CN103759656B - 一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统 - Google Patents

Abstract

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，包括双频激光器、光栅干涉仪、测量光栅、接收器、信号处理单元；光栅干涉仪包括侧向位移分光棱镜、偏振分光棱镜、参考光栅、折光元件；该测量系统基于光栅衍射、光学多普勒效应和光学拍频原理实现位移测量。双频激光器的激光入射至干涉仪、测量光栅后输出光信号至接收器，后至信号处理单元。当干涉仪与测量光栅做二自由度线性相对运动时，系统可输出二个线性位移。该测量系统采用二次衍射原理实现光学四细分，能够实现亚纳米甚至更高分辨率，且能够同时测量二个线性位移。该测量系统具有对环境不敏感、测量精度高、质量轻等优点，作为光刻机超精密工件台位置测量系统可提升工件台综合性能。

Description

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种实现光学四细分的光栅测量系统，特别涉及一种二自由度外差光栅干涉仪测量系统。

背景技术

光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量系统作为一种发展成熟的位移传感器以其测距长、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选，但精度通常在微米量级，常见于一般工业应用。

半导体制造装备中的光刻机是半导体芯片制作中的关键设备。超精密工件台是光刻机的核心子系统，用于承载掩模板和硅片完成高速超精密步进扫描运动。超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干涉仪测量系统测量超精密工件台多自由度位移。然而随着测量精度、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。

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 linear encoderfor 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。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，且参考信号也需要光栅，增加了成本。

考虑到上述技术方案的局限，寻求一种利用光学拍频原理，并能实现光学四细分的外差光栅干涉仪测量系统；该系统能够利用二次衍射原理实现光学四细分结构,提高分辨率，实现亚纳米甚至更高分辨率及精度；能利用棱镜组的配合替代了传统光栅测量中的参考光栅，降低了成本；该测量系统能够实现二个线性自由度位移的同时测量，具有对环境不敏感的优点；同时该光栅干涉仪测量系统还要具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。采用该测量系统作为超精密工件台位移测量装置，能够有效的降低激光干涉仪测量系统在超精密工件台应用中的不足，使光刻机超精密工件台性能提升。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。

发明内容

本发明的目的是提供一种二自由度外差光栅干涉仪测量系统，该系统采用光学四细分结构，以进一步提高分辨率与精度，并使该测量系统能够实现二个线性自由度位移的同时测量；同时利用棱镜组的配合替代传统光栅测量中的参考光栅，使其具有测量光路短、环境敏感性低、测量信号易于处理、结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用及成本低等优点。

本发明的技术方案如下：

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统包括双频激光器、光栅干涉仪、测量光栅、接收器、信号处理单元；其特征在于：光栅干涉仪包括第一侧向位移分光棱镜、第二侧向位移分光棱镜、偏振分光棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一折光元件和第二折光元件；双频激光器出射双频激光至第一侧向位移分光棱镜后,透射光为测量光，反射光为参考光；其中测量光依次经过第二侧向位移分光棱镜、偏振分光棱镜和第一四分之一波片透射后,第1次打在测量光栅上并发生衍射形成正负一级衍射光线，射入第一折光元件后其出射光与其入射光平行，两束出射光第2次打在测量光栅上并发生衍射，形成的两束平行光再次透射经过第一四分之一波片，并在偏振分光棱镜中发生反射,形成两束平行测量光；而参考光入射至第二侧向位移分光棱镜后产生透射光和反射光；其中透射光在偏振分光棱镜中反射后，透射经过第二四分之一波片并进入第二折光元件，在其中经过两次反射后再次经过第二四分之一波片，之后在偏振分光棱镜中透射形成第一束参考光；反射光同样在偏振分光棱镜中反射后，透射经过第二四分之一波片并进入第二折光元件，在其中经过两次反射后再次经过第二四分之一波片，之后在偏振分光棱镜中透射形成第二束参考光，最后形成两束平行参考光；两束平行测量光与两束平行参考光最终在偏振分光棱镜处实现合光，两束平行测量光中的一束与两束平行参考光中的一束合光后经过光纤接入接收器，两束平行测量光中的另一束与两束平行参考光中的另一束合光后经过光纤接入接收器，两束合光在接收器中转为电信号，再输入至信号处理单元进行处理；当固定于运动台的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。

所述的第一折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜组成，第二折光元件由一个直角反射棱镜组成，光线通过其直角边反射实现折光。

本发明的另一技术方案是：所述的第一折光元件由两个对称放置的后向反射棱镜组成，光线通过其内部三个反射面的反射实现折光。

本发明所提供的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统具有以下优点及突出性效果：该测量系统采用二次衍射原理实现光学四细分结构,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；利用棱镜组的配合替代了传统光栅测量中的参考光栅，大大降低了成本；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。

附图说明

图1为本发明第一种外差光栅干涉仪位移测量系统示意图。

图2为本发明第一种光栅干涉仪内部结构示意图。

图3为本发明第二种光栅干涉仪内部结构示意图。

图中，1—双频激光器，2—光栅干涉仪，3—测量光栅，4—接收器，5—信号处理单元；21—第一侧向位移分光棱镜，22—第二侧向位移分光棱镜，23—偏振分光棱镜，24—第一四分之一波片，25a—直角反射棱镜，25b—后向反射棱镜，26—第二四分之一波片，27—第二折光元件。

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。

请参考图1，图1为本发明第一种外差光栅干涉仪位移测量系统示意图。如图1所示，该二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统包括双频激光器1、光栅干涉仪2、测量光栅3、接收器4、信号处理单元5，测量光栅3为一维反射型光栅。

请参考图2，图2为本发明第一种光栅干涉仪内部结构示意图。所述的光栅干涉仪包括第一侧向位移分光棱镜21、第二侧向位移分光棱镜22、偏振分光棱镜23、第一四分之一波片24、第二四分之一波片26、第一折光元件、第二折光元件。第一折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜25a组成，第二折光元件27由一个直角反射棱镜组成。

结合图1、图2阐述测量系统原理，一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统包括双频激光器1、光栅干涉仪2、测量光栅3、接收器4、信号处理单元5；光栅干涉仪2包括第一侧向位移分光棱镜21、第二侧向位移分光棱镜22、偏振分光棱镜23、第一四分之一波片24、第二四分之一波片26、第一折光元件和第二折光元件27。

双频激光器1出射双频激光至第一侧向位移分光棱镜21后,透射光为测量光，反射光为参考光；其中测量光依次经过第二侧向位移分光棱镜22、偏振分光棱镜23和第一四分之一波片24透射后,第1次打在测量光栅3上并发生衍射形成正负一级衍射光线，射入第一折光元件后其出射光与其入射光平行，两束出射光第2次打在测量光栅3上并发生衍射，形成的两束平行光再次透射经过第一四分之一波片24，并在偏振分光棱镜23中发生反射,形成两束平行测量光；而参考光入射至第二侧向位移分光棱镜22后产生透射光和反射光；其中透射光在偏振分光棱镜23中反射后，透射经过第二四分之一波片26并进入第二折光元件27，在其中经过两次反射后再次经过第二四分之一波片26，之后在偏振分光棱镜23中透射形成第一束参考光；反射光同样在偏振分光棱镜23中反射后，透射经过第二四分之一波片26并进入第二折光元件27，在其中经过两次反射后再次经过第二四分之一波片26，之后在偏振分光棱镜23中透射形成第二束参考光，最后形成两束平行参考光。

两束平行测量光与两束平行参考光最终在偏振分光棱镜23处实现合光，两束平行测量光中的一束与两束平行参考光中的一束合光后经过光纤接入接收器4，两束平行测量光中的另一束与两束平行参考光中的另一束合光后经过光纤接入接收器4，两束合光在接收器4中转为电信号，再输入至信号处理单元5进行处理。

当所述的测量光栅3相对于光栅干涉仪2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接收器4、信号处理单元5处理后输出两个相位测量值。

请参考图3，图3为本发明第二种光栅干涉仪内部结构示意图。如图3所示，光栅干涉仪内部结构中的第一折光元件由两个对称放置的后向透射棱镜25b组成。对比采用直角棱镜25a的方案，该方案对入射角度不敏感，且结构小，可使干涉仪结构更加紧凑、简洁、便于安装。

上述实施方式中给出的测量系统及结构方案采用二次衍射原理实现光学四细分，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高；利用棱镜组的配合替代了传统光栅测量中的参考光栅，大大降低了成本；该系统能够实现二个线性自由度位移的同时测量，且系统测量光路短、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。该三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 (3)

1.一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，包括双频激光器(1)、光栅干涉仪(2)、测量光栅(3)、接收器(4)和信号处理单元(5)；其特征在于：光栅干涉仪(2)包括第一侧向位移分光棱镜(21)、第二侧向位移分光棱镜(22)、偏振分光棱镜(23)、第一四分之一波片(24)、第二四分之一波片(26)、第一折光元件和第二折光元件(27)；双频激光器(1)出射双频激光至第一侧向位移分光棱镜(21)后,产生第一透射光和第一反射光，第一透射光为测量光，第一反射光为参考光；其中作为测量光的第一透射光依次经过第二侧向位移分光棱镜(22)、偏振分光棱镜(23)和第一四分之一波片(24)透射后,第1次打在测量光栅(3)上并发生衍射形成正负一级衍射光线，射入第一折光元件后其出射光与其入射光平行，两束出射光第2次打在测量光栅(3)上并发生衍射，形成的两束平行光再次透射经过第一四分之一波片(24)，并在偏振分光棱镜(23)中发生反射,形成两束平行测量光；而作为参考光的第一反射光入射至第二侧向位移分光棱镜(22)后又产生第二透射光和第二反射光；其中第二透射光在偏振分光棱镜(23)中反射后，透射经过第二四分之一波片(26)并进入第二折光元件(27)，在其中经过两次反射后再次经过第二四分之一波片(26)，之后在偏振分光棱镜(23)中透射形成第一束参考光；第二反射光同样在偏振分光棱镜(23)中反射后，透射经过第二四分之一波片(26)并进入第二折光元件(27)，在其中经过两次反射后再次经过第二四分之一波片(26)，之后在偏振分光棱镜(23)中透射形成第二束参考光，最后形成两束平行参考光；两束平行测量光与两束平行参考光最终在偏振分光棱镜(23)处实现合光，两束平行测量光中的一束与两束平行参考光中的一束合光后经过光纤接入接收器(4)，两束平行测量光中的另一束与两束平行参考光中的另一束合光后经过光纤接入接收器(4)，两束合光在接收器(4)中转为电信号，再输入至信号处理单元(5)进行处理；当固定于运动台的测量光栅(3)相对于光栅干涉仪(2)做两个自由度的线性运动时，信号处理单元(5)将输出二自由度线性位移。

2.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的第一折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜(25a)组成，第二折光元件(27)由一个直角反射棱镜组成，光线通过其直角边反射实现折光。

3.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：所述的第一折光元件由两个对称放置的后向反射棱镜(25b)组成，光线通过其内部三个反射面的反射实现折光。