[0001] 本发明涉及光学精密测量技术领域，尤其涉及一种外差式六自由度测量光栅干涉仪及六自由度测方法。

[0002] 多自由度精密测量在集成电路、超精密机床和航空航天制造等领域具有重要意义。在集成电路制造中，光刻机晶圆台的定位精度直接影响到芯片的制造精度和产量。多自
由度精密测量能够确保晶圆台在多个维度上的高精度定位，从而提高芯片的生产效率和良
品率。在超精密机床领域，刀具的位姿校准是确保加工精度的关键。通过多自由度精密测
量，可以精确控制刀具在加工过程中的位置和角度，保证加工件的高精度和一致性。在航空
航天制造中，结构件和组件的安装精度至关重要。多自由度精密测量可以帮助实现高精度
的零部件对接和装配，提高航空器的性能和安全性。

[0003] 光栅干涉仪在多自由度精密测量中具有独特优势。首先，光栅干涉仪具备极高的分辨率，可以达到亚纳米级别的测量精度，这对于高精度制造领域至关重要。其次，光栅干
涉仪能够进行多维度的位移和角度测量，适应复杂的测量需求。通过使用多个光栅和读数
头的组合，光栅干涉仪可以同时测量多个自由度的位移和角度，提供全面的测量数据。此
外，光栅干涉仪具有较高的测量速度和实时性，能够在动态环境中实现高精度测量，适用于
高速加工和实时控制的应用场景。最后，光栅干涉仪的结构相对简单，易于集成和维护，具
有较高的可靠性和稳定性，能够在各种严苛的工业环境中稳定工作。因此，通过应用光栅干
涉仪，可以显著提升集成电路、超精密机床和航空航天制造等领域的测量精度和生产效率，
推动这些高科技产业的发展和技术进步，下述是一些代表性的相关技术。

[0004] 2011年，Lee等人提出了一种采用单光栅实现六自由度运动误差测量的系统；实验测试表明，角度分辨率为0.03角秒，Y和Z轴分辨率约为20nm，X轴分辨率约为0.4nm。随后，
2012年，Lee等人利用此前提出的光栅干涉仪对线性平台的六自由度运动误差的不确定度
进行了分析，证实了其在精密定位场景下的应用能力。然而这种设计对于两个测量目标的
光路不同，导致对环境误差的响应不同，在高精度实时动态测量中面临挑战。

[0005] 2013年，GaoWei团队提出了一种可以测量平面运动平台六自由度(6‑DOF)平移位移运动和角运动的多轴表面编码器；通过公用一个激光光源，将三轴位移传感器与三轴自
准直仪组合在一起，实现六自由度测量。经过设计和装调后，最终的读数头尺寸为95mm(X)
×90mm(Y)×25mm(Z)。经过实验测试，表面编码器可区分XYZ方向2nm步进运动，XY方向0.1
角秒步进运动，Z方向0.3角秒步进运动。然而，误差的峰值幅度在X、Y和Z方向上分别约为±
6nm、±7nm和±6nm，难以满足当前的亚纳米测量精度需求。

[0006] 2013年，Hsieh等人提出了一种基于光栅的干涉仪，能够利用外差光源、光栅剪切和迈克尔逊干涉进行六自由度位移和角度测量，测量分辨率约为2nm和0.05μrad。然而，该
系统极其复杂，安装起来具有挑战性，而且Z轴和角度范围受到镜头焦距的限制。

[0007] 此后，2014年，日本东北大学提出了一种用于六自由度测量的三读数头表面编码器。其中，每个读数头均可以获取相对于光栅的三自由度位移运动X、Y和Z。之后通过三个读数头的组合使用和联合解算，还可以到处三自由度的角度运动θX、θY和θZ。经实验测试，该表面编码器可以为XYZ测量提供亚纳米级分辨率，低于±4nm的插值误差，为θX、θY和θZ提供优于0.1角秒的分辨率，低于0.5角秒的非线性误差。然而，此技术也面临一些困难，首先是对
三个测量点的强度和偏振一致性要求较高。此外，获取小周期、大面积的二维光栅也很困
难。最后在数据读取方面，需要解决动态数据切换等问题。

[0008] 2017年，哈尔滨工业大学的林杰等人提出了一种具有纳米分辨率的宽范围三轴光栅编码器，两个平面光栅的X和Y方向±1阶衍射光束逆其原始入射路径传播，充当自准直衍
射光束。因此，所提出系统的Z轴测量范围大大增强。实验结果表明，此光栅编码器实现了
4nm的Z轴位移分辨率；然而未能实现六自由度测量，在角度测量模块上具有缺失。

[0009] 2022年，清华大学李星辉团队提出了一种外差式三自由度光栅干涉仪，此仪器采用反射平面光栅进行读数头设计，使得主光路位于同一侧，有利于降低阿贝误差与环境干
扰带来的影响。依托于自制的780nm双频激光源，经实验测试，三轴分辨率均优于0.5nm，短
‑5
期重复性优于0.6nm，线性度高达2*10e ，并且300秒稳定性优于5nm。这些结果充分证实了
该设备在超精密运动平台中进行测试的能力。然而，此系统未涉及角度测量模块，难以满足
需要对位置和姿态进行同步测量的场景。

[0010] 总的来说，六自由度测量在精密工程和科学研究中具有重要意义，特别是在航空航天、制造和机器人等领域。在众多测量技术中，外差光栅干涉术以其精度高、抗干扰能力
强、易于多自由度扩展等优点脱颖而出。但现有方法中的偏振和频率混叠会导致较大的周
期性非线性误差，影响测量精度，而且角度测量误差也较大。

[0011] 以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经
公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

[0051] 以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

[0052] 需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定
作用也可以是用于电路/信号连通作用。

[0053] 需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

[0054] 此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

[0055] 六自由度测量在精密工程和科学研究中具有重要意义，特别是在航空航天、制造和机器人等领域。在众多测量技术中，外差光栅干涉术以其精度高、抗干扰能力强、易于多
自由度扩展等优点脱颖而出。但现有方法存在一些问题：首先，偏振和频率混叠会导致较大
的周期性非线性误差，影响测量精度；其次，基于光斑位移的角度测量模型不够完善，导致
角度测量误差较大；最后，现在的六自由度亚纳米级测量技术仍存在缺失。针对这些问题，
设计并构建了准共路外差干涉仪系统以减少周期性非线性误差。此外，本发明采用象限光
电探测器(QPD)对光斑位置进行角度测量，改进了角度测量模型，从而减少了建模误差。最
终，该系统可实现平面内和平面外亚纳米分辨率测量。因此，本发明设计了一种六自由度外
差式光栅干涉仪，为亚纳米精度的复杂多自由度测量提供了一种新的解决方案。

[0056] 本发明实施例一公开的外差式六自由度测量光栅干涉仪，采用双频光源、两块二维反射式衍射光栅、探测器、光纤、以及光学元件组件以实现六自由度测量。所采用的双频
光源需要具有两个可分离的激光头且能够分别输出具有一定频差的激光。探测器包括5个
光电探测器与3个四象限光电探测器。其结构如图1所示。坐标系设置如图1所示，垂直于测
量光栅51面型的方向为Z向，测量光栅51面内为正交的X、Y方向，X方向为水平方向，Y方向为竖直方向。绕X、Y、Z三轴对应的旋转角Rx、Ry、Rz以右手螺旋法则定义。

[0057] 激光的传播路线如下：双频激光产生频率为f1和f2的两束激光，并分别由第一激光头11和第二激光头12出射。下面分别介绍：

[0058] 首先介绍测量光，第一激光头11出射频率为f1的激光为测量光。

[0059] 激光经过第一激光头11中的光纤准直器准直后沿Z轴负向出射，为p偏振光。激光经过第一光纤111后通过第一偏振分光棱镜(PBS)21、45°角放置的第一四分之一波片(QWP)
31以及分光棱镜(BS)40并垂直入射测量光栅51，其中第一四分之一波片31的作用是将激光
由p偏振光转为圆偏振光。

[0060] 激光入射测量光栅51后，由于采用的光栅栅距小于10微米，激光产生衍射现象，并形成5束光，这5束光的构成为：0级衍射光、X向正一级衍射光、X向负一级衍射光、Y向正一级衍射光、Y向负一级衍射光。

[0061] 四束一级衍射光在空间中传播一小段距离后，分别由四个对称布置的直角棱镜组成的第一直角棱镜组61反射，成为沿Z轴正向传播的平行光。其中第一直角棱镜组61中的各
直角棱镜的反射面为斜边所在的面，为全内反射。

[0062] 经第一直角棱镜组61调整传播方向后，五束衍射光进入分光棱镜40，根据分光棱镜40分光效率分为两部分分量：一部分衍射光分量在分光棱镜40的胶合面处发生折射，沿X
轴负向传播，其中0级衍射光、X向正一级衍射光、X向负一级衍射光三束衍射光经透镜准直
后入射在四象限光电探测器组70中的3个四象限光电探测器的中心，用于角度测量；另一部
分分量透射穿过分光棱镜40，继续沿Z轴正向传播，用于位移测量。

[0063] 后者再次通过45°角放置的第一四分之一波片31，由圆偏振光转为s偏振光后入射第一偏振分光棱镜21并在第一偏振分光棱镜21的胶合面上反射，沿X轴负方向平行传播。随
后通过45°角放置的二分之一波片(HWP)33，五束平行光实现了s偏振光到p偏振光的转换，
并透射穿过第二偏振分光棱镜22，经过45°放置的偏振片(P)82后，分别入射光电探测器组
90中的5个光电探测器(PD)的光敏元件。需要说明的是，由于图1展示的为X‑Z平面图，因此
只显示3个光电探测器，实际上有5个光电探测器，详细构造如图2所示，光电探测器组90包
含第一光电探测器91、第二光电探测器92、第三光电探测器93、第四光电探测器94、第五光
电探测器95，其中第一光电探测器91接收X向正一级干涉信号，第二光电探测器92接收X向
负一级干涉信号，第三光电探测器93接收Y向正一级干涉信号，第四光电探测器94接收Y向
负一级干涉信号，第五光电探测器95接收0级干涉信号。

[0064] 然后介绍参考光，第二激光头12出射频率为f2的激光为参考光。

[0065] 激光经过第二激光头12中的光纤准直器准直出射，为p偏振光。激光经过第二光纤121通过第二偏振分光棱镜22和45°角放置的第二四分之一波片32并垂直入射参考光栅52，
第二四分之一波片32将p偏振光转为圆偏振光。同理，形成了5束衍射光并且四束一级衍射
光在第二直角棱镜组62中的各直角棱镜的反射面上反射成为沿Z轴传播的平行光，再次通
过45°角放置的第二四分之一波片32，由圆偏振光转为s偏振光后入射第二偏振分光棱镜22
并在第二偏振分光棱镜22的胶合面上反射，此时五束光沿X轴方向传播，与第一激光头11出
射的频率为f1的激光平行且重合，共同入射光电探测器组90中的5个光电探测器的光敏元
件。

[0066] 下面采用本发明实施例的光栅传感器来进行六自由度测量。

[0067] 其中六自由度测量中的XYZ线位移解算原理如下：

[0068] (1)X方向的线位移测量原理。

[0069] 在实际测量过程中，第一激光头11出射的频率为f1的激光为测量光，所入射的光栅称为测量光栅，第二激光头12出射的频率为f2的激光为参考光，所入射的光栅称为参考
光栅52。参考光栅52是固定的，第二激光头12出射的激光经过光路后在光电探测器上具有
稳定的初始空间相位，而测量光栅51与被测物体固连，在被测物体静止时，第一激光头11出
射的激光在各光电探测器上有稳定的初始相位。当被测物体产生位移时，测量光栅51与被
测物体共同运动，由于多普勒效应以及光栅衍射效应，第一激光头11的入射测量光栅51产
生的五束激光分别携带了不同的由位移导致的相位信息。

[0070] 当光栅产生X向位移x时，由于光栅位移与Z向垂直，反射光沿Z轴传播，因此X向位移对0级衍射光相位没有产生影响。根据多普勒频移以及光栅方程，光栅的X向位移对X向的
正负一级衍射光的相位变化影响为：

[0071]

[0072] 其中φx(1)代表由于光栅X方向运动导致的第一光电探测器91上的相位变化量，φx(2)代表由于光栅X方向运动导致的第二光电探测器92上的相位变化量；g代表光栅周期
大小。因此，可以推导出X向位移Δx的表达式为：

[0073]

[0074] (2)Y方向的线位移测量原理。

[0075] 根据二维光栅的性质，二维光栅的X向光栅刻线与Y向刻线正交，X向和Y向具有相同的测量原理。因此，对于Y向位移测量，当测量光栅51产生Y向位移y时，由于光栅位移与Z
向垂直，反射光沿Z轴传播，因此Y向位移对0级衍射光相位没有产生影响。根据多普勒频移
以及光栅方程，光栅的Y向位移对Y向的正负一级衍射光的相位变化影响为：

[0076]

[0077] 其中φy(3)代表由于光栅Y方向运动导致的第三光电探测器93上的相位变化量，φy(4)代表由于光栅Y方向运动导致的第四光电探测器94上的相位变化量；g代表光栅周期
大小。因此可以推导出Y向位移Δy的表达式为：

[0078]

[0079] (3)Z方向的线位移测量原理。

[0080] 当产生Z向位移z时，0级衍射光相位变化为

[0081]

[0082] 其中φz(5)代表由于光栅Z方向的运动导致的第五光电探测器95上的相位变化，n为空气折射率，λ为激光波长，z为Z方向的位移量。光栅Z向位移导致第一光电探测器91和第二光电探测器92上的相位变化为：

[0083]

[0084] 同理，光栅Z向位移导致第三光电探测器93和第四光电探测器94上的相位变化量为：

[0085]

[0086] 根据公式(5)(6)(7)，可得到Z向位移Δz求解公式如下：

[0087]

[0088] 其中，φz(1)、φz(2)、φz(3)、φz(4)和φz(5)分别代表由于光栅Z向位移带来的第一光电探测器91、第二光电探测器92、第三光电探测器93、第四光电探测器94和第五光电探测器95上的相位变化量；z为Z方向的位移量；θ为正负一级衍射光与法线的夹角。

[0089] 综上所述，通过求解光电探测器组90中的5路光电探测器上信号的相位变化可以获得X向位移、Y向位移、Z向位移。

[0090] 下面介绍六自由度测量中的RXRYRZ角度解算原理。光栅旋转角度测量将通过解算衍射光光斑在四象限光电探测器组70中的各四象限光电探测器上的位置变化信息来实现。
四象限光电探测器的工作原理如图3所示。

[0091] 四象限光电探测器中的四个象限均存在相同的光敏元件。当激光照射在四象限光电探测器上，可通过四个象限光强值反应光斑相对位置。当四象限光电探测器中的四个象
限的光敏元件接收到的光强分别为I1、I2、I3、I4时，光斑中心相对于四象限光电探测器原点的相对水平偏移量Δh为：

[0092]

[0093] 光斑中心相对于四象限光电探测器原点的相对垂直偏移量Δv为：

[0094]

[0095] 图4是仅有角度测量模块的光路结构，位移测量相关光路结构均已忽略。其中透镜焦距相同，均为f。四象限光电探测器的有效探测平面与透镜焦平面重合。若测量光栅姿态
理想，第一激光头11出射的激光将正入射至测量光栅51上，其中3束衍射光(X向正一级衍射
光、0级衍射光、X向负一级衍射光)沿理想光轴传播，并最终分别投射在四象限光电探测器
组70中的第一四象限光电探测器QPDx+1、第二四象限光电探测器QPD0、第三四象限光电探测
器QPDx‑1上，衍射光光斑中心与各四象限光电探测器中心重合。

[0096] 若测量光栅姿态偏转，衍射光脱离理想光轴，衍射光光斑中心相对各四象限光电探测器中心产生偏移。如图4所示，以光栅存在绕Y轴旋转α角度(α角足够小)的转角Ry为例。
此时入射光矢量与测量光栅51的法向量存在夹角α，根据光栅衍射方程可知，衍射光矢量均
相对理想状态的衍射光矢量绕Y轴旋转了2α角度。衍射光经第一直角棱镜31与分光棱镜40
胶合面的反射作用后入射到透镜81的前表面。依据几何关系，入射光与理想光轴存在角度
为2α的夹角以及水平方向的偏移。光线在透镜81中发生折射，出射光偏离理想光轴，并照射在各四象限光电探测器上形成光斑。

[0097] 根据透镜近轴关系，光斑水平方向的偏移量Δh(包括第一四象限光电探测器QPDx+1上光斑水平方向的位移量Δhx+1、第二四象限光电探测器QPD0上光斑水平方向的位移
量Δh0、第三四象限光电探测器QPDx‑1上光斑水平方向的位移量Δhx‑1)与入射光偏角2α满足：

[0098] Δh0＝f·tan2α (11)

[0099] Δhx±1＝‑f·tan2α (12)

[0100] 因此，转角Ry近似解算公式如下：

[0101] Ry＝Δh0/2f＝‑Δhx±1/2f (13)

[0102] 其中Δh可通过各四象限光电探测器探测的光强信号关系求得。

[0103] 同理，光栅绕X轴的转角Rx近似解算公式如下

[0104] Rx＝Δv0/2f＝Δvx+1/2f＝Δvx‑1/2f (14)

[0105] 式中，Δvx+1、Δv0和Δvx‑1分别代表第一四象限光电探测器QPDx+1、第二四象限光电探测器QPD0和第三四象限光电探测器QPDx‑1上光斑垂直方向的位移量。

[0106] 而当测量光栅姿态存在绕Z轴的转角Rz时，衍射光矢量将随着栅线绕Z轴旋转相同角度。

[0107] 其中，0级衍射光传播方向不发生变化，其光斑仍处于QPD0中心位置，Δh0＝Δv0＝0。X向正负一级衍射光的等效光路绕光栅法线旋转，各四象限光电探测器上的光斑将同时
发生水平与垂直方向方向的偏移，轨迹呈曲线。

[0108] 当Rz足够小时，光斑的水平偏移可忽略不计，其竖直偏移可表示为：

[0109] Δvx±1＝±L·tanRz (15)

[0110] 其中，L为光斑等效旋转半径，满足

[0111] L＝f·tanφ (16)

[0112] 其中，φ为光栅正负一级衍射角角度值，可由光栅方程gsinφ＝λ求得。

[0113] 联立上式，光栅绕Z轴的转角Rz近似解算公式如下

[0114]

[0115] 如图5所示，当光栅转角Rx、Ry、Rz同时存在，第一四象限光电探测器QPDx+1、第二四象限光电探测器QPD0、第三四象限光电探测器QPDx‑1上光斑位置如图5所示。光斑相对位置满足：

[0116]

[0117] 为实现光栅转角Rx、Ry、Rz同时测量，转角公式确定为

[0118]

[0119] 至此，完成了位移测量模块和角度测量模块的所有推导。

[0120] 将上述所得的六自由度测量的结果公式总结如下：

[0121]

[0122] 其中，φ(1)、φ(2)、φ(3)、φ(4)和φ(5)分别代表光第一光电探测器91、第二光电探测器92、第三光电探测器93、第四光电探测器94和第五光电探测器95上的相位变化量；Δvx+1、Δv0和Δvx‑1分别代表第一四象限光电探测器QPDx+1、第二四象限光电探测器QPD0和第三四象限光电探测器QPDx‑1上光斑垂直方向的位移量，Δh0代表第二四象限光电探测器QPD0上光斑水平方向的位移量。因此，通过5个光电探测器和3个四象限光电探测器上的信号变化，便可以实现六自由度测量。

[0123] 下面分析本发明实施例提出的光栅干涉仪的设计优势：针对X方向位移测量而言，从频率为f1的激光光源入射之后，经过一系列光学元件之后，到达第一光电探测器91和第
二光电探测器92上的光程是一致的，这也就避免了由于光程不等而受到环境以及频率波动
的影响(死区效应)，从而提高测量精度。Y方向测量同理。而且，也将Z方向的光学死区效应
减小到最低。综上，本发明实施例提出的光栅干涉仪的结构设计能够通过准共光路的形式
实现光学死区的消除，同时还能避免单束双频光入射分光带来的频率/偏振混淆效应，从而
提高了测量精度。

[0124] 如图6所示，是本发明实施例二公开的外差式六自由度测量光栅干涉仪，其是与实施例一中的光栅干涉仪的对称式入射的变体结构，其中的原理推导与实施例一相似，在此
不再赘述。

[0125] 如图7所示是本发明实施例三公开的外差式六自由度测量光栅干涉仪，其是与实施例一中的光栅干涉仪的竖直方向排列的变体结构，下述对该光栅干涉仪的光路传播方向
进行简要说明。

[0126] 首先是测量光，第一激光头11出射频率为f1的激光经光纤准直器准直后沿Z轴负向出射，此时光束为s偏振方向，经过第一光纤111后进入到第一偏振分光棱镜21，反射向上
传播，经过第一四分之一波片31变为圆偏振光，之后进入分光棱镜40，一束向右反射(舍
弃)，一束继续向上传播进入测量光栅51，出射五路衍射光，经过第一直角棱镜组61后变为
五束平行光，其中z方向排列的3束光由分光棱镜40分束进入四象限光电探测器组70用于角
度测量，记住三束角度测量光束。其余的光束向下传播经过第一四分之一波片31变为p偏振
光，然后在第一偏振分光棱镜21上透射进入第二偏振分光棱镜22分光面上，记作五束测量
衍射光束。

[0127] 之后是参考光，第二激光头12出射频率为f2的激光经光纤准直器准直后沿Z轴负向出射，为p偏振光，经过第二四分之一波片32后变为圆偏振光，进入参考光栅52出射五束
衍射光，经第二直角棱镜组62准直后变为五束平行光。再次进入第二四分之一波片32变为s
偏振光，到达第二偏振分光棱镜22的分光面上，记住五束参考衍射光束。

[0128] 最后介绍合光。上面两段中分别形成的五束测量衍射光束与五束参考衍射光束在第二偏振分光棱镜22的分光平面上进行合光，形成干涉信号，送至光电探测器组90中的5个
光电探测器用于三自由度位移测量。上述提到的三束角度测量光束进入四象限光电探测器
组70中的三个四象限光电探测器中，实现三自由度角度测量。至此，完成六自由度测量。其
中具体的解算原理与实施例一相同，精度也相同，在此不再赘述。

[0129] 对应地，本发明实施例还公开了采用实施例一、实施例二或实施例三的外差式六自由度测量光栅干涉仪进行位移测量和角度测量的方法。

[0130] 本发明的上述各实施例所提出的外差式六自由度测量光栅干涉仪及对应的六自由度测量方法，能够实现以下四个技术效果：

[0131] (1)针对测量精度问题，实现了亚纳米精度，通过采用外差式(双频)光栅干涉方法，大大提高了测量系统的精确度。

[0132] (2)针对六自由度测量问题，实现了全面的空间测量能力，其中三自由度位移测量通过使用两个二维光栅各自出射的五束衍射光相互干涉形成的五路信号解算完成，三自由
度角度测量则通过三个四象限光电探测器(QPD)上的光斑位移来解算完成。

[0133] (3)针对误差问题，实现了低误差水平，通过准共光路设计，减小了由于偏振/频率混叠引起的周期非线性误差以及光路死区效应，将测量误差水平降低至亚纳米级。

[0134] (4)针对系统小型化问题，实现了易于实现的小型化设计，通过精心设计元器件布局与光路传播方向，使得工程化样机的尺寸理论上可以小于10cm*10cm*5cm。这些技术效果
的实现显著提升了精密测量技术的性能和应用范围，为相关领域的发展提供了有力支持。

[0135] 相比于现有的六自由度测量方案中，激光干涉仪的方案由于原理限制会有较大的体积，而普通的六自由度光栅干涉仪虽然可以做成小型化，但是精度只有亚微米级，本发明
提出的外差式六自由度测量光栅干涉仪，同时实现“六自由度+亚纳米精度+小型化”，是通
过准共光路方案消除“光路死区+频率/偏振混叠”，以及最高效率地应用QPD进行角度测量，从而同时实现上述要求。

[0136] 综合上述，本发明能够实现亚纳米精度、六自由度测量、低误差水平和小型化的测量系统，进一步地，该测量系统可以应用于光刻机晶圆台定位、超精密机床加工、原子力显
微镜、原子级制造探头等领域。

[0137] 本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

[0138] 以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，
在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，
而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术
语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一
个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施
例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例
中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中
描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描
述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况
下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。