CN104613865A - 高细分高密度光栅干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种高细分高密度光栅干涉仪，包括：相对运动的高密度衍射光栅、线偏振光源、偏振分束器、第一和第二高细分棱镜、第一和第二反射镜、第一和第二四分之一波片、偏振相移干涉光电探测单元或双频外差干涉光电探测单元、数据采集和处理及控制单元。本发明将高密度光栅设计成负一级高衍射光效率；进而采用高细分棱镜实现棱镜反射面与高密度光栅间的多次反复衍射，并且最终在棱镜准直面自准直回射并再次在高密度光栅间反复衍射，从而使光栅干涉仪获得高细分效果，有效提高光栅干涉仪光学分辨率。

Description

高细分高密度光栅干涉仪

技术领域

本发明涉及光学测量仪器，特别是一种高细分高密度光栅干涉仪。

背景技术

光栅干涉仪是高精度光栅尺测量***(栅距一般小于10微米)的核心模块，决定了其精度和分辨率。高精度光栅尺测量***由光栅尺体、安装夹具、基于光栅干涉仪的读数头及信号控制器和显示器组成，其功能是进行高精度位移量的测量。广泛应用于机床加工控制、晶片处理和切割、集成电路光刻设备、半导体检测、机器人***、航空航天、科学研究、军事等领域。

高精度光栅尺测量***不仅是现代最基础的自动化量仪之一，而且是现代加工和生产及科学研究中高精度、高品质的重要保证手段之一。尤其是20nm/14nm集成电路光刻设备、纳米/亚纳米科学研究、航空航天、科学研究、军事等领域，对高精度光栅尺测量***提出了更高精度和分辨率的需求。

相对于高精度激光干涉仪而言，基于光栅干涉仪的光栅尺测量***具有对环境不敏感的优点。其电子细分的分辨率已达皮米量级。但是实际应用中，光栅尺测量***的综合分辨率由光栅干涉仪光学分辨率和电子细分分辨率共同决定；光栅干涉仪光学分辨率决定了电子细分分辨率的有效性。因此，提高光栅干涉仪光学分辨率是进一步提高光栅尺测量***分辨率的根本所在。

日本佳能提出US5038032、US5146085、US4912320等专利、美国IBM提出了专利US5442172，美国ZYGO亦申请了不少新颖的光栅干涉仪专利,如US8300233B2,US0194824A1，US0114061A1，以获得更高精度和分辨率。德国海德汉、日本索尼亦推出了高分辨率的光栅尺测量***。但是以上述为代表的技术方案,光栅干涉仪光学细分数一般为2或4。多采用高电子细分，如12bit、14bit；进一步的高bit电子细分是易于实现的，但受限于光栅干涉仪光学4细分分辨率，已无意义。因此，进一步提高光栅干涉仪光学细分数对于实际提高光栅干涉仪光学分辨率乃至光栅尺测量***总体分辨率，具有重要价值。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术方案不足，提出一种高细分高密度光栅干涉仪:首先将高密度光栅设计成负一级高衍射光效率；进而采用高细分棱镜实现棱镜反射面与高密度光栅间的多次反复衍射，并且最终在棱镜准直面自准直回射并再次在高密度光栅间反复衍射，从而使光栅干涉仪获得高细分效果，有效提高光栅干涉仪光学分辨率。

本发明的技术解决方案如下：

一种高细分高密度光栅干涉仪，包括：相对运动的高密度衍射光栅、线偏振光源、偏振分束器、第一高细分棱镜、第二高细分棱镜、第一反射镜、第二反射镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、数据采集和处理及控制单元和干涉光电探测单元，其特点在于，所述的线偏振光源发出偏振光束经偏振分束器分为透射的P光和反射的S光，所述的P光依次经所述的第一四分之一波片、第一反射镜入射到所述的相对运动衍射光栅，所述的S光依次经所述的第二四分之一波片、第二反射镜入射到所述的相对运动衍射光栅；借助第一高细分棱镜、第二高细分棱镜，入射光束在衍射光栅上2N次-1级衍射(N为衍射光栅上单向反复衍射次数)，分别产生正负2N倍多普勒光学频移，进而实现4N倍光学细分。经该相对运动衍射光栅2N次衍射后的两束-1级衍射光经所述的第一高细分棱镜和第二高细分棱镜透射和反射后，再自准直原路返回，分别经所述的第一四分之一波片和第二四分之一波片转换为与原偏振态正交的线偏振光，再次经偏振分束器入射到所述的干涉光电探测单元，该干涉光电探测单元的输出端与所述的数据采集和处理及控制单元的输入端相连。

所述的第一高细分棱镜和第二高细分棱镜均包括至少一个反射面、一个相邻的准直面和一个相对的透射面；所述的高细分棱镜反射面与准直面夹角α、高细分棱镜反射面与透射面夹角φ、高细分棱镜透射面与高密度衍射光栅平面的夹角α₃满足以下关系：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_3))-\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\mathrm{\α}}_3))}{2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\mathrm{\α}}_3))+\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_3))}{2}---\left(2\right)$

其中,n₀为空气折射率、n₁高细分棱镜折射率，λ为光源波长，β为入射光束与高密度衍射光栅法线夹角，d为高密度衍射光栅的栅距，α₃≥0。

所述的第一高细分棱镜和第二高细分棱镜均包括至少一个反射面和一个相邻的准直面；所述的高细分棱镜反射面与准直面夹角α满足以下关系：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\β}-\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))}{2}$

其中,n₀为空气折射率、n₁高细分棱镜折射率，λ为光源波长，β为入射光束与高密度衍射光栅法线夹角，d为高密度衍射光栅的栅距。

所述的线偏振光源是发光二极管、激光二极管、固体的光源或气体光源；单频的激光器或双频正交偏振的激光器。

所述的干涉光电探测单元为偏振相移干涉光电探测单元或双频外差干涉光电探测单元。

所述的偏振相移干涉光电探测单元包括第三四分之一波片、非偏振分束器、第一偏振分束器、处正交偏振45度放置的第二偏振分束器、第一探测器、第二探测器、第三探测器和第四探测器。

所述的双频外差干涉光电探测单元包括非偏振分束器、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器及对应的第一探测器、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器及对应的第二探测器，所述的线偏振光源发出偏振光束经所述的非偏振分束器分为两束，一束经所述的偏振分束器分为透射的P光和反射的S光，另一束射入所述的第一检偏器。

所述的数据采集和处理及控制单元由数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组成或由至少具有采集和计算功能的电路板组成。

上述方案中，衍射光栅亦可以是透射型的；透射型使用时，在衍射光一方放置全反射镜，并将-1级衍射光反向以原入射光角度入射透射型衍射光栅，第一和第二高细分棱镜参数不变。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

采用将高密度光栅设计成负一级高衍射光效率；进而采用高细分棱镜实现棱镜反射面与高密度光栅间的多次反复衍射，并且最终在棱镜准直面自准直回射并再次在高密度光栅间反复衍射。入射光束在衍射光栅上2N次-1级衍射(N为衍射光栅上单向反复衍射次数)，分别产生正负2N倍多普勒光学频移，进而实现4N倍光学细分。若N＝10，则可实现40倍的光学细分。从而使光栅干涉仪获得高细分效果，大大有效提高光栅干涉仪光学分辨率。

附图说明

图1为采用双频外差干涉光电探测单元的高细分高密度光栅干涉仪的实施例图。

图2为采用偏振相移干涉光电探测单元的高细分高密度光栅干涉仪的实施例图。

图3为高细分棱镜的工作原理图。

图4为高细分棱镜的另一种工作原理图。

图5为一体式高细分棱镜的工作原理图。

图6为简化的高细分棱镜的工作原理图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

1、实施例1。如图1。

激光器8发出正交双频线偏振光，经非偏振分束器10平分成两束光，一束进入虚框内的双频外差干涉光电探测单元，通过与正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器11后形成干涉信号，并由第一探测器12接收，作为双频外差干涉术的参考信号；另一束通过偏振分束器9分成透射的P光和反射的S光，分别由第一四分之一波片6和第二四分之一波片7变换为圆偏振光，再通过第一反射镜2和第二反射镜3入射衍射光栅1。由衍射光栅1衍射后的两束-1级分别进入各自一边的第一高细分棱镜4和第二高细分棱镜5，再自准直原路返回，经第一四分之一波片6和第二四分之一波片7变换为与原偏振态正交的线偏振光，再次经偏振分束器9共同进入虚框内的双频外差干涉光电探测单元，通过与正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器14后形成干涉信号，并由第二探测器13接收，作为双频外差干涉术的测量信号；上述参考信号和测量信号经由数据采集和处理及控制单元15处理即可获得衍射光栅1的横向位移量。

第一高细分棱镜4和第二高细分棱镜5的工作原理如图3，下面仅以第一高细分棱镜4为例。

入射光束30经光栅1衍射后，-1级衍射光束由第一高细分棱镜4之透射面33透过，再被第一高细分棱镜4之反射面32反射出透射面33，并与入射光束30平行。如此多次反复，直至最后一束-1级衍射光束在第一高细分棱镜4之准直面34自准直回射为与入射光束30重合但方向相反的光束31。相关参数如下：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_3))-\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\mathrm{\α}}_3))}{2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\mathrm{\α}}_3))+\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_3))}{2}---\left(2\right)$

其中,n₀为空气折射率、n1为棱镜折射率，θ为衍射角，λ为波长，α₃为棱镜透射面33与衍射光栅1平面的夹角。

入射光束30与衍射光栅1入射角为β，衍射光栅1栅距为d，第一高细分棱镜4之反射面32与准直面34夹角α满足(1)式。第一高细分棱镜4之反射面32与透射面33夹角φ满足(2)式。

采用第一高细分棱镜4和第二高细分棱镜5后，入射光束在衍射光栅1上2N次-1级衍射(N为衍射光栅1上单向反复衍射次数)，分别产生正负2N倍多普勒光学频移，进而实现4N倍光学细分。若N＝10，则可实现40倍的光学细分。以栅距为2000线/毫米光栅为例，将其设计成负一级高衍射光效率，如大于90％，若N＝10，那么仍可有效探测其干涉信号，则可获得12.5nm的光学周期信号。辅以1024级的电子细分，则可实现约12.2pm的高分辨率。

图4为第一高细分棱镜4或第二高细分棱镜5的另一种工作方式原理图。入射光线较图3远离衍射光栅1，从第一高细分棱镜4或第二高细分棱镜5的上部入射衍射光栅1。

高细分棱镜4和5可进一步设计成一体式高细分棱镜，如图5所示。图5是图3和图4当α₃＝0°时的特例。

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin \left(\mathrm{\β}\right))-\arcsin (n_0/n_1\·\sin \left(\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))\right))}{2}$

$\mathrm{\φ}=\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin \left(\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))\right))+\arcsin (n_0/n_1\·\sin \left(\mathrm{\β}\right))}{2}$

参数与上述一致。

图5中，右边带单引号的序号是左边序号的对称体。

第一高细分棱镜4和第二高细分棱镜5可以简化为一个反射面和一个相邻的准直面，直接加工成或粘结而成，如图5。以此类推，第一高细分棱镜4和第二高细分棱镜5可进一步设计成一体式同样左右对称的结构。两个面满足以下关系：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\β}-\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))}{2}$

参数与上述一致。

2、实施例2。如图2。

激光器8发出线偏振光，经偏振分束器9分成透射的P光和反射的S光，分别由四分之一波片6和7变换为圆偏振光，再通过第一反射镜2和第二反射镜3入射衍射光栅1。由衍射光栅1衍射后的两束-1级分别进入各自一边的第一高细分棱镜4和第二高细分棱镜5，再自准直原路返回，经第一四分之一波片6和第二四分之一波片7变换为与原偏振态正交的线偏振光，再次经偏振分束器9进入虚线框内的由第三四分之一波片16、非偏振分束器17、第一偏振分束器18、第二偏振分束器22(45度旋转放置)及第一探测器19、第二探测器20、第三探测器21、第四探测器23组成的偏振相移干涉光电探测单元，形成四路相移90°的探测信号。进而由数据采集和处理及控制单元15处理即可获得衍射光栅1的横向位移量。

所述方案中，数据采集和处理及控制单元15由数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组成或由至少具有采集和计算功能的电路板组成。

所述方案中，衍射光栅1亦可以是透射型的；透射型使用时，在-1级衍射光一方放置全反射镜，并将-1级衍射光反向以原入射光角度入射透射型衍射光栅，第一细分棱镜4和第二高细分棱镜5参数不变。

Claims (9)

1.一种高细分高密度光栅干涉仪，包括：相对运动的高密度衍射光栅(1)、线偏振光源(8)、偏振分束器(9)、第一高细分棱镜(4)、第二高细分棱镜(5)、第一反射镜(2)、第二反射镜(3)、第一四分之一波片(6)、第二四分之一波片(7)、数据采集和处理及控制单元(15)和干涉光电探测单元，其特征在于，所述的线偏振光源(8)发出偏振光束经偏振分束器(9)分为透射的P光和反射的S光，所述的P光依次经所述的第一四分之一波片(6)、第一反射镜(2)入射到所述的相对运动衍射光栅(1)，所述的S光依次经所述的第二四分之一波片(7)、第二反射镜(3)入射到所述的相对运动衍射光栅(1)，分别经由第一高细分棱镜(4)和第二高细分棱镜(5)透射和反射后，两束-1级衍射光束各自在衍射光栅(1)上单向N次衍射,再自准直原路单向N次衍射返回，分别经所述的第一四分之一波片(6)和第二四分之一波片(7)转换为与原偏振态正交的线偏振光，再次经偏振分束器(9)入射到所述的干涉光电探测单元，该干涉光电探测单元的输出端与所述的数据采集和处理及控制单元(15)的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于，所述的第一高细分棱镜(4)和第二高细分棱镜(5)均包括至少一个反射面、一个相邻的准直面和一个相对的透射面；所述的高细分棱镜反射面与准直面夹角α、高细分棱镜反射面与透射面夹角φ、高细分棱镜透射面与高密度衍射光栅平面的夹角α₃满足以下关系：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_3))-\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\mathrm{\α}}_3))}{2}---\left(1\right)$

$\mathrm{\φ}=\frac{\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))-{\mathrm{\α}}_3))+\arcsin (n_0/n_1\·\sin (\mathrm{\β}-{\mathrm{\α}}_3))}{2}---\left(2\right)$

其中,n₀为空气折射率、n₁为高细分棱镜折射率，λ为光源波长，β为入射光束与高密度衍射光栅法线夹角，d为高密度衍射光栅的栅距，α₃≥0。

3.根据权利要求1所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于，所述的第一高细分棱镜(4)和第二高细分棱镜(5)均包括至少一个反射面和一个相邻的准直面；所述的高细分棱镜反射面与准直面夹角α满足以下关系：

$\mathrm{\α}=\mathrm{\π}-\frac{\mathrm{\β}-\arcsin (\mathrm{\λ}/d-\sin \left(\mathrm{\β}\right))}{2}$

其中,n₀为空气折射率、n1为高细分棱镜折射率，λ为光源波长，β为入射光束与高密度衍射光栅法线夹角，d为高密度衍射光栅(1)的栅距。

4.根据权利要求1所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于所述的线偏振光源是发光二极管、激光二极管、固体的光源或气体光源；单频的激光器或双频正交偏振的激光器。

5.根据权利要求1-4任一项所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于所述的干涉光电探测单元为偏振相移干涉光电探测单元或双频外差干涉光电探测单元。

6.根据权利要求5所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于，所述的偏振相移干涉光电探测单元包括第三四分之一波片(16)、非偏振分束器(17)、第一偏振分束器(18)、处正交偏振45度放置的第二偏振分束器(22)、第一探测器(19)、第二探测器(20)、第三探测器(21)和第四探测器(23)。

7.根据权利要求5所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于，所述的双频外差干涉光电探测单元包括非偏振分束器(10)、处于正交双频线偏振光45度放置的第一检偏器(11)及对应的第一探测器(12)、处于正交双频线偏振光45度放置的第二检偏器(14)及对应的第二探测器(13)，所述的线偏振光源(8)发出偏振光束经所述的非偏振分束器(10)分为两束，一束经所述的偏振分束器(9)分为透射的P光和反射的S光，另一束射入所述的第一检偏器(11)。

8.根据权利要求1-4任一项所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于，所述的数据采集和处理及控制单元由数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组成或由至少具有采集和计算功能的电路板组成。

9.根据权利要求1-4任一项所述的高细分高密度光栅干涉仪，其特征在于，所述的高密度衍射光栅(1)是反射型或透射型。