本發(fā)明涉及一種用于光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)備，特別是公開一種基于激光干涉儀的納米光柵位姿校準(zhǔn)系統(tǒng)，屬于光學(xué)設(shè)備。

背景技術(shù)：

1、納米光柵是如今集成電路產(chǎn)業(yè)、超精密加工、精密科學(xué)儀器等領(lǐng)域中精密位移測(cè)量的關(guān)鍵零部件。隨著納米光柵在各類儀器中的廣泛應(yīng)用，對(duì)于光柵類儀器的要求正在逐步提高，而對(duì)于光柵位移測(cè)量系統(tǒng)而言，環(huán)境誤差、模型誤差、安裝誤差、切換誤差與儀器誤差不可避免的五類誤差，且納米光柵的安裝誤差是其中重大因素，最大程度減小納米光柵位姿誤差來保證光柵測(cè)量系統(tǒng)光路可靠是保障精密測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。

2、對(duì)光柵周期的定值通常采用光學(xué)衍射法或者計(jì)量型原子力顯微鏡。光學(xué)衍射法是實(shí)驗(yàn)室最常用的光柵周期測(cè)量方法，其測(cè)量原理基于光柵方程。激光以littrow角入射時(shí)滿足?，其中為littrow角，λ為激光的波長，n為空氣的折射率，d為光柵的周期，k為衍射級(jí)次。入射光采用405nm半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光，已知入射光的波長，通過測(cè)量入射角以及空氣的折射率即可得到光柵的周期。

3、光柵與被測(cè)工件臺(tái)的耦合誤差是造成安裝誤差的主要因素。安裝光柵的被測(cè)工件臺(tái)存在非線性、直線度誤差，會(huì)導(dǎo)致以littrow結(jié)構(gòu)中原路返回的兩束衍射光偏離理想位置，大幅降低干涉信號(hào)的信噪比，甚至引入額外的相位差，造成測(cè)量誤差。造成以上誤差的最重要影響因素是納米光柵的安裝位姿，即光柵和位移臺(tái)之間的俯仰（pitch），橫滾（roll）及偏擺（yaw）三自由度的位置關(guān)系。

4、因而，解決造成納米光柵位姿誤差的問題就可以有效提升光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的整體精度。

5、傳統(tǒng)的納米光柵校準(zhǔn)方法通常使用多自由度夾持支架進(jìn)行，并通過整體光學(xué)系統(tǒng)的輸出波形反饋來驗(yàn)證其光柵姿態(tài)調(diào)整的完善與否，具有很強(qiáng)的不確定性。且因其支架大多為機(jī)械結(jié)構(gòu)，通常通過手動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，不能實(shí)現(xiàn)角秒級(jí)的微動(dòng)，因而其調(diào)整難度大，且調(diào)整用時(shí)與調(diào)整效果基本取決于調(diào)整者的使用經(jīng)驗(yàn)，所以在調(diào)整光路時(shí)會(huì)造成大量人力成本和時(shí)間成本的浪費(fèi)，既無法保證調(diào)整精準(zhǔn)度，同時(shí)也無法進(jìn)一步量化納米光柵位姿與光路系統(tǒng)輸出信號(hào)的關(guān)系，為校準(zhǔn)納米光柵位姿造成不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，設(shè)計(jì)一種基于激光干涉儀的納米光柵位姿校準(zhǔn)系統(tǒng)，利用激光干涉儀的穩(wěn)定性及高靈敏度，作為光柵姿態(tài)的修正反饋，通過信號(hào)處理系統(tǒng)收集光電探測(cè)器的反饋信息，并加以算法處理后得出修正值，再經(jīng)由驅(qū)動(dòng)四軸位移臺(tái)將納米光柵支架調(diào)整至理想位置，盡可能減小納米光柵在安裝時(shí)候造成的位姿誤差，解決納米光柵位姿誤差的問題，以提升整體光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

2、本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種基于激光干涉儀的納米光柵位姿校準(zhǔn)系統(tǒng)，其特征在于：包括光路系統(tǒng)及位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所述的位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括四軸位移臺(tái)，所述的四軸位移臺(tái)的安裝臺(tái)面上設(shè)有納米光柵支架和激光干涉儀，所述的納米光柵支架上安裝有納米光柵，所述的光路系統(tǒng)包括激光器、波片i、波片ii、波片iii、偏振分光棱鏡、偏振片、干涉儀測(cè)量光反射鏡、平面反射鏡i及平面反射鏡ii，所述的有波片i和偏振分光棱依次設(shè)于激光器發(fā)射光光路上，所述的偏振分光棱水平偏振光光路上依次設(shè)置波片iii?和平面反射鏡ii，所述的偏振分光棱的垂直偏振光光路上依次設(shè)置波片ii?和平面反射鏡i?，所述的納米光柵設(shè)于平面反射鏡ii?及平面反射鏡i?的反射光路上，所述的納米光柵分別對(duì)來自平面反射鏡ii?及平面反射鏡i?的反射光形成相應(yīng)衍射光光路，并經(jīng)偏振分光棱鏡后合束后形成衍射光光路，在所述的衍射光光路上依次設(shè)置偏振片及光電探測(cè)器，所述的干涉儀測(cè)量光反射鏡設(shè)于激光干涉儀上，所述的四軸位移臺(tái)所作的是分別以x，y，z三軸方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和以x軸方向的線運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的四軸位移運(yùn)動(dòng)。

3、所述的光路系統(tǒng)中，激光器的發(fā)射光經(jīng)波片i?入射至偏振分光棱鏡，經(jīng)偏振分光棱鏡后等比例地分為垂直偏振光路和水平偏振光路，所述垂直偏振光路和水平偏振光路在以littrow角入射到納米光柵表面后形成的兩路衍射光光路分別沿原光路返回至偏振分光棱鏡后合束，合束后的衍射光通過偏振片進(jìn)行濾波后再由光電探測(cè)器接收。

4、所述的納米光柵通過納米光柵支架固定于四軸位移臺(tái)之上，由四軸位移臺(tái)帶動(dòng)分別在俯仰、橫滾與偏擺三自由度上實(shí)現(xiàn)自由轉(zhuǎn)動(dòng)以及光柵軸線方向上的線位移，實(shí)現(xiàn)對(duì)于光柵位姿的修正，且四軸位移臺(tái)進(jìn)行的x軸方向線運(yùn)動(dòng)盡量與納米光柵的軸線平行。所述的四軸位移臺(tái)通過上位機(jī)控制，由驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)進(jìn)行位移運(yùn)動(dòng)。

5、所述的激光干涉儀所需的激光干涉儀測(cè)量光反射鏡安裝于納米光柵支架的側(cè)面，且該平面鏡法線與納米光柵支架的法線呈正交狀態(tài)。

6、所述的波片i?采用二分之一波片，波片ii?與波片iii?分別采用四分之一波片。

7、所述的納米光柵支架與四軸位移臺(tái)安裝后對(duì)位移臺(tái)中心位置進(jìn)行三坐標(biāo)機(jī)標(biāo)定或加裝垂直輔助支架的方式進(jìn)行標(biāo)定，所述的四軸位移臺(tái)通過在激光干涉儀測(cè)量光反射鏡與納米光柵支架之間安裝正交支架進(jìn)行正交性標(biāo)定。

8、對(duì)納米光柵位姿的修正是依次對(duì)納米光柵三軸方向角度分別進(jìn)行修正，納米光柵的運(yùn)動(dòng)方向、激光干涉儀的激光入射方向及四軸位移臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方三者保持一致，激光干涉儀的顯示值為納米光柵受四軸位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)后的實(shí)際位移的參考依據(jù)，由光電探測(cè)器采集的干涉信號(hào)轉(zhuǎn)化為電流信號(hào)傳輸至信號(hào)處理系統(tǒng)，通過信號(hào)處理系統(tǒng)，基于光強(qiáng)與光柵位移公式轉(zhuǎn)換獲得光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的位移量，將其與激光干涉儀顯示值進(jìn)行比對(duì)，以單軸旋轉(zhuǎn)角修正至光電探測(cè)器顯示實(shí)際位移量最為接近參考位移量時(shí)作為該軸修正完成的標(biāo)志。

9、所述納米光柵位姿校準(zhǔn)系統(tǒng)中信號(hào)處理系統(tǒng)的信號(hào)處理流程：所述納米光柵位姿校準(zhǔn)系統(tǒng)中信號(hào)處理系統(tǒng)對(duì)光電信號(hào)的處理流程：激光器發(fā)射出的激光光源經(jīng)系統(tǒng)光路調(diào)整后，被光電探測(cè)器所接收，進(jìn)行光信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，隨后經(jīng)過信號(hào)放大器，再由采集卡接收相應(yīng)電信號(hào)，并與采集卡同時(shí)采集的激光干涉儀的電信號(hào)一同傳輸至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，位移臺(tái)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)模塊根據(jù)上位機(jī)處理后所得到的位移量驅(qū)動(dòng)四軸位移臺(tái)進(jìn)行修正工作。

10、本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明以激光干涉儀采集的數(shù)據(jù)作為參考，通過四軸位移臺(tái)的角度調(diào)整實(shí)現(xiàn)納米光柵的數(shù)控校準(zhǔn)，利用激光干涉儀穩(wěn)定性好、靈敏度高的特性，作為光柵姿態(tài)的修正反饋，同時(shí)采用上位機(jī)收集光電探測(cè)器的反饋信息，并加以算法處理后得出修正值，最后再經(jīng)由驅(qū)動(dòng)四軸位移臺(tái)，將納米光柵支架調(diào)整至理想位置，實(shí)現(xiàn)了盡可能減小納米光柵在安裝時(shí)候造成的位姿誤差，提升了整體光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度。

11、在工業(yè)生產(chǎn)方面，應(yīng)用本發(fā)明能夠使生產(chǎn)企業(yè)在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確的尺寸測(cè)量和質(zhì)量控制，從而減少產(chǎn)品缺陷率，提高生產(chǎn)效率，并降低不合格產(chǎn)品的成本，達(dá)到成本控制效果。

12、同時(shí)由于本發(fā)明引入了激光干涉儀，能夠?qū)⒓{米光柵位姿校準(zhǔn)溯源至激光干涉儀的激光波長，大大提升了其可溯源性，提升了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。因而在科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)用本發(fā)明能夠減少光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量誤差，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更可靠，且具備可重復(fù)性，有助于驗(yàn)證研究假設(shè)、確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并為科學(xué)理論的驗(yàn)證提供支持。

13、本發(fā)明系統(tǒng)能夠廣泛運(yùn)用于醫(yī)療、航天、半導(dǎo)體、環(huán)境檢測(cè)等各個(gè)高精尖技術(shù)行業(yè)中，為全面推動(dòng)產(chǎn)業(yè)智能化發(fā)展添磚加瓦。