[發明專利]一種光柵外差干涉自準直測量裝置

有效

• 申請號: 201310595336.2
• 申請日: 2013-11-21
• 公開（公告）號: CN103673891A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發明（設計）人: 朱煜;胡金春;陳龍敏;成榮;高陣雨;楊開明
• 申請（專利權）人: 清華大學;北京華卓精科科技有限公司
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 邸更巖

技術領域

本發明涉及一種光柵測量裝置，特別涉及一種光柵外差干涉自準直測量裝置。

背景技術

光柵是一種以柵線距離為基準進行測量的儀器。根據形成莫爾條紋原理的不同，可分為幾何光柵(幅值光柵)和衍射光柵(相位光柵)。微米級和亞微米級的光柵測量是采用幾何光柵，光柵柵距為100μm至20μm，遠大于光源光波波長，衍射現象可以忽略，當兩塊光柵相對移動時產生低頻拍現象形成莫爾條紋，其測量原理稱為影像原理。納米級的光柵測量是采用衍射光柵，目前光柵柵距為8μm或4μm，柵線的寬度與光的波長很接近，產生衍射和干涉現象形成莫爾條紋，其測量原理稱為干涉原理。

目前許多機電設備對平面運動平臺運動精度要求極高，這就要求其測量系統能夠實現極高精度的位移測量。目前高精度位移測量領域廣泛使用的傳感器主要包括激光干涉儀和光柵。激光干涉儀雖然具有測量分辨率高、測量精度高且信號信噪比大等優點，但由于其對環境極為敏感，因此其對測量環境要求極為苛刻且裝調極為困難。光柵恰恰在這一點具有非常良好的特性，它對環境不敏感、且重復測量精度高，因此在運動平臺超精密位移測量中具有非常巨大的應用潛力。

目前許多研究機構針對此開展了一系列研究。韓國學者Jong-Ahh?Kim在研究論文“Six-degree-of-freedom?displacement?measurement?system?using?a?diffraction?grating,Review?of?Scientific?Instruments,Vol.71,No.8,2000”中提出了一種利用衍射光柵和PSD進行運動平臺6-DOF位移測量的方案，但由于PSD的測量精度較低，因而其最終位移測量無法實現很高精度。日本學者Wei?Gao在研究論文“A?surface?motor-driven?planar?motion?stage?integrated?with?an?XYθ_Z?surface?encoder?for?precision?positioning,Precision?Engineering28(2004)329～337”中提出了一種利用二維正弦光柵進行運動平臺平面三自由度位移的測量方案。在此基礎上，該作者在研究論文“Precision?positioning?of?a?five?degree-of-freedom?planar?motion?stage,Mechatronics15(2005)969～987”中通過新增角度傳感器提出了一種五自由度位移測量方案。以上方案構思巧妙，但限于光柵柵距及傳感器檢測精度，只能達到幾十納米的分辨率及亞微米級測量精度。國際光刻機頂尖制造商ASML也積極開展這方面研究。專利US20090061361A1（公開日2010年9月28日）、US007102729B2（公開日2006年9月5日）、US00748312B2（公開日2009年1月27日）公開了一種利用衍射光柵+高度傳感器的組合測量系統用于浸沒式光刻機工件臺位移的測量。水平方向位移采用光柵結合讀數頭進行測量；高度傳感器一般選擇電渦流傳感器、電容傳感器或激光干涉儀。多種傳感器的使用帶來系統復雜，造成測量精度下降。

發明內容

考慮到以上方案方法存在的缺陷，本發明提出一種光柵外差干涉自準直測量裝置。該裝置能實現亞納米級甚至更高的分辨率及測量精度，且同時能夠測量大行程水平位移以及較大范圍垂向位移。該裝置能夠有效克服激光干涉儀測量系統受環境影響較大等缺陷，在超精密運動平臺測量領域具有巨大應用前景。

本發明的技術方案如下：

一種光柵外差干涉自準直測量裝置，包括激光器、1/4波片、分光系統、參考臂光電轉換系統、負m級測量臂偏振分光鏡、負m級測量臂第一1/4波片、負m級測量臂第一反射鏡、負m級測量臂第二1/4波片、負m級測量臂第二反射鏡、正m級測量臂偏振分光鏡、正m級測量臂第一1/4波片、正m級測量臂第一反射鏡、正m級測量臂第二1/4波片、正m級測量臂第二反射鏡、光柵、負m級測量臂光電轉換系統和正m級測量臂光電轉換系統；其中m為正整數，且m的最大值由光柵的最大自準直角確定；

其特征在于：激光器出射一束含有兩個不同頻率的左旋和右旋圓偏振光的光束，所述包含兩個圓偏振光的光束經過1/4波片之后成為包含兩個相互垂直的線偏振光。接著，所述包含兩個線偏振光的光束經過分光系統后分為參考光、負m級測量光和正m級測量光三路光，均包含相同的兩個相互垂直的線偏振光；參考光進入參考臂光電轉換系統，另兩路分別進入負m級測量臂偏振分光鏡和正m級測量臂偏振分光鏡；