CN106289068A - 一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法 - Google Patents

Abstract

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，所述测量方法采用的测量***包括读数头、测量光栅、电子信号处理部件。该二自由度测量方法为：读数头给出两束测量光以利特罗角入射至测量光栅，产生两束衍射光沿原路返回，读数头给出一个外差参考电信号和两个外差测量电信号输入至电子信号处理部件，经解算实现两个自由度的位移输出。该测量方法避免了偏振混叠，能实现纳米甚至更高分辨率及精度，且同时测量二自由度的大行程位移。应用该测量方法的测量***具有对环境不敏感、结构紧凑、体积小、质量轻等优点，适用于光刻机超精密工件台、精密机床等需要多自由度精密位移测量的场合。

Description

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法

技术领域

本发明涉及一种光栅测量方法，特别涉及一种二自由度外差光栅干涉仪测量方法，属于位移测量技术领域。

背景技术

光栅测量***作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备。光栅测量***的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于莫尔条纹原理的光栅测量***作为一种发展成熟的位移传感器以其测距长、成本低、易于装调等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选，但精度通常在微米量级，常见于一般工业应用。

超精密位移测量技术在诸如三坐标测量机、超精密工件台、米级光栅制造设备等工业计量设备中具有重要应用。半导体制造装备中的光刻机是半导体芯片制作中的关键设备，随着半导体制造产业的发展，应用于光刻机的超精密工件台的运动控制显得尤为重要。超精密工件台以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等运动特点成为超精密运动***中最具代表性的一类***。为实现上述运动，超精密工件台通常采用双频激光干涉仪测量***测量超精密工件台多自由度位移。然而随着测量精度、测量距离、测量速度等运动指标的不断提高，双频激光干涉仪以环境敏感性、测量速度难以提高、占用空间、价格昂贵、测量目标工件台难以设计制造控制等一系列问题难以满足测量需求。

针对上述问题，世界上超精密测量领域的各大公司及研究机构展开了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光栅测量***，研究成果在诸多专利论文中均有揭露。荷兰ASML公司美国专利US7,102,729B2(公开日2005年8月4日)、US7,483,120B2(公开日2007年11月15日)、US7,,940,392B2(公开日2009年12月24日)、公开号US2010/0321665A1(公开日2010年12月23日)公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量***及布置方案，该测量***主要利用一维或二维的平面光栅配合读数头测量工件台水平大行程位移，高度方向位移测量采用电涡流或干涉仪等高度传感器，但多种传感器的应用限制工件台测量精度。美国ZYGO公司美国专利公开号US2011/0255096A1(公开日2011年10月20日)公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量***，该测量***采用二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量，但大尺寸的二维光栅造价极其昂贵；日本CANON公司美国专利公开号US2011/0096334A1(公开日2011年4月28日)公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现一维测量。日本学者GAOWEI在研究论文“Design and construction of a two-degree-of-freedomlinear encoder for nanometric measurement of stage position andstraightness.Precision Engineering34(2010)145-155”中提出了一种利用衍射干涉原理的单频二维光栅测量***，该光栅测量***可同时实现水平和垂直向的位移测量，但由于采用单频激光，测量信号易受干扰，精度难以保证。中国专利文献公开号CN103759657A(公开日2014年04月30日)及CN103759656A(公开日2014年04月30日)分别公开了一种外差光栅干涉仪测量***，两种干涉仪测量***中的读数头结构中使得其再对垂向进行测量时的行程非常小，不能对垂向运动进行较大行程的测量，应用范围受到了限制。

考虑到上述技术方案的局限，寻求一种利用光学拍频原理的二自由度外差光栅干涉仪测量方法，应用该测量方法的测量***要具有结构简洁、体积小、质量轻、易于安装、方便应用等优点。该测量方法能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量两个自由度的大行程位移。该二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法可应用于光刻机超精密工件台、精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等需要多自由度精密位移测量的场合。

发明内容

本发明的目的是提供一种二自由度外差光栅干涉仪测量方法，该测量方法能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，且能够同时测量两个自由度的大行程位移。

本发明的技术方案如下：

一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)搭建测量***：所述测量***包括读数头、测量光栅和电子信号处理部件；

所述读数头包括双频激光发生器、干涉仪、第一光电转换单元、第二光电转换单元、第三光电转换单元；所述双频激光发生器包括激光管、针孔、准直透镜、分光镜、第一声光调制器、第二声光调制器、第一光挡、第二光挡、第一反射镜、第二反射镜、第一偏振片、第二偏振片、第一高透射分光镜、第二高透射分光镜、参考信号合成单元；所述干涉仪包括第一干涉仪分光镜、第二干涉仪分光镜、第一反射器、第二反射器；

2)利用步骤1)的测量***进行测量：

a)双频激光发生器的激光管出射一束单频激光，该单频激光经过针孔和准直透镜准直后，经分光镜分为两束功率相同、传播方向垂直的光，两束光分别经第一声光调制器和第二声光调制器后产生衍射光，包括两束零级衍射光和两束一级衍射光，两束零级衍射光分别被第一光挡和第二光挡拦截，两束一级衍射光分别经第一反射镜、第一偏振片和第二反射镜、第二偏振片后，入射至第一高透射分光镜和第二高透射分光镜；

b)第一高透射分光镜和第二高透射分光镜反射出的两束功率较小的光，入射至参考信号合成单元，合成外差参考光信号，第一高透射分光镜和第二高透射分光镜透射出的两束功率较大的光，形成非共轴双频激光，出射至干涉仪，所述的非共轴双频激光为偏振方向相同，传播方向一致，光路平行，且存在一定频差的两束激光；

c)外差参考光信号出射至第三光电转换单元，转换为外差参考电信号，经电缆输出至电子信号处理部件；

d)干涉仪的第一干涉仪分光镜将入射的一束激光分为第一参考光和第一测量光，第一参考光经第二干涉仪分光镜入射至第二光电转换单元；第一测量光经第一反射器后以利特罗角入射至测量光栅并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第一反射器、第一干涉仪分光镜后入射至第一光电转换单元；

e)干涉仪的第二干涉仪分光镜将入射的一束激光分为第二参考光和第二测量光，第二参考光经第一干涉仪分光镜入射至第一光电转换单元；第二测量光经第二反射器后以利特罗角入射至测量光栅并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第二反射器、第二干涉仪分光镜后入射至第二光电转换单元；

f)第一参考光和第二测量光的衍射光在第二光电转换单元前重合并发生干涉，形成第一拍频光信号I₁，表示为：

其中，E_r1表示第一参考光的光矢量，E_m2表示第二测量光的衍射光的光矢量，I_DC1表示光强信号中的直流分量的幅值，I_AC1表示光强信号中的交流分量的幅值，f表示双频激光的频差，表示由于测量光栅在X和Z方向上位移所引起的相位变化值；

第二参考光和第一测量光的衍射光在第一光电转换单元前重合并发生干涉，形成第二拍频光信号I₂，表示为：

其中，E_r2表示第二参考光的光矢量，E_m1表示第一测量光的衍射光的光矢量，I_DC2表示光强信号中的直流分量的幅值，I_AC2表示光强信号中的交流分量的幅值，f表示双频激光的频差，表示由于测量光栅在X和Z方向上位移所引起的相位变化值。

g)I₁和I₂分别被第二光电转换单元和第一光电转换单元转换为外差测量电信号，经电缆输出至电子信号处理部件；

h)由1)到7)，电子信号处理部件得到一个外差参考电信号和两个外差测量电信号，做信号解调和处理，得到包含有X和Z两个方向位移信息的相位变化值和表达为：

其中，d为测量光栅的栅距，λ₁和λ₂为双频激光的波长，θ₁为波长是λ₁的激光入射至测量光栅的利特罗角，θ₂为波长是λ₂的激光入射至测量光栅的利特罗角，Δx为待求的X方向位移值，Δz为待求的Z方向位移值；

将已知的参数值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂带入上述的和的表达式，得到一个简单的二元一次方程组，解该方程组，从而得测量光栅在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，从而实现了二自由度位移测量。

本发明的上述技术方案中，所述的测量光栅为一维反射光栅。参考信号合成单元包括第一参考信号反射镜、第二参考信号反射镜和透射光栅。

本发明所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法的优点及突出性的技术效果：

①大幅度避免了偏振混叠误差，实现亚纳米甚至更高分辨率及精度；

②测量精度受外界环境影响小；

③可同时测量两个自由度的大行程位移；

④所使用的测量***读数头体积小、质量轻、易于安装，方便应用；

⑤可应用于光刻机超精密工件台、精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。

附图说明

图1为本发明一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法采用的测量***示意图。

图2为本发明一种参考信号合成单元示意图。

图3为本发明测量Z向位移的原理示意图。

图中，1——读数头，2——测量光栅，3——电子信号处理部件；11——双频激光发生器，12——干涉仪，13——第一光电转换单元，14——第二光电转换单元，15——第三光电转换单元；111——激光管，112——针孔，113——准直透镜，114——分光镜、115——第一声光调制器，115'——第二声光调制器，116——第一光挡，116'——第二光挡，117——第一反射镜，117'——第二反射镜，118——第一偏振片，118'——第二偏振片，119——第一高透射分光镜，119'——第二高透射分光镜，110——参考信号合成单元；121——第一干涉仪分光镜，122——第二干涉仪分光镜，123——第一反射器，124——第二反射器；1101——第一参考信号反射镜，1102——第二参考信号反射镜，1103——透射光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构、原理和具体实施方式作进一步地详细描述。

请参考图1，图1为本发明的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法采用的测量***示意图，该***包括读数头1、测量光栅2、电子信号处理部件3。

所述读数头1包括双频激光发生器11、干涉仪12、第一光电转换单元13、第二光电转换单元14、第三光电转换单元15；所述双频激光发生器11包括激光管111、针孔112、准直透镜113、分光镜114、第一声光调制器115、第二声光调制器115'、第一光挡116、第二光挡116'、第一反射镜117、第二反射镜117'、第一偏振片118、第二偏振片118'、第一高透射分光镜119、第二高透射分光镜119'、参考信号合成单元110；所述干涉仪12包括第一干涉仪分光镜121、第二干涉仪分光镜122、第一反射器123、第二反射器124。

图1所述的二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法包含如下步骤：

1)双频激光发生器11的激光管111出射一束单频激光，该单频激光经过针孔112和准直透镜113准直后，经分光镜114分为两束功率相同、传播方向垂直的光，两束光分别经第一声光调制器和第二声光调制器后产生衍射光，包括两束零级衍射光和两束一级衍射光，两束零级衍射光分别被第一光挡116和第二光挡116'拦截，两束一级衍射光分别经第一反射镜117、第一偏振片118和第二反射镜117'、第二偏振片118'后，入射至第一高透射分光镜119和第二高透射分光镜119'；

2)第一高透射分光镜和第二高透射分光镜反射出的两束功率较小的光，入射至参考信号合成单元110，合成外差参考光信号，第一高透射分光镜119和第二高透射分光镜119'透射出的两束功率较大的光，形成非共轴双频激光，出射至干涉仪12，所述的非共轴双频激光为偏振方向相同，传播方向一致，光路平行，且存在一定频差的两束激光；

3)外差参考光信号出射至第三光电转换单元15，转换为外差参考电信号，经电缆输出至电子信号处理部件3；

4)干涉仪的第一干涉仪分光镜121将入射的一束激光分为第一参考光和第一测量光，第一参考光经第二干涉仪分光镜122入射至第二光电转换单元14；第一测量光经第一反射器123后以利特罗角入射至测量光栅并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第一反射器123、第一干涉仪分光镜121后入射至第一光电转换单元13；

5)干涉仪的第二干涉仪分光镜将入射的一束激光分为第二参考光和第二测量光，第二参考光经第一干涉仪分光镜入射至第一光电转换单元；第二测量光经第二反射器后以利特罗角入射至测量光栅并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第二反射器、第二干涉仪分光镜后入射至第二光电转换单元；

6)第一参考光和第二测量光的衍射光在第二光电转换单元前重合并发生干涉，形成第一拍频光信号I₁，表示为：

其中，E_r1表示第一参考光的光矢量，E_m2表示第二测量光的衍射光的光矢量，I_DC1表示光强信号中的直流分量的幅值，I_AC1表示光强信号中的交流分量的幅值，f表示双频激光的频差，表示由于测量光栅在X和Z方向上位移所引起的相位变化值。

第二参考光和第一测量光的衍射光在第一光电转换单元前重合并发生干涉，形成第二拍频光信号I₂，表示为：

其中，E_r2表示第二参考光的光矢量，E_m1表示第一测量光的衍射光的光矢量，I_DC2表示光强信号中的直流分量的幅值，I_AC2表示光强信号中的交流分量的幅值，f表示双频激光的频差，表示由于测量光栅在X和Z方向上位移所引起的相位变化值。

7)I₁和I₂分别被第二光电转换单元和第一光电转换单元转换为外差测量电信号，经电缆输出至电子信号处理部件；

8)由1)到7)，电子信号处理部件得到一个外差参考电信号和两个外差测量电信号，做信号解调和处理，得到包含有X和Z两个方向位移信息的相位变化值和表达为：

其中，d为测量光栅的栅距，λ₁和λ₂为双频激光的波长，θ₁为波长是λ₁的激光入射至测量光栅的利特罗角，θ₂为波长是λ₂的激光入射至测量光栅的利特罗角，Δx为待求的X方向位移值，Δz为待求的Z方向位移值。

将已知的参数值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂带入上述的和的表达式，得到一个简单的二元一次方程组，解该方程组，从而得测量光栅在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，实现了二自由度位移测量。

请参考图2，图2为本发明一种参考信号合成单元示意图，参考信号合成单元包括第一参考信号反射镜1101，第二参考信号反射镜1102，透射光栅1103。

图2所述的参考信号合成单元的原理包含如下步骤：

第一参考信号反射镜和第二参考信号反射镜分别将第一高透射分光镜和第二高透射分光镜反射出来的两束激光以一定角度反射至透射光栅的相同位置，产生重合的两束衍射光，两束重合的衍射光拍频形成外差参考光信号。

请参考图3，图3为本发明测量Z向位移的原理示意图，当测量光栅只沿Z方向位移时，该测量光的光程发生改变，变化值为

${\mathrm{\ΔL}}_1=2\×\frac{\mathrm{\Δ}z}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中，ΔL₁为测量光的光程变化值，Δz为测量光栅沿Z方向的位移值，θ为该测量光入射至测量光栅的利特罗角。

同时，该测量光扫过光栅栅线，产生相应的多普勒移频，扫过光栅栅线的位移变化值为

ΔL₂＝Δz×tan(θ)

其中，ΔL₂为负一级衍射光的扫过光栅的变化值。

所以，当测量光栅沿Z向位移时，最终解算出来的相位变化值包含了测量光的光程变化值和扫过光栅栅线的位移变化值。

上述二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法不仅能够实现亚纳米甚至更高分辨率及精度，而且可同时测量两个自由度的大行程位移，更兼具使用的测量***体积小、质量轻、环境敏感性弱等众多优点。可以应用于光刻机超精密工件台、精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量中。

Claims (3)

1.一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)搭建测量***：所述测量***包括读数头(1)、测量光栅(2)和电子信号处理部件(3)；

所述读数头(1)包括双频激光发生器(11)、干涉仪(12)、第一光电转换单元(13)、第二光电转换单元(14)和第三光电转换单元(15)；所述双频激光发生器(11)包括激光管(111)、针孔(112)、准直透镜(113)、分光镜(114)、第一声光调制器(115)、第二声光调制器(115')、第一光挡(116)、第二光挡(116')、第一反射镜(117)、第二反射镜(117')、第一偏振片(118)、第二偏振片(118')、第一高透射分光镜(119)、第二高透射分光镜(119')和参考信号合成单元(110)；所述干涉仪(12)包括第一干涉仪分光镜(121)、第二干涉仪分光镜(122)、第一反射器(123)、第二反射器(124)；

2)利用步骤1)的测量***进行测量：

a)双频激光发生器(11)的激光管(111)出射一束单频激光，该单频激光经过针孔(112)和准直透镜(113)准直后，经分光镜(114)分为两束功率相同、传播方向垂直的光，两束光分别经第一声光调制器(115)和第二声光调制器(115')后产生衍射光，包括两束零级衍射光和两束一级衍射光，两束零级衍射光分别被第一光挡(116)和第二光挡(116')拦截，两束一级衍射光分别经第一反射镜(117)、第一偏振片(118)和第二反射镜(117')、第二偏振片(118')后，入射至第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')；

b)第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')反射出的两束功率较小的光，入射至参考信号合成单元(110)，合成外差参考光信号，第一高透射分光镜(119)和第二高透射分光镜(119')透射出的两束功率较大的光，形成非共轴双频激光，出射至干涉仪(12)；

c)外差参考光信号出射至第三光电转换单元(15)，转换为外差参考电信号，经电缆输出至电子信号处理部件(3)；

d)干涉仪(12)的第一干涉仪分光镜(121)将入射的一束激光分为第一参考光和第一测量光，第一参考光经第二干涉仪分光镜(122)入射至第二光电转换单元(14)；第一测量光经第一反射器(123)后以利特罗角入射至测量光栅(2)并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第一反射器(123)、第一干涉仪分光镜(121)后入射至第一光电转换单元(13)；

e)干涉仪(12)的第二干涉仪分光镜(122)将入射的一束激光分为第二参考光和第二测量光，第二参考光经第一干涉仪分光镜(121)入射至第一光电转换单元(13)；第二测量光经第二反射器(124)后以利特罗角入射至测量光栅(2)并发生衍射，产生衍射光原路返回，经第二反射器(124)、第二干涉仪分光镜(122)后入射至第二光电转换单元(14)；

f)第一参考光和第二测量光的衍射光在第二光电转换单元(14)前重合并发生干涉，形成第一拍频光信号I₁，第二参考光和第一测量光的衍射光在第一光电转换单元(13)前重合并发生干涉，形成第二拍频光信号I₂；

g)I₁和I₂分别被第二光电转换单元(14)和第一光电转换单元(13)转换为外差测量电信号，经电缆输出至电子信号处理部件(3)；

h)由1)到7)，电子信号处理部件(3)得到一个外差参考电信号和两个外差测量电信号，做信号解调和处理，得到包含有X和Z两个方向位移信息的相位变化值和表达为：

其中，d为测量光栅(2)的栅距，λ₁和λ₂为双频激光的两个波长，θ₁为波长是λ₁的激光入射至测量光栅(2)的利特罗角，θ₂为波长是λ₂的激光入射至测量光栅(2)的利特罗角，Δx为待求的X方向位移值，Δz为待求的Z方向位移值；

将已知的参数值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂带入上述的和的表达式，得到一个简单的二元一次方程组，解该方程组，从而得测量光栅(2)分别在在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，实现了二自由度位移测量。

2.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，其特征在于：测量光栅(2)为一维反射光栅。

3.根据权利要求1所述的一种二自由度外差光栅干涉仪位移测量方法，其特征在于：参考信号合成单元(110)包括第一参考信号反射镜(1101)、第二参考信号反射镜(1102)和透射光栅(1103)。