一种三轴光栅尺的制作方法

1.本发明属于精密光学测量仪器领域，特别涉及一种用于三自由度位移测量的三轴光栅尺。


背景技术：

2.光栅尺又称光学编码器，广泛应用于精密运动台、精密光学机械、精密测量仪器等领域的位移和角度测量。其中，基于高密度衍射光栅的光栅尺相比基于低密度普通几何光栅的光栅尺，具有更高精度和分辨率，可达到亚纳米级。世界上最精密的设备——光刻机已采用此类仪器进行高精密位移和角度测量。
3.随着精密制造技术的发展，尤其是光刻机技术的推动，多自由度的位移测量需求不断涌现。因此，迫切需要面向三自由度乃至更多自由度的位移测量光栅尺的研发。
4.国际市场上，德国海德汉最早推出了基于衍射光栅的光栅尺，已开发出了用于二自由度位移测量的二轴光栅尺。其原理是基于其专利us4776701。这一专利所给出的光学光路及其实际产品使用效果表明，相对于固定在被测量物体表面的测量衍射光栅，读数头的安装距离要求严格，稍有前后移动便会导致其探测器上的光斑横向移动，产生误差。此外，其三自由位移测量的扩展较为困难，尚未设计出相应的三轴光栅尺。
5.美国专利us5098190给出了另外一种基于衍射光栅的光栅尺结构。其特征是，光源发出准直激光束至测量光栅表面，经其衍射后的正、负一级衍射光通过透镜聚焦于相位光栅，产生三束彼此相移120
°
的干涉光束。再由探测器光电转换及信号处理器处理后，可得出相应的测量光栅位移信息。此专利同样存在光栅读数头相对于测量光栅距离敏感，容易产生误差的问题。上面所述两个专利，其光路本质上是马赫-泽德(mach-zehnder)干涉仪。因此，两自由度的测量信号是基于多普勒频移的光学差分信号，相对单独位移测量的电子差分，精度更高。
6.kao等提出的二自由度测量光栅尺(c.f.kao，s.h.lu，et.al.，diffractive laser encoder with a grating in littrow configuration，jpn.jj.appl.phys.47.1833-1837)采用littrow自准直角度入射测量光栅，使得光栅尺读数头安装容差变得较大，但本质上是两个独立的一维光路结构，复杂，不易制作，容易产生阿贝误差。此外，三自由度测量扩展更为复杂。其光路本质上亦是马赫-泽德干涉仪。
7.gao研究小组提出了三自由度(a.kimura，wei gao，w.kim et.al，a sub-nanometricthree-axis surface encoder with short-period planar gratings for stage motionmeasurement，precision engineering 36(2013)，771-781)、六自由度(x.li，wei gao，et.al.，asix-degree-of-freedom surface encoder for precision positioning of a planar motion stage， precision engineering 37(2012)，576-585)测量的三轴、六轴光栅尺。中国专利 cn103307986a，cn103322927b分别给出了一种二自由度测量的二轴光栅尺和一种三自由度测量的三轴光栅尺。上面所述文献和专利，其光路本质上是迈克尔逊(michelsion)干涉仪，无光学细分功能，亦即分辨率相对降低一半；此外，
同样存在光栅读数头相对于测量光栅距离敏感，容易产生误差的问题。而且，各自由度信号是电子差分信号。相对光学差分，精度不高。
8.中国专利cn10862709913给出了一种五自由度测量的五轴光栅尺尽管利用了littrow 自准直入射测量光栅，改善了安装容差，但是结构堆叠，制造困难，并且仍为迈克尔逊干涉仪变形形式，各自由度位移信号仍采用电子差分获得，无光学细分功能，亦即分辨率相对降低一半。
9.中国专利cn106017308b给出了一种六自由度测量的六轴光栅尺，读数头由三个光栅读数头和三个外差激光读数表头交叉叠放而成，测量光栅阵列由三个测量光栅组件和三个外差激光反射镜交叉叠放而成，较为复杂，不易制造，并且x、y、z轴是分离的，容易造成阿贝误差。


技术实现要素：

10.本发明三轴光栅尺，包括：三轴测量光束产生单元、x轴测量光束探测单元、y轴测量光束探测单元、z轴测量光束探测单元和信号采集及处理单元；所述的三轴测量光束产生单元产生x轴测量光束、y轴测量光束和z轴测量光束；沿所述的x轴测量光束方向，设有所述的x轴测量光束探测单元，沿所述的y轴测量光束方向设有所述的y轴测量光束探测单元，沿所述的z轴测量光束方向设有z轴测量光束探测单元；
11.所述三轴测量光束产生单元，包括：偏振准直激光光源，分束用二维衍射光栅，第一准直物镜，偏振棱镜组件，第二准直物镜，测量用二维衍射光栅；所述分束用二维衍射光栅和测量用二维衍射光栅是二维正交对称，各自两维度栅距相等。所述分束用二维衍射光栅栅距d1与测量用二维衍射光栅栅距d2，第一准直物镜焦距f1，第二准直物镜焦距f2满足如下关系式(1)，其中λ为偏振准直激光光源波长，优化情形是：d1＝2d2，f1＝f2。
12.所述x轴测量光束探测单元，包括：第三准直物镜，第一相移光栅，第一探测器，第二探测器，第三探测器。所述第三准直物镜焦距f3和第一相移光栅栅距d3与所述三轴测量光束产生单元中的分束用二维衍射光栅栅距d1和第一准直物镜焦距f1，满足如下关系式(2)，其中λ为偏振准直激光光源波长，优化情形是：d1＝d3，f1＝f3。
13.所述y轴测量光束探测单元，包括：第二全反镜，第三准直物镜，第二相移光栅，第四探测器，第五探测器，第六探测器。所述第三准直物镜焦距f4和第二相移光栅栅距d4与所述三轴测量光束产生单元中的分束用二维衍射光栅栅距d1和准直物镜焦距f1，满足如下关系式(3)，其中λ为偏振准直激光光源波长，优化情形是：d1＝d4，f1＝f4。
14.所述z轴测量光束探测单元，包括第三全反镜，第二线偏振片，第三相移光栅，第七探测器，第八探测器，第九探测器。
15.所述测量用二维衍射光栅是反射型。所述分束用二维衍射光栅是透射型，相应所述偏振棱镜组件，包含：第一线偏振片，第一全反镜，第一四分之一波片，偏振棱镜，第二四分之一波片。
16.所述偏振准直激光光源为p偏振态，所述三轴测量光束产生单元光路及三轴光栅尺测量原理如下：以偏振棱镜为偏振态参考物：偏振准直激光光源发出p偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅分成左光束、右光束、前光束、后光束及中间光束共五束光束，且左光束、右光束在与中间光束组成的平面内以中间光束轴对称，前光束、后光束在与中间光束
组成的平面内以中间光束轴对称。
17.五束光束由第一准直透镜准直后，仅中间光束通过相对p光偏振轴旋转45
°
的第一线偏振片，使中间光束偏振轴旋转45
°
，具备p光和s光两个分量，其中p光与其它四束光束一起通过偏振棱镜，再一起经过第二四分之一波片及第二准直透镜会聚入射于测量用二维衍射光栅表面。其中，左光束、右光束分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；前光束、后光束分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束的p光分量正入射并回射，形成z轴回射光束p光分量。
18.所述左光束、右光束、前光束、后光束、中间光束的p光分量会聚与一点。所述左光束、右光束、前光束、后光束、中间光束的p光分量的回射光束自准直回射后，经第二四分之一波片转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜反射分别得到对应左光束和右光束的下光束和上光束，分别对应前光束和后两束的外光束和里光束，以及对应中间光束的中心光束，从而形成 x轴和y轴及z轴测量用二维衍射光栅位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号。
19.所述中间光束的s分量经偏振棱镜反射后由第一四分之一波片和第一全反镜反射后，再次通过第一四分之一波片后转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜出射与中间光束s分量重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。
20.上光束、下光束经过第三准直透镜聚焦于第一相位光栅后衍射形成三束干涉光束，所述三束衍射干涉光束彼此相位相差优选角度是120
°
，由第一、第二、第三共三个探测器分别探测。经光电转换后通过信号采集及处理器处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅的x 轴位移量。
21.里光束、外光束经过第二全反镜反射及第四准直透镜聚焦于第二相位光栅后衍射形成三束干涉光束，所述三束衍射干涉光束彼此相位相差优选角度是120
°
，由第四、第五、第六三个探测器分别探测。经光电转换后通过信号采集及处理器处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅15的y轴位移量。
22.中心光束含有p光和s光分量两部分，经第二全反镜反射后通过偏振轴45
°
放置的第二线偏振片及第三相位光栅后衍射形成三束干涉光束，所述三束干涉光束彼此相位相差优选角度是120
°
，由第七、第八、第九三个探测器分别探测。经光电转换后通过信号采集及处理器处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅的z轴位移量。
23.所述三轴测量光束产生单元具有第二种光路结构，其与上面所述第一种不同在于：采用相对偏振棱镜的s偏振态偏振准直激光光源。但第一四分之一波片及第一全反镜整体与第二四分之一波片和第二准直物镜、测量用二维衍射光栅整体位置对调，最终五束出射光束中，中心光束偏振轴仍为p和s，而其它光束改变为p光。
24.所述三轴测量光束产生单元具有第三种光路结构，其与上面所述第一种不同在于：采用相对偏振棱镜的s偏振态偏振准直激光光源，但偏振准直激光光源、分束用二维衍射光栅、第一准直透镜、第一线偏振片整体位置与第一四分之一波片及第一全反镜整体位置对调。最终，五束出射光束偏振态仍与第一种情形相同。
25.所述三轴测量光束产生单元具有第四种光路结构，其与上面所述第一种不同在于：偏振准直激光光源采用相对偏振棱镜的p光和s光成一定角度的偏振态。分束用二维衍射光栅为反射型。相对第一种情形，第一四分之一波片移位替代第一线偏振片，并让所有光束通过，偏振准直激光光源移位替代第一全反镜和第一四分之一波片。五束出射光束偏振
态与第一种情形一致。
26.所述三轴测量光束产生单元具有第五种光路结构，其与上面所述第一种不同在于：偏振准直激光光源采用相对偏振棱镜的p光和s光成一定角度的偏振态，分束用二维衍射光栅为反射型。偏振准直激光光源移位替代第二四分之一波片，第二准直透镜及测量二维衍射光栅整体位置，而第二四分之一波片，第二准直透镜及测量二维衍射光栅整体替代第一全反镜和第一四分之一波片整体位置。第一四分之一波片替代第一线偏振片位置，并让所有光束通过。五束出射光束中，中心光束偏振态不变，其他皆变为p偏振态。
27.所述三轴测量光束产生单元中，x轴测量光束光路与x轴测量光束探测单元光路，y轴测量光束光路与y轴测量光束探测单元光路，共同构成两维mach-zehnder(马赫-泽德)零差干涉仪；z轴测量光束光路与z轴测量光束探测单元光路构成一维michelson(迈克尔逊) 零差干涉仪或一维mach-zehnder(马赫-泽德)零差干涉仪；由此构成一体的三维位移测量零差光栅干涉仪；所采用的光学元件中仅有一个偏振棱镜组件，结构紧凑，成本低。x，y 轴光路具有2倍光学细分及光学差分信号，精度高；x轴、y轴测量光束以littrow自准直角度入射测量二维衍射光栅，因此对z轴向位移不敏感，安装容差大。所述x轴、y轴、z 轴测量光束产生光路中，投影于测量用二维衍射光栅上的直线，两两正交且共交点，对应为相应测量轴，避免了测量轴交点不同导致的阿贝误差以及测量轴非正交导致的余弦误差。
28.所述分束用二维衍射光栅可以是dammann(达曼)光栅，亦可以是两个一维衍射光栅组合。
29.所述第一相移光栅、第二相移光栅、第三相移光栅是一维衍射光栅，亦可是二维衍射光栅。
30.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
31.1)提出一种由三维马赫-泽德(mach-zehnder)干涉仪或两维马赫-泽德(mach-zehnder) 干涉仪和一维迈克尔逊(michelsion)干涉仪组成的三轴光栅尺。通过光路中光学元件间相关参数特定设计，获得大的安装容差的littrow自准直入射测量光栅的光路结构，同时，获得两轴(x，y)的光学差分高精度信号和2倍光学细分功能以及大范围z轴位移测量。此外，入射测量光栅的光束三轴交于一点，避免了阿贝误差和余弦误差。采用不同于外差干涉的零差干涉技术，其结构简单，易于制造，成本低。
32.2)采用三维马赫-泽德(mach-zehnder)干涉仪或两维马赫-泽德(mach-zehnder)干涉仪和一维迈克尔逊(michelsion)干涉仪的一体化有效组合及其光路的特定设计，较全面解决了已有技术的缺陷和不足；进而可以获得本领域研发人员长期渴望得到的较全面优良性能的三轴光栅尺。
附图说明
33.图1为本发明三轴光栅尺光学系统示意图；
34.图2为本发明第二种三轴测量光束产生单元示意图；
35.图3为本发明第三种三轴测量光束产生单元示意图；
36.图4为本发明第四种三轴测量光束产生单元示意图；
37.图5为本发明第五种三轴测量光束产生单元示意图；
38.图6为公式(1)、(2)、(3)推导示意图。
具体实施方式
39.下面结合实施例对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
40.如图1为本发明三轴光栅尺光学系统示意图，包括：三轴测量光束产生单元101、x轴测量光束探测单元104、y轴测量光束探测单元103、z轴测量光束探测单元102和信号采集及处理单元38；所述的三轴测量光束产生单元101产生x轴测量光束、y轴测量光束和z轴测量光束，沿所述的x轴测量光束方向，设有所述的x轴测量光束探测单元104，沿所述的y 轴测量光束方向设有所述的y轴测量光束探测单元103，沿所述的z轴测量光束方向设有z 轴测量光束探测单元102；
41.所述三轴测量光束产生单元101，包括：偏振准直激光光源1，分束用二维衍射光栅2，第一准直物镜8，偏振棱镜组件1011，第二准直物镜14，测量用二维衍射光栅15；所述分束用二维衍射光栅2和测量用二维衍射光栅15是二维正交对称，各自两维度栅距相等。所述分束用二维衍射光栅2栅距d1与测量用二维衍射光栅15栅距d2，准直物镜8焦距f1，聚焦准直物镜14焦距f2满足关系式(1)。
42.其中λ为偏振准直激光光源波长，优化情形是：d1＝2d2，f1＝f2。
43.所述x轴测量光束探测单元104，包括：第三准直物镜33，第一相移光栅34，第1探测器35，第2探测36，第3探测器37。所述第三准直物镜33焦距f3和第一相移光栅34 栅距d3与所述三轴测量光束产生单元101中的分束用二维衍射光栅2栅距d1与第一准直物镜8焦距f1，满足关系式(2).其中λ为偏振准直激光光源1波长，优化情形是：d1＝d3， f1＝f3。
44.所述y轴测量光束探测单元103，包括：第二全反镜27，第四准直物镜28，第二相移光栅29，第4探测器30，第5探测31，第6探测器32。所述第四准直物镜28焦距f4和第二相移光栅29栅距d4与所述三轴测量光束产生单元101中的分束用二维衍射光栅2栅距d1与第一准直物镜8焦距f1，满足关系式(3)。其中λ为偏振准直激光光源波长，优化情形是：d1＝d4，f1＝f4。
45.所述z轴测量光束探测单元102，包括第三全反镜21，第二线偏振片22，第三相移光栅23，第7探测器24，第8探测器25，第9探测器26。
46.所述测量用二维衍射光栅15是反射型。所述分束用二维衍射光栅2是透射型，相应所述偏振棱镜组件1011，包含：第二线偏振片9，第一全反镜12，第一四分之一波片11，偏振棱镜10，第二四分之一波片13。
47.所述偏振准直激光光源1为p偏振态。
48.所述三轴测量光束产生单元101光路及三轴光栅尺光学系统测量原理如下：以偏振棱镜10为偏振态参考物：偏振准直激光光源1发出p偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅2分成左光束3、右光束5、前光束7、后光束4及中间光束6共五束光束，且左光束3、右光束5在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称，前光束7、后光束4在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称；
49.五束光束由第一准直透镜8准直后，仅中间光束6通过相对p光偏振轴旋转45
°
的第一线偏振片9，使中间光束6偏振轴旋转45
°
，具备p光和s光两个分量，其中p光与其它四束光束一起通过偏振棱镜10，再一起经过第二四分之一波片13及第二准直透镜14会聚入射于测量用二维衍射光栅15表面。其中，左光束3和右光束5分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；后光束4和前光束7分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束6的p光分量正入射并回射，形成z轴回射光束p光分量。所述左光束3、右光束5、前光束7、
后光束4和中间光束6的p光分量的回射光束再由第二准直透镜14自准直后，经第二四分之一波片13转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜10反射得到分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7和后两束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅15位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；
50.所述中间光束6的s偏振态光束经偏振棱镜10反射后由第一四分之一波片11和第一全反镜12反射后，再通过第二四分之一波片11后转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜出射与中心光束18重合，形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。
51.至此，形成了x轴、y轴、z轴的三轴测量光束产生单元101。
52.上光束16、下光束17经过第三准直透镜33聚焦于第一相位光栅34衍射形成三束干涉光束，所述三束衍射干涉光束彼此相位相差优选角度是120
°
，由第一探测器35、第二探测器36、第三探测器37分别探测。经光电转换后通过信号采集及处理器38处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅15的x轴位移量。
53.里光束19、外光束20经过第二全反镜27反射及第四准直透镜28聚焦于第二相位光栅29衍射形成三束干涉光束，所述三束衍射干涉光束彼此相位相差优选角度是120
°
，由第四探测器30、第五探测器31、第六探测器32分别探测。经光电转换后通过信号采集及处理器38处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅15的y轴位移量。
54.中心光束18含有p偏振态和s偏振态两部分，经第二全反镜反射后通过偏振轴45
°
放置的第二线偏振片22及第三相位光栅23衍射形成三束干涉光束，所述三束干涉光束彼此相位相差优选角度是120
°
，由第七探测器24、第八探测器25、第九探测器26分别探测。经光电转换后通过信号采集及处理器38处理和计算后可获得测量用二维衍射光栅15的z 轴位移量。
55.图2为不同于上面所述三轴测量光束产生单元101光路的第二种方案：
56.所述偏振准直激光光源1为s偏振态。
57.以偏振棱镜10为偏振态参考物：偏振准直激光光源1发出s偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅2分成左光束3、右光束5、前光束7、后光束4及中间光束6共五束光束，且左光束3、右光束5在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称，前光束7、后光束4在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称；
58.五束光束由第一准直透镜8准直后，仅中间光束6通过相对p光偏振轴旋转45
°
的第一线偏振片9，使中间光束6偏振轴旋转45
°
，具备p光和s光两个分量，其中s光与其它四束光束一起经偏振棱镜10反射，再一起通过第二四分之一波片13及第二准直透镜14会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅15表面。其中，左光束3和右光束5分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；后光束4和前光束7分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束6的s光分量正入射并回射，形成z轴回射光束s光分量。
59.所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之s分量会聚于一点，避免了由于测量轴x、y、z分离导致的阿贝误差。所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之s分量的回射光束再由第二准直透镜14准直回射后，经第二四分之一波片转变为p偏振态光束，通过偏振棱镜10出射得到分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7和后光束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18，从
而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅15位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；
60.所述中间光束6的p偏振态光束通过偏振棱镜10和第一四分之一波片11后，由第一全反镜12反射，第二次通过第二四分之一波片11后转变为s偏振态，再通过偏振棱镜反射与光束18重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。
61.针对所述分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7 和后两束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18的x轴和y轴及 z轴测量光束探测光路皆与第一种情形一致。
62.图3为不同于上面所述三轴测量光束产生单元101光路的第三种方案：
63.所述偏振准直激光光源1为s偏振态。
64.以偏振棱镜10为偏振态参考物：偏振准直激光光源1发出s偏振光束，经透射型分束用二维衍射光栅2分成左光束3、右光束5、前光束7、后光束4及中间光束6共五束光束，且左光束3、右光束5在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称，前光束7、后光束4在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称；
65.五束光束由第一准直透镜8准直后，仅中间光束6通过相对p光偏振轴旋转45
°
的第一线偏振片9，使中间光束6偏振轴旋转45
°
，具备p光和s光两个分量，其中s光与其它四束光束一起经偏振棱镜10反射，一起通过第一四分之一波片11并由及第一全反镜12反射，二次通过第一四分之一波片11，所述五束光束偏振态皆转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜10，再一起通过第二四分之一波片13及第二准直透镜14会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅15表面。其中，左光束3和右光束5分别以littrow自准直角度入射，形成x 轴回射光束；后光束4和前光束7分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束6的s光分量正入射并回射，形成z轴回射光束s光分量。
66.所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之s分量会聚于一点，避免了由于测量轴x、y、z分离导致的阿贝误差。所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之s分量的回射光束再由第二准直透镜14准直回射后，经第二四分之一波片13转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜10反射得到分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7和后两束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅15位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；
67.所述中间光束6的p偏振态光束通过偏振棱镜10后直接出射与中心光束18重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。
68.针对所述分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7 和后两束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18的x轴和y轴及 z轴测量光束探测光路皆与第一种情形一致。
69.图4为不同于上面所述三轴测量光束产生单元101光路的第四种方案：
70.所述分束用二维衍射光栅2是反射型，相应所述偏振棱镜组件1011仅由第一四分之一波片11，偏振棱镜10，第二四分之一波片13组成。
71.所述偏振准直激光光源1为与p光和s光成一定角度的线偏光，因而同时具有p光和s 光偏振分量。以偏振棱镜10为偏振态参考物，偏振准直激光光源1发出具有p光和s光偏振分量的偏振光束，其s光分量光束经偏振棱镜10反射，再通过第一四分之一波片11和第一准
直透镜8，正入射于反射型分束用二维衍射光栅2分成左光束3、右光束5、前光束 7、后光束4及中间光束6共五束光束，且左光束3、右光束5在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称，前光束7、后光束4在与中间光束6组成的平面内以中间光束6 轴对称；
72.五束光束再由第一准直透镜8准直后，一起通过第一四分之一波片11，偏振态皆转变为p偏振态，直接通过偏振棱镜10，再一起经过第二四分之一波片13及第二准直透镜14 会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅15表面。其中，左光束3和右光束5分别以littrow 自准直角度入射，形成x轴回射光束；后光束4和前光束7分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束6的s光分量正入射并回射，形成z轴回射光束s光分量。
73.所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之s分量会聚于一点，避免了由于测量轴x、y、z分离导致的阿贝误差。所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、对应中间光束6之s分量的所有回射光束再由第二准直透镜14准直回射后，第二次经第二四分之一波片13转变为s偏振态光束，通过偏振棱镜10反射得到分别对应左光束3 和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7和后两束4的外光束20和里光束 19，以及对应中间光束6的中心光束18，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅15位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；
74.所述中间光束6的p偏振态光束直接通过偏振棱镜10出射与中心光束18重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。
75.针对所述分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7 和后两束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18的x轴和y轴及 z轴测量光束探测光路皆与第一种情形一致。
76.图5为不同于上面所述三轴测量光束产生单元101光路的第五种方案：
77.所述分束用二维衍射光栅2是反射型，相应所述偏振棱镜组件1011仅由第一四分之一波片11，偏振棱镜10，第二四分之一波片13组成。
78.所述偏振准直激光光源1为与p光和s光成一定角度的线偏光，因而同时具有p光和s 光偏振分量。以偏振棱镜10为偏振态参考物，偏振准直激光光源1发出具有p光和s光偏振分量的偏振光束，其p光分量光束通过偏振棱镜10和第一四分之一波片11及第一准直透镜8，正入射于反射型分束用二维衍射光栅2分成左光束3、右光束5、前光束7、后光束4及中间光束6共五束光束，且左光束3、右光束5在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称，前光束7、后光束4在与中间光束6组成的平面内以中间光束6轴对称；
79.五束光束再由第一准直透镜8准直后，通过第一四分之一波片11，偏振态皆转变为s 偏振态，一起经偏振棱镜10反射后，再经过第二四分之一波片13及第二准直透镜14会聚入射于反射型测量用二维衍射光栅15表面。其中，左光束3和右光束5分别以littrow自准直角度入射，形成x轴回射光束；后光束4和前光束7分别以littrow自准直角度入射，形成y轴回射光束；中间光束6的p光分量正入射并回射，形成z轴回射光束p光分量。
80.所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之p光分量会聚于一点，避免了由于测量轴x、y、z分离导致的阿贝误差。所述左光束3、右光束5、后光束4、前光束7、中间光束6之p光分量的回射光束再由第二准直透镜14准直回射后，第二次经第二四分之一波片13转变为p偏振态光束，直接通过偏振棱镜10出射得到分别对应左光束3 和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7和后两束4的外光束20和里光束 19，以及对应中间光束
6的中心光束18，从而形成x轴和y轴测量用二维衍射光栅15位移信号光束，分别带有正、负多普勒频移信号；
81.所述中间光束6的s偏振态光束通过偏振棱镜10反射出射与光束18重合。形成测量用二维衍射光栅z轴位移的p光和s光信号光束。
82.针对所述分别对应左光束3和右光束5的下光束17和上光束16，分别对应前光束7 和后两束4的外光束20和里光束19，以及对应中间光束6的中心光束18的x轴和y轴及 z轴测量光束探测光路皆与第一种情形一致。
83.所述偏振准直激光光源1经分束后得到左光束3、右光束5直至经第一相位光栅34衍射出射之光路本质为x轴mach-zehnder马赫-泽德干涉仪，第一探测器35、第二探测器36、第三探测器37所得信号实为测量二维衍射光栅15的x轴多普勒频移光学差分信号，具有2 倍光学细分特征，相比电子差分，精度更高。
84.类似地，所述偏振准直激光光源1经分束后得到后光束4、前光束7直至经第二相位光栅29衍射出射之光路本质为y轴mach-zehnder马赫-泽德干涉仪，第四探测器30、第五探测器31、第六探测器32所得信号实为测量用二维衍射光栅15的y轴多普勒频移光学差分信号，具有2倍光学细分特征，相比电子差分，精度更高。
85.所述x轴mach-zehnder马赫-泽德干涉仪和y轴mach-zehnder马赫-泽德干涉仪构成两维mach-zehnder马赫-泽德干涉仪。
86.图1、图2、图3中，所述偏振准直激光光源1经分束后得到中间光束6直至经第三相位光栅23衍射出射之光路本质为z轴michelson迈克尔逊干涉仪；图4、图5中，所述偏振准直激光光源1经分束后得到中间光束6直至经第三相位光栅23衍射出射之光路本质为z轴mach-zehnder马赫-泽德干涉仪，由此构成三维mach-zehnder马赫-泽德干涉仪；第七探测器24、第八探测器25、第九探测器26所得信号实为测量二维衍射光栅15的z轴位移信号。
87.所述x轴、y轴、z轴测量光束产生光路中，投影于测量用二维衍射光栅15上的直线，两两正交且共交点，对应为相应测量轴。避免了测量轴交点不同导致的阿贝误差以及测量轴非正交导致的余弦误差。
88.所述三维mach-zehnder马赫-泽德干涉仪或两维mach-zehnder马赫-泽德干涉仪与一维michelson迈克尔逊干涉仪构成三维位移测量零差光栅干涉仪，与信号采集及处理器38 组成本发明的三轴光栅尺。结构紧凑，成本低，x，y轴光路具有2倍光学细分及光学差分信号，精度高，大安装容差特征。
89.图6为公式1推导示意图。g1代表分束用二维衍射光栅2，栅距为d1；l1代表第一准直透镜8，焦距为f1；l2代表第二准直透镜14，焦距为f2，g2代表测量用二维衍射光栅15，栅距为d2。
90.θ1为
±
1级g1光栅衍射分束衍射角，满足：
91.d1sinθ1＝λ
ꢀꢀ
(4)
92.r＝f1t
g
θ1ꢀꢀ
(5)
93.θ2为g2的littrow自准直入射角，满足：
94.2d2sinθ2＝λ
ꢀꢀ
(6)
95.r＝f2t
g
θ2ꢀꢀ
(7)
96.联立(4)
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(7)式可推得关系式(1)。
97.类似地，l2代表第三准直透镜33，焦距为f3，g2代表第一相位光栅34，栅距为d3，上光束16、下光束17经过第三准直透镜33聚焦于第一相位光栅34衍射形成三束干涉光束，如图6中虚线出射光束d1、d2、d3。所述三束衍射干涉光束彼此相位相差优选角度是 120
°
，由第一探测器35、第二探测器36、第三探测器37分别探测。由此推得关系式(2)。满足关系式(2)的所述三束干涉光束，其中每束由两束入射光衍射后完全重合形成，对比度最大，信号最佳。
98.类似地，l2代表第四准直透镜28，焦距为f4，g2代表第二相位光栅29，栅距为d4，里光束19、外光束20经过第四准直透镜28聚焦于第二相位光栅29衍射形成三束干涉光束，如图6中虚线出射光束d1、d2、d3。所述三束衍射干涉光束彼此相位相差优选角度是 120
°
，由第四探测器30、第五探测器31、第六探测器32分别探测。由此推得关系式(3)。满足关系式(3)的所述三束干涉光束，其中每束由两束入射光衍射后完全重合形成，对比度最大，信号最佳。
99.所述分束用二维衍射光栅2可以是dammann达曼光栅，亦可以是两个一维衍射光栅组合。
100.所述第一相移光栅34、第二相位光栅29、第三相位光栅23是一维衍射光栅，亦可是二维衍射光栅。