CN104359411A - 一种利用光栅测量的位移测量系统 - Google Patents

Abstract

一种利用光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器、凸透镜、折光元件、光栅、光电转换器和电子信号处理部件；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，位移测量功能不受读取距离的限制，可灵活安装和应用到多种需要测量位移的场合之中。当光栅相对激光器做三自由度平动时，测量系统能够始终输出所需测量方向的位移信息，不受另两个方向运动的影响。该测量系统安装灵活，调整方便，对环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高。本发明可以为光刻机超精密工件台进行位置位移测量，提升工件台综合性能，也可应用于精密机床、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。

Description

一种利用光栅测量的位移测量系统

技术领域

本发明涉及一种利用光栅测量的位移测量系统，尤其涉及一种可适应不同读取距离的光栅位移测量系统。

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之中。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。基于衍射干涉原理的光栅测量系统作为一种典型的位移传感器以其测量分辨率高、精度高、成本低等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选。

在半导体制造装备中，光刻机是半导体芯片制作中的关键设备，而超精密工件台则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。超精密工件台以其大行程、超精密、多自由度运动等特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。传统光栅测量系统的测量装置必须时刻贴近光栅，对位置有着十分苛刻的要求，应用在超精密工件台的多自由度测量之中，不仅安装不便，调整困难，其位置的局限性还一定程度上限制了工件台运动距离、运动精度等指标的进一步提升。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用光栅测量的位移测量系统，使其位移测量功能不受测量装置与光栅之间距离的限制，从而实现在不同距离下的位移测量功能，同时光栅相对于测量装置的距离的变化不会影响到测量结果。

本发明的技术方案如下：

一种利用光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器、光栅、光电转换器和电子信号处理部件，其特征在于，所述系统还包括凸透镜和折光元件，该折光元件为棱柱体；所述的凸透镜的中心位于激光器的激光光轴上，所述的折光元件截面相对于激光光轴对称；所述的激光器产生的激光垂直入射到光栅上；光栅产生的正负级衍射光经过折光元件后，折射并形成与激光光轴平行的两束光，然后经凸透镜汇聚到光电转换器上形成干涉信号，该干涉信号经光电转换器转换成电信号后进入电子信号处理部件之中。

优选地，所述激光器位于凸透镜与光电转换器之间，激光器发出的激光依次先经过凸透镜折光元件后垂直入射到光栅上。

优选地，所述的折光元件采用三角棱镜，其截面为等腰三角形；或采用梯形棱镜，其截面为等腰梯形，或采用反射镜组。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：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，位移测量功能不受光栅与测量装置的距离的限制，可灵活安装和应用到各种需要测量位移的场合当中。当光栅相对测量装置做三自由度平动时，测量系统能够始终输出所需测量方向的位移信息，不受另两个方向平动的影响。该测量系统安装灵活，调整方便，对环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高。该测量系统可以为光刻机超精密工件台进行位置的测量，提升工件台综合性能，也可应用于精密机床、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。

附图说明

图1为本发明的第一种实施例的结构原理示意图。

图2为本发明的第一种实施例的三维结构示意图。

图3为本发明的第二种实施例的结构原理示意图。

图4为本发明的第三种实施例的结构原理示意图。

图5为本发明的第四种实施例的结构原理示意图。

图6为本发明的第五种实施例的结构原理示意图。

图7为本发明的第六种实施例的结构原理示意图。

图8为本发明的测量装置工作原理示意图。

图中，1—激光器，2—凸透镜，3—光栅，4—光电转换器，5—电子信号处理部件，6a—三角棱镜，6b—梯形棱镜，6c—反射镜组，7—待测物体。

具体实施方式

本发明为一种利用光栅测量的位移测量系统，包括激光器1、凸透镜2、折光元件、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

请参考图1、图2，图1为本发明第一种实施例的结构原理示意图，也是本发明优选的实施例。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、三角棱镜6a、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。图2为本发明的第一种实施例的三维结构示意图。

本实施例中，激光器1位于凸透镜2和光电转换器4之间；凸透镜2的中心位于激光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为三角棱镜6a，其截面为等腰三角形且相对于激光光轴对称；三角棱镜6a的底面与光栅平面平行，其顶角指向光栅3。

下面介绍本实施例的工作原理。所述的激光器1产生的激光经过凸透镜2和折光元件的中心后垂直入射到光栅3上；光栅3产生的正负级衍射光经过折光元件后，折射并形成与凸透镜2光轴平行的两束光，然后经凸透镜2汇聚到光电转换器4上形成干涉信号，该干涉信号经光电转换器4转换成电信号后进入电子信号处理部件5之中，用于解调光栅运动的位移信息。

根据图1所示的笛卡尔坐标方向，当所述的光栅3相对于测量装置做Y方向的运动时，电子信号处理部件5将输出振幅稳定的交流信号，通过对信号进行计数以及进一步的相位解调，便可以解算出光栅3在Y方向上的运动位移信息；当所述的光栅3相对于测量装置做X方向的运动时，激光接触光栅的衍射点随光栅移动，其正负一级衍射光的方向不变但衍射位置发生了平移，所述的正负一级衍射光依然经过三角棱镜6a的上下表面，折射并形成与凸透镜2光轴平行的两束光，经凸透镜2汇聚到光电转换器4上形成干涉信号，该干涉信号经光电转换器4转换成电信号后进入电子信号处理部件5之中，由于正负一级衍射光光程同时改变且改变量相同，干涉信号反映的相位差信息不会受到影响，即测量装置输出的Y向位移测量结果不会受到光栅X方向位移的影响；当所述的光栅3相对于测量装置做Z方向的运动时，该方向为光栅刻线方向，即衍射光不会发生多普勒频移，测量装置输出的Y向位移测量结果不会受到光栅Z方向位移的影响。

当所述的光栅3相对于测量装置做Y方向的运动时，设电子信号处理部件5中接收到的交流信号极值点计数为N，交流信号振幅为U，最终位置信号电压为U₀，光栅栅距为d,则光栅3相对于测量装置做X方向的运动的距离为：

$s=(N+\arccos \frac{U_0}{U}\·\frac{1}{\mathrm{\π}})\·\frac{d}{2}---\left(1\right)$

为了达到所述的测量装置输出的Y向位移测量结果不受到光栅X、Z方向位移影响的功能效果，所述的折光元件必须能够使得光栅衍射产生正负一级衍射光折射到与凸透镜2光轴平行的方向。本实施例中，所述的折光元件为三角棱镜6a，其截面为等腰三角形，且三角形的底角与激光波长、光栅刻线密度以及三角棱镜6a折射率相关。

设激光波长为λ，光栅栅距为d，棱镜折射率为n，空气折射率为n₀，则所述三角棱镜6a的底角为

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\mathrm{\λ}}{n{n}_{0}d-\sqrt{{\left(n_{0}d\right)}^2-{\mathrm{\λ}}^2}}---\left(2\right)$

请参考图3，图3为本发明的第二种实施例的结构原理示意图。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、三角棱镜6a、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

本实施例中，激光器1位于折光元件和光栅3之间；凸透镜2的中心位于激光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为三角棱镜6a，其截面为等腰三角形且相对于激光光轴对称；三角棱镜6a的底面与光栅平面平行，其顶角指向光栅3。

本实施例的工作原理与第一种实施例完全相同，且折光元件的位置和形状也与第一种实施例完全相同。本实施例的激光器1位于折光元件和光栅3之间，激光器1产生的激光可以直接垂直入射到光栅3之中，其电子信号处理部件5最终接收的信号质量更好，但激光器的尺寸受测量原理限制更严格。

本发明中，激光器可以分别放置在凸透镜2和光电转换器4之间、凸透镜2和折光元件之间以及折光元件和光栅3之间，其位置的选择并不会影响测量系统的测量原理和功能。本发明优选将激光器放置在凸透镜2和光电转换器4之间的实施例。

请参考图4，图4为本发明的第三种实施例的结构原理示意图。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、三角棱镜6a、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

本实施例中，激光器1位于凸透镜2和光电转换器4之间；凸透镜2的中心位于激光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为三角棱镜6a，其截面为等腰三角形且相对于激光光轴对称；三角棱镜6a的底面与光栅平面平行，其顶角指向凸透镜2。

本实施例的工作原理与第一种实施例完全相同。所述的折光元件为三角棱镜6a，其截面为等腰三角形，且三角形的底角与激光波长、光栅刻线密度以及三角棱镜6a折射率相关。

设激光波长为λ，光栅栅距为d，棱镜折射率为n，空气折射率为n₀，则三角棱镜6a的底角应为

$\mathrm{\θ}=\arctan \frac{\sqrt{{\left(n{n}_{0}d\right)}^2-{\mathrm{\λ}}^2}}{n_{0}d+\mathrm{\λ}}---\left(3\right)$

本实施例与第一种实施例相比，折光元件的方向完全相反，使得棱镜能够折射更高功率的激光，减少折射过程中的功率损失，获得更高的测量分辨率和精度。

请参考图5，图5为本发明的第四种实施例的结构原理示意图。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、梯形棱镜6b、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

本实施例中，激光器1位于凸透镜2和光电转换器4之间；凸透镜2的中心位于激光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为梯形棱镜6b，其截面为等腰梯形且相对于激光光轴对称；梯形棱镜6b的底面与光栅平面平行，其顶面方向指向光栅3。

本实施例的工作原理与第一种实施例完全相同。所述的折光元件为梯形棱镜6b，其截面为等腰梯形，且梯形棱镜6b的底角与第一种实施例中三角棱镜6a的底角相同。梯形棱镜6b的厚度可以根据需要任意选取。

本实施例与第一种实施例相比，折光元件由三角棱镜6a替换为梯形棱镜6b，在不改变测量的前提下，减少了折光元件的体积，使得测量系统体积更小，更紧凑。

请参考图6，图6为本发明的第五种实施例的结构原理示意图。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、梯形棱镜6b、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

本实施例中，激光器1位于凸透镜2和光电转换器4之间；凸透镜2的中心位于激光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为梯形棱镜6b，其截面为等腰梯形且相对于激光光轴对称；梯形棱镜6b的底面与光栅平面平行，其顶面方向指向凸透镜2。

本实施例的工作原理与第一种实施例完全相同。所述的折光元件为梯形棱镜6b，其截面为等腰梯形，且梯形棱镜6b的底角与第三种实施例中三角棱镜6a的底角相同。梯形棱镜6b的厚度可以根据需要任意选取。

本实施例与第一种实施例相比，棱镜能够折射更高功率的激光，减少折射过程中的功率损失，获得更高的测量分辨率和精度；同时折光元件由三角棱镜6a替换为梯形棱镜6b，减少了折光元件的体积，使得测量系统体积更小，更紧凑。

请参考图7，图7为本发明的第六种实施例的结构原理示意图。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、反射镜组6c、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

本实施例中，激光器1位于凸透镜2和光电转换器4之间；凸透镜2的中心位于激光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为反射镜组6c，由两个反射镜构成，反射面的方向与Z轴平行，并分别于Y轴成一定角度，该角度与激光波长、光栅刻线密度相关

设激光波长为λ，光栅栅距为d，则反射镜组6c的两个反射面与Y轴夹角分别为

$\mathrm{\θ}=\±\frac{1}{2}\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{d}---\left(4\right)$

本实施例的工作原理与第一种实施例完全相同，所述的折光元件为反射镜组6c。

本实施例与第一种实施例相比，反射镜能够反射更高功率的激光，减少功率损失，获得更高的测量分辨率和精度。

请参考图8，图8为本发明的测量系统工作原理示意图。所述的位移测量系统包括光栅3及测量系统中其他的测量部件。

本发明为一种利用光栅测量的位移测量系统，测量系统可以测量光栅3相对于测量装置的位移信息。将光栅3安装在待测物体7上，其光栅面平行于Y轴Z轴所构成的平面，且光栅的刻线方向与Y轴相平行；测量装置产生的激光必须垂直入射到光栅3上。本测量系统将输出的Y向位移的测量结果，且测量功能不受待测物体7沿X、Z方向位移的影响。

Claims (5)

1.一种利用光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器(1)、光栅(3)、光电转换器(4)和电子信号处理部件(5)，其特征在于，所述系统还包括凸透镜(2)和折光元件，该折光元件为棱柱体；所述的凸透镜(2)的中心位于激光器(1)的激光光轴上，所述折光元件的截面相对于激光光轴对称；激光器(1)产生的激光垂直入射到光栅(3)上；光栅(3)产生的正负级衍射光经过折光元件后，折射并形成与激光光轴平行的两束光，然后经凸透镜(2)汇聚到光电转换器(4)上形成干涉信号，该干涉信号经光电转换器(4)转换成电信号后输入到电子信号处理部件(5)之中。

2.根据权利要求1所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：激光器(1)位于凸透镜(2)与光电转换器(4)之间，激光器(1)发出的激光依次经过凸透镜(2)、折光元件后垂直入射到光栅(3)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：所述的折光元件采用三角棱镜(6a)，其截面为等腰三角形。

4.根据权利要求1或2所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：所述的折光元件采用梯形棱镜(6b)，其截面为等腰梯形。

5.根据权利要求1或2所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：所述的折光元件采用反射镜组(6c)。