一种基于衍射光栅的三维位移测量装置涉及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，由标尺光栅和读数头两部分组成，读数头包括光源、分光部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件、信号处理部件；该装置基于迈克尔逊干涉仪原理和多衍射光栅干涉原理实现了X向、Y向和Z向位移的同时测量，具有结构简单紧凑、体积小、抗干扰能力强以及X向、Y向和Z向测量不耦合等优点，能够实现纳米甚至更高测量分辨力，可应用于多自由度高精度的位移测量。
【技术实现步骤摘要】
一种基于衍射光栅的三维位移测量装置
本专利技术涉及一种超精密位移测量技术及光栅位移测量系统，特别涉及一种基于衍射光栅的三维位移测量装置。
技术介绍
近年来，超精密测量已成为世界测量领域的研究热点。考虑到测量范围、精度、系统尺寸和工作环境等因素的影响，用小体积多自由度的测量方法来实现高精度测量在现代位移测量中的需求也越来越突出。在半导体加工领域，光刻机中的掩膜台和工件台的定位精度和运动精度是限制半导体芯片加工线宽的主要因素，为了保证掩膜台和工件台的定位精度和运动精度，光刻机中通常采用具有高精度、大量程的双频激光干涉仪测量系统进行位移测量。目前市场上现有的半导体芯片的线宽已经逼近14nm，不断提高的半导体加工要求对超精密位移测量技术提出了更大的挑战，而双频激光干涉仪测量系统由于其长光程测量易受环境影响，且存在系统体积大、价格高昂等一系列问题，难以满足新的测量需求。针对上述问题，国内外超精密测量领域的各大公司及研究机构都投入了大量精力进行研究，其中一个主要研究方向包括研发基于衍射光栅的新型位移测量系统。基于衍射光栅的位移测量系统经过数十年的发展，已有较多的研究成果，在诸多专利和论文中均有揭露。德国HEIDENHAIN公司的专利US4776701A(公开日1988年10月11日)提出了利用光束通过折射光栅和反射光栅后实现相干叠加与光学移相的方式来测量X方向位移的方法。该方法利用光栅本身的结构参数调整实现了干涉信号移相，同时测量结果不受Y方向和Z方向位移的影响。由于该方法不需额外的移相元件，因此系统体积较小，但是该方法只能用于X方向的位移测量。荷兰ASML公司的专利US7362446B2(公开日2008年4月22日)提出了一种利用光栅衍射编码器和干涉仪原理测量标尺光栅在X方向和Z方向位移的位置测量单元，利用3个该位置测量单元能够同时测量平台的6个自由度；通过特殊的棱镜结构设计，使得该位置测量单元除了标尺光栅以外的其他分光、移相、合光等光学元件组合成一个整体，达到减轻单元尺寸和质量，结构紧凑的目的；该位置测量单元测量标尺光栅X向位移所使用光栅衍射编码器的测量光来自标尺光栅的衍射光，测量标尺光栅Z向位移所使用干涉仪的测量光也来自标尺光栅的衍射光，但来源于不同光束的衍射，是分立的。该方法可同时实现X向和Z向的位移测量，但干涉仪和光栅衍射测量的位置不同，棱镜组结构较复杂。日本学者WeiGao与清华大学学者曾理江等人联合发表的论文“Designandconstructionofatwo-degree-of-freedomlinearencoderfornanometricmeasurementofstagepositionandstraightness.PrecisionEngineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射光栅干涉原理的二维光栅测量装置。激光器出射的激光经过偏振分光棱镜分为测量光和参考光，二者分别入射到标尺光栅和参考光栅并发生反向衍射，反向衍射光在偏振分光棱镜处汇聚后入射到光电探测单元发生干涉，利用后续光路移相，可以在四组探测器表面接收到干涉信号。通过对干涉信号进行处理，可以解耦出光栅读数头相对于标尺光栅在X向和Z向两个方向的位移信息。该方法为了实现对信号的移相，引入了很多的移相合光器件，体积较大；而且当读数头与光栅产生的Z向运动时，干涉区域的范围变小，不利于Z向较大量程的测量。清华大学学者朱煜的专利CN102937411A(公开日2013年2月20日)和CN102944176A(公开日2013年2月27日)中，提出了利用衍射光栅干涉原理设计的二维光栅测量系统，并引入了双频激光产生了拍频信号，增强了测量信号的抗干扰能力。该组专利当读数头相对于标尺光栅发生Z向运动时，干涉区域范围变小，不利于Z向较大量程的测量。日本株式会社三丰的专利CN102865817A(公开日2013年1月9日)以及US8604413B2(公开日2013年12月10日)提出了一种二维位移传感器的构造，该构造能够实现多维位移测量，但是整个系统采用透射方式，并且使用了棱镜等光学器件用于折光，因此系统体积较大。哈尔滨工业大学学者胡鹏程等人的专利CN103604376A(公开日2014年2月26日)中，提出了一种抗光学频率混叠的光栅干涉仪系统，通过激光器出射的双频激光在空间上分开传输的设置，消除了光学频率混叠和相应的周期非线性误差，并能够实现三维位移的测量；哈尔滨工业大学学者林杰等人的专利CN103644849A(公开日2014年3月19日)中，通过引入自准直原理提出了一种三维位移测量系统，该系统能够实现较大量程的Z向位移测量，但是由于光束分光次数较多，不利于提高干涉信号的质量。
技术实现思路
为解决上述方案的局限性，适应和满足前述的测量要求，本专利技术利用典型迈克尔逊干涉原理与多衍射光栅干涉原理，设计了一种结构简单紧凑、体积小的基于衍射光栅的三维位移测量装置。当本装置的读数头相对于标尺光栅发生水平方向(X向)、竖直方向(Y向)、垂直方向(Z向)的位移时，可实现高精度的三维位移实时测量。本专利技术的技术方案如下：一种基于衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅和读数头，读数头包括光源、分光部件、扫描分光光栅部件、X向探测部件、Y向探测部件、Z向探测部件、信号处理部件；光源包括单频激光器、偏振片A；分光部件包括偏振分光棱镜A、1/4波片A、反射部件、1/4波片B；扫描分光光栅部件包括扫描分光光栅、光阑；扫描分光光栅的栅线所在平面和标尺光栅的栅线所在平面平行；扫描分光光栅为组合光栅，包括位于扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅以及位于二维正交光栅两侧的一维光栅A和一维光栅B，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的栅线共面，一维光栅A和一维光栅B的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅的两个栅线方向，二维正交光栅、一维光栅A和一维光栅B的光栅周期相等；扫描分光光栅在放置时，其栅线方向与标尺光栅的栅线方向成45°；标尺光栅为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅周期的X方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A栅线的方向；Y方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B栅线的方向；Z方向是与扫描分光光栅的栅线所在平面垂直的方向；单频激光器出射的激光透过偏振片A入射到偏振分光棱镜A后分为参考光和测量光；参考光透过1/4波片A，并由反射部件反射后，依次透过1/4波片A、偏振分光棱镜A入射到Z向探测部件；测量光透过1/4波片B后沿Z方向入射到扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅，经二维正交光栅衍射后衍射光束入射到标尺光栅并发生反向衍射，得到九束测量光束与其他杂散光束；九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅的一维光栅A上两两相交并衍射入射到X向探测部件形成四组干涉信号，通过信号处理部件解算后得到读数头相对于标尺光栅在X向发生的位移；九束测量光束中，另外四束在扫描分光光栅的一维光栅B上两两相交并衍射入射到Y向探测部件形成另外四组干涉信号，通过信号处理部件解算后得到读数头相对于标尺光栅在Y向发生的位移；九束测量光束中的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫描分光光栅中间区域的二维正交光栅、1/4波片B本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅(4)和读数头，其特征在于：所述的读数头包括光源(1)、分光部件(2)、扫描分光光栅部件(3)、X向探测部件(5)、Y向探测部件(6)、Z向探测部件(7)、信号处理部件(8)；所述的光源(1)包括单频激光器(11)、偏振片A(12)；所述的分光部件(2)包括偏振分光棱镜A(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24)；所述的扫描分光光栅部件(3)包括扫描分光光栅(31)、光阑(32)；所述的扫描分光光栅(31)的栅线所在平面和标尺光栅(4)的栅线所在平面平行；所述的扫描分光光栅(31)为组合光栅，包括位于扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)以及位于二维正交光栅(312)两侧的一维光栅A(311)和一维光栅B(313)，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线共面，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅(312)的两个栅线方向，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期相等；所述的扫描分光光栅(31)在放置时，其栅线方向与标尺光栅(4)的栅线方向成45°；所述的标尺光栅(4)为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅(31)周期的所述的X方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A(311)栅线的方向；所述的Y方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B(313)栅线的方向；所述的Z方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面垂直的方向；所述的单频激光器(11)出射的激光透过偏振片A(12)入射到偏振分光棱镜A(21)后分为参考光和测量光；所述的参考光透过1/4波片A(22)，并由反射部件(23)反射后，依次透过1/4波片A(22)、偏振分光棱镜A(21)入射到Z向探测部件(7)；所述的测量光透过1/4波片B(24)后沿Z方向入射到扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)，经二维正交光栅(312)衍射后衍射光束入射到标尺光栅(4)并发生反向衍射，得到九束测量光束与其他杂散光束；所述的九束测量光束中，其中四束在扫描分光光栅(31)的一维光栅A(311)上两两相交并衍射入射到X向探测部件(5)形成四组干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在X向发生的位移；所述的九束测量光束中，另外四束在扫描分光光栅(31)的一维光栅B(313)上两两相交并衍射入射到Y向探测部件(6)形成另外四组干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Y向发生的位移；所述的九束测量光束中的另一沿入射方向返回的测量光束依次透过扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)、1/4波片B(24)，并由偏振分光棱镜A(21)反射后入射到Z向探测部件(7)；入射到Z向探测部件(7)的参考光和测量光相遇形成干涉信号，通过信号处理单元(8)解算后得到读数头相对于标尺光栅(4)在Z向发生的位移。...
【技术特征摘要】
1.一种基于衍射光栅的三维位移测量装置，包括标尺光栅(4)和读数头，其特征在于：所述的读数头包括光源(1)、分光部件(2)、扫描分光光栅部件(3)、X向探测部件(5)、Y向探测部件(6)、Z向探测部件(7)、信号处理部件(8)；所述的光源(1)包括单频激光器(11)、偏振片A(12)；所述的分光部件(2)包括偏振分光棱镜A(21)、1/4波片A(22)、反射部件(23)、1/4波片B(24)；所述的扫描分光光栅部件(3)包括扫描分光光栅(31)、光阑(32)；所述的扫描分光光栅(31)的栅线所在平面和标尺光栅(4)的栅线所在平面平行；所述的扫描分光光栅(31)为组合光栅，包括位于扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)以及位于二维正交光栅(312)两侧的一维光栅A(311)和一维光栅B(313)，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线共面，一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的栅线方向相互垂直，且分别平行于二维正交光栅(312)的两个栅线方向，二维正交光栅(312)、一维光栅A(311)和一维光栅B(313)的光栅周期相等；所述的扫描分光光栅(31)在放置时，其栅线方向与标尺光栅(4)的栅线方向成45°；所述的标尺光栅(4)为二维正交光栅，具有后向零级衍射光，其周期为扫描分光光栅(31)周期的所述的X方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅A(311)栅线的方向；所述的Y方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面平行，且垂直于一维光栅B(313)栅线的方向；所述的Z方向是与扫描分光光栅(31)的栅线所在平面垂直的方向；所述的单频激光器(11)出射的激光透过偏振片A(12)入射到偏振分光棱镜A(21)后分为参考光和测量光；所述的参考光透过1/4波片A(22)，并由反射部件(23)反射后，依次透过1/4波片A(22)、偏振分光棱镜A(21)入射到Z向探测部件(7)；所述的测量光透过1/4波片B(24)后沿Z方向入射到扫描分光光栅(31)中间区域的二维正交光栅(312)，经二维正交光栅(312)衍射后衍射光束...
【专利技术属性】
技术研发人员：陆振刚，谭久彬，魏培培，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23
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