CN118640801A - 光栅干涉仪及位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干涉测量技术领域，提供一种光栅干涉仪及位移测量系统，光栅干涉仪的入射光为双频正交偏振激光，可以实现外差干涉，具有对环境不敏感、重复测量精度高和范围大等优点。由于测量光栅和参考光栅均为二维光栅，利用二维光栅可以实现不同干涉方向的信号测量，提高光栅干涉仪的测量自由度。干涉仪镜组、测量光栅和参考光栅相互配合，可以实现三自由度位移测量与三自由度转角测量，并达到亚纳米甚至更高的分辨率及精度。而且，通过设置反射元件可以在测量光栅上形成两次衍射，可以增大测量光的光程，提高光学细分数，提升测量精度。

Description

光栅干涉仪及位移测量系统

技术领域

本发明涉及干涉测量技术领域，尤其涉及一种光栅干涉仪及位移测量系统。

背景技术

在装备制造业发展阶段，随着半导体加工技术的提高，为满足工业的需要，对加工和测量系统的精度也相应的提高，特别是各种高端制造系统和超精密仪器产业，对测量精度与方向范围的要求则更高。其中干涉干涉仪由于测量精度高及范围大等优点，而被广泛应用于精密和超精密测量领域。

目前，干涉仪主要可以分为激光干涉仪与光栅干涉仪，光栅干涉仪利用了衍射干涉原理，相比于激光干涉仪，具有环境影响较低、重复测量精度更高等优点。

然而，现有的光栅干涉仪通常是二自由度或三自由度，即只能输出两个或三个自由度的信息，无法实现更多自由度，也无法得到更多运动信息。

发明内容

本发明提供一种光栅干涉仪及位移测量系统，用以解决现有技术中存在的缺陷。

本发明提供一种光栅干涉仪，包括：干涉仪镜组、测量光栅以及参考光栅，所述干涉仪镜组包括偏振分光元件、四分之一波片、第一折光元件、第二折光元件以及反射元件；

双频正交偏振激光经所述偏振分光元件透射得到参考光，经所述偏振分光元件反射得到测量光；

所述第一折光元件和所述参考光栅依次设置于所述偏振分光元件的透射光路上；

所述四分之一波片、所述第二折光元件以及所述测量光栅依次设置于所述偏振分光元件的反射光路上；

所述反射元件设置于所述反射光路的反向光路上；

所述参考光栅和所述测量光栅均为二维光栅。

根据本发明提供的一种光栅干涉仪，所述参考光经所述第一折光元件垂直入射至所述参考光栅上发生衍射，产生正负一级衍射参考光；所述正负一级衍射参考光均依次经所述第一折光元件偏折和所述偏振分光元件透射，形成透射参考光；

所述测量光依次经所述四分之一波片和所述第二折光元件后，首次垂直入射至所述测量光栅上发生衍射，产生正负一级初始衍射测量光；所述正负一级初始衍射测量光均依次经所述第二折光元件、所述四分之一波片、所述偏振分光元件、所述反射元件、所述偏振分光元件、所述四分之一波片以及所述第二折光元件后，二次入射至所述测量光栅上发生衍射，产生正负一级目标衍射测量光；

所述正负一级目标衍射测量光依次经所述第二折光元件、所述四分之一波片和所述偏振分光元件形成反射测量光。

根据本发明提供的一种光栅干涉仪，所述参考光经所述第一折光元件入射至所述参考光栅上发生衍射，在所述参考光栅的不同光栅矢量方向均产生正负一级衍射参考光；

所述测量光依次经所述四分之一波片和所述第二折光元件后首次入射至所述测量光栅上发生衍射，在所述测量光栅的不同光栅矢量方向均产生正负一级初始衍射测量光；

所述透射参考光包括所述参考光栅的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射参考光对应的透射参考光，以及所述参考光栅的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的透射参考光；

所述反射测量光包括所述测量光栅的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射测量光对应的反射测量光，以及所述测量光栅的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的反射测量光。

根据本发明提供的一种光栅干涉仪，所述参考光栅和所述测量光栅分别位于相互垂直的第一平面和第二平面内，所述参考光栅和所述测量光栅存在相同的目标栅线方向。

根据本发明提供的一种光栅干涉仪，所述偏振分光元件、所述四分之一波片、所述第一折光元件、所述第二折光元件以及所述反射元件沿光路方向贴合布置。

根据本发明提供的一种光栅干涉仪，所述参考光栅和所述测量光栅均为二维线阵光栅或曲线光栅；

和/或，

所述反射元件包括平面反射镜镜组、角锥棱镜以及曲面反射镜中的一种。

根据本发明提供的一种光栅干涉仪，所述二次入射的入射角为利特罗角。

本发明还提供一种位移测量系统，包括：双频激光光源、探测装置以及上述的光栅干涉仪；

所述双频激光光源用于产生双频正交偏振激光，并将所述双频正交偏振激光入射至所述光栅干涉仪，使所述光栅干涉仪输出干涉信号；

所述探测装置用于接收所述干涉信号，并基于所述干涉信号，进行调制解算，确定所述测量光栅的位移转角信息。

根据本发明提供的一种位移测量系统，所述双频激光光源包括第一激光管和第二激光管；

所述第一激光管用于产生第一线偏振激光信号；

所述第二激光管用于产生第二线偏振激光信号；

所述第一线偏振激光信号与所述第二线偏振激光信号的频率存在差异，且偏振态正交。

根据本发明提供的一种位移测量系统，所述干涉信号包括四路；

相应地，所述探测装置包括探测模块以及处理模块；

所述探测模块分别用于接收四路所述干涉信号，并将四路所述干涉信号发送至所述处理模块；

所述处理模块用于基于四路所述干涉信号，进行调制解算，确定所述测量光栅的位移转角信息。

本发明提供的光栅干涉仪及位移测量系统，光栅干涉仪的入射光为双频正交偏振激光，可以实现外差干涉，具有对环境不敏感、重复测量精度高和范围大等优点。由于测量光栅和参考光栅均为二维光栅，利用二维光栅可以实现不同干涉方向的信号测量，提高光栅干涉仪的测量自由度。干涉仪镜组、测量光栅和参考光栅相互配合，可以实现三自由度位移测量与三自由度转角测量，并达到亚纳米甚至更高的分辨率及精度。而且，通过设置反射元件，可以在测量光栅上形成两次衍射，可以增大测量光的光程，提高光学细分数，提升测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的光栅干涉仪的结构示意图；

图2是本发明提供的光栅干涉仪中的光路示意图之一；

图3是本发明提供的光栅干涉仪中的光路示意图之二；

图4是本发明提供的位移测量系统的结构示意图；

图5是本发明提供的位移测量系统的光路示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

由于现有的光栅干涉仪通常是二自由度或三自由度，无法实现更多自由度，进而限制了光栅干涉仪的应用范围。为此，本发明实施例中提供了一种光栅干涉仪，具有六自由度，用于六自由度的位移测量。

图1为本发明实施例中提供的一种光栅干涉仪的结构示意图，如图1所示，该光栅干涉仪包括：干涉仪镜组1、测量光栅2以及参考光栅3，干涉仪镜组1包括偏振分光元件11、四分之一波片12、第一折光元件13、第二折光元件14以及反射元件15；

双频正交偏振激光经偏振分光元件11透射得到参考光，经偏振分光元件11反射得到测量光；

第一折光元件13和参考光栅3依次设置于偏振分光元件11的透射光路上；

四分之一波片12、第二折光元件14以及测量光栅2依次设置于偏振分光元件11的反射光路上；

反射元件15设置于反射光路的反向光路上；

参考光栅3和测量光栅2均为二维光栅。

具体地，本发明实施例中提供的光栅干涉仪，可以包括：干涉仪镜组1、测量光栅2以及参考光栅3。干涉仪镜组1包括偏振分光元件11、四分之一波片12、第一折光元件13、第二折光元件14以及反射元件15。

偏振分光元件11用于接收双频正交偏振激光，该双频正交偏振激光可以通过双频激光器产生，并通过光纤传输至光栅干涉仪，打到偏振分光元件11上。该双频正交偏振激光可以是包含有两束不同频率且偏振态正交的线偏振激光信号的混合激光，一束线偏振激光信号为参考光，另一束线偏振激光信号为测量光。

偏振分光元件11可以是偏振分光器或偏振分光棱镜，用于将入射光按偏振态进行分光，因此双频正交偏振激光经偏振分光元件11可以得到参考光和测量光，该参考光可以是P光，可以通过偏振分光元件11透射得到，该测量光可以是S光，可以通过偏振分光元件11反射得到。图1中的箭头表示光的传输方向。

偏振分光元件11的透射光路上可以依次设置有第一折光元件13和参考光栅3，第一折光元件13用于改变入射偏振光的传播方向，可以是棱镜，也可以是位于垂直于偏振分光元件11的透射光路的平面的两个直角棱镜集成的折光棱镜。参考光栅3可以是任意的二维光栅，用于接收入射光产生衍射。

参考光经第一折光元件13入射至参考光栅3上发生衍射后，依次经第一折光元件13和偏振分光元件11形成透射参考光。此处，参考光经第一折光元件13的中心区域可以垂直入射至参考光栅3上发生衍射，得到的衍射光依次经第一折光元件13偏折和偏振分光元件11透射可以形成透射参考光。

偏振分光元件11的反射光路上可以依次设置有四分之一波片12、第二折光元件14以及测量光栅2，偏振分光元件11的反射光路的反向光路上设置有反射元件15。四分之一波片12用于将入射光的线偏振光转换为圆偏振光，将入射的圆偏振光转换为线偏振光。第二折光元件14也用于改变入射偏振光的传播方向，可以是棱镜，也可以是位于垂直于偏振分光元件11的反射光路的平面的两个直角棱镜集成的折光棱镜。第一折光元件13与第二折光元件14可以相同，测量光栅2也可以是任意的二维光栅，用于接收入射光产生衍射。测量光栅2与参考光栅3可以相同。反射元件15用于对入射光进行反射，例如可以是反射镜组。

测量光依次经四分之一波片12和第二折光元件14后首次入射至测量光栅2上发生衍射后，依次经第二折光元件14、四分之一波片12、偏振分光元件11、反射元件15、偏振分光元件11、四分之一波片12以及第二折光元件14后二次入射至测量光栅2上发生衍射，产生目标衍射测量光，目标衍射测量光依次经第二折光元件14和偏振分光元件11形成反射测量光。

此处，测量光经四分之一波片12改变偏振态可以变为圆偏振光，此后经第二折光元件14的中心区域后可以第一次垂直入射至测量光栅2上发生衍射，得到的衍射光依次经第二折光元件14偏折、四分之一波片12改变偏振态后得到P光，此后依次经偏振分光元件11透射、反射元件15反射、偏振分光元件11透射、四分之一波片12改变偏振态后变为圆偏振光，此后经第二折光元件14偏折后第二次以非90度的角度入射至测量光栅2上发生衍射，得到的衍射光为目标衍射测量光。

目标衍射测量光依次经第二折光元件14偏折、四分之一波片12改变偏振态为S光，进而经偏振分光元件11反射可以形成反射测量光。透射参考光和反射测量光在偏振分光元件11中合光形成干涉信号并输出。此后，利用在偏振分光元件11中形成的干涉信号，当测量光栅2相对于干涉仪镜组1进行六自由度运动时，可以根据多普勒效应进行调制解算，确定测量光发生的相位变化信息，进而确定测量光栅2的位移转角信息。该位移转角信息可以包括六自由度信息，实现六自由度测量。因此，本发明实施例中提供的光栅干涉仪为六自由度光栅干涉仪，可应用于光刻机工件台等测量设备或光学元件的表面检测、激光加工中的位移监测等领域。

其中，六自由度信息可以包括测量光栅2在三维坐标系下的三维线性位移以及测量光栅2绕三维坐标系的三个坐标轴的三维转动角度。

本发明实施例中提供的光栅干涉仪，入射光为双频正交偏振激光，可以实现外差干涉，具有对环境不敏感、重复测量精度高和范围大等优点。由于测量光栅和参考光栅均为二维光栅，利用二维光栅可以实现不同干涉方向的信号测量，提高光栅干涉仪的测量自由度。干涉仪镜组、测量光栅和参考光栅相互配合，可以实现三自由度位移测量与三自由度转角测量，并达到亚纳米甚至更高的分辨率及精度。而且，通过设置反射元件，可以在测量光栅上形成两次衍射，可以增大测量光的光程，提高光学细分数，提升测量精度。

在上述实施例的基础上，所述参考光经所述第一折光元件垂直入射至所述参考光栅上发生衍射，产生正负一级衍射参考光；所述正负一级衍射参考光均依次经所述第一折光元件偏折和所述偏振分光元件透射，形成透射参考光；

所述测量光依次经所述四分之一波片和所述第二折光元件后，首次垂直入射至所述测量光栅上发生衍射，产生正负一级初始衍射测量光；所述正负一级初始衍射测量光均依次经所述第二折光元件、所述四分之一波片、所述偏振分光元件、所述反射元件、所述偏振分光元件、所述四分之一波片以及所述第二折光元件后，二次入射至所述测量光栅上发生衍射，产生正负一级目标衍射测量光；

所述正负一级目标衍射测量光依次经所述第二折光元件、所述四分之一波片和所述偏振分光元件形成反射测量光。

具体地，如图2所示，双频正交偏振激光中的参考光的传输路径用带箭头的细实线表示，双频正交偏振激光中的测量光的传输路径用带箭头的粗实线表示。参考光经第一折光元件13垂直入射至参考光栅3上发生衍射，产生的衍射光可以包括正负一级衍射光，记为正负一级衍射参考光。正负一级衍射参考光均依次经第一折光元件13偏折和偏振分光元件11透射，可以形成正一级衍射参考光对应的透射参考光以及负一级衍射参考光对应的透射参考光。

测量光依次经四分之一波片12和第二折光元件14后首次垂直入射至测量光栅2上发生衍射，产生的衍射光可以包括正负一级衍射光，记为正负一级初始衍射测量光。

正负一级初始衍射测量光分别经第二折光元件14偏折、四分之一波片12改变偏振态、偏振分光元件11透射、反射元件15反射、偏振分光元件11透射、四分之一波片12改变偏振态以及第二折光元件14偏折后，二次入射至测量光栅2上发生衍射，产生正负一级目标衍射测量光。

正负一级目标衍射测量光依次经第二折光元件14偏折、四分之一波片12改变偏振态和偏振分光元件11反射形成正一级目标衍射测量光对应的反射测量光以及负一级目标衍射测量光对应的反射测量光。

至此，在偏振分光元件11内，正一级目标衍射测量光对应的反射测量光与正一级衍射参考光对应的透射参考光可以形成干涉信号，负一级目标衍射测量光对应的反射测量光与负一级衍射参考光对应的透射参考光也可以形成干涉信号。

通过形成的干涉信号，可以在测量光栅相对于干涉仪镜组进行六自由度运动时，根据多普勒效应解算出测量光栅的六自由度位移信息，实现六自由度测量。

在上述实施例的基础上，所述参考光栅和所述测量光栅分别位于相互垂直的第一平面和第二平面内，所述参考光栅和所述测量光栅存在相同的目标栅线方向。

具体地，参考光栅3可以位于第一平面内，测量光栅2可以位于第二平面内，第一平面和第二平面相互垂直。

如图2所示，若以测量光栅2所在的平面为XOY平面、垂直于XOY平面的方向为Z轴方向建立三维坐标系，则第一平面可以是XOY平面，第二平面可以是XOZ平面。

参考光栅3和测量光栅2存在相同的目标栅线方向。例如，参考光栅3的栅线方向包括X方向和Z方向，测量光栅2的栅线方向包括X方向和Y方向。目标栅线方向为X方向。

同时，目标栅线方向，即X方向与偏振分光元件11的分光面平行，以保证经参考光栅3和测量光栅2衍射得到的正负一级衍射光可以形成干涉信号并输出，便于光栅干涉仪的信号输出。

在上述实施例的基础上，所述参考光经所述第一折光元件入射至所述参考光栅上发生衍射，在所述参考光栅的不同光栅矢量方向均产生正负一级衍射参考光；

所述测量光依次经所述四分之一波片和所述第二折光元件后首次入射至所述测量光栅上发生衍射，在所述测量光栅的不同光栅矢量方向均产生正负一级初始衍射测量光；

所述透射参考光包括所述参考光栅的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射参考光对应的透射参考光，以及所述参考光栅的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的透射参考光；

所述反射测量光包括所述测量光栅的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射测量光对应的反射测量光，以及所述测量光栅的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的反射测量光。

具体地，参考光经第一折光元件13垂直入射至参考光栅3上发生衍射，在参考光栅3的不同光栅矢量方向都会产生正负一级衍射参考光。其中，光栅矢量方向是与光栅的栅线方向垂直的方向。例如，参考光栅3的光栅矢量方向包括Z方向和X方向，测量光栅2的光栅矢量方向包括Y方向和X方向。

同样地，测量光依次经四分之一波片12和第二折光元件14后首次垂直入射至测量光栅2上发生衍射，在测量光栅2的不同光栅矢量方向都会产生正负一级初始衍射测量光。

进而，正负一级衍射参考光均依次经第一折光元件13偏折和偏振分光元件11透射，形成的正一级衍射参考光对应的透射参考光包括参考光栅3的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射参考光对应的透射参考光，形成的负一级衍射参考光对应的透射参考光包括参考光栅3的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的透射参考光。

相应地，正负一级目标衍射测量光依次经第二折光元件14偏折、四分之一波片12改变偏振态和偏振分光元件11反射，形成的正一级目标衍射测量光对应的反射测量光包括测量光栅2的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射测量光对应的反射测量光，形成的负一级目标衍射测量光对应的反射测量光包括测量光栅2的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的反射测量光。

例如，如图2所示，对于测量光栅2和参考光栅3的X方向的栅线方向，双频正交偏振激光经偏振分光元件11后分别发生透射与反射，参考光是偏振态为P光的透射光，测量光是偏振态为S光的反射光。其中，参考光依次经过偏振分光元件11和第一折光元件13，之后打在参考光栅3上发生衍射，在Z方向上形成正负一级衍射参考光，正负一级衍射参考光通过第一折光元件13后平行入射到偏振分光元件11，经过偏振分光元件11透射得到Z方向对应的透射参考光。

测量光经过偏振分光元件11反射后，经过四分之一波片12变为圆偏振光，再经过第二折光元件14后打在测量光栅2上发生第一次衍射，在Y方向上形成正负一级初始衍射测量光，正负一级初始衍射测量光通过第二折光元件14后平行入射，经过四分之一波片12变为P光，穿过偏振分光元件11后进入反射元件15发生反射，反射光经过偏振分光元件11、四分之一波片12变为圆偏振光，经第二折光元件14透射后入射至测量光栅2上发生第二次衍射，在Y方向上产生正负一级目标衍射测量光原路返回经过第二折光元件14、四分之一波片12后变为S光，S光到达偏振分光元件11后反射得到Y方向对应的反射测量光。在偏振分光元件11内，可以在Z方向上形成两路干涉信号并输出。

如图3所示，对于测量光栅2的Y方向的栅线方向以及参考光栅3的Z方向的栅线方向，双频正交偏振激光经偏振分光元件11后分别发生透射与反射，参考光是偏振态为P光的透射光，测量光是偏振态为S光的反射光。其中，参考光依次经过偏振分光元件11和第一折光元件13，之后打在参考光栅3上发生衍射，在X方向上形成正负一级衍射参考光，正负一级衍射参考光通过第一折光元件13后平行入射到偏振分光元件11，经过偏振分光元件11透射得到X方向对应的透射参考光。

测量光经过偏振分光元件11反射后，经过四分之一波片12变为圆偏振光，再经过第二折光元件14后打在测量光栅2上发生第一次衍射，在X方向上形成正负一级初始衍射测量光，正负一级初始衍射测量光通过第二折光元件14后平行入射，经过四分之一波片12变为P光，穿过偏振分光元件11后进入反射元件15发生反射，反射光经过偏振分光元件11、四分之一波片12变为圆偏振光，经第二折光元件14透射后入射至测量光栅2上发生第二次衍射，在X方向上产生正负一级目标衍射测量光原路返回经过第二折光元件14、四分之一波片12后变为S光，S光到达偏振分光元件11后反射得到X方向对应的反射测量光。在偏振分光元件11内，可以在X方向上形成两路干涉信号并输出。

本发明实施例中提供的光栅干涉仪，其结构可以保证各路干涉信号的独立输出。

在上述实施例的基础上，所述偏振分光元件、所述四分之一波片、所述第一折光元件、所述第二折光元件以及所述反射元件沿光路方向贴合布置。

具体地，偏振分光元件11、四分之一波片12、第一折光元件13、第二折光元件14以及反射元件15沿光路方向贴合布置。例如，如图1和图2所示，偏振分光元件11的上表面与反射元件15贴合，偏振分光元件11的下表面与四分之一波片12的上表面贴合，四分之一波片12的下表面与第二折光元件14的上表面贴合。偏振分光元件11的右表面与第一折光元件13的左表面贴合，偏振分光元件11的左表面用于入射双频正交偏振激光。

第一折光元件13的右表面与参考光栅3具有一定间距，第二折光元件14的下表面与测量光栅2具有一定间距，偏振分光元件11的左表面与双频正交偏振激光的光源具有一定间距。

本发明实施例中提供的光栅干涉仪，其中采用的干涉仪镜组中的各元件可以紧密贴合，如此可以减小干涉仪镜组的体积，光栅干涉仪的结构集成度高，体积小，有效降低了装配难度引入的误差。

在上述实施例的基础上，所述参考光栅和所述测量光栅均为二维线阵光栅或曲线光栅；

和/或，

所述反射元件包括平面反射镜镜组、角锥棱镜以及曲面反射镜中的一种。

具体地，光栅干涉仪中采用的参考光栅3和测量光栅2的二维光栅类型可以是二维线阵光栅，也可以是曲线光栅，如此可以提高光栅干涉仪中参考光栅3和测量光栅2选择的灵活性。

光栅干涉仪中采用的反射元件15既可以是平面反射镜镜组，也可以是角锥棱镜，还可以是曲面反射镜，如此可以提高光栅干涉仪的反射元件15选择的灵活性。

在上述实施例的基础上，所述二次入射的入射角为利特罗(Littrow)角，如此可以保证测量光栅2第二次衍射得到的衍射光沿入射光的传输路径原路返回，可以使光路更加规范。

如图4所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中还提供了一种位移测量系统，包括：双频激光光源41、探测装置42以及如上述任一项提供的光栅干涉仪43。

双频激光光源41用于产生双频正交偏振激光，并将双频正交偏振激光入射至光栅干涉仪43，使光栅干涉仪43输出干涉信号；

探测装置42用于接收干涉信号，并基于干涉信号，进行调制解算，确定所述测量光栅的位移转角信息。

具体地，本发明实施例中提供的位移测量系统，通过双频激光光源产生双频正交偏振激光，可以实现基于外差干涉的位移转角信息测量，具有对环境不敏感、重复测量精度高和范围大等优点，进一步提高位移测量系统的精度和稳定性。而且，由于光栅干涉仪的存在，在有限的空间内利用测量光栅和参考光栅实现三自由度位移测量与三自由度转角测量，可以达到测量精密位移与范围提高的目的。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的位移测量系统，所述双频激光光源41包括第一激光管和第二激光管；

所述第一激光管用于产生第一线偏振激光信号；

所述第二激光管用于产生第二线偏振激光信号；

所述第一线偏振激光信号与所述第二线偏振激光信号的频率存在差异，且偏振态正交。

具体地，双频激光光源41中的第一激光管产生的第一线偏振激光信号可以作为参考光，第二激光管产生的第二线偏振激光信号可以作为测量光，二者的频率不同，即存在差异，且偏振态正交。

在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的位移测量系统，所述干涉信号包括四路；

相应地，所述探测装置包括探测模块以及处理模块；

所述探测模块分别用于接收四路所述干涉信号，并将四路所述干涉信号发送至所述处理模块；

所述处理模块用于基于四路所述干涉信号，进行调制解算，确定所述测量光栅的位移转角信息。

具体地，光栅干涉仪产生的四路干涉信号分别为偏振分光元件11内Z方向上形成的两路干涉信号以及X方向上形成的两路干涉信号。

如图5所示，双频激光光源41包括第一激光管411和第二激光管412，用于向光栅干涉仪提供双频正交偏振激光。

探测装置42可以包括四个探测模块，分别为第一探测模块421、第二探测模块422、第三探测模块423以及第四探测模块424，第一探测模块421和第二探测模块422可以设置于Z轴方向上，可以分别用于接收偏振分光元件11内在Z方向上形成的两路干涉信号。第三探测模块423和第四探测模块424可以设置于X轴方向上，可以分别用于接收偏振分光元件11内在X方向上形成的两路干涉信号。

第一探测模块421、第二探测模块422、第三探测模块423以及第四探测模块424均与处理模块连接。处理模块基于接收到的四路干涉信号，结合内置的调制解算算法，可以在光栅干涉仪在的测量光栅相对于干涉仪镜组进行六自由度运动时，计算得到测量光栅的位移转角信息。

综上所述，本发明实施例中提供的光栅干涉仪及位移测量系统，可以实现六自由度信息的测量，结构设计集成度高，可以解决激光干涉仪受周围环境扰动大、对环境敏感等问题，提升光刻机位置测量系统的精度和稳定性。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光栅干涉仪，其特征在于，包括：干涉仪镜组、测量光栅以及参考光栅，所述干涉仪镜组包括偏振分光元件、四分之一波片、第一折光元件、第二折光元件以及反射元件；

双频正交偏振激光经所述偏振分光元件透射得到参考光，经所述偏振分光元件反射得到测量光；

所述第一折光元件和所述参考光栅依次设置于所述偏振分光元件的透射光路上；

所述四分之一波片、所述第二折光元件以及所述测量光栅依次设置于所述偏振分光元件的反射光路上；

所述反射元件设置于所述反射光路的反向光路上；

所述参考光栅和所述测量光栅均为二维光栅。

2.根据权利要求1所述的光栅干涉仪，其特征在于，所述参考光经所述第一折光元件垂直入射至所述参考光栅上发生衍射，产生正负一级衍射参考光；所述正负一级衍射参考光均依次经所述第一折光元件偏折和所述偏振分光元件透射，形成透射参考光；

所述测量光依次经所述四分之一波片和所述第二折光元件后，首次垂直入射至所述测量光栅上发生衍射，产生正负一级初始衍射测量光；所述正负一级初始衍射测量光均依次经所述第二折光元件、所述四分之一波片、所述偏振分光元件、所述反射元件、所述偏振分光元件、所述四分之一波片以及所述第二折光元件后，二次入射至所述测量光栅上发生衍射，产生正负一级目标衍射测量光；

所述正负一级目标衍射测量光依次经所述第二折光元件、所述四分之一波片和所述偏振分光元件形成反射测量光。

3.根据权利要求2所述的光栅干涉仪，其特征在于，所述参考光经所述第一折光元件入射至所述参考光栅上发生衍射，在所述参考光栅的不同光栅矢量方向均产生正负一级衍射参考光；

所述测量光依次经所述四分之一波片和所述第二折光元件后首次入射至所述测量光栅上发生衍射，在所述测量光栅的不同光栅矢量方向均产生正负一级初始衍射测量光；

所述透射参考光包括所述参考光栅的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射参考光对应的透射参考光，以及所述参考光栅的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的透射参考光；

所述反射测量光包括所述测量光栅的不同光栅矢量方向产生的正一级衍射测量光对应的反射测量光，以及所述测量光栅的不同光栅矢量方向产生的负一级衍射参考光对应的反射测量光。

4.根据权利要求2所述的光栅干涉仪，其特征在于，所述二次入射的入射角为利特罗角。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的光栅干涉仪，其特征在于，所述参考光栅和所述测量光栅分别位于相互垂直的第一平面和第二平面内，所述参考光栅和所述测量光栅存在相同的目标栅线方向。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的光栅干涉仪，其特征在于，所述偏振分光元件、所述四分之一波片、所述第一折光元件、所述第二折光元件以及所述反射元件沿光路方向贴合布置。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的光栅干涉仪，其特征在于，所述参考光栅和所述测量光栅均为二维线阵光栅或曲线光栅；

和/或，

所述反射元件包括平面反射镜镜组、角锥棱镜以及曲面反射镜中的一种。

8.一种位移测量系统，其特征在于，包括：双频激光光源、探测装置以及如权利要求1-7中任一项所述的光栅干涉仪；

所述双频激光光源用于产生双频正交偏振激光，并将所述双频正交偏振激光入射至所述光栅干涉仪，使所述光栅干涉仪输出干涉信号；

所述探测装置用于接收所述干涉信号，并基于所述干涉信号，进行调制解算，确定所述光栅干涉仪中的测量光栅的位移转角信息。

9.根据权利要求8所述的位移测量系统，其特征在于，所述双频激光光源包括第一激光管和第二激光管；

所述第一激光管用于产生第一线偏振激光信号；

所述第二激光管用于产生第二线偏振激光信号；

所述第一线偏振激光信号与所述第二线偏振激光信号的频率存在差异，且偏振态正交。

10.根据权利要求8所述的位移测量系统，其特征在于，所述干涉信号包括四路；

相应地，所述探测装置包括探测模块以及处理模块；

所述探测模块用于接收四路所述干涉信号，并将四路所述干涉信号发送至所述处理模块；

所述处理模块用于基于四路所述干涉信号，进行调制解算，确定所述测量光栅的位移转角信息。