一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統的制作方法與工藝

本發明涉及一種實現光學四細分的光柵測量系統，特別涉及一種二自由度外差光柵干涉儀測量系統。

背景技術：
光柵測量系統作為一種典型的位移傳感器廣泛應用于眾多機電設備。光柵測量系統的測量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理。基于莫爾條紋原理的光柵測量系統作為一種發展成熟的位移傳感器以其測距長、成本低、易于裝調等眾多優點成為眾多機電設備位移測量的首選，但精度通常在微米量級，常見于一般工業應用。半導體制造裝備中的光刻機是半導體芯片制作中的關鍵設備。超精密工件臺是光刻機的核心子系統，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進掃描運動。超精密工件臺以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等運動特點成為超精密運動系統中最具代表性的一類系統。為實現上述運動，超精密工件臺通常采用雙頻激光干涉儀測量系統測量超精密工件臺多自由度位移。然而隨著測量精度、測量距離、測量速度等運動指標的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環境敏感性、測量速度難以提高、占用空間、價格昂貴、測量目標工件臺難以設計制造控制等一系列問題難以滿足測量需求。針對上述問題，世界上超精密測量領域的各大公司及研究機構展開了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測量系統，研究成果在諸多專利論文中均有揭露。荷蘭ASML公司美國專利US7,102,729B2（公開日2005年8月4日）、US7,483,120B2（公開日2007年11月15日）、US7,,940,392B2（公開日2009年12月24日）、公開號US2010/0321665A1（公開日2010年12月23日）公開了一種應用于光刻機超精密工件臺的平面光柵測量系統及布置方案，該測量系統主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數頭測量工件臺水平大行程位移，高度方向位移測量采用電渦流或干涉儀等高度傳感器，但多種傳感器的應用限制工件臺測量精度。美國ZYGO公司美國專利公開號US2011/0255096A1（公開日2011年10月20日）公開了一種應用于光刻機超精密工件臺的光柵測量系統，該測量系統亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數頭實現位移測量，可同時進行水平向和垂向位移測量，但結構復雜；日本CANON公司美國專利公開號US2011/0096334A1（公開日2011年4月28日）公開了一種外差干涉儀，該干涉儀中采用光柵作為目標鏡，但該干涉儀僅能實現一維測量。日本學者GAOWEI在研究論文“Designandconstructionofatwo-degree-of-freedomlinearencoderfornanometricmeasurementofstagepositionandstraightness.PrecisionEngineering34(2010)145-155”中提出了一種利用衍射干涉原理的單頻二維光柵測量系統，該光柵測量系統可同時實現水平和垂直向的位移測量，但由于采用單頻激光，測量信號易受干擾，精度難以保證。另外，中國專利文獻公開號CN103307986A（公開日2013年09月18日）及CN103322927A（公開日2013年09月18日）分別公開了一種外差光柵干涉儀測量系統，兩種干涉儀測量系統中的讀數頭結構中均采用了光學二細分的光路設計，導致分辨率低，且參考信號也需要光柵，增加了成本。考慮到上述技術方案的局限，尋求一種利用光學拍頻原理，并能實現光學四細分的外差光柵干涉儀測量系統；該系統能夠利用二次衍射原理實現光學四細分結構,提高分辨率，實現亞納米甚至更高分辨率及精度；能利用棱鏡組的配合替代了傳統光柵測量中的參考光柵，降低了成本；該測量系統能夠實現二個線性自由度位移的同時測量，具有對環境不敏感的優點；同時該光柵干涉儀測量系統還要具有結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用等優點。采用該測量系統作為超精密工件臺位移測量裝置，能夠有效的降低激光干涉儀測量系統在超精密工件臺應用中的不足，使光刻機超精密工件臺性能提升。該二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統還可應用于精密機床、三坐標測量機、半導體檢測設備等的工件臺多自由度位移的精密測量。

技術實現要素：
本發明的目的是提供一種二自由度外差光柵干涉儀測量系統，該系統采用光學四細分結構，以進一步提高分辨率與精度，并使該測量系統能夠實現二個線性自由度位移的同時測量；同時利用棱鏡組的配合替代傳統光柵測量中的參考光柵，使其具有測量光路短、環境敏感性低、測量信號易于處理、結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用及成本低等優點。本發明的技術方案如下：一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統包括雙頻激光器、光柵干涉儀、測量光柵、接收器、信號處理單元；其特征在于：光柵干涉儀包括第一側向位移分光棱鏡、第二側向位移分光棱鏡、偏振分光棱鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一折光元件和第二折光元件；雙頻激光器出射雙頻激光至第一側向位移分光棱鏡后,透射光為測量光，反射光為參考光；其中測量光依次經過第二側向位移分光棱鏡、偏振分光棱鏡和第一四分之一波片透射后,第1次打在測量光柵上并發生衍射形成正負一級衍射光線，射入第一折光元件后其出射光與其入射光平行，兩束出射光第2次打在測量光柵上并發生衍射，形成的兩束平行光再次透射經過第一四分之一波片，并在偏振分光棱鏡中發生反射,形成兩束平行測量光；而參考光入射至第二側向位移分光棱鏡后產生透射光和反射光；其中透射光在偏振分光棱鏡中反射后，透射經過第二四分之一波片并進入第二折光元件，在其中經過兩次反射后再次經過第二四分之一波片，之后在偏振分光棱鏡中透射形成第一束參考光；反射光同樣在偏振分光棱鏡中反射后，透射經過第二四分之一波片并進入第二折光元件，在其中經過兩次反射后再次經過第二四分之一波片，之后在偏振分光棱鏡中透射形成第二束參考光，最后形成兩束平行參考光；兩束平行測量光與兩束平行參考光最終在偏振分光棱鏡處實現合光，兩束平行測量光中的一束與兩束平行參考光中的一束合光后經過光纖接入接收器，兩束平行測量光中的另一束與兩束平行參考光中的另一束合光后經過光纖接入接收器，兩束合光在接收器中轉為電信號，再輸入至信號處理單元進行處理；當固定于運動臺的測量光柵相對于光柵干涉儀做兩個自由度的線性運動時，信號處理單元將輸出二自由度線性位移。所述的第一折光元件由兩個對稱放置的直角反射棱鏡組成，第二折光元件由一個直角反射棱鏡組成，光線通過其直角邊反射實現折光。本發明的另一技術方案是：所述的第一折光元件由兩個對稱放置的后向反射棱鏡組成，光線通過其內部三個反射面的反射實現折光。本發明所提供的一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統具有以下優點及突出性效果：該測量系統采用二次衍射原理實現光學四細分結構,提高了分辨率，能夠實現亞納米甚至更高分辨率及精度；能夠實現二個線性自由度位移的同時測量；利用棱鏡組的配合替代了傳統光柵測量中的參考光柵，大大降低了成本；另外系統測量光路短、環境敏感性低、測量信號易于處理；同時該光柵干涉儀測量系統還具有結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用等優點。應用于光刻機超精密工件臺的位移測量，對比激光干涉儀測量系統，在滿足測量需求的基礎上，可有效的降低工件臺體積、質量，大大提高工件臺的動態性能，使工件臺整體性能綜合提高。該二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統還可應用于精密機床、三坐標測量機、半導體檢測設備等的工件臺多自由度位移的精密測量中。附圖說明圖1為本發明第一種外差光柵干涉儀位移測量系統示意圖。圖2為本發明第一種光柵干涉儀內部結構示意圖。圖3為本發明第二種光柵干涉儀內部結構示意圖。圖中，1—雙頻激光器，2—光柵干涉儀，3—測量光柵，4—接收器，5—信號處理單元；21—第一側向位移分光棱鏡，22—第二側向位移分光棱鏡，23—偏振分光棱鏡，24—第一四分之一波片，25a—直角反射棱鏡，25b—后向反射棱鏡，26—第二四分之一波片，27—第二折光元件。具體實施方式下面結合附圖對本發明的結構、原理和具體實施方式作進一步地詳細描述。請參考圖1，圖1為本發明第一種外差光柵干涉儀位移測量系統示意圖。如圖1所示，該二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統包括雙頻激光器1、光柵干涉儀2、測量光柵3、接收器4、信號處理單元5，測量光柵3為一維反射型光柵。請參考圖2，圖2為本發明第一種光柵干涉儀內部結構示意圖。所述的光柵干涉儀包括第一側向位移分光棱鏡21、第二側向位移分光棱鏡22、偏振分光棱鏡23、第一四分之一波片24、第二四分之一波片26、第一折光元件、第二折光元件。第一折光元件由兩個對稱放置的直角反射棱鏡25a組成，第二折光元件27由一個直角反射棱鏡組成。結合圖1、圖2闡述測量系統原理，一種二自由度外差光柵干涉儀位移測量系統包括雙頻激光器1、光柵干涉儀2、測量光柵3、接收器4、信號處理單元5；光柵干涉儀2包括第一側向位移分光棱鏡21、第二側向位移分光棱鏡22、偏振分光棱鏡23、第一四分之一波片24、第二四分之一波片26、第一折光元件和第二折光元件27。雙頻激光器1出射雙頻激光至第一側向位移分光棱鏡21后,透射光為測量光，反射光為參考光；其中測量光依次經過第二側向位移分光棱鏡22、偏振分光棱鏡23和第一四分之一波片24透射后,第1次打在測量光柵3上并發生衍射形成正負一級衍射光線，射入第一折光元件后其出射光與其入射光平行，兩束出射光第2次打在測量光柵3上并發生衍射，形成的兩束平行光再次透射經過第一四分之一波片24，并在偏振分光棱鏡23中發生反射,形成兩束平行測量光；而參考光入射至第二側向位移分光棱鏡22后產生透射光和反射光；其中透射光在偏振分光棱鏡23中反射后，透射經過第二四分之一波片26并進入第二折光元件27，在其中經過兩次反射后再次經過第二四分之一波片26，之后在偏振分光棱鏡23中透射形成第一束參考光；反射光同樣在偏振分光棱鏡23中反射后，透射經過第二四分之一波片26并進入第二折光元件27，在其中經過兩次反射后再次經過第二四分之一波片26，之后在偏振分光棱鏡23中透射形成第二束參考光，最后形成兩束平行參考光。兩束平行測量光與兩束平行參考光最終在偏振分光棱鏡23處實現合光，兩束平行測量光中的一束與兩束平行參考光中的一束合光后經過光纖接入接收器4，兩束平行測量光中的另一束與兩束平行參考光中的另一束合光后經過光纖接入接收器4，兩束合光在接收器4中轉為電信號，再輸入至信號處理單元5進行處理。當所述的測量光柵3相對于光柵干涉儀2做二個自由度的線性運動時（其中垂直于測量光柵方向為微小運動），根據多普勒效應，測量光將發生相位變化，兩束測量光和兩束參考光分別合光后經接收器4、信號處理單元5處理后輸出兩個相位測量值。請參考圖3，圖3為本發明第二種光柵干涉儀內部結構示意圖。如圖3所示，光柵干涉儀內部結構中的第一折光元件由兩個對稱放置的后向透射棱鏡25b組成。對比采用直角棱鏡25a的方案，該方案對入射角度不敏感，且結構小，可使干涉儀結構更加緊湊、簡潔、便于安裝。上述實施方式中給出的測量系統及結構方案采用二次衍射原理實現光學四細分，分辨率與精度可達亞納米甚至更高；利用棱鏡組的配合替代了傳統光柵測量中的參考光柵，大大降低了成本；該系統能夠實現二個線性自由度位移的同時測量，且系統測量光路短、環境敏感性低、測量信號易于處理，同時該光柵干涉儀測量系統還具有結構簡潔、體積小、質量輕、易于安裝、方便應用等優點。應用于光刻機超精密工件臺的位移測量，對比激光干涉儀測量系統，在滿足測量需求的基礎上，可有效的降低工件臺體積、質量，大大提高工件臺的動態性能，使工件臺整體性能綜合提高。該三自由度外差光柵干涉儀位移測量系統還可應用于精密機床、三坐標測量機、半導體檢測設備等的工件臺多自由度位移的精密測量中。