CN104515470B - 全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构 - Google Patents

Abstract

全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构属于全息平面衍射光栅制作领域，目的在于解决现有技术存在的干涉场承载平台热膨胀对测量精度的影响以及米级尺寸的Y轴长条反射镜的加工及装调难度大的问题。本发明包括的X轴测量系统包括X轴光束方向调节器、X轴干涉计、潜望镜结构、X轴测量反射镜和X轴参考反射镜；Y轴测量系统包括Y轴干涉计、Y轴参考反射镜和Y轴测量反射镜；双频激光器发出的激光经分光棱镜分出两束光，并分别通过转向棱镜进入到X轴测量系统和Y轴测量系统；X轴测量系统中X轴干涉计采用潜望镜结构实现工作台X轴相对位置的测量；Y轴测量系统采用多个Y轴干涉计实现Y轴相对位置的测量。

Description

全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构

技术领域

本发明属于全息平面衍射光栅制作技术领域，具体涉及一种全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构。

背景技术

制造米级尺度全息光栅的方法主要有以下两种：一种是静态干涉场曝光方式，两束平面高斯光束相叠加形成直线状干涉条纹，而且干涉场与光栅基底始终保持静止，一次曝光将干涉条纹记录于曝光胶上，制造米级尺度光栅需要同等甚至更大尺寸的干涉场。另一种是扫描曝光方式，即采用两束小截面高斯激光相干涉形成光斑直径为毫米量级的干涉条纹(又称干涉场)，通过精密工作台的二维运动以扫描干涉场曝光方式将干涉场记录于曝光胶上，制作出具有纳米级精度的大面积平面衍射光栅。扫描干涉场曝光方式制作大面积全息光栅时不需要大口径光学系统，因此该方法降低了光学加工难度且更利于实现米级大尺寸全息光栅的制作。描干涉场曝光二维工作台的X轴位移用于确定光栅的每条刻线的位置，Y轴位移用于实现对光栅各刻线扫描过程中的速度均匀性进行控制，工作台的摆角测量用于实现工作台摆角控制及X轴测量镜面形补偿等。描描干涉场曝光二维工作台的X轴位移的短期测量精度要求在纳米量级，Y轴位移的短期测量精度要求在百纳米量级。工作台位移和摆角测量光路结构的优劣直接影响着扫描曝光光栅的性能指标，如衍射波前和杂散光等。

现有技术对工作台X轴方向运动的位移和摆角测量是将激光干涉计的参考反射镜与干涉计安放在同一大理石底座上，将测量反射镜固定在工作台上层台上，该方法没有考虑到干涉场承载平台热膨胀对工作台和干涉场在X轴方向相对位移测量精度的影响；现有技术对工作台Y轴方向运动的位移和摆角测量的测量反射镜仅采用一个长条测量反射镜实现，该方法对具有制造米级以上光栅长度的扫描曝光系统而言，要求其加工一个米级以上尺寸的平面长条反射镜，如对于500mm×1500mm光栅而言，其相应的Y轴反射镜长度则应大于1500mm，而且该反射镜的面形精度应在百纳米量级，该米级尺寸的Y轴长条反射镜的加工及装调难度较大。

发明内容

本发明的目的在于提出一种全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构，解决现有技术存在的干涉场承载平台热膨胀对测量精度的影响以及米级尺寸的Y轴长条反射镜的加工及装调难度大的问题。

为实现上述目的，本发明的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构包括双频激光器、分光棱镜、转向棱镜、X轴测量系统和Y轴测量系统；所述X轴测量系统包括X轴光束方向调节器、X轴干涉计、潜望镜结构、X轴测量反射镜和X轴参考反射镜；所述Y轴测量系统包括Y轴光束方向调节器、Y轴干涉计、Y轴参考反射镜和Y轴测量反射镜；

所述双频激光器发出的激光经分光棱镜分出两束光，并分别通过转向棱镜进入到X轴测量系统和Y轴测量系统；

进入到X轴测量系统的光通过X轴光束方向调节器进入到所述X轴干涉计，光束经X轴干涉计分成上下两簇光，上面的光经过所述潜望镜结构进行光路折转后，入射到X轴参考反射镜表面，然后沿原光路返回到所述X轴干涉计的内部，下面的光经所述X轴测量反射镜反射后沿原光路返回至所述X轴干涉计的内部，上下两簇光的返回光在所述X轴干涉计内部发生干涉；

进入到Y轴测量系统的光依次通过n个分光棱镜和Y轴光束方向调节器分别进入到n个Y轴干涉计，每个Y轴干涉计将进入的光束分成上下两簇光，上面的光入射到一个Y轴参考反射镜表面后，沿原光路返回到所述Y轴干涉计的内部，下面的光经一个Y轴测量反射镜反射后沿原光路返回至所述Y轴干涉计的内部，上下两簇光的返回光在Y轴干涉计内部发生干涉。

所述潜望镜结构包括潜望镜固定座、反射镜固定块、两个潜望反射镜和反射镜压板；两个潜望反射镜的反射表面互相平行且与入射光束成45度角，潜望反射镜通过反射镜固定块和反射镜压板固定在所述潜望镜固定座上。

所述潜望反射镜的侧视图是一个直角梯形，所述直角梯形的下底边长为上底边长的二倍。

所述X轴测量系统还包括X轴反射镜调整座和X轴参考反射镜调整架；所述X轴参考反射镜通过所述X轴参考反射镜调整架安装在干涉场光学承载机构上，所述X轴参考反射镜位于光栅基底的上方，所述X轴测量反射镜通过X轴反射镜调整座设置在二维工作台上。

所述Y轴测量系统还包括Y轴测量反射镜调整架，多个Y轴测量反射镜分别通过Y轴测量反射镜调整架设置在二维工作台上。

所述n的取值为至少二个。

本发明的有益效果为：本发明的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构采用所述潜望镜结构来实现在Z轴方向具有百毫米量级高度差的干涉场和工作台之间的X轴相对位置测量，避免了干涉场随热膨胀发生位置变化对工作台的X轴相对位置测量的影响；本发明的所述潜望镜结构采用的是两个独立的且侧面呈直角梯形的潜望反射镜来实现一个潜望镜的功能，所述的两个潜望反射镜便于装调且结构稳定，有益于提高工作台与干涉场在X轴方向的相对位移的测量精度；同时，在工作台Y轴位移测量方面，本发明采用n个Y轴测量反射镜实现一个具有其n倍长度的Y轴测量反射镜的功能，降低了Y轴测量反射镜的加工及装调难度，该方法对米级以上尺寸的扫描曝光光栅制作而言尤为有益。

附图说明

图1为本发明的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构示意图；

图2为本发明的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构中X轴测量系统三维图结构示意图；

图3为本发的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构中二维工作台和干涉场光学承载机构的空间位置示意图；

图4为本发明左侧的Y轴干涉计开始工作时的Y轴干涉计与Y轴测量反射镜的相对位置关系示意图；

图5为本发明中间的Y轴干涉计开始工作时的Y轴干涉计与Y轴测量反射镜的相对位置关系示意图；

图6为本发明右侧的Y轴干涉计开始工作时的Y轴干涉计与Y轴测量反射镜的相对位置关系示意图；

其中：1、双频激光器，2、分光棱镜，3、波长跟踪器，4、转向棱镜，5、X轴光束方向调节器，6、X轴干涉计，7、潜望镜结构，701、潜望镜固定座，702、反射镜固定块，703、潜望反射镜，704、反射镜压板，8、X轴测量反射镜，9、X轴反射镜调整座，10、X轴参考反射镜，11、X轴参考反射镜调整架，12、Y轴光束方向调节器，13、Y轴干涉计，14、Y轴参考反射镜，15、Y轴测量反射镜，16、Y轴测量反射镜调整架，17、光栅基底，18、二维工作台，19、干涉场光学承载机构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

参见附图1、附图2和附图3，本发明的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构包括双频激光器1、分光棱镜2、转向棱镜4、X轴测量系统和Y轴测量系统；所述X轴测量系统包括X轴光束方向调节器5、X轴干涉计6、潜望镜结构7、X轴测量反射镜8和X轴参考反射镜10；所述Y轴测量系统包括Y轴光束方向调节器12、Y轴干涉计13、Y轴参考反射镜14和Y轴测量反射镜15；

所述双频激光器1发出的激光经分光棱镜2分出两束光，并分别通过转向棱镜4进入到X轴测量系统和Y轴测量系统；

进入到X轴测量系统的光通过X轴光束方向调节器5进入到所述X轴干涉计6，光束经X轴干涉计6分成上下两簇光，上面的光经过所述潜望镜结构7进行光路折转后，入射到X轴参考反射镜10表面，然后沿原光路返回到所述X轴干涉计6的内部，下面的光经所述X轴测量反射镜8反射后沿原光路返回至所述X轴干涉计6的内部，上下两簇光的返回光在所述X轴干涉计6内部发生干涉，将该干涉光束进行接收后经电子信号处理即可获得二维工作台18相对于干涉场在X轴方向的位移和摆角；

进入到Y轴测量系统的光依次通过n个分光棱镜2和Y轴光束方向调节器12分别进入到n个Y轴干涉计13，每个Y轴干涉计13将进入的光束分成上下两簇光，上面的光入射到一个Y轴参考反射镜14表面后，沿原光路返回到所述Y轴干涉计13的内部，下面的光经一个Y轴测量反射镜15反射后沿原光路返回至所述Y轴干涉计13的内部，上下两簇光的返回光在Y轴干涉计13内部发生干涉，将该干涉光束进行接收后经电子信号处理即可获得二维工作台18相对于干涉场在Y轴方向的位移和摆角。

所述X轴干涉计6和所述Y轴干涉计13的波长误差，分别采用放置在其附近的波长跟踪器3进行补偿。

所述潜望镜结构7包括潜望镜固定座701、反射镜固定块702、两个潜望反射镜703和反射镜压板704；两个潜望反射镜703的反射表面互相平行且与入射光束成45度角，两个潜望反射镜703具有一个潜望镜的功能，潜望反射镜703与所述潜望镜固定座701的安装方式简易且结构稳定，只需将潜望反射镜703放置在潜望镜固定座701上，然后再将两个反射镜固定块702分别放置于所述潜望反射镜703两侧，最后安装所述反射镜压板704，使所述潜望反射镜703固定在所述潜望镜固定座701上。

所述潜望反射镜703的侧视图是一个直角梯形，所述直角梯形的下底边长为上底边长的二倍。

所述X轴测量系统还包括X轴反射镜调整座9和X轴参考反射镜调整架11；所述X轴参考反射镜10通过所述X轴参考反射镜调整架11安装在干涉场光学承载机构19上，所述X轴参考反射镜10位于光栅基底17的上方，所述X轴测量反射镜8通过X轴反射镜调整座9设置在二维工作台18上。

所述Y轴测量系统还包括Y轴测量反射镜调整架16，多个Y轴测量反射镜15分别通过Y轴测量反射镜调整架16设置在二维工作台18上，所述Y轴干涉计13与所述Y轴参考反射镜14固定放置在同一大理石底座上，所述Y轴干涉计13是一个双路干涉计。所述Y轴干涉计13、所述Y轴参考反射镜14和所述Y轴测量反射镜15的数量相同。在工作台沿X轴位移的不同阶段，采用n个所述Y轴干涉计13分时对工作台在Y轴方向的位移和摆角进行测量。

所述n的取值为至少二个。

实施例一：

二维工作台18相对于干涉场在X轴位移的测量方法为：所述双频激光器1发出的激光经过所述分光棱镜2透射后，再经所述转向棱镜4反射后进入所述X轴光束方向调节器5，然后进入所述X轴干涉计6；该光束经过所述X轴干涉计6后，分成上下两簇光；位于上面的一簇光经过两个所述潜望镜结构7进行光路折转后，入射至所述X轴参考反射镜10表面，然后沿原光路返回至所述双轴干涉计内部；位于所述X轴干涉计6下部的一簇光经所述X轴测量反射镜8反射后沿原光路返回至所述X轴干涉计6内部；上下两簇光在所述X轴干涉计6内部发生干涉，将该干涉光束进行接收后经电子信号处理即可获得二维工作台18相对于干涉场在X轴方向的位移和摆角。

二维工作台18与干涉场在Y轴方向相对位移的测量主要通过Y轴干涉计13测量Y轴参考反射镜14和Y轴测量反射镜15的相对位置变化来实现。扫描干涉场二维工作台18Y轴位移用于实现对光栅各刻线扫描过程中的速度均匀性进行控制，二维工作台18的摆角测量用于实现工作台摆角控制及X轴测量镜面形补偿等。描干涉场曝光二维工作台18的X轴位移的短期测量精度要求为纳米量级，二维工作台18的Y轴位移的短期测量精度要求在百纳米量级，其测量精度要求比二维工作台18X轴位移的要求要宽松很多，因此，对于描干涉场二维工作台18Y轴位移的测量本发明采用了与X轴位移的测量不同的方法，即所述Y轴参考反射镜14没有安装在所述干涉场光学承载机构19上，而是与所述Y轴干涉计13一起固定在同一大理石底座上。

所述Y轴干涉计13、所述Y轴参考反射镜14和所述Y轴测量反射镜15的数量均为3个。通过干涉仪装调来确保三个所述Y轴测量反射镜15的反射镜表面在X轴方向处于同一直线上。在工作台沿X轴位移的不同阶段，采用三个所述Y轴干涉计13分时对工作台在Y轴方向的位移和摆角进行测量，其中三个所述Y轴干涉计13和三个所述Y轴参考反射镜14一直处于静止不动状态，而三个所述Y轴测量反射镜15在工作台运动过程中随着工作台运动而运动。若人面向Y轴正向方向，三个所述Y轴干涉计13按空间位置可分为左侧的Y轴干涉计13、中间的Y轴干涉计13和右侧的Y轴干涉计13；三个Y轴参考反射镜14按空间位置可分为左侧的Y轴参考反射镜14、中间的Y轴参考反射镜14和右侧的Y轴参考反射镜14；三个所述Y轴测量反射镜15按空间位置可分为左侧的Y轴测量反射镜15、中间的Y轴测量反射镜15和右侧的Y轴测量反射镜15。参见附图4，给出了左侧的Y轴干涉计13开始工作时的三个所述Y轴干涉计13与所述Y轴测量反射镜15的相对位置关系示意图，参见附图5，给出了中间的所述Y轴干涉计13开始工作时的三个所述Y轴干涉计13与所述Y轴测量反射镜15的相对位置关系示意图，参见附图6给出了右侧的所述Y轴干涉计13开始工作时的三个所述Y轴干涉计13与所述Y轴测量反射镜15的相对位置关系示意图。在工作台沿X轴负向运动过程中，当左侧的所述Y轴干涉计13处于附图4和附图5所示的空间位置之间时，左侧的Y轴干涉计13对左侧的Y轴参考反射镜14和左侧的Y轴测量反射镜15之间的距离进行实时测量；当中间的Y轴干涉计13处于附图5和附图6所示的空间位置之间时，中间的Y轴干涉计13对中间的Y轴参考反射镜14和中间的Y轴测量反射镜15之间的距离进行实时测量；当右侧的Y轴干涉计13处于附图6所示的空间位置且工作台继续沿X轴负向运动过程时，右侧的Y轴干涉计13对右侧的所述Y轴参考反射镜14和右侧的Y轴测量反射镜15之间的距离进行实时测量。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须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。

以上所述本发明的具体实施方式，仅用以解释本发明，而不构成对本发明保护范围的限制。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (3)

1.全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构，其特征在于，包括双频激光器(1)、分光棱镜(2)、转向棱镜(4)、X轴测量系统和Y轴测量系统；所述X轴测量系统包括X轴光束方向调节器(5)、X轴干涉计(6)、潜望镜结构(7)、X轴测量反射镜(8)和X轴参考反射镜(10)；所述Y轴测量系统包括Y轴光束方向调节器(12)、Y轴干涉计(13)、Y轴参考反射镜(14)和Y轴测量反射镜(15)；

所述双频激光器(1)发出的激光经分光棱镜(2)分出两束光，并分别通过转向棱镜(4)进入到X轴测量系统和Y轴测量系统；

进入到X轴测量系统的光通过X轴光束方向调节器(5)进入到所述X轴干涉计(6)，光束经X轴干涉计(6)分成上下两簇光，上面的光经过所述潜望镜结构(7)进行光路折转后，入射到X轴参考反射镜(10)表面，然后沿原光路返回到所述X轴干涉计(6)的内部，下面的光经所述X轴测量反射镜(8)反射后沿原光路返回至所述X轴干涉计(6)的内部，上下两簇光的返回光在所述X轴干涉计(6)内部发生干涉；

进入到Y轴测量系统的光依次通过n个分光棱镜(2)和Y轴光束方向调节器(12)分别进入到n个Y轴干涉计(13)，每个Y轴干涉计(13)将进入的光束分成上下两簇光，上面的光入射到一个Y轴参考反射镜(14)表面后，沿原光路返回到所述Y轴干涉计(13)的内部，下面的光经一个Y轴测量反射镜(15)反射后沿原光路返回至所述Y轴干涉计(13)的内部，上下两簇光的返回光在Y轴干涉计(13)内部发生干涉；

所述潜望镜结构(7)包括潜望镜固定座(701)、反射镜固定块(702)、两个潜望反射镜(703)和反射镜压板(704)；两个潜望反射镜(703)的反射表面互相平行且与入射光束成45度角，潜望反射镜(703)通过反射镜固定块(702)和反射镜压板(704)固定在所述潜望镜固定座(701)上；

所述潜望反射镜(703)的侧视图是一个直角梯形，所述直角梯形的下底边长为上底边长的二倍；

Y轴测量系统还包括Y轴测量反射镜调整架(16)，n个Y轴测量反射镜(15)分别通过n个Y轴测量反射镜调整架(16)设置在二维工作台(18)上；所述Y轴干涉计(13)是一个双路干涉计；Y轴干涉计(13)和Y轴参考反射镜(14)一直处于静止不动状态，而Y轴测量反射镜在工作台运动过程中随着工作台运动而运动；在工作台沿X轴位移的不同阶段，采用n个所述Y轴干涉计(13)分时对工作台在Y轴方向的位移和摆角进行测量；

所述n的取值为至少二个。

2.根据权利要求1所述的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构，其特征在于，所述X轴测量系统还包括X轴反射镜调整座(9)和X轴参考反射镜调整架(11)；所述X轴参考反射镜(10)通过所述X轴参考反射镜调整架(11)安装在干涉场光学承载机构(19)上，所述X轴参考反射镜(10)位于光栅基底(17)的上方，所述X轴测量反射镜(8)通过X轴反射镜调整座(9)设置在二维工作台(18)上。

3.根据权利要求1所述的全息扫描曝光二维工作台位移和摆角测量光路结构，其特征在于，所述Y轴测量系统还包括Y轴测量反射镜调整架(16)，多个Y轴测量反射镜(15)分别通过Y轴测量反射镜调整架(16)设置在二维工作台(18)上。