CN104634254A - 一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统 - Google Patents

Abstract

一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统，包括双频激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、1/4波片、光栅、第一检偏器、第二检偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一前置放大器、第二前置放大器、混频器、细分处理电路，其中：双频激光器发出具有特定频差的线偏振光f₁和f₂，其中f₁为s偏振光，f₂为p偏振光；光栅栅距为d，用于入射光的反射衍射；第一检偏器、第二检偏器用于合成新的线偏振光并产生拍频信号；第一光电探测器、第二光电探测器用于将拍频信号转换为电信号；第一前置放大器、第二前置放大器用于电信号带自动增益的高倍放大；混频器用于解调出频移信号Δf；细分处理电路用于完成电信号的细分、鉴相。

Description

一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统

技术领域

本发明属于超精密测量技术领域，涉及一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统。

背景技术

作为精密机械中的一种典型结构，精密工件台为数控加工、纳米表面形貌测量、微光刻等微细加工领域提供了一种快速运动、精密定位的载物平台。而位置检测装置作为闭环控制系统的反馈元件，其测量精度很大程度上决定了工件台的最终定位精度。

目前，精密工件台进行大行程、高精度运动时，常用的位置检测装置有成像扫描光栅和激光干涉仪。成像扫描光栅测量具有受环境影响小、安装调试简单等优点，但其测量精度低，通常在亚微米量级。激光干涉仪拥有分辨力高、线性度好、测量范围广等诸多优点，但还存在如下局限性：首先，激光干涉仪进行工件台位置检测时，其分束器、接收器、干涉仪等器件的布局所需空间较大，不利于设备的小型化；其次，由于激光干涉仪的测量是以激光波长λ为参考，故当测量光路中空气的温度、湿度、气压等发生变化时，空气折射率的改变将会直接影响测量精度；而其高昂的价格也限制了其在工件台位置检测中的广泛应用。

鉴于成像扫描光栅测量和激光干涉仪测量在工件台位移检测时存在的缺陷与不足，人们迫切需求一种能完成精密工件台大行程、高精度位置检测的测量系统。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是解决大行程、高精度位置检测的问题，为此本发明提供一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：所述光栅位移测量系统含有双频激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、1/4波片、光栅、第一检偏器、第二检偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一前置放大器、第二前置放大器、混频器、细分处理电路，其中：双频激光器发出具有特定频差的线偏振光f₁和f₂，其中f₁为s偏振光，f₂为p偏振光；光栅栅距为d，用于入射光的反射衍射；检偏器用于合成新的线偏振光并产生拍频信号；光电探测器用于将拍频信号转换为电信号；前置放大器用于电信号带自动增益的高倍放大；混频器用于解调出频移信号Δf；细分处理电路用于完成电信号的细分、鉴相。

本发明具有的有益效果是：将外差干涉技术引入光栅位移测量，将被测物理信息调制到交流的拍频信号，克服了单频光源测量中直流信号漂移、环境敏感等问题，大大增强系统的抗干扰能力和稳定性；测量光路中结合光栅的二次衍射效应进行测量，可以达到光学四细分进而提高测量分辨力，再结合电子细分技术可获得纳米级测量精度。本发明用于光刻机、数控加工、纳米表面形貌测量等设备中高精度工件台的位置检测。

附图说明

图1为基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统示意图。

图中元件说明：

1-双频激光器，               2-非偏振分光镜，

3-偏振分光镜，               4-第一反射镜

5-第二反射镜，               6-第三反射镜

7-1/4波片，                  8-光栅，

9-第一检偏器，               10-第二检偏器，

11-第一光电探测器，          12-第二光电探测器，

13-第一前置放大器，          14-第二前置放大器，

15-混频器，                  16-细分处理电路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加明确，下面结合附图对本发明的工作原理、结构及具体实施方式进一步介绍。

如图1示出本发明提供的光栅位移测量系统示意图，该光栅位移测量系统含有双频激光器1、非偏振分光镜2、偏振分光镜3、第一反射镜4、第二反射镜5、第三反射镜6、1/4波片7、光栅8、第一检偏器9、第二检偏器10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、第一前置放大器13、第二前置放大器14、混频器15、细分处理电路16，其中：

双频激光器1发出具有特定频差的线偏振光f1和f2，其中f1为s偏振光，f2为p偏振光；光栅8栅距为d，用于入射光的反射衍射；第一检偏器9、第二检偏器10用于合成新的线偏振光并产生拍频信号；第一光电探测器11、第二光电探测器12用于将拍频信号转换为电信号；第一前置放大器13、第二前置放大器14用于电信号带自动增益的高倍放大；混频器15用于解调出频移信号Δf；细分处理电路16用于完成电信号的细分、鉴相。

光栅位移测量系统使用时，由双频激光器1发出具有特定频差的线偏振光f₁、f₂(其中f₁为s偏振光，f₂为p偏振光)，经过非偏振分光镜2后分为两部分，其中一部分被反射到与振动方向45°放置的第一检偏器9，按马吕斯特定律合成新的线偏振光且产生频率为(f₁-f₂)的拍频信号，该拍频信号经第一光电探测器11转换后作为参考信号f_r；另一部分经过偏振分光镜3后得到两路光：左侧光路为频率f₁的s光发生反射，右侧光路为频率f₂的P光发生透射，两路光分别由第一反射镜4、第二反射镜5反射，入射到光栅8上，发生第一次衍射。由光栅方程可知，当+1级衍射光垂直于光栅表面出射时，入射角i应为：

$i=\arcsin \frac{\mathrm{\λ}}{d}---\left(1\right)$

i为入射角，λ为入射光波长，d为光栅栅距，分别调整第一反射镜4、第二反射镜5，使光束射入光栅8的入射角i满足式(1)，则衍射光垂直出射。

以右侧光路为例，p光的+1级衍射光经过1/4波片7后变为右旋光，被第三反射镜6反射后，再次经过1/4波片7变为s光，此s光入射到光栅8表面发生第二次衍射，由光路的可逆性，二次衍射的+1级衍射光沿原路返回偏振分光镜3。同理，左侧光路二次衍射的+1级衍射光也沿原路返回偏振分光镜3。由于此时线偏振光f₁、f₂的偏振状态互换，故此时f₁发生透射而f₂发生反射，两者再经第二检偏器10形成频率为(f₁-f₂+Δf)拍频信号，该拍频信号经第二光电探测器12转换后作为测量信号f_m。

当光栅以速度v在水平方向运动时，由多普勒效应可知，各个衍射级次m的衍射光将产生不同的频移：

$\mathrm{\Δf}=\frac{\mathrm{mv}}{d}---\left(2\right)$

Δf为频移量，m为衍射级次，v为光栅速度，d为光栅栅距，此时，线偏振光f₁、f₂已经过光栅的二次衍射，其回射+1级衍射光的频移分别为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{f}_1=\frac{2v}{d}\\ \mathrm{\Δ}{f}_2=-\frac{2v}{d}\end{array}\right.---\left(3\right)$

将上述参考信号f_r和测量信号f_m分别经第一前置放大器13、第二前置放大器14高增益放大后，经混频器15可得频移信号该频移信号Δf可经细分处理电路16采用相位解调得到相移φ_d，继而可得光栅8位移x：

$x=\frac{{\mathrm{\φ}}_d\·d}{8\mathrm{\π}}---\left(4\right)$

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统，其特征在于：所述光栅位移测量系统包括双频激光器、非偏振分光镜、偏振分光镜、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、1/4波片、光栅、第一检偏器、第二检偏器、第一光电探测器、第二光电探测器、第一前置放大器、第二前置放大器、混频器、细分处理电路，其中：

双频激光器发出具有特定频差的线偏振光f₁和f₂，其中f₁为s偏振光，f₂为p偏振光；光栅栅距为d，用于入射光的反射衍射；第一检偏器、第二检偏器用于合成新的线偏振光并产生拍频信号；第一光电探测器、第二光电探测器用于将拍频信号转换为电信号；第一前置放大器、第二前置放大器用于电信号带自动增益的高倍放大；混频器用于解调出频移信号△f；细分处理电路用于完成电信号的细分、鉴相。

2.如权利要求1所述的一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统，其特征在于：由双频激光器发出具有特定频差的线偏振光f₁、f₂，经过非偏振分光镜后分为两部分，其中一部分被反射到与振动方向45°放置的第一检偏器，按马吕斯特定律合成新的线偏振光且产生频率为(f₁-f₂)的拍频信号，该拍频信号经第一光电探测器转换后作为参考信号f_r；另一部分经过偏振分光镜后得到两路光：左侧光路为频率f₁的s光发生反射，右侧光路为频率f₂的P光发生透射，两路光分别由第一反射镜、第二反射镜反射，入射到光栅上，发生第一次衍射；

对于右侧光路，p光的+1级衍射光经过1/4波片后变为右旋光，被第三反射镜反射后，再次经过1/4波片变为s光，此s光入射到光栅表面发生第二次衍射，由光路的可逆性，二次衍射的+1级衍射光沿原路返回偏振分光镜；对于左侧光路二次衍射的+1级衍射光也沿原路返回偏振分光镜；由于此时线偏振光f₁、f₂的偏振状态互换，故此时f₁发生透射而f₂发生反射，两者再经第二检偏器形成频率为(f₁-f₂+Δf)拍频信号，该拍频信号经第二光电探测器转换后作为测量信号f_m；

将上述参考信号f_r和测量信号f_m分别经第一前置放大器、第二前置放大器高增益放大后，经混频器可得频移信号该频移信号Δf经细分处理电路采用相位解调得到相移φ_d，继而得到光栅位移。

3.如权利要求2所述的一种基于外差干涉和二次衍射效应的光栅位移测量系统，其特征在于：左侧光路为频率f₁的s光发生反射，右侧光路为频率f₂的P光发生透射，两路光分别由第一反射镜、第二反射镜反射，入射到光栅上，发生第一次衍射，入射角应为：

i为入射角，λ为入射光波长，d为光栅栅距。