CN114877809A - 一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于位移测量系统技术领域，具体涉及一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，所述激光器的光路方向上设置有半透半反平面镜，所述半透半反平面镜的透射光路上设置有反射镜，所述上层二维复合平面大量程刻度光栅设置在半透半反平面镜和反射镜的反射光路上，所述上层二维复合平面大量程刻度光栅的光路方向上分别设置有放大透镜和下层四象限光栅，所述放大透镜的光路方向上设置有CCD摄像机，所述CCD摄像机上设置有上层光栅参考代码标记处图像。本发明中的二维复合大量程位移测量运用光学自成像原理，采用双层纳米二维平面光栅面内运动位移检测的方式来实现二维平面内的位移检测和精确位置定位。

Description

一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统

技术领域

本发明属于位移测量系统技术领域，具体涉及一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统。

背景技术

大量程、高精度二维平面位移测量平台在我国目前的光刻机位移检测系统、天文观测台微位移调整系统等领域中都有着广泛的应用。目前，实现平面二维大量程位移测量的光学检测技术方案主要有两种：一种为采用两套一维纳米位移光栅尺位移传感器正交安装的形式，通过组合测量方法实现平面二维位移测量，该方法安装方式灵活，但是在安装过程中会引入阿贝误差等。另一种为使用平面二维光栅位移传感器进行位移测量的方式，该方法由于具有结构简单、安装方便等优点，因此在光刻机等集成系统应用中具有一定的优势。但是目前传统的二维平面光栅位移传感器，难以实现增量编码与位置标记的空间复合，使得二维光栅不具备实时位置定位功能，且面向大量程位移检测应用由于存在累计误差难以实现高精度检测。

发明内容

针对上述传统的二维平面光栅位移传感器难以实现增量编码与位置标记的空间复合以及难以实现高精度检测的技术问题，本发明提供了一种测量精度高、误差小、量程大的基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，包括激光器、上层二维复合平面大量程刻度光栅、准直扩束器、上层光栅参考代码标记处图像、CCD摄像机、放大透镜、半透半反平面镜、四象限探测信号图、四象限探测器、下层四象限光栅、反射镜，所述激光器的光路方向上设置有半透半反平面镜，所述半透半反平面镜的透射光路上设置有反射镜，所述上层二维复合平面大量程刻度光栅设置在半透半反平面镜和反射镜的反射光路上，所述上层二维复合平面大量程刻度光栅的光路方向上分别设置有放大透镜和下层四象限光栅，所述放大透镜的光路方向上设置有CCD摄像机，所述CCD摄像机上设置有上层光栅参考代码标记处图像；所述下层四象限光栅的光路方向上设置有四象限探测器，所述四象限探测器上设置有四象限探测信号图。

所述上层二维复合平面大量程刻度光栅包括二维阵列平面增量刻度光栅与参考代码标记，所述二维阵列平面增量刻度光栅与参考代码标记刻蚀在同一块二维基底轨道上。

所述二维阵列平面增量刻度光栅的基本单元形状采用矩形孔或圆形孔。

所述下层四象限光栅由相互垂直、相隔整数倍光栅周期的两组一维四象限光栅阵列组成，两组所述一维四象限光栅阵列的栅线方向垂直。

所述二维阵列平面增量刻度光栅由多个小面积平面光栅拼接而成，每个所述小面积平面光栅的刻蚀单元边长均相等。

所述二维阵列平面增量刻度光栅在x轴、y轴两个方向上设置有参考代码标记，所述参考代码标记采用相同的具有距离参考标记的增量式光栅编码。

所述激光器的波长为1.5um，所述激光器的功率为1.2mw。

所述二维阵列平面增量刻度光栅的光栅方孔边长为1.2um，所述二维阵列平面增量刻度光栅的占空比为0.5，所述二维阵列平面增量刻度光栅的光栅厚度为150nm，所述二维阵列平面增量刻度光栅的光栅材料为AI。

所述半透半反平面镜和反射镜均与水平方向呈45°夹角。

一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统的测量方法，包括下列步骤：

S1、激光器发出的光经准直扩束器准直扩束后，径直入射到半透半反平面镜上，经过半透半反平面镜后的反射光束垂直照射在上层二维复合平面大量程刻度光栅的参考代码标记上，并经过放大透镜与CCD摄像机最终得到上层光栅参考代码标记处图像；

S2、穿过半透半反平面镜的光束经反射镜反射后垂直照射在上层二维复合平面大量程刻度光栅的增量位移刻轨上；

S3、随后，光束径直穿过下层四象限光栅，由四象限探测器将平面面内移动过程中产生的相位依次相差90°的四路正弦信号收集，得到四象限探测信号，测量平面上移动物体的平面增量位移；

S4、最终，通过结合平面增量位移信号与参考代码标记图像，得到当前所测量的移动物体在整个平面上的增量位移与相应位置。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明中的二维复合大量程位移测量运用光学自成像原理，采用双层纳米二维平面光栅面内运动位移检测的方式来实现二维平面内的位移检测和精确位置定位。本发明采用二维阵列增量刻度光栅与平面参考代码标记相叠加的单轨道刻蚀方式，提高了整个二维测量系统的集成度和大量程平面内的位置测量精确度，可用于大量程高精度位移检测与精密定位。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明二维阵列平面增量刻度光栅的结构示意图；

图3为本发明上层二维复合平面大量程刻度光栅X方向截面示意图；

图4为本发明下层四象限光栅的结构示意图；

图5为本发明上层二维复合平面大量程刻度光栅FDTD仿真结果图；

图6为本发明下层四象限光栅的位移输出信号图；

图7为本发明参考代码标记成像示意图；

图8为本发明CCD摄像机图像处理流程图。

其中：1为激光器，2为上层二维复合平面大量程刻度光栅，3为准直扩束器，4为上层光栅参考代码标记处图像，5为CCD摄像机，6为放大透镜，7为半透半反平面镜，8为四象限探测信号图，9为四象限探测器，10为下层四象限光栅，11为反射镜，201为二维阵列平面增量刻度光栅，202为参考代码标记。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本实施例中，如图1所示，激光器1、准直扩束器3、半透半反平面镜7和反射镜11在同一光轴上，半透半反平面镜7、反射镜11与水平轴均呈45°角。上层二维复合平面大量程刻度光栅2、放大透镜6、CCD摄像机5和上层光栅参考代码标记处图像4在同一光轴上，对平面上移动物体的位置进行定位。上层二维复合平面大量程刻度光栅2、下层四象限光栅10、四象限探测器9和四象限探测信号图8在同一光轴上，测量平面上移动物体的平面增量位移。如图2所示，二维阵列平面增量刻度光栅201与参考代码标记202以物理的方式叠加，刻蚀在同一块二维基底轨道上。如图5所示，下层四象限光栅10由相互垂直、相隔整数倍光栅周期的两组一维四象限光栅阵列组成。

工作过程如下：激光器1发出的光经准直扩束器3准直扩束后，径直入射到半透半反平面镜7上，经过半透半反平面镜7后的反射光束垂直照射在上层二维复合平面大量程刻度光栅2的参考代码标记上，并经过放大透镜6与CCD摄像机5最终得到上层光栅参考代码标记处图像4。穿过半透半反平面镜7的光束经反射镜11反射后垂直照射在上层二维复合平面大量程刻度光栅2的增量位移刻轨上。随后，光束径直穿过下层四象限光栅10，由四象限探测器9将平面面内移动过程中产生的相位依次相差90°的四路正弦信号收集，得到四象限探测信号图8。最终，通过结合平面增量位移信号与参考标记信号，得到当前所测量的移动物体在整个平面上的增量位移与相应位置。

本实施例的二维大量程位移测量运用光学自成像原理，采用双层纳米二维平面光栅面内运动位移检测的方式来实现二维平面内的位移检测和精确位置定位。其中，在FDTD仿真界面中，上层平面参考光栅10后的图像，如图5所示。最后通过面内横向移动上层二维复合平面大量程刻度光栅2，得到如图6所示的八个一维光栅位移输出信号。

本实施例中位置定位采用具有距离参考标记的增量式光栅编码方式，其中，具有分布距离遵循递进式设计方式的参考码道与平面增量码道复合刻蚀在同一片上层二维复合平面大量程刻度光栅2上。在测量过程中，通过CCD图像拍摄识别相应的参考代码标记，相应的参考标记代码图像如图7所示。

具体参数如下：

激光波长：1.5um；

激光器功率：1.2mw；

光栅方孔边长：1.2um；

光栅占空比：0.5；

光栅厚度：150nm；

光栅材料：AI。

检测过程如下：

当待测移动物体进行平面内移动时，上层二维复合平面大量程刻度光栅2与下层四象限光栅10产生相应的面内位移。其中，下层四象限光栅10后产生的八个一维光栅位移输出信号，如图6所示，由四象限探测器9进行采集，用来测量移动物体的平面增量位移；通过CCD摄像机5对移动过程中的参考信号，如图7所示，进行采集，用来实现移动物体面内的精确定位。

本实施例基于上层光栅的光学自成像效应，因此，为了保障良好的信号输出，下层光栅整体应位于上层光栅有效自成像距离D之内，见式(1)。同时需要处于自成像半周期或周期位置Z处，见式(2)。

上式(1)、(2)中d为二维阵列平面增量刻度光栅的增量周期，N为光栅周期的个数，n为单个周期光栅的衍射级次。N、n均为整数0、1、2…。

如图3所示，假设平面光栅从坐标原点A点移动到O点，用AO表示O点的位置，沿x轴继续向前移动，将依次经过参考代码标记2、3，最终停在任意一点E，用AE表示E点的位置。其中，O点与E点之间的增量位移测量距离为X1；E点与参考标记3之间的增量位移为X2；参考代码标记2、3之间的位移为L，参考代码标记2的位置值A2已知，则AO的位置表达式如下式(3)：

AO＝A2-(X1-X2-L) (3)

其中，本实施例中采用双层光栅结构实现面内位移测量。利用光栅衍射现象中的自成像效应来实现对位移的检测，是本发明能实现高精度位移测量的核心，系统位移测量的分辨率S_in可以表示为：

式中S₁为光学分辨率，由光栅周期L决定；S₂为电学分辨率，由细分电路细分倍数M决定。由该式可知，采用高密度衍射光栅，可以大幅提高原始信号的分辨率，结合后续的高倍电子细分，最终实现高分辨率位移检测。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：包括激光器(1)、上层二维复合平面大量程刻度光栅(2)、准直扩束器(3)、上层光栅参考代码标记处图像(4)、CCD摄像机(5)、放大透镜(6)、半透半反平面镜(7)、四象限探测信号图(8)、四象限探测器(9)、下层四象限光栅(10)、反射镜(11)，所述激光器(1)的光路方向上设置有半透半反平面镜(7)，所述半透半反平面镜(7)的透射光路上设置有反射镜(11)，所述上层二维复合平面大量程刻度光栅(2)设置在半透半反平面镜(7)和反射镜(11)的反射光路上，所述上层二维复合平面大量程刻度光栅(2)的光路方向上分别设置有放大透镜(6)和下层四象限光栅(10)，所述放大透镜(6)的光路方向上设置有CCD摄像机(5)，所述CCD摄像机(5)上设置有上层光栅参考代码标记处图像(4)；所述下层四象限光栅(10)的光路方向上设置有四象限探测器(9)，所述四象限探测器(9)上设置有四象限探测信号图(8)。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述上层二维复合平面大量程刻度光栅(2)包括二维阵列平面增量刻度光栅(201)与参考代码标记(202)，所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)与参考代码标记(202)刻蚀在同一块二维基底轨道上。

3.根据权利要求2所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)的基本单元形状采用矩形孔或圆形孔。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述下层四象限光栅(10)由相互垂直、相隔整数倍光栅周期的两组一维四象限光栅阵列组成，两组所述一维四象限光栅阵列的栅线方向垂直。

5.根据权利要求2所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)由多个小面积平面光栅拼接而成，每个所述小面积平面光栅的刻蚀单元边长均相等。

6.根据权利要求2所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)在x轴、y轴两个方向上设置有参考代码标记(202)，所述参考代码标记(202)采用相同的具有距离参考标记的增量式光栅编码。

7.根据权利要求1所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述激光器(1)的波长为1.5um，所述激光器(1)的功率为1.2mw。

8.根据权利要求2所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)的光栅方孔边长为1.2um，所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)的占空比为0.5，所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)的光栅厚度为150nm，所述二维阵列平面增量刻度光栅(201)的光栅材料为AI。

9.根据权利要求1所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统，其特征在于：所述半透半反平面镜(7)和反射镜(11)均与水平方向呈45°夹角。

10.根据权利要求1-9任一项所述的一种基于二维复合平面大量程光栅结构的位移测量系统的测量方法，其特征在于：包括下列步骤：

S1、激光器发出的光经准直扩束器准直扩束后，径直入射到半透半反平面镜上，经过半透半反平面镜后的反射光束垂直照射在上层二维复合平面大量程刻度光栅的参考代码标记上，并经过放大透镜与CCD摄像机最终得到上层光栅参考代码标记处图像；

S2、穿过半透半反平面镜的光束经反射镜反射后垂直照射在上层二维复合平面大量程刻度光栅的增量位移刻轨上；

S3、随后，光束径直穿过下层四象限光栅，由四象限探测器将平面面内移动过程中产生的相位依次相差90°的四路正弦信号收集，得到四象限探测信号，测量平面上移动物体的平面增量位移；

S4、最终，通过结合平面增量位移信号与参考代码标记图像，得到当前所测量的移动物体在整个平面上的增量位移与相应位置。

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