CN107462166A - 基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，双频激光器发出的激光入射到读数头中，经过读数头中的光学元件，入射激光会形成两组测量光束，每组测量光束以满足光栅方程的利特罗角入射到测量光栅上，测量光栅由多块光栅沿光栅矢量方向拼接而成。当测量光栅沿光栅矢量方向运动时，携带测量信息的衍射光按原路返回，经过读数头中的光学元件形成两路测量信号，分别被两个接收器接收，并进入信号处理系统。在测量过程中，随着光栅的运动，两个接收器至少一个可以接收到测量信号，从而实现了长行程的位移测量。本发明不需要多个读数头便可完成长行程位移测量，结构紧凑，体积小，对环境敏感性低，可以降低环境控制成本，提升测量性能。

Description

基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法

技术领域

本发明涉及基于衍射光栅的位移测量领域，特别涉及一种基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法。

背景技术

精密位移测量技术在半导体加工、精密机械制造、大尺寸衍射光栅制造以及生物医学等领域起着非常重要的作用。并且在这些领域所需要的精密位移测量技术其特点是测量量程大，可达米级尺寸；测量分辨率和精度高，可达纳米和亚纳米精度。比如利用扫描干涉曝光技术制造米级尺寸衍射光栅，要求工作台步进距离测量精度配合相位锁定精度在几个纳米。由于大量程和高分辨率和精度同时满足是非常困难的，这就为精密位移测量技术提出了非常高的要求。

目前在很多精密加工领域所采用的测量系统基本都为双频激光干涉仪，但双频激光干涉仪环境敏感性高，测量重复性较差，而且价格昂贵，因此要保证其高精度测量成本比较大。光栅位移测量系统以光栅栅距为测量基准，受环境制约小，测量重复性好，并且能够实现高精度测量，但是其量程受制于测量光栅的尺寸，对于需要米级范围运动的工作台来说，一般的光栅位移测量系统不能够满足要求。

针对上述问题，一些研究机构做了相关工作，例如日本尼康公司在半导体光刻机扫描平台上将激光干涉仪和光栅位移测量系统相结合构成BEC(Bird’s Eye Control)系统，为解决光栅位移测量系统量程问题，该公司采用多个读数头在同一块光栅上切换的方式对位移进行测量，实现量程的增大。采用多读数头的方式使系统体积较大，并且安装较为困难，由于读数头较多，光源的能量也会降低很多，并且每一个读数头都需要一套接收系统，对后期数据处理带来很大压力。

因此，亟需一种基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供的技术方案为：提供一种基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，包括如下步骤：

双频激光器发出的激光入射到读数头中；

经过读数头中的光学元件，入射激光会形成两组测量光束，每组测量光束以满足光栅方程的利特罗角入射到测量光栅上；

当光栅沿矢量方向运动时，携带测量信息的衍射光会按原路返回；

经过读数头中的光学元件形成两路测量信号，分别被两个接收器接收，并进入信号处理系统进行位移计算。

一些实施例中，所述读数头包括分束棱镜、两个偏振分束棱镜、四个四分之一波片、入射光平面折转镜、两个出射光平面折转镜、两个测量光平面折转镜、测量光楔形双平面折转镜。

一些实施例中，由读数头通过集成分束棱镜、两个偏振分束棱镜、四个四分之一波片，入射光平面折转镜、两个出射光平面折转镜、两个测量光平面折转镜、测量光楔形双平面折转镜，实现两组测量光束输出。

一些实施例中，进行位移测量的具体步骤为：

所述双频激光器出射正交线偏振光经入射光平面折转镜进入分束棱镜，经分束棱镜反射和透射后分为相同的两束光，反射光入射到偏振分束棱镜，P光经偏振分束棱镜透射，再经过四分之一波片变为右旋圆偏振光，被测量光平面折转镜折转后以利特罗角入射到测量光栅上，衍射光沿原路返回，经平面折转镜和四分之一波片后变为S光，被偏振分束棱镜反射，被分束棱镜反射的光束中的S光被偏振分束棱镜反射，再经过四分之一波片变为右旋圆偏振光，被测量光楔形双平面折转镜折转后以利特罗角入射到测量光栅上，衍射光沿原路返回，经测量光楔形双平面折转镜和四分之一波片后变为P光，被偏振分束棱镜透射，与反射光重合，经出射光平面折转镜折转后进入一个接收器，入射光中被分束棱镜透射的光束与反射类似，被另一个接收器接收，最终进入信号处理系统。

一些实施例中，在位移测量过程中，所述两个接收器交替进行工作，以使测量光栅在运动过程中至少有一个接收器处于工作状态，实现长行程测量。

一些实施例中，所述测量光栅包括高精度光栅固定导轨和多块光栅，多块光栅沿光栅矢量方向固定在高精度光栅固定导轨上，形成长行程测量光栅。

一些实施例中，测量过程中的具体步骤包括：

当测量开始时，两组测量光束入射到同一块光栅上，当测量光栅移动时，所述两个接收器都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息；

测量光栅继续移动，有一组测量光束入射到两光栅的接缝处，由于该位置没有光栅刻槽，所以有一个接收器接收不到位移测量信号，但是系统还可以通过另一个接收器进行位移测量；

测量光栅继续移动，两组测量光束分别入射到两个光栅上，两个接收器都可以接收到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息；

测量光栅继续移动，又会出现一组测量光束入射到两光栅的接缝处的情况，同样，此时系统可以通过另一个接收器进行位移测量；

测量光栅继续移动，两组测量光束入射到同一块光栅上，两个接收器都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息。

与现有技术相比，由于每一块光栅的长度与两组测量光束之间的距离不同，不会存在两组测量光束同时没有信号的情况，所以不论测量光栅移动多少，都会保证至少有一个接收器可以接收到位移信号，这就实现了长行程的位移测量。并且该方法不需要多个读数头排列，结构紧凑，体积小，对环境敏感性低，应用于精密加工领域的工作台位移测量中，可以降低环境控制成本，提升测量性能。

通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。

附图说明

图1为基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统的整体示意图。

图2为基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统读数头结构示意图。

图3为基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统测量光栅结构示意图。

图4为基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统原理图。

图5为实施步骤1示意图。

图6为实施步骤2示意图。

图7为实施步骤3示意图。

图8为实施步骤4示意图。

图9为实施步骤5示意图。

图10为本发明基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法流程图。

具体实施方式

现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。本发明的衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，是在基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统的基础上实现的。下面先对基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统进行介绍。

实施例提供了的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统，如图1所示：包括双频激光器1、读数头2、测量光栅3、接收器4、接收器5、信号处理系统6。双频激光器1发出的激光入射到读数头2中，经过读数头2中的光学元件，入射激光会形成两组(四束)测量光束，每组测量光束以满足光栅方程的利特罗角入射到测量光栅上，当光栅沿矢量方向运动时，携带测量信息的衍射光会按原路返回，经过读数头2中的光学元件形成两路测量信号，分别被接收器4和接收器5接收，并送入信号处理系统。

所述读数头2的结构如图2所示，包括分束棱镜201、偏振分束棱镜202和203、四分之一波片204～207、入射光平面折转镜208、出射光平面折转镜209和210、测量光平面折转镜211和212、测量光楔形双平面折转镜213。

所述测量光栅3的结构如图3所示，包括高精度测量光栅固定导轨301、光栅302～304。多块测量光栅沿沿光栅矢量方向排列并以一定精度要求固定于高精度测量光栅固定导轨301上。每块测量光栅3的长度大于两组测量光束之间的距离。

如图4所示，所述基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统在工作时，所述双频激光器1出射正交线偏振光经入射光平面折转镜208进入分束棱镜201，经分束棱镜201反射和透射后分为相同的两束光。反射光入射到偏振分束棱镜203，P光经偏振分束棱镜203透射，再经过四分之一波片204变为右旋圆偏振光，被测量光平面折转镜211折转后以利特罗角入射到测量光栅3上，衍射光沿原路返回，经平面折转镜211和四分之一波片204后变为S光，被偏振分束棱镜203反射；被分束棱镜201反射的光束中的S光被偏振分束棱镜203反射，再经过四分之一波片205变为右旋圆偏振光，被测量光楔形双平面折转镜213折转后以利特罗角入射到测量光栅3上，衍射光沿原路返回，经测量光楔形双平面折转镜213和四分之一波片205后变为P光，被偏振分束棱镜203透射，与反射光重合，经出射光平面折转镜209折转后进入接收器4。入射光中被分束棱镜201透射的光束与反射类似，最终被接收器5接收，并由信号处理系统6进行处理。

在进行位移测量时，两个接收器都可以得到高精度的测量结果，通过两组测量光束交替测量的方式便可以实现长行程位移测量。其具体实现步骤如下：

1、如图5所示，当测量开始时，两组测量光束入射到同一块光栅303上，当光栅移动时，接收器4和接收器5都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统6后可以得出位移信息。

2、如图6所示，测量光栅3继续移动，有一组测量光束入射到两光栅302和303的接缝处，由于该位置没有光栅刻槽，所以有一个接收器接收不到位移测量信号，但是系统还可以通过另一个接收器进行位移测量。

3、如图7所示，测量光栅3继续移动，两组测量光束分别入射到两个光栅302和303上，接收器4和接收器5都可以接收到位移测量信号，经过信号处理系统6后可以得出位移信息。

4、如图8所示，测量光栅3继续移动，又会出现一组测量光束入射到两光栅302和303的接缝处的情况，同样，此时系统可以通过另一个接收器进行位移测量。

5、如图9所示，测量光栅3继续移动，两组测量光束入射到同一块光栅302上，接收器4和接收器5都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统6后可以得出位移信息。

请参阅图10，为本发明基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法流程图。本发明的方法基于上述基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量系统来实现。具体地，双频激光器发出的激光入射到读数头中；经过读数头中的光学元件，入射激光会形成两组测量光束，每组测量光束以满足光栅方程的利特罗角入射到测量光栅上；当光栅沿矢量方向运动时，携带测量信息的衍射光会按原路返回；经过读数头中的光学元件形成两路测量信号，分别被两个接收器接收，并进入信号处理系统进行位移计算。

进行位移测量的具体步骤为：

所述双频激光器出射正交线偏振光经入射光平面折转镜进入分束棱镜，经分束棱镜反射和透射后分为相同的两束光，反射光入射到偏振分束棱镜，P光经偏振分束棱镜透射，再经过四分之一波片变为右旋圆偏振光，被测量光平面折转镜折转后以利特罗角入射到测量光栅上，衍射光沿原路返回，经平面折转镜和四分之一波片后变为S光，被偏振分束棱镜反射，被分束棱镜反射的光束中的S光被偏振分束棱镜反射，再经过四分之一波片变为右旋圆偏振光，被测量光楔形双平面折转镜折转后以利特罗角入射到测量光栅上，衍射光沿原路返回，经测量光楔形双平面折转镜和四分之一波片后变为P光，被偏振分束棱镜透射，与反射光重合，经出射光平面折转镜折转后进入一个接收器，入射光中被分束棱镜透射的光束与反射类似，被另一个接收器接收，最终进入信号处理系统。

两个接收器交替进行工作，以使测量光栅在运动过程中至少有一个接收器处于工作状态，实现长行程测量。

测量过程中的具体步骤包括：

当测量开始时，两组测量光束入射到同一块光栅上，当测量光栅移动时，所述两个接收器都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息；

测量光栅继续移动，有一组测量光束入射到两光栅的接缝处，由于该位置没有光栅刻槽，所以有一个接收器接收不到位移测量信号，但是系统还可以通过另一个接收器进行位移测量；

测量光栅继续移动，两组测量光束分别入射到两个光栅上，两个接收器都可以接收到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息；

测量光栅继续移动，又会出现一组测量光束入射到两光栅的接缝处的情况，同样，此时系统可以通过另一个接收器进行位移测量；

测量光栅继续移动，两组测量光束入射到同一块光栅上，两个接收器都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息。

综上所述，由于每一块光栅的长度与两组测量光束之间的距离不同，不会存在两组测量光束同时没有信号的情况，所以不论测量光栅3移动多少，都会保证至少有一个接收器可以接收到位移信号，这就实现了长行程的位移测量。并且该系统不需要多个读数头排列，结构紧凑，体积小，对环境敏感性低，应用于精密加工领域的工作台位移测量中，可以降低环境控制成本，提升系统性能。

以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

双频激光器发出的激光入射到读数头中；

经过读数头中的光学元件，入射激光会形成两组测量光束，每组测量光束以满足光栅方程的利特罗角入射到测量光栅上；

当光栅沿矢量方向运动时，携带测量信息的衍射光会按原路返回；

经过读数头中的光学元件形成两路测量信号，分别被两个接收器接收，并进入信号处理系统进行位移计算。

2.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，所述读数头包括分束棱镜、两个偏振分束棱镜、四个四分之一波片、入射光平面折转镜、两个出射光平面折转镜、两个测量光平面折转镜、测量光楔形双平面折转镜。

3.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，由读数头通过集成分束棱镜、两个偏振分束棱镜、四个四分之一波片，入射光平面折转镜、两个出射光平面折转镜、两个测量光平面折转镜、测量光楔形双平面折转镜，实现两组测量光束输出。

4.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，进行位移测量的具体步骤为：

所述双频激光器出射正交线偏振光经入射光平面折转镜进入分束棱镜，经分束棱镜反射和透射后分为相同的两束光，反射光入射到偏振分束棱镜，P光经偏振分束棱镜透射，再经过四分之一波片变为右旋圆偏振光，被测量光平面折转镜折转后以利特罗角入射到测量光栅上，衍射光沿原路返回，经平面折转镜和四分之一波片后变为S光，被偏振分束棱镜反射，被分束棱镜反射的光束中的S光被偏振分束棱镜反射，再经过四分之一波片变为右旋圆偏振光，被测量光楔形双平面折转镜折转后以利特罗角入射到测量光栅上，衍射光沿原路返回，经测量光楔形双平面折转镜和四分之一波片后变为P光，被偏振分束棱镜透射，与反射光重合，经出射光平面折转镜折转后进入一个接收器，入射光中被分束棱镜透射的光束与反射类似，被另一个接收器接收，最终进入信号处理系统。

5.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，在位移测量过程中，所述两个接收器交替进行工作，以使测量光栅在运动过程中至少有一个接收器处于工作状态，实现长行程测量。

6.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，所述测量光栅包括高精度光栅固定导轨和多块光栅，多块光栅沿光栅矢量方向固定在高精度光栅固定导轨上，形成长行程测量光栅。

7.根据权利要求1所述的基于衍射光栅的长行程、高精度位移测量方法，其特征在于，测量过程中的具体步骤包括：

当测量开始时，两组测量光束入射到同一块光栅上，当测量光栅移动时，所述两个接收器都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息；

测量光栅继续移动，有一组测量光束入射到两光栅的接缝处，由于该位置没有光栅刻槽，所以有一个接收器接收不到位移测量信号，但是系统还可以通过另一个接收器进行位移测量；

测量光栅继续移动，两组测量光束分别入射到两个光栅上，两个接收器都可以接收到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息；

测量光栅继续移动，又会出现一组测量光束入射到两光栅的接缝处的情况，同样，此时系统可以通过另一个接收器进行位移测量；

测量光栅继续移动，两组测量光束入射到同一块光栅上，两个接收器都可以接受到位移测量信号，经过信号处理系统后可以得出位移信息。