[发明专利]一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统

说明书

本发明涉及一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，所述自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，所述相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，所述相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。与现有技术相比，本发明克服了位移测量溯源难度大和光栅刻线密度低的缺点，其直接溯源的测量途径具有位移测量准确性高、鲁棒性强的优势。

技术领域

本发明涉及精密位移测量领域，尤其是涉及一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统。

背景技术

精密及超精密测量技术是现代加工及制造领域的基础，其量程和精度决定着制造的尺寸和精度。进入21世纪以后，集成电路、半导体制造等领域发展迅速，高尖端精密制造水平代表着一个国家装备制造以及现代工业生产水平。

随着人们对纳米测量领域的探究不断深入，衍生出了各种不同的精密位移测量方法。其中由于激光干涉仪和光栅干涉仪具有大量程、高精度、测量速度快的特点，被广泛应用于各个生产领域的制造产业当中。激光干涉仪以激光的波长作为测量基准，具有非接触、量程大、精度高的特点，被应用于各式机械结构定位中。由于激光干涉仪的位移测量原理，其对波长的稳定性要求非常高，波长的干扰将直接影响到测量的精度。当测量环境中的温度、湿度、气体浓度发生变化时波长也会随之改变，且在测量的过程中读数头与待测物之间的距离会发生改变，进一步增加了波长对环境的敏感程度。这一缺点限制了激光干涉仪的应用范围，在一般的环境下无法发挥激光干涉仪高精度的测量能力。

而光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距作为测量基准，相比于单纯以波长作为基准的激光干涉仪，以光栅周期为基准的光栅位移测量系统对环境的敏感程度低，并且当光束入射到光栅表面时会发生衍射效应，光栅周期性的结构起到了平均的作用。此外，光栅干涉仪的读数头内部设计简单紧凑、光路对称，可以做到读数头与光栅之间的距离达到毫米量级，不会随着待测物移动而发生改变，进一步降低了环境对光栅位移系统测量精度的影响。随着技术的发展，光栅的制造水平进一步提高，这使得以光栅栅距作为测量基准的系统应用越来越广泛。

传统的光栅位移系统是利用莫尔条纹的原理制备而成，由于光栅的测量分辨力与光栅周期直接相关，所以当光栅的周期减小时，衍射现象会越明显，直接影响到莫尔条纹的信号，使得测量精度降低。当光栅刻线密度达到一定数量时，采用衍射式光栅干涉位移测量技术的方法即可提升光栅的测量精度，从而实现高分辨率、高精度的位移测量。衍射式光栅位移测量系统主要存在以下关键问题：1.光栅周期的准确性、一致性受限于工业光栅制造的工艺水平。传统的光栅干涉仪中使用的衍射光学元件通常为普通光栅，比如全息光栅或者线划光栅，这类光栅受其制备工艺的限制，无法保证工艺中的每一环节都达到具有高精度以及重复性的定位，其光栅周期误差较大，通常在1nm以上，这使得所制造的光栅周期具有不一致性，如果将周期不确定度大的光栅应用于位移测量系统当中，会使得以光栅周期作为测量基准的位移测量系统准确性大幅度降低。2.高刻线光栅的制造工艺复杂，制造困难。由于光栅的刻线密度直接影响了衍射光栅位移测量的分辨率，且随着刻线密度的增加，所制备的光栅面型和刻线质量也无法得到改正，因此，提出一种可以重复制备且能保证光栅周期严格准确的高刻线密度光栅是提高光栅位移测量系统精确度的关键。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，克服了现有位移测量结果无法溯源，且刻线密度低的问题，提高了精密位移测量的可信程度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：