 參考光信號進入外差參考光電轉換單元，轉換為外差參考電信號，輸入至電子信號處理部 件；
[0061] 2)進入讀數頭陣列的第一光柵讀數頭的雙頻激光經過光柵讀數頭偏振分光鏡，該 雙頻激光中的P偏振光透射后進入測量光柵陣列的第一測量光柵組件，該雙頻激光中的S偏 振光反射至光柵讀數頭光擋，被其攔截；
[0062] 3)雙頻激光中的p偏振光垂直入射第一測量光柵組件的一次透射光柵，產生三束 衍射光，包括零級衍射光和正、負一級衍射光，三束衍射光在二次透射光柵處發生二次衍 射，其中零級衍射光的二次衍射光被光擋攔截，正、負一級衍射光的二次衍射光中，各自的 負一級衍射光以垂直于光柵平面的方向出射;這兩束二次衍射光經過測量四分之一波片 后，被反射鏡反射并沿原路返回，再次經過測量四分之一波片，這兩束二次衍射光變為s偏 振光；
[0063] 4)兩路s偏振光經過一次透射光柵和二次透射光柵，再次發生一次和二次衍射，其 中沿原光路返回的兩束衍射光重合形成零差干涉光信號，并返回第一光柵讀數頭，再經過 光柵讀數頭偏振分光鏡反射至零差光電轉換單元，干涉光信號被轉換為電信號輸出至電子 信號處理部件，經過計算得到一個X方向的位移值 X1;
[0064] 5)與2)至4)的過程同理，讀數頭陣列的第二光柵讀數頭和第三光柵讀數頭分別給 出的電信號經過電子信號處理部件計算得到Z方向的位移值 21和22;
[0065] 6)進入讀數頭陣列的第一外差激光讀數頭的雙頻激光經過外差激光讀數頭偏振 分光鏡，該雙頻激光中的P偏振光透射后經過外差四分之一波片，由外差激光反射鏡反射并 按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成s偏振光，被外差激光讀數頭偏振分光鏡反 射至外差測量光電轉換單元；
[0066] 7)該雙頻激光中的s偏振光由外差激光讀數頭偏振分光鏡反射后經過外差四分之 一波片，由外差激光讀數頭反射鏡反射并按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成P 偏振光，透射外差激光讀數頭偏振分光鏡至外差測量光電轉換單元；
[0067] 8)兩束光在外差測量光電轉換單元處形成拍頻光信號，轉化為外差測量電信號輸 出至電子信號處理部件;外差測量電信號經過解調和計算，得到一個Y方向的位移值 yi;
[0068] 9)與6)至8)的過程同理，讀數頭陣列的第二外差激光讀數頭和第三外差激光讀數 頭輸出的外差測量電信號輸入至電子信號處理部件，經過解調和計算，得到Y方向的位移值 Y2^Py3；
[0069] 10)由1)至9)步驟得到的一個X方向的位移測量值X1，兩個Z方向的位移測量值 21和 Z2，三個Y方向的位移測量值yi、y2和y3，測量光柵陣列的六個自由度的位移計算如下：
[0076] 其中，Lx為讀數頭陣列的相鄰讀數頭的中心的X方向上的距離，Lz為讀數頭陣列的 相鄰讀數頭的中心的Z方向上的距離，X為測量光柵陣列沿X軸正向的位移，y為測量光柵陣 列沿Y軸正向的位移，z為測量光柵陣列沿Z軸正向的位移，θ χ為測量光柵陣列繞X軸正向的 旋轉，9y為測量光柵陣列繞Υ軸正向的旋轉，θζ為測量光柵陣列繞Ζ軸正向的旋轉。
[0077] 請參考圖6,圖6為本發明應用于光刻機磁浮粗動臺示意圖。如圖6所示，包括讀數 頭陣列3，測量光柵陣列4，磁浮粗動臺7，磁浮微動臺8。
[0078]圖6所述的應用于光刻機磁浮粗動臺的原理包括如下步驟：
[0079] 測量光柵陣列安置在磁浮粗動臺的一個側面，讀數頭陣列安置在與磁浮粗動臺在 X方向同步運動的運動臺上，則該六自由度干涉測量系統得到磁浮粗動臺在X方向與運動臺 的同步位移的偏差，Υ方向上的米級行程位移，Ζ方向上的毫米級行程位移，和三個毫弧度級 行程旋轉，從而實現該磁浮粗動臺的六自由度測量。
[0080] 請參考圖7,圖7為本發明應用于機床直線度標定示意圖。如圖7所示，包括讀數頭 陣列3,測量光柵陣列4,機床工件臺9,直線導軌10。
[0081] 圖7所述的應用于機床直線度標定的原理包括如下步驟：
[0082] 測量光柵陣列安置在機床工件臺上，讀數頭陣列的出射激光方向與機床工件臺位 移方向相同，當機床工件臺沿著直線導軌運動時，該六自由度干涉測量系統得到機床工件 臺在垂直于位移方向的上下偏移、左右偏移，以及該工件臺的俯仰、滾轉和偏航，從而實現 該機床直線運動方向的直線度測量與標定。
[0083] 上述六自由度干涉測量系統不僅能夠實現納米和亞微弧度的分辨率及精度，且能 夠在測量一個直線自由度的米級行程位移的同時，實現另外兩個直線自由度的毫米級行程 位移測量和三個旋轉自由度的毫弧度級行程旋轉測量。該測量系統具有結構緊湊、體積小、 質量輕、便于布置等優點，適用于光刻機磁浮粗動臺、機床直線度標定等需要較大行程位移 的多自由度的位移和姿態的測量。
【主權項】
1. 一種六自由度干涉測量系統，包括雙頻激光發生器（1)、光纖分光器(2)、外差參考光 電轉換單元(5)、電子信號處理部件(6)，其特征在于:該系統還包括讀數頭陣列（3)和測量 光柵陣列（4);所述讀數頭陣列（3)由三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭交叉疊放而 成，所述測量光柵陣列(4)由三個測量光柵組件和三個外差激光反射鏡交叉疊放而成； 一個光柵讀數頭和一個測量光柵組件構成一個相對獨立的光柵測量模塊，一個外差激 光讀數頭和一個外差激光反射鏡構成一個相對獨立的外差激光測量模塊，六個相對獨立的 測量模塊組成一個2 X 3的測量模塊陣列；其中，一個光柵測量模塊配置在該測量模塊陣列 的第一行第二列，兩個光柵測量模塊分別配置在該測量模塊陣列的第二行第一列和第二行 第三列，三個外差激光測量模塊配置分別在該測量模塊陣列的第一行第一列、第一行第三 列和第二行第二列。 所述雙頻激光發生器（1)出射的雙頻激光經過光纖分光器(2)后，平均分為六束雙頻激 光分別進入讀數頭陣列(3)的三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭;雙頻激光發生器(1) 出射的參考光信號進入外差參考光電轉換單元(5)，轉換為外差參考電信號，輸入至電子信 號處理部件(6); 每個光柵讀數頭出射一束單頻激光至其對應的測量光柵陣列（4)的測量光柵組件，測 量光柵組件返回一束攜帶位移信息的零差測量光信號，沿原光路入射至該光柵讀數頭，該 光柵讀數頭給出攜帶位移信息的零差測量電信號至電子信號處理部件(6)，經信號處理得 到一個位移值;如此，每個光柵讀數頭得到一個位移值； 每個外差激光讀數頭出射一束單頻激光至其對應的測量光柵陣列(4)的外差激光反射 鏡，外差激光反射鏡返回一束攜帶位移信息的外差測量光信號，沿原光路入射至該外差激 光讀數頭，該外差激光讀數頭給出攜帶位移信息的外差測量電信號至電子信號處理部件 (6)，經信號處理得到一個位移值;如此，每個外差激光讀數頭得到一個位移值。2. 按照權利要求1所述的一種六自由度干涉測量系統，其特征在于:每個光柵讀數頭包 括光柵讀數頭偏振分光鏡(311)、光柵讀數頭光擋(312)和零差光電轉換單元(313);每個測 量光柵組件包括一次透射光柵(411)、二次透射光柵(412)、測量四分之一波片(413)、光擋 (414)和反射鏡(415)。3. 按照權利要求2所述的一種六自由度干涉測量系統，其特征在于:一次透射光柵和二 次透射光柵均為柵距相同的一維透射光柵。4. 按照權利要求1所述的一種六自由度干涉測量系統，其特征在于:每個外差激光讀數 頭包括外差激光讀數頭偏振分光鏡(321)、外差四分之一波片（322)、外差激光讀數頭反射 鏡(323)和外差測量光電轉換單元(324)。5. 采用如權利要求1所述測量系統的一種六自由度測量方法，其特征在于該方法包括 如下步驟： 1) 雙頻激光發生器（1)出射的雙頻激光經過光纖分光器(2)后，平均分為六束雙頻激光 分別進入讀數頭陣列(3)的三個光柵讀數頭和三個外差激光讀數頭;雙頻激光發生器(1)出 射的參考光信號進入外差參考光電轉換單元(5)，轉換為外差參考電信號，輸入至電子信號 處理部件(6); 2) 進入讀數頭陣列（3)的第一光柵讀數頭的雙頻激光經過光柵讀數頭偏振分光鏡，該 雙頻激光中的P偏振光透射后進入測量光柵陣列(4)的第一測量光柵組件，該雙頻激光中的 8偏振光反射至光柵讀數頭光擋，被其攔截； 3) 雙頻激光中的P偏振光垂直入射第一測量光柵組件的一次透射光柵，產生三束衍射 光，包括零級衍射光和正、負一級衍射光，三束衍射光在二次透射光柵處發生二次衍射，其 中零級衍射光的二次衍射光被光擋攔截，正、負一級衍射光的二次衍射光中，各自的負一級 衍射光以垂直于光柵平面的方向出射;這兩束二次衍射光經過測量四分之一波片后，被反 射鏡反射并沿原路返回，再次經過測量四分之一波片，這兩束二次衍射光變為S偏振光； 4) 兩束s偏振光經過一次透射光柵和二次透射光柵，再次發生一次和二次衍射，其中沿 原光路返回的兩束衍射光重合形成零差干涉光信號，并返回第一光柵讀數頭，再經過光柵 讀數頭偏振分光鏡反射至零差光電轉換單元，干涉光信號被轉換為電信號輸出至電子信號 處理部件(6)，經過計算得到一個X方向的位移值 X1; 5) 與步驟2)至步驟4)的過程同理，讀數頭陣列（3)的第二光柵讀數頭和第三光柵讀數 頭分別給出的電信號經過電子信號處理部件(6)計算得到Z方向的位移值 21和22; 6) 進入讀數頭陣列（3)的第一外差激光讀數頭的雙頻激光經過外差激光讀數頭偏振分 光鏡，該雙頻激光中的P偏振光透射后經過外差四分之一波片，由外差激光反射鏡反射并按 原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成s偏振光，被外差激光讀數頭偏振分光鏡反射 至外差測量光電轉換單元； 7) 該雙頻激光中的s偏振光由外差激光讀數頭偏振分光鏡反射后經過外差四分之一波 片，由外差激光讀數頭反射鏡反射并按原路返回，再次經過外差四分之一波片，變成P偏振 光，透射外差激光讀數頭偏振分光鏡至外差測量光電轉換單元； 8) 兩束光在外差測量光電轉換單元處形成拍頻光信號，轉化為外差測量電信號輸出至 電子信號處理部件(6);外差測量電信號經過解調和計算，得到一個Y方向的位移值y 1; 9) 與步驟6)至步驟8)的過程同理，讀數頭陣列（3)的第二外差激光讀數頭和第三外差 激光讀數頭輸出的外差測量電信號輸入至電子信號處理部件(6)，經過解調和計算，得到Y 方向的位移值y2和y3; 10) 由1)至9)步驟得到的一個X方向的位移測量值X1，兩個Z方向的位移測量值ZjPz2， 三個Y方向的位移測量值 yi、y#Py3，測量光柵陣列(4)的六個自由度的位移計算如下：其中，Lx為讀數頭陣列（3)的相鄰讀數頭的中心的X方向上的距離，Lz為讀數頭陣列（3) 的相鄰讀數頭的中心的Z方向上的距離，X為測量光柵陣列(4)沿X軸正向的位移，y為測量光
【文檔編號】G01B9/02GK106017308SQ201610589089
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月22日
【發明人】張鳴, 朱煜, 倪暢, 成榮, 楊開明, 葉偉楠, 王磊杰, 丁思奇, 崔健章
【申請人】清華大學, 北京華卓精科科技股份有限公司