一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置制造方法及圖紙

一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置涉及一種超精密位移測量技術及光柵位移測量系統，由標尺光柵和讀數頭兩部分組成，讀數頭包括雙頻激光光源、Z向干涉部件、掃描分光光柵部件、X向探測部件、Y向探測部件、Z向探測部件、信號處理部件；該裝置基于典型邁克爾遜干涉儀原理、多衍射光柵干涉原理和光學拍頻原理實現了X向、Y向和Z向位移的同時測量，具有結構緊湊、抗干擾能力強、對標尺光柵后向零級衍射強度要求低以及X向、Y向和Z向測量不耦合等優點，能夠實現納米甚至更高測量分辨力，可應用于多自由度高精度的位移測量。

【技術實現步驟摘要】
一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置
本專利技術涉及一種超精密位移測量技術及光柵位移測量系統，特別涉及一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置。
技術介紹
近年來，超精密測量已成為世界測量領域的研究熱點。考慮到測量范圍、精度、系統尺寸和工作環境等因素的影響，用小體積多自由度的測量方法來實現高精度測量在現代位移測量中的需求也越來越突出。在半導體加工領域，光刻機中的掩膜臺和工件臺的定位精度和運動精度是限制半導體芯片加工線寬的主要因素，為了保證掩膜臺和工件臺的定位精度和運動精度，光刻機中通常采用具有高精度、大量程的雙頻激光干涉儀測量系統進行位移測量。目前市場上現有的半導體芯片的線寬已經逼近14nm，不斷提高的半導體加工要求對超精密位移測量技術提出了更大的挑戰，而雙頻激光干涉儀測量系統由于其長光程測量易受環境影響，且存在系統體積大、價格高昂等一系列問題，難以滿足新的測量需求。針對上述問題，國內外超精密測量領域的各大公司及研究機構都投入了大量精力進行研究，其中一個主要研究方向包括研發基于衍射光柵的新型位移測量系統。基于衍射光柵的位移測量系統經過數十年的發展，已有較多的研究成果，在諸多專利和論文中均有揭露。德國HEIDENHAIN公司的專利US4776701A(公開日1988年10月11日)提出了利用光束通過折射光柵和反射光柵后實現相干疊加與光學移相的方式來測量X方向位移的方法。該方法利用光柵本身的結構參數調整實現了干涉信號移相，同時測量結果不受Y方向和Z方向位移的影響。由于該方法不需額外的移相元件，因此系統體積較小，但是該方法只能用于X方向的位移測量。荷蘭ASML公司的專利US7362446B2(公開日2008年4月22日)提出了一種利用光柵衍射編碼器和干涉儀原理測量標尺光柵在X方向和Z方向位移的位置測量單元，利用3個該位置測量單元能夠同時測量平臺的6個自由度；通過特殊的棱鏡結構設計，使得該位置測量單元除了標尺光柵以外的其他分光、移相、合光等光學元件組合成一個整體，達到減輕單元尺寸和質量，結構緊湊的目的；該位置測量單元測量標尺光柵X向位移所使用光柵衍射編碼器的測量光來自標尺光柵的衍射光，測量標尺光柵Z向位移所使用干涉儀的測量光也來自標尺光柵的衍射光，但來源于不同光束的衍射，是分立的。該方法可同時實現X向和Z向的位移測量，但干涉儀和光柵衍射測量的位置不同，棱鏡組結構較復雜。日本學者WeiGao與清華大學學者曾理江等人聯合發表的論文“Designandconstructionofatwo-degree-of-freedomlinearencoderfornanometricmeasurementofstagepositionandstraightness.PrecisionEngineering34(2010)145-155”中提出了一種利用衍射光柵干涉原理的二維光柵測量裝置。激光器出射的激光經過偏振分光棱鏡分為測量光和參考光，二者分別入射到標尺光柵和參考光柵并發生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱鏡處匯聚后入射到光電探測單元發生干涉，利用后續光路移相，可以在四組探測器表面接收到干涉信號。通過對干涉信號進行處理，可以解耦出光柵讀數頭相對于標尺光柵在X向和Z向兩個方向的位移信息。該方法為了實現對信號的移相，引入了很多的移相合光器件，體積較大；而且當讀數頭與光柵產生的Z向運動時，干涉區域的范圍變小，不利于Z向較大量程的測量。清華大學學者朱煜的專利CN102937411A(公開日2013年2月20日)和CN102944176A(公開日2013年2月27日)中，提出了利用衍射光柵干涉原理設計的二維光柵測量系統，并引入了雙頻激光產生了拍頻信號，增強了測量信號的抗干擾能力。該組專利當讀數頭相對于標尺光柵發生Z向運動時，干涉區域范圍變小，不利于Z向較大量程的測量。日本株式會社三豐的專利CN102865817A(公開日2013年1月9日)以及US8604413B2(公開日2013年12月10日)提出了一種二維位移傳感器的構造，該構造能夠實現多維位移測量，但是整個系統采用透射方式，并且使用了棱鏡等光學器件用于折光，因此系統體積較大。哈爾濱工業大學學者胡鵬程等人的專利CN103604376A(公開日2014年2月26日)中，提出了一種抗光學頻率混疊的光柵干涉儀系統，通過激光器出射的雙頻激光在空間上分開傳輸的設置，消除了光學頻率混疊和相應的周期非線性誤差，并能夠實現三維位移的測量；哈爾濱工業大學學者林杰等人的專利CN103644849A(公開日2014年3月19日)中，通過引入自準直原理提出了一種三維位移測量系統，該系統能夠實現較大量程的Z向位移測量，但是由于光束分光次數較多，不利于提高干涉信號的質量。
技術實現思路
為解決上述方案的局限性，適應和滿足前述的測量要求，本專利技術利用典型邁克爾遜干涉儀原理、多衍射光柵干涉原理和光學拍頻原理，設計了一種結構簡單緊湊、體積小、抗干擾能力強的使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置。當本裝置的讀數頭相對于標尺光柵發生水平方向(X向)、豎直方向(Y向)、垂直方向(Z向)的位移時，可實現高精度的三維位移實時測量。本專利技術的技術方案如下：一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置，包括標尺光柵和讀數頭，讀數頭包括雙頻激光光源、Z向干涉部件、掃描分光光柵部件、X向探測部件、Y向探測部件、Z向探測部件、信號處理部件；所述的雙頻激光光源包括雙頻激光器、分光棱鏡、偏振片A；Z向干涉部件包括偏振分光棱鏡、1/4波片A、反射部件、1/4波片B、偏振片B；掃描分光光柵部件包括掃描分光光柵、光闌；掃描分光光柵的柵線所在平面和標尺光柵的柵線所在平面平行；掃描分光光柵為組合光柵，包括位于掃描分光光柵中間區域的二維正交光柵以及位于二維正交光柵兩側的一維光柵A和一維光柵B，二維正交光柵、一維光柵A和一維光柵B的柵線共面，一維光柵A和一維光柵B的柵線方向相互垂直，且分別平行于二維正交光柵的兩個柵線方向，二維正交光柵、一維光柵A和一維光柵B的光柵周期相等；掃描分光光柵在放置時，其柵線方向與標尺光柵的柵線方向成45°；標尺光柵為二維正交光柵，具有后向零級衍射光，其周期為掃描分光光柵周期的X方向是與掃描分光光柵的柵線所在平面平行，且垂直于一維光柵A柵線的方向；Y方向是與掃描分光光柵的柵線所在平面平行，且垂直于一維光柵B柵線的方向；Z方向是與掃描分光光柵的柵線所在平面垂直的方向；雙頻激光器出射的雙頻正交偏振光入射到分光棱鏡，其反射光透過偏振片A后入射到Z向探測部件，形成的拍頻信號作為Z向測量的一路參考信號，其透射光入射到偏振分光棱鏡后分為參考光和測量光；參考光透過1/4波片A，并由反射部件反射后，依次透過1/4波片A、偏振分光棱鏡、偏振片B入射到Z向探測部件；測量光透過1/4波片B后沿Z方向入射到掃描分光光柵中間區域的二維正交光柵，經二維正交光柵衍射后衍射光束入射到標尺光柵并發生反向衍射，得到九束測量光束與其他雜散光束；九束測量光束中，其中四束在掃描分光光柵的一維光柵A上兩兩相交并衍射入射到X向探測部件形成四組干涉信號，通過信號處理部件解算后得到讀數頭相對于標尺光柵在X向發生的位移；九束測量光束中，另外四束在掃描分光光柵的本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置，包括標尺光柵(4)和讀數頭，其特征在于：所述的讀數頭包括雙頻激光光源(1)、Z向干涉部件(2)、掃描分光光柵部件(3)、X向探測部件(5)、Y向探測部件(6)、Z向探測部件(7)、信號處理部件(8)；所述的雙頻激光光源(1)包括雙頻激光器(11)、分光棱鏡(12)、偏振片A(13)；所述的Z向干涉部件(2)包括偏振分光棱鏡(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24)、偏振片B(25)；所述的掃描分光光柵部件(3)包括掃描分光光柵(31)、光闌(32)；所述的掃描分光光柵(31)的柵線所在平面和標尺光柵(4)的柵線所在平面平行；所述的掃描分光光柵(31)為組合光柵，包括位于掃描分光光柵(31)中間區域的二維正交光柵(312)以及位于二維正交光柵(312)兩側的一維光柵A(311)和一維光柵B(313)，二維正交光柵(312)、一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的柵線共面，一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的柵線方向相互垂直，且分別平行于二維正交光柵(312)的兩個柵線方向，二維正交光柵(312)、一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的光柵周期相等；所述的掃描分光光柵(31)在放置時，其柵線方向與標尺光柵(4)的柵線方向成45°；所述的標尺光柵(4)為二維正交光柵，具有后向零級衍射光，其周期為掃描分光光柵周期的...

【技術特征摘要】
1.一種使用雙頻激光和衍射光柵的三維位移測量裝置，包括標尺光柵(4)和讀數頭，其特征在于：所述的讀數頭包括雙頻激光光源(1)、Z向干涉部件(2)、掃描分光光柵部件(3)、X向探測部件(5)、Y向探測部件(6)、Z向探測部件(7)、信號處理部件(8)；所述的雙頻激光光源(1)包括雙頻激光器(11)、分光棱鏡(12)、偏振片A(13)；所述的Z向干涉部件(2)包括偏振分光棱鏡(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24)、偏振片B(25)；所述的掃描分光光柵部件(3)包括掃描分光光柵(31)、光闌(32)；所述的掃描分光光柵(31)的柵線所在平面和標尺光柵(4)的柵線所在平面平行；所述的掃描分光光柵(31)為組合光柵，包括位于掃描分光光柵(31)中間區域的二維正交光柵(312)以及位于二維正交光柵(312)兩側的一維光柵A(311)和一維光柵B(313)，二維正交光柵(312)、一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的柵線共面，一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的柵線方向相互垂直，且分別平行于二維正交光柵(312)的兩個柵線方向，二維正交光柵(312)、一維光柵A(311)和一維光柵B(313)的光柵周期相等；所述的掃描分光光柵(31)在放置時，其柵線方向與標尺光柵(4)的柵線方向成45°；所述的標尺光柵(4)為二維正交光柵，具有后向零級衍射光，其周期為掃描分光光柵周期的所述的X向是與掃描分光光柵(31)的柵線所在平面平行，且垂直于一維光柵A(311)柵線的方向；所述的Y向是與掃描分光光柵(31)的柵線所在平面平行，且垂直于一維光柵B(313)柵線的方向；所述的Z向是與掃描分光光柵(31)的柵線所在平面垂直的方向；所述的雙頻激光器(11)出射的雙頻正交偏振光入射到分光棱鏡(12)，其反射光透過偏振片A(13)后入射到Z向探測部件(7)，形成的拍頻信號作為Z向測量的一路參考信號，其透射光入射到偏振分光棱鏡(21)后分為參考光和測量光；所述的參考光透過1/4波片A(22)，并由反射部件(23)反射后，依次透過1/4波片A(22)、偏振分光棱鏡(21)、偏振片B(25)入射到Z向探測部件(7)；所述的測量光透過1/4波片B(24)后沿Z方向入射...

【專利技術屬性】
技術研發人員：譚久彬，陸振剛，魏培培，
申請(專利權)人：哈爾濱工業大學，
類型：發明
國別省市：黑龍江,23