[发明专利]一种三轴光栅尺

说明书

本发明三轴光栅尺包括三轴测量光束产生单元、X轴测量光束探测单元、Y轴测量光束探测单元、Z轴测量光束探测单元和信号采集及处理器。三轴测量光束产生单元，包括偏振准直激光光源、分束用二维衍射光栅、第一准直物镜、偏振棱镜组件、第二准直物镜和测量用二维衍射光栅。分束用二维衍射光栅和测量用二维衍射光栅是二维正交对称，各自两维度栅距相等。X，Y轴测量光束产生光路具有2倍光学细分及光学差分特性，精度高，安装容差大；测量光束产生单元光路与测量光束探测单元光路，共同构成一体的三维位移测量零差光栅干涉仪，结构紧凑，成本低，并且避免了不满足正交和共交点所导致的阿贝误差和余弦误差。

技术领域

本发明属于精密光学测量仪器领域，特别涉及一种用于三自由度位移测量的三轴光栅尺。

背景技术

光栅尺又称光学编码器，广泛应用于精密运动台、精密光学机械、精密测量仪器等领域的位移和角度测量。其中，基于高密度衍射光栅的光栅尺相比基于低密度普通几何光栅的光栅尺，具有更高精度和分辨率，可达到亚纳米级。世界上最精密的设备——光刻机已采用此类仪器进行高精密位移和角度测量。

随着精密制造技术的发展，尤其是光刻机技术的推动，多自由度的位移测量需求不断涌现。因此，迫切需要面向三自由度乃至更多自由度的位移测量光栅尺的研发。

国际市场上，德国海德汉最早推出了基于衍射光栅的光栅尺，已开发出了用于二自由度位移测量的二轴光栅尺。其原理是基于其专利US4776701。这一专利所给出的光学光路及其实际产品使用效果表明，相对于固定在被测量物体表面的测量衍射光栅，读数头的安装距离要求严格，稍有前后移动便会导致其探测器上的光斑横向移动，产生误差。此外，其三自由位移测量的扩展较为困难，尚未设计出相应的三轴光栅尺。

美国专利US5098190给出了另外一种基于衍射光栅的光栅尺结构。其特征是，光源发出准直激光束至测量光栅表面，经其衍射后的正、负一级衍射光通过透镜聚焦于相位光栅，产生三束彼此相移120°的干涉光束。再由探测器光电转换及信号处理器处理后，可得出相应的测量光栅位移信息。此专利同样存在光栅读数头相对于测量光栅距离敏感，容易产生误差的问题。上面所述两个专利，其光路本质上是马赫-泽德(Mach-Zehnder)干涉仪。因此，两自由度的测量信号是基于多普勒频移的光学差分信号，相对单独位移测量的电子差分，精度更高。

Kao等提出的二自由度测量光栅尺(C.F.KAO，S.H.LU，et.al.，Diffractive LaserEncoder with a Grating in Littrow Configuration，Jpn.J.Appl.Phys.47.1833-1837)采用Littrow自准直角度入射测量光栅，使得光栅尺读数头安装容差变得较大，但本质上是两个独立的一维光路结构，复杂，不易制作，容易产生阿贝误差。此外，三自由度测量扩展更为复杂。其光路本质上亦是马赫-泽德干涉仪。

Gao研究小组提出了三自由度(A.Kimura，Wei Gao，W.Kim et.al，Asub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings forstage motion measurement，Precision Engineering 36(2013)，771-781)、六自由度(X.Li，Wei Gao，et.al.，A six-degree-of-freedom surface encoder for precisionpositioning of a planar motion stage， Precision Engineering 37(2012)，576-585)测量的三轴、六轴光栅尺。中国专利 CN103307986A，CN103322927B分别给出了一种二自由度测量的二轴光栅尺和一种三自由度测量的三轴光栅尺。上面所述文献和专利，其光路本质上是迈克尔逊(Michelsion)干涉仪，无光学细分功能，亦即分辨率相对降低一半；此外，同样存在光栅读数头相对于测量光栅距离敏感，容易产生误差的问题。而且，各自由度信号是电子差分信号。相对光学差分，精度不高。