CN103759655B - 基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统 - Google Patents

Abstract

基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，包括光栅干涉仪、测量光栅、预处理单元和电子信号处理单元；光栅干涉仪包括激光管、偏振片、偏振分光棱镜、参考光栅、折光元件及四通道零差结构。该系统基于光栅衍射、光学多普勒和零差信号处理实现位移测量。光栅干涉仪输出光信号至预处理单元，转换为电信号至电子信号处理单元。当干涉仪与测量光栅做二自由度线性相对运动时，系统可输出两个线性位移。该测量系统采用二次衍射原理实现光学倍程，能够实现亚纳米甚至更高分辨率。采用零差信号处理，可消除直流分量和幅值变化带来的影响，具有对环境不敏感、测量精度高等优点，作为光刻机超精密工件台位移测量系统可提升工件台性能。

Description

基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种光栅测量系统，特别涉及一种二自由度零差光栅干涉仪测量系统。

背景技术

在纳米精密定位和位移监测中，激光干涉技术是应用最为广泛的一种非接触式精密测量技术。通常采用外差式和零差式激光干涉技术，外差干涉具有响应速度快，测量范围大，抗干扰能力强等优点。但受干涉仪中光源、光学器件调整误差、加工误差以及环境等因素的影响，使偏振正交的测量光和参考光不能彻底分离，导致非线性误差的存在，较大时甚至超过10nm。并且随着测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪以环境敏感性、测量速度难以提高、占用空间、价格昂贵、测量目标工件台难以设计制造控制等一系列问题难以满足测量需求。而零差干涉技术，虽然同样存在上述原因，但非线性误差较小，特别是采用偏振相移技术的无源零差干涉仪，利用差分信号的处理方法，使干涉仪的测量误差主要体现为较小的偏置误差。

针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量系统，研究成果在诸多专利论文中均有揭露。荷兰ASML公司美国专利US7,102,729B2（公开日2005年8月4日）、US7,483,120B2（公开日2007年11月15日）、US7,,940,392B2（公开日2009年12月24日）、公开号US2010/0321665A1（公开日2010年12月23日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量系统及布置方案，该测量系统主要利用一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台水平大行程位移，高度方向位移测量采用电涡流或干涉仪等高度传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国专利文献US7,864,336B2（公开日2011年1月4日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅干涉仪测量系统，该系统利用两个读数头的Littrow条件光栅反射实现位移测量，但需要的元器件多，体积大，并且由于通过两个读数头的结果进行解算，限制了测量效率和精度。美国ZYGO公司美国专利公开号US2011/0255096A1（公开日2011年10月20日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统亦采用一维或二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量，但结构复杂；日本CANON公司美国专利公开号US2011/0096334A1（公开日2011年4月28日）公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现一维测量。日本学者GAOWEI在研究论文“Design and construction of a two-degree-of-freedom linearencoder for nanometric measurement of stage position and straightness.PrecisionEngineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射干涉原理的单频二维光栅测量系统，该光栅测量系统可同时实现水平和垂直向的位移测量，但由于采用单频激光，测量信号易受干扰，精度难以保证。清华大学中国专利申请号201210449244.9（申请日2012年11月09日）及201210448734.7（申请日2012年11月09日）分别公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构中均采用了四分一波片用于变化光束的偏振态，光学结构复杂，同时光学元件的非理想性将导致测量误差。另外，中国专利文献公开号CN103307986A（公开日2013年09月18日）及CN103322927A（公开日2013年09月18日）分别公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构中均采用了光学二细分的光路设计，导致分辨率低的不足，且采用外差相位探测原理，不能消除直流分量和幅值变化带来的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，该测量系统采用零差信号处理，使其消除直流分量和幅值变化带来的影响，具有对环境不敏感的优点；采用二次衍射原理实现光学四倍程,能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度；该测量系统能够实现二个线性自由度位移的同时测量；另外使系统具有测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理；同时还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。

本发明的技术方案如下：

基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：包括光栅干涉仪、测量光栅、两个预处理单元和信号处理单元；光栅干涉仪包括激光管、第一偏振分光棱镜、参考光栅、第一折光元件、第二折光元件和两个四通道零差结构；其中第一折光元件由两个并行放置的直角透射棱镜组成并置于第一偏振分光棱镜和参考光栅之间，第二折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜组成并置于偏振分光棱镜和测量光栅之间；激光管出射激光通过偏振片后入射至偏振分光棱镜，反射光为参考光，透射光为测量光，参考光入射至参考光栅后产生两束衍射反射参考光，两束衍射反射参考光经第一折光元件形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至第一偏振分光棱镜后反射至两个四通道零差结构；测量光入射至测量光栅后产生两束衍射反射测量光，两束衍射反射测量光经第二折光元件后出射光分别与其入射光平行，且两束出射光第二次回射至测量光栅后衍射反射形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜后透射至两个四通道零差结构；利用这种设计使得光束两次打在光栅上，完成两次往返，实现光学倍程；最后两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜并反射至两个四通道零差结构，两束平行参考光和两束平行测量光在出射第一偏振分光棱镜后实现合光，其中一束参考光与一束测量光射入第一四通道零差结构，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第一预处理单元，另一束参考光与另一束测量光射入第二四通道零差结构，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第二预处理单元，最后分别在第一预处理单元和第二预处理单元中进行运算处理并输出两个电信号至信号处理单元进行处理；当测量光栅相对于光栅干涉仪做两个自由度的线性运动时，信号处理单元将输出二自由度线性位移。

上述技术方案中，所述的每个四通道零差结构包括分光镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第三四分之一波片、第二偏振分光棱镜、第三偏振分光棱镜和光电探测器；参考光和测量光合光后进入四通道零差结构，首先经过分光镜分为两束；其中反射光经过第一四分之一波片后进入第二偏振分光棱镜，再分为两束光，并分别射入两个光电探测器，最终输出两个正弦信号；透射光经过第二四分之一波片和第三四分之一波片后进入偏振分光棱镜，再分为两束光分别射入两个光电探测器，最终输出两个余弦信号。

上述技术方案中，所述的每个预处理单元内部为四个运算放大器，将两个正弦信号和两个余弦信号分别进行运算处理，最终得到两个输出信号至电子信号处理单元。

本发明所提供的基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统具有以下优点及突出性效果：该测量系统采用零差信号处理，可消除直流分量和幅值变化带来的影响，具有对环境不敏感的优点；采用二次衍射原理实现光学倍程,大大提高了分辨率，能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度；另外系统测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理，且能够实现二个线性自由度位移的同时测量；同时该光栅干涉仪测量系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。应用于光刻机超精密工件台的位移测量，对比激光干涉仪测量系统，在满足测量需求的基础上，可有效的降低工件台体积、质量，大大提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提高。该二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。

附图说明

图1为本发明的一种零差光栅干涉仪位移测量系统示意图。

图2为本发明的一种光栅干涉仪内部结构示意图。

图3为本发明的一种四通道零差结构示意图。

图中，1—零差光栅干涉仪；2—测量光栅；3a—第一预处理单元；3b—第二预处理单元；4—电子信号处理单元；11—激光管；12—第一偏振分光棱镜；13—参考光栅，14—第一折光元件，15—第二折光元件，16a—第一四通道零差结构,16b—第二四通道零差结构；161—分光镜，162—第一四分之一波片，164—第二四分之一波片，165—第三四分之一波片,163—第二偏振分光棱镜,166—第三偏振分光棱镜，167—光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式作进一步地详细描述。

图1为本发明的基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统示意图,该二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统包括光栅干涉仪1、测量光栅2、第一预处理单元3a、第二预处理单元3b、电子信号处理单元4，测量光栅2为一维反射型光栅。

图2为本发明的一种光栅干涉仪内部结构示意图。所述的光栅干涉仪2包括激光管11、第一偏振分光棱镜12、参考光栅13、第一折光元件14、第二折光元件15、第一四通道零差结构16a和第二四通道零差结构16b；参考光栅13为一维反射型光栅，第一折光元件由两个并行放置的直角透射棱镜组成并置于第一偏振分光棱镜和参考光栅之间，第二折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜组成并置于偏振分光棱镜和测量光栅之间。

请参考图3，图3为本发明的一种四通道零差结构示意图。所述的四通道零差结构包括分光镜161，第三四分之一波片162、第四四分之一波片164、第五四分之一波片165，第二偏振分光棱镜163、第三偏振分光棱镜166和光电探测器167。

结合图1、图2、图3阐述测量系统原理，所述的激光管11出射激光通过偏振片后入射至偏振分光棱镜12，反射光为参考光，透射光为测量光，参考光入射至参考光栅13后产生两束衍射反射参考光，两束衍射反射参考光经第一折光元件14形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至第一偏振分光棱镜12后反射至两个四通道零差结构；测量光入射至测量光栅2后产生两束衍射反射测量光，两束衍射反射测量光经第二折光元件后出射光分别与其入射光平行，且两束出射光第二次回射至测量光栅2后衍射反射形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜12后透射至两个四通道零差结构；利用这种设计使得光束两次打在光栅上，完成两次往返，实现光学倍程；最后两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜12并反射至两个四通道零差结构。

两束平行参考光和两束平行测量光在出射第一偏振分光棱镜12后实现合光，其中一束参考光与一束测量光射入第一四通道零差结构16a，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第一预处理单元3a，另一束参考光与另一束测量光射入第二四通道零差结构16b，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第二预处理单元3b，最后分别在第一预处理单元3a和第二预处理单元3b中进行运算处理并输出两个电信号至信号处理单元4进行处理。

参考光与测量光合光后进入四通道零差结构，首先经过分光镜161分为两束。其中反射光经过四分之一波片162后进入偏振分光棱镜163，再分为两束光，并分别射入两个光电探测器，最终输出两个正弦信号；透射光经过两个四分之一波片164和165后进入偏振分光棱镜166，再分为两束光分别射入两个光电探测器，最终输出两个余弦信号。四通道零差结构输出的正弦、余弦信号输入至预处理单元，在其中将四组正弦信号和余弦信号分别进行运算处理最终得两个输出信号至电子信号处理单元。

当所述的测量光栅2相对于光栅干涉仪1做二个自由度的线性运动时（其中垂直于测量光栅方向为微小运动），根据多普勒效应，测量光将发生相位变化，两束测量光和两束参考光分别合光后经四通道零差结构、预处理单元、电子信号处理单元处理后输出两个相位测量值α和β。

上述实施方式中给出测量系统及结构方案采用零差信号处理，可消除直流分量和幅值变化带来的影响，具有对环境不敏感的优点；该测量系统采用二次衍射原理实现光学倍程提高了分辨率，能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度；能够实现二个线性自由度位移的同时测量；另外系统测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理；同时该光栅干涉仪测量系统还具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。应用于光刻机超精密工件台的位移测量，对比激光干涉仪测量系统，在满足测量需求的基础上，可有效的降低工件台体积、质量，大大提高工件台的动态性能，使工件台整体性能综合提高。该二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统还可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。

Claims (2)

1.基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：包括光栅干涉仪(1)、测量光栅(2)、两个预处理单元和电子信号处理单元(4)；光栅干涉仪(1)包括激光管(11)、第一偏振分光棱镜(12)、参考光栅(13)、第一折光元件(14)、第二折光元件(15)和两个四通道零差结构；其中第一折光元件由两个并行放置的直角透射棱镜组成并置于第一偏振分光棱镜(12)和参考光栅(13)之间，第二折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜组成并置于第一偏振分光棱镜(12)和测量光栅(2)之间；激光管(11)出射激光通过偏振片后入射至第一偏振分光棱镜(12)，反射光为参考光，透射光为测量光，参考光入射至参考光栅(13)后产生两束衍射反射参考光，两束衍射反射参考光经第一折光元件(14)形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至第一偏振分光棱镜(12)后反射至两个四通道零差结构；测量光入射至测量光栅(2)后产生两束衍射反射测量光，两束衍射反射测量光经第二折光元件后出射光分别与其入射光平行，且两束出射光第二次回射至测量光栅(2)后衍射反射形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜(12)后透射至两个四通道零差结构；利用这种设计使得光束两次打在光栅上，完成两次往返，实现光学倍程；最后两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜(12)并反射至两个四通道零差结构，两束平行参考光和两束平行测量光在出射第一偏振分光棱镜(12)后实现合光，其中一束参考光与一束测量光射入第一四通道零差结构(16a)，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第一预处理单元(3a)，另一束参考光与另一束测量光射入第二四通道零差结构(16b)，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第二预处理单元(3b)，最后分别在第一预处理单元(3a)和第二预处理单元(3b)中进行运算处理并输出两个电信号至电子信号处理单元(4)进行处理；当测量光栅(2)相对于光栅干涉仪(1)做两个自由度的线性运动时，电子信号处理单元(4)将输出二自由度线性位移；

所述的每个四通道零差结构包括分光镜(161)、第一四分之一波片(162)、第二四分之一波片(164)、第三四分之一波片(165)、第二偏振分光棱镜(163)、第三偏振分光棱镜(166)和光电探测器(167)；参考光和测量光合光后进入四通道零差结构，首先经过分光镜(161)分为两束；其中反射光经过第一四分之一波片(162)后进入第二偏振分光棱镜(163)，再分为两束光，并分别射入两个光电探测器，最终输出两个正弦信号；透射光经过第二四分之一波片(164)和第三四分之一波片(165)后进入偏振分光棱镜(166)，再分为两束光分别射入两个光电探测器，最终输出两个余弦信号。

2.根据权利要求1所述的基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的每个预处理单元内部为四个运算放大器，将两个正弦信号和两个余弦信号分别进行运算处理，最终得到两个输出信号至电子信号处理单元(4)。