CN117647204A - 基于x射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法，以解决现有的多重倍频激光测量装置测量范围小、测量速度低、应用范围受限的问题。具体包括X射线干涉仪和多重倍频激光干涉仪；X射线干涉仪包括X射线光源、第一至第三透射光栅、第一光电探测器和第二光电探测器；X射线光源用于发射X射线；第一至第三透射光栅的光栅面及栅线方向一致，且依次沿X射线出射方向设置；第三透射光栅上安装待测基准镜；第一光电探测器和第二光电探测器设置于第三透射光栅远离第二透射光栅一侧的光路上；多重倍频激光干涉仪设置于待测基准镜远离X射线干涉仪一侧，以获取待测基准镜在Y向上的位置及其沿X向和Z向的位移。

Description

基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法

技术领域

本发明涉及激光测量装置及方法，具体涉及一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法。

背景技术

多重倍频激光测量装置是以激光波长作为测量标尺，对测量标尺进行更加精细的结构划分，而在激光光学的高倍细分领域，以激光入射两次光学细分和四次光学细分最为常见，经常用于对测量基准镜的定位和校准，却无法实现更高精度和更高精细度的位移测量，限制了激光测量装置在光学结构多重细分层次的发展，因此，选择多重倍频激光来精准获取测量基准镜的多重位移测量以实现超精密的光学位移信息。

随着国际高精尖产品的层出不穷，航空航天的超精密装备和极紫外光刻机的精准位移等领域都对进入皮米级测量精度需求迫切。从2018年到至今，国际局势变化日益复杂，核心的高精尖设备已经成为每一个国家在国际竞争之中的战略需求，例如：极紫外光刻机中晶圆台的超精密定位、精尖小型制造设备的超精准控制等都需要皮米级测量技术，其核心部件波及超精密光学元件、超精准机械装备、超精细结构面形。研究中，为了实现超精密测量技术，多采用连续脉冲激光、超短脉冲激光、飞秒脉冲激光等激光光源或利用双光束、三光束、甚至是多光束，但这些方式不仅成本高，而且适用范围也会大大降低；除此之外，最常见的就是高倍细分，从结构入手，进行光学细分和电学细分，如英国NPL、德国PTB和意大利IMCC三个国家实验室联合开展的组合式光学X射线干涉仪，在10μm范围内达到10pm的测量精度，在1mm范围内达到100pm的测量精度，不过由于其测量范围小，测量速度低，各种误差引起的测量结果变化过大，而导致应用范围受限。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置及方法，以解决现有的多重倍频激光测量装置测量范围小，测量速度低，各种误差引起的测量结果变化过大，而导致应用范围受限的技术问题。

为了达到上述目的，本发明提供了一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特殊之处在于：包括X射线干涉仪和多重倍频激光干涉仪；

所述X射线干涉仪包括X射线光源、第一透射光栅、第二透射光栅、第三透射光栅、第一光电探测器和第二光电探测器；

所述X射线光源用于发射X射线，并使X射线以布拉格角入射至第一透射光栅；

所述第一透射光栅、第二透射光栅和第三透射光栅的光栅面及栅线方向一致；

所述第一透射光栅接收X射线并使X射线发生衍射，形成1级衍射光和2级衍射光；

所述第二透射光栅接收1级衍射光和2级衍射光，并使1级衍射光发生衍射形成(1，2)级衍射光，使2级衍射光发生衍射形成(2，-2)级衍射光；

所述第三透射光栅接收(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光，使(1，2)级衍射光发生衍射形成(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光，使(2，-2)级衍射光发生衍射形成(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；所述第三透射光栅上与其栅线垂直的一个侧面上用于安装待测基准镜；

所述(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器；所述第一光电探测器和第二光电探测器根据接收到的光信号，记录第三透射光栅沿X向移动的栅距信息，X向为栅线方向；

所述多重倍频激光干涉仪设置于待测基准镜远离X射线干涉仪一侧，以基于所述栅距信息获取待测基准镜在Y向上的位置，以及待测基准镜沿X向和Z向的位移，其中Z向为垂直光栅栅线的方向。

进一步地，所述多重倍频激光干涉仪包括激光器、参考单元、测量单元以及第三光电探测器；

所述激光器用于发射偏振光；

所述参考单元接收所述偏振光，一部分偏振光形成参考信号，另一部分偏振光改变偏振方向进入所述测量单元和待测基准镜，经测量单元和待测基准镜作用后再被参考单元分光形成测量信号；

所述第三光电探测器接收所述参考信号和测量信号，形成干涉信号，。

进一步地，所述测量单元包括偏振分光棱镜、第二反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三反射镜；

所述偏振分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅上的待测基准镜相对；

所述参考单元和第二直角棱镜均位于所述偏振分光棱镜的第一侧，所述参考单元与偏振分光棱镜之间的光线位于第二直角棱镜与偏振分光棱镜间光线的上方；

所述第二反射镜设置于所述偏振分光棱镜第二侧的光路上；

所述第一直角棱镜和第三反射镜均设置于所述偏振分光棱镜第三侧的光路上，第一直角棱镜与偏振分光棱镜之间的光线位于第三反射镜与偏振分光棱镜间光线的上方。

进一步地，所述测量单元还包括第一四分之一波片和第二四分之一波片；

所述第一四分之一波片设置在偏振分光棱镜与待测基准镜之间的光路上；

所述第二四分之一波片设置在偏振分光棱镜与第二反射镜之间的光路上。

进一步地，所述参考单元包括分光棱镜、第一反射镜和偏振片；

所述分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对；所述激光器设置于所述分光棱镜第一侧的光路上；所述激光器为单频激光器，发射的偏振光为45°偏振光；所述第三光电探测器设置于所述分光棱镜第二侧的光路上；

所述第一反射镜设置于所述分光棱镜第四侧的光路上；

所述偏振片设置于所述分光棱镜的第三侧，且位于分光棱镜与偏振分光棱镜之间的光路上，用于将所述45°偏振光的方向改变为垂直线偏振光入射至偏振分光棱镜。

进一步地，所述多重倍频激光干涉仪包括激光器、参考单元、测量单元以及光纤耦合器；

所述激光器用于发射偏振光；

所述参考单元接收所述偏振光，并将其透射至所述测量单元；

所述测量单元接收参考单元透射的光线，将其分为频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光，频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光经测量单元和待测基准镜作用后再被参考单元按能量分光形成两束相互垂直的线偏振光测量信号；

所述光纤耦合器接收两束相互垂直的线偏振光测量信号并调制其偏振状态，形成干涉信号。

进一步地，所述测量单元包括偏振分光棱镜、第二反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和第三反射镜；

所述偏振分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅上的待测基准镜相对；

所述参考单元和第二直角棱镜均位于所述偏振分光棱镜的第一侧，所述参考单元与偏振分光棱镜之间的光线位于第二直角棱镜与偏振分光棱镜间光线的上方；

所述第二反射镜设置于所述偏振分光棱镜第二侧的光路上；

所述第一直角棱镜和第三反射镜均设置于所述偏振分光棱镜第三侧的光路上，第一直角棱镜与偏振分光棱镜之间的光线位于第三反射镜与偏振分光棱镜间光线的上方。

进一步地，所述测量单元还包括第一四分之一波片和第二四分之一波片；

所述第一四分之一波片设置在偏振分光棱镜与待测基准镜之间的光路上；

所述第二四分之一波片设置在偏振分光棱镜与第二反射镜之间的光路上。

进一步地，所述参考单元包括分光棱镜；

所述分光棱镜包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，分光棱镜的第三侧与偏振分光棱镜相对；

所述激光器设置于所述分光棱镜第一侧的光路上；所述激光器为双频激光器；

所述光纤耦合器设置于所述分光棱镜第二侧的光路上。

同时，本发明还提供了一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量方法，采用上述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特殊之处在于，包括以下步骤：

步骤1、将X射线干涉仪中第三透射光栅连接于待测基准镜的下方，使待测基准镜与第三透射光栅的栅线垂直；

步骤2、使X射线光源发射X射线，X射线以布拉格角入射至第一透射光栅；同时，多重倍频激光干涉仪启动工作；

步骤3、X射线经第一透射光栅发生衍射，形成1级衍射光和2级衍射光；1级衍射光经第二透射光栅发生衍射形成(1，2)级衍射光；2级衍射光经第二透射光栅发生衍射形成(2，-2)级衍射光；(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光同时入射至第三透射光栅发生衍射干涉；其中，(1，2)级衍射光经第三透射光栅发生衍射，形成(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光；(2，-2)级衍射光经第三透射光栅发生衍射，形成(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器；

步骤4、第一光电探测器和第二光电探测器同时记录第三透射光栅沿X向移动的栅距信息，基于所述栅距信息通过多重倍频激光干涉仪获取待测基准镜在Y向上的位置，以及沿X向和Z向的位移，从而获得待测基准镜的位移。

本发明的有益效果：

与现有的技术相比，本发明突出展现的是多重倍频以获取高的光学细分倍数，光路可逆原理以获取双倍的多重倍频倍数，X射线干涉仪形成组合干涉仪以获取单一条纹移动量的多倍条纹细分倍数；而且入射激光的多重反射可实现待测基准镜的精准调控，为大口径面形装备及高精度面形测量提供新的途径；本发明通过多重倍频激光干涉仪的多重倍频特性和组合测量下X射线干涉仪的测量细分特性，使整体激光测量装置能够获取皮米级的位移测量值。

附图说明

图1是本发明一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置的实施例一结构示意图(未示出X射线光源)；

图2是本发明实施例一中多重倍频激光干涉仪的结构示意图；

图3是本发明实施例一中激光入射下的多重倍频光路传输原理示意图；

图4是本发明实施例二中多重倍频激光干涉仪的原理示意图；

图5是本发明实施例三中差频激光多重倍频激光读数头测量装置的原理示意图。

附图标号：

1-第一透射光栅，2-第二透射光栅，3-第三透射光栅，401-第一光电探测器，402-第二光电探测器，5-待测基准镜，6-测量单元，601-偏振分光棱镜，602-第一四分之一波片，603-第二四分之一波片，604-第二反射镜，605-第一直角棱镜，606-第二直角棱镜，607-第三反射镜，7-参考单元，701-分光棱镜，702-第一反射镜，703-偏振片，8-激光器，9-第三光电探测器，10-光纤耦合器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加明白，结合以下附图及具体实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

应该注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制本发明，如在本发明之中，术语“侧面内部”、“X向”、“Y向”、“Z向”、“上侧”等指示的位置关系为基于附图所指示的位置关系，仅是对本发明的描述而不是特定位置和特殊操作。

为了获得实时可靠且贴合实际应用的皮米级测量装置，本发明提出一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光测量装置，利用X射线干涉仪的栅格移动量导致条纹变化的计数特性、激光干涉仪的多重倍频细分特性、激光干涉仪的光路可逆原理，以实现光路结构的28倍光学细分及100多倍的条纹细分，所以本发明不仅可以提高点阵应变精确测量的精细度，而且可以在获得皮米测量能力基础上实现对晶体缺陷的检测测量。

实施例一：

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置包含X射线干涉仪和多重倍频激光干涉仪；

X射线干涉仪包含X射线光源、第一透射光栅1、第二透射光栅2、第三透射光栅3、第一光电探测器401和第二光电探测器402；多重倍频激光干涉仪包含激光器8、参考单元7和测量单元6；激光器8为单频激光器；待测基准镜5位于第三透射光栅3的上侧，沿侧面朝着内部分布，即待测基准镜5与第三透射光栅3的栅线垂直。

建立空间坐标，该空间坐标以光栅栅线方向为X向，垂直光栅栅线方向为Z向，垂直光栅面法线方向为Y向；第一透射光栅1、第二透射光栅2和第三透射光栅3的光栅面及栅线方向一致。

对于X射线干涉仪，通过X射线光源发射X射线，X射线以布拉格角入射至第一透射光栅1发生衍射，衍射光为1级衍射光和2级衍射光，1级衍射光经第二透射光栅2发生衍射，衍射光为(1，1)级衍射光和(1，2)级衍射光；2级衍射光，经发生衍射，衍射光为(2，-2)级衍射光和(2，-1)级衍射光；在空间位置上，(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光同时入射到第三透射光栅3前表面发生衍射干涉；(1，2)级衍射光经第三透射光栅3发生衍射，衍射光为(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光；(2，-2)级衍射光，经第三透射光栅3发生衍射，衍射光为(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器401；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器402；当第三透射光栅3移动时，第一光电探测器401和第二光电探测器402同时记录第三透射光栅3沿X向移动的栅距信息，每一个栅距变化代表两个不同的能量波动，而每一个不同能量变化为一个周期变化条纹信息。

对于多重倍频激光干涉仪，单频激光器8发出一束45°偏振方向的入射光，一部分光入射至参考单元7形成参考信号；一部分光入射至测量单元6，根据激光干涉测量原理和光路可逆原理，当激光光波一次往返，会发生相对运动两倍光学细分，而测量单元6的测量光分为七次往返入射至待测基准镜5，在光路可逆下实现十四次往返入射，经过待测基准镜5形成测量信号；测量信号和参考信号相互干涉，形成干涉信号，其中干涉信号解算可以采用四步相移结构，或周期信号解算。

如图2所示，测量单元6包括偏振分光棱镜601、第一四分之一波片602、第二四分之一波片603、第二反射镜604、第一直角棱镜605、第二直角棱镜606和第三反射镜607；偏振分光棱镜601包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅3上的待测基准镜5相对；参考单元7和第二直角棱镜606均位于偏振分光棱镜601的第一侧，参考单元7与偏振分光棱镜601之间的光线位于第二直角棱镜606与偏振分光棱镜601间光线的上方；第二反射镜604设置于偏振分光棱镜601第二侧的光路上；第一直角棱镜605和第三反射镜607均设置于偏振分光棱镜601第三侧的光路上，第一直角棱镜605与偏振分光棱镜601之间的光线位于第三反射镜607与偏振分光棱镜601间光线的上方。第一四分之一波片602设置在偏振分光棱镜601与待测基准镜5之间的光路上；第二四分之一波片603设置在偏振分光棱镜601与第二反射镜604之间的光路上。

参考单元7包括分光棱镜701、第一反射镜702和偏振片703；分光棱镜701包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对；激光器8设置于分光棱镜701第一侧的光路上；激光器8为单频激光器，发射的偏振光为45°偏振光；第三光电探测器9设置于分光棱镜701第二侧的光路上；第一反射镜702设置于分光棱镜701第四侧的光路上；偏振片703设置于分光棱镜701的第三侧，且位于分光棱镜701与偏振分光棱镜601之间的光路上，用于将45°偏振光的方向改变为垂直线偏振光入射至偏振分光棱镜601。

单频激光器8发出一束45°偏振方向的入射光，经分光棱镜701按照能量分光，反射光入射至第一反射镜702，原路返回，偏振状态并不发生改变，以45°偏振光经分光棱镜701再次以能量分光，透射光入射至第三光电探测器9；透射光经偏振片703透射，调制偏振状态，45°偏振方向改变为垂直线偏振光；

垂直线偏振光经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第三反射镜607；

经第三反射镜607的反射光，原路返回，偏振方向不发生改变，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至偏振片703透射，调制偏振状态，垂直线偏振方向改变为45°偏振方向，经分光棱镜701按照能量分光，测量信号入射至第三光电探测器9，与参考信号相互干涉形成干涉信号。

如图3所示，待测基准镜5位于X射线干涉仪中第三透射光栅的正上方，入射光线沿Z向呈现线性排布，阵列按照不同线性距离分布，当沿着X向发生移动时，激光位移测量值相对于单一距离测量量放大十四倍，光路可逆下，测量值放大二十八倍，可实现X向的超精密位移测量；当待测基准镜5沿Y向或Z向发生移动，则可精准获取待测基准镜5的面内信息，不仅可实现待测基准镜5的精准定位，也可实现待测基准镜5的精密面形测量；

实施例二：

如图4所示，该实施例提供的测量装置与实施例一结构基本相同，测量单元6和参考单元7均不变，不同的是改变激光器8入射的激光点进入测量单元6的高度信息，可减弱多重倍频的光学细分倍数八倍，其中单一往返距离测量量放大十倍，光路可逆，测量量放大二十倍。

在参考单元7中，经分光棱镜701的反射光经第一反射镜702反射，原路返回，经分光棱镜701按照能量分光，分光后的透射光入射至第三光电探测器9。

在测量单元6中，经分光棱镜701的透射光经待测基准镜5十次反射往返，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至偏振片703透射，改变偏振方向为45°偏振光，经分光棱镜701按照能量分光，反射光入射至第三光电探测器9。

实施例三：

如图5所示，该实施例提供的测量装置与实施例一结构基本相同，不同的是没有第三光电探测器9，而采用了包含偏振片和光电探测器的光纤耦合器10；另外参考单元7和激光器8有所不同；该参考单元7只包括分光棱镜701；分光棱镜701包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，分光棱镜701的第三侧与偏振分光棱镜601相对；激光器8设置于分光棱镜701第一侧的光路上；该激光器8为双频激光器；光纤耦合器10设置于所述分光棱镜701第二侧的光路上。激光器8为双频激光器，能够出射一束频率相差不大的正交线偏振光并入射至分光棱镜701，分光棱镜701按照能量分光，其透射光入射至偏振分光棱镜601按照不同频率光进行偏振特性分光，形成频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光。

频率为f1的垂直线偏振光，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变为水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第二四分之一波片603透射，经第二反射镜604反射，光线原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变为垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第三反射镜607，原路返回，偏振方向不发生改变，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第二直角棱镜606进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，入射至第一直角棱镜605进行两次反射，经偏振分光棱镜601反射，于第二四分之一波片603透射，垂直入射至第二反射镜604反射，原路返回，于第二四分之一波片603透射，垂直偏振光变成水平偏振光，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第一四分之一波片602透射，经待测基准镜5反射，光线原路返回，于第一四分之一波片602透射，改变偏振方向，水平偏振光变成垂直偏振光，经偏振分光棱镜601反射，经分光棱镜701按照能量分光，反射光垂直入射至光纤耦合器10。

频率为f2的水平线偏振光，经偏振分光棱镜601透射，经第一直角棱镜605两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第二直角棱镜606两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第一直角棱镜605两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第二直角棱镜606两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第一直角棱镜605两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第二直角棱镜606两次反射，经偏振分光棱镜601透射，垂直入射至第三反射镜607，原路返回，经偏振分光棱镜601透射，经第二直角棱镜606两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第一直角棱镜605两次反射，经偏振分光棱镜601透射，经第二直角棱镜606两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第一直角棱镜605两次反射，经偏振分光棱镜601透射，经第二直角棱镜606两次反射，于偏振分光棱镜601透射，经第一直角棱镜605两次反射，经偏振分光棱镜601透射，于分光棱镜701按照能量分光，反射光垂直入射至光纤耦合器10；

该光纤耦合器10中包含偏振片和光电探测器，可准确调制两束相互垂直线偏振光的偏振状态以实现干涉，被光电探测器接收。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何在本发明披露的技术范围内的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：包括X射线干涉仪和多重倍频激光干涉仪；

所述X射线干涉仪包括X射线光源、第一透射光栅(1)、第二透射光栅(2)、第三透射光栅(3)、第一光电探测器(401)和第二光电探测器(402)；

所述X射线光源用于发射X射线，并使X射线以布拉格角入射至第一透射光栅(1)；

所述第一透射光栅(1)、第二透射光栅(2)和第三透射光栅(3)的光栅面及栅线方向一致；

所述第一透射光栅(1)接收X射线并使X射线发生衍射，形成1级衍射光和2级衍射光；

所述第二透射光栅(2)接收1级衍射光和2级衍射光，并使1级衍射光发生衍射形成(1，2)级衍射光，使2级衍射光发生衍射形成(2，-2)级衍射光；

所述第三透射光栅(3)接收(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光，使(1，2)级衍射光发生衍射形成(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光，使(2，-2)级衍射光发生衍射形成(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；所述第三透射光栅(3)上与其栅线垂直的一个侧面上用于安装待测基准镜(5)；

所述(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器(401)；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器(402)；所述第一光电探测器(401)和第二光电探测器(402)根据接收到的光信号，记录第三透射光栅(3)沿X向移动的栅距信息，X向为栅线方向；

所述多重倍频激光干涉仪设置于待测基准镜(5)远离X射线干涉仪一侧，以基于所述栅距信息获取待测基准镜(5)在Y向上的位置，以及待测基准镜(5)沿X向和Z向的位移，其中Z向为垂直光栅栅线的方向。

2.根据权利要求1所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述多重倍频激光干涉仪包括激光器(8)、参考单元(7)、测量单元(6)以及第三光电探测器(9)；

所述激光器(8)用于发射偏振光；

所述参考单元(7)接收所述偏振光，一部分偏振光形成参考信号，另一部分偏振光改变偏振方向进入所述测量单元(6)和待测基准镜(5)，经测量单元(6)和待测基准镜(5)作用后再被参考单元(7)分光形成测量信号；

所述第三光电探测器(9)接收所述参考信号和测量信号，形成干涉信号。

3.根据权利要求2所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述测量单元(6)包括偏振分光棱镜(601)、第二反射镜(604)、第一直角棱镜(605)、第二直角棱镜(606)和第三反射镜(607)；

所述偏振分光棱镜(601)包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅(3)上的待测基准镜(5)相对；

所述参考单元(7)和第二直角棱镜(606)均位于所述偏振分光棱镜(601)的第一侧，所述参考单元(7)与偏振分光棱镜(601)之间的光线位于第二直角棱镜(606)与偏振分光棱镜(601)间光线的上方；

所述第二反射镜(604)设置于所述偏振分光棱镜(601)第二侧的光路上；

所述第一直角棱镜(605)和第三反射镜(607)均设置于所述偏振分光棱镜(601)第三侧的光路上，第一直角棱镜(605)与偏振分光棱镜(601)之间的光线位于第三反射镜(607)与偏振分光棱镜(601)间光线的上方。

4.根据权利要求3所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述测量单元(6)还包括第一四分之一波片(602)和第二四分之一波片(603)；

所述第一四分之一波片(602)设置在偏振分光棱镜(601)与待测基准镜(5)之间的光路上；

所述第二四分之一波片(603)设置在偏振分光棱镜(601)与第二反射镜(604)之间的光路上。

5.根据权利要求3或4所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述参考单元(7)包括分光棱镜(701)、第一反射镜(702)和偏振片(703)；

所述分光棱镜(701)包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对；所述激光器(8)设置于所述分光棱镜(701)第一侧的光路上；所述激光器(8)为单频激光器，发射的偏振光为45°偏振光；所述第三光电探测器(9)设置于所述分光棱镜(701)第二侧的光路上；

所述第一反射镜(702)设置于所述分光棱镜(701)第四侧的光路上；

所述偏振片(703)设置于所述分光棱镜(701)的第三侧，且位于分光棱镜(701)与偏振分光棱镜(601)之间的光路上，用于将所述45°偏振光的方向改变为垂直线偏振光入射至偏振分光棱镜(601)。

6.根据权利要求1所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述多重倍频激光干涉仪包括激光器(8)、参考单元(7)、测量单元(6)以及光纤耦合器(10)；

所述激光器(8)用于发射偏振光；

所述参考单元(7)接收所述偏振光，并将其透射至所述测量单元(6)；

所述测量单元(6)接收参考单元(7)透射的光线，将其分为频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光，频率为f1的垂直线偏振光和频率为f2的水平线偏振光经测量单元(6)和待测基准镜(5)作用后再被参考单元(7)按能量分光形成两束相互垂直的线偏振光测量信号；

所述光纤耦合器接收两束相互垂直的线偏振光测量信号并调制其偏振状态，形成干涉信号。

7.根据权利要求6所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述测量单元(6)包括偏振分光棱镜(601)、第二反射镜(604)、第一直角棱镜(605)、第二直角棱镜(606)和第三反射镜(607)；

所述偏振分光棱镜(601)包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，其第四侧与设置在第三透射光栅(3)上的待测基准镜(5)相对；

所述参考单元(7)和第二直角棱镜(606)均位于所述偏振分光棱镜(601)的第一侧，所述参考单元(7)与偏振分光棱镜(601)之间的光线位于第二直角棱镜(606)与偏振分光棱镜(601)间光线的上方；

所述第二反射镜(604)设置于所述偏振分光棱镜(601)第二侧的光路上；

所述第一直角棱镜(605)和第三反射镜(607)均设置于所述偏振分光棱镜(601)第三侧的光路上，第一直角棱镜(605)与偏振分光棱镜(601)之间的光线位于第三反射镜(607)与偏振分光棱镜(601)间光线的上方。

8.根据权利要求7所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述测量单元(6)还包括第一四分之一波片(602)和第二四分之一波片(603)；

所述第一四分之一波片(602)设置在偏振分光棱镜(601)与待测基准镜(5)之间的光路上；

所述第二四分之一波片(603)设置在偏振分光棱镜(601)与第二反射镜(604)之间的光路上。

9.根据权利要求7或8所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于：所述参考单元(7)包括分光棱镜(701)；

所述分光棱镜(701)包括四侧，其第一侧与第三侧相对、第二侧与第四侧相对，分光棱镜(701)的第三侧与偏振分光棱镜(601)相对；

所述激光器(8)设置于所述分光棱镜(701)第一侧的光路上；所述激光器(8)为双频激光器；

所述光纤耦合器(10)设置于所述分光棱镜(701)第二侧的光路上。

10.一种基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量方法，采用权利要求1-9任一所述的基于X射线干涉仪的多重倍频激光读数头测量装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将X射线干涉仪中第三透射光栅(3)连接于待测基准镜(5)的下方，使待测基准镜(5)与第三透射光栅(3)的栅线垂直；

步骤2、使X射线光源发射X射线，X射线以布拉格角入射至第一透射光栅(1)；同时，多重倍频激光干涉仪启动工作；

步骤3、X射线经第一透射光栅(1)发生衍射，形成1级衍射光和2级衍射光；1级衍射光经第二透射光栅(2)发生衍射形成(1，2)级衍射光；2级衍射光经第二透射光栅(2)发生衍射形成(2，-2)级衍射光；(1，2)级衍射光和(2，-2)级衍射光同时入射至第三透射光栅(3)发生衍射干涉；其中，(1，2)级衍射光经第三透射光栅(3)发生衍射，形成(1，2，-1)级衍射光和(1，2，-2)级衍射光；(2，-2)级衍射光经第三透射光栅(3)发生衍射，形成(2，-2，2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光；(1，2，-1)级衍射光和(2，-2，2)级衍射光发生干涉，同时入射至第一光电探测器(401)；(1，2，-2)级衍射光和(2，-2，1)级衍射光发生干涉，同时入射至第二光电探测器(402)；

步骤4、第一光电探测器(401)和第二光电探测器(402)同时记录第三透射光栅(3)沿X向移动的栅距信息，基于所述栅距信息通过多重倍频激光干涉仪获取待测基准镜(5)在Y向上的位置，以及沿X向和Z向的位移，从而获得待测基准镜(5)的位移。