一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于超精密測量技術領域，涉及一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵 位移測量系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 作為精密機械中的一種典型結構，精密工件臺為數(shù)控加工、納米表面形貌測量、微 光刻等微細加工領域提供了一種快速運動、精密定位的載物平臺。而位置檢測裝置作為閉 環(huán)控制系統(tǒng)的反饋元件，其測量精度很大程度上決定了工件臺的最終定位精度。
[0003] 目前，精密工件臺進行大行程、高精度運動時，常用的位置檢測裝置有成像掃描光 柵和激光干涉儀。成像掃描光柵測量具有受環(huán)境影響小、安裝調試簡單等優(yōu)點，但其測量精 度低，通常在亞微米量級。激光干涉儀擁有分辨力高、線性度好、測量范圍廣等諸多優(yōu)點，但 還存在如下局限性：首先，激光干涉儀進行工件臺位置檢測時，其分束器、接收器、干涉儀等 器件的布局所需空間較大，不利于設備的小型化；其次，由于激光干涉儀的測量是以激光波 長λ為參考，故當測量光路中空氣的溫度、濕度、氣壓等發(fā)生變化時，空氣折射率的改變將 會直接影響測量精度；而其高昂的價格也限制了其在工件臺位置檢測中的廣泛應用。
[0004] 鑒于成像掃描光柵測量和激光干涉儀測量在工件臺位移檢測時存在的缺陷與不 足，人們迫切需求一種能完成精密工件臺大行程、高精度位置檢測的測量系統(tǒng)。

【發(fā)明內容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明的目的是解決大行程、高精度位置檢測的問題，為此本發(fā)明提供 一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)。
[0006] 為達到上述目的，本發(fā)明采用的技術方案如下：所述光柵位移測量系統(tǒng)含有雙頻 激光器、非偏振分光鏡、偏振分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、1/4波片、光柵、 第一檢偏器、第二檢偏器、第一光電探測器、第二光電探測器、第一前置放大器、第二前置放 大器、混頻器、細分處理電路，其中：雙頻激光器發(fā)出具有特定頻差的線偏振光fdPf 2，其中 4為S偏振光，f 2為P偏振光；光柵柵距為d，用于入射光的反射衍射；檢偏器用于合成新的 線偏振光并產生拍頻信號；光電探測器用于將拍頻信號轉換為電信號；前置放大器用于電 信號帶自動增益的高倍放大；混頻器用于解調出頻移信號Δ?·;細分處理電路用于完成電 信號的細分、鑒相。
[0007] 本發(fā)明具有的有益效果是：將外差干涉技術引入光柵位移測量，將被測物理信息 調制到交流的拍頻信號，克服了單頻光源測量中直流信號漂移、環(huán)境敏感等問題，大大增強 系統(tǒng)的抗干擾能力和穩(wěn)定性；測量光路中結合光柵的二次衍射效應進行測量，可以達到光 學四細分進而提高測量分辨力，再結合電子細分技術可獲得納米級測量精度。本發(fā)明用于 光刻機、數(shù)控加工、納米表面形貌測量等設備中高精度工件臺的位置檢測。
【附圖說明】
[0008] 圖1為基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)示意圖。
[0009] 圖中元件說明：
[0010] 1-雙頻激光器， 2-非偏振分光鏡，
[0011] 3-偏振分光鏡， 4-第一反射鏡
[0012] 5-第二反射鏡， 6-第三反射鏡
[0013] 7-1/4 波片， 8-光柵，
[0014] 9-第一檢偏器， IO-第二檢偏器，
[0015] 11-第一光電探測器， 12-第二光電探測器，
[0016] 13-第一前置放大器， 14-第二前置放大器，
[0017] 15-混頻器， 16-細分處理電路。
【具體實施方式】
[0018] 為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加明確，下面結合附圖對本發(fā)明的工作原 理、結構及【具體實施方式】進一步介紹。
[0019] 如圖1示出本發(fā)明提供的光柵位移測量系統(tǒng)示意圖，該光柵位移測量系統(tǒng)含有雙 頻激光器1、非偏振分光鏡2、偏振分光鏡3、第一反射鏡4、第二反射鏡5、第三反射鏡6、1/4 波片7、光柵8、第一檢偏器9、第二檢偏器10、第一光電探測器11、第二光電探測器12、第一 前置放大器13、第二前置放大器14、混頻器15、細分處理電路16,其中：
[0020] 雙頻激光器1發(fā)出具有特定頻差的線偏振光Π 和f2,其中Π 為S偏振光，f2為 P偏振光；光柵8柵距為d，用于入射光的反射衍射；第一檢偏器9、第二檢偏器10用于合成 新的線偏振光并產生拍頻信號；第一光電探測器11、第二光電探測器12用于將拍頻信號轉 換為電信號；第一前置放大器13、第二前置放大器14用于電信號帶自動增益的高倍放大； 混頻器15用于解調出頻移信號Λ f ;細分處理電路16用于完成電信號的細分、鑒相。
[0021] 光柵位移測量系統(tǒng)使用時，由雙頻激光器1發(fā)出具有特定頻差的線偏振光f\、 其中fi為S偏振光，f 2為P偏振光），經過非偏振分光鏡2后分為兩部分，其中一部分被 反射到與振動方向45°放置的第一檢偏器9,按馬呂斯特定律合成新的線偏振光且產生頻 率為（f\-f2)的拍頻信號，該拍頻信號經第一光電探測器11轉換后作為參考信號f；;另一部 分經過偏振分光鏡3后得到兩路光：左側光路為頻率&的s光發(fā)生反射，右側光路為頻率 的P光發(fā)生透射，兩路光分別由第一反射鏡4、第二反射鏡5反射，入射到光柵8上，發(fā)生 第一次衍射。由光柵方程可知，當+1級衍射光垂直于光柵表面出射時，入射角i應為：
【主權項】
1. 一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)，其特征在于：所述光柵位 移測量系統(tǒng)包括雙頻激光器、非偏振分光鏡、偏振分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反 射鏡、1/4波片、光柵、第一檢偏器、第二檢偏器、第一光電探測器、第二光電探測器、第一前 置放大器、第二前置放大器、混頻器、細分處理電路，其中： 雙頻激光器發(fā)出具有特定頻差的線偏振光4和f 2，其中4為s偏振光，f 2為p偏振光； 光柵柵距為d，用于入射光的反射衍射；第一檢偏器、第二檢偏器用于合成新的線偏振光并 產生拍頻信號；第一光電探測器、第二光電探測器用于將拍頻信號轉換為電信號；第一前 置放大器、第二前置放大器用于電信號帶自動增益的高倍放大；混頻器用于解調出頻移信 號Λ f ;細分處理電路用于完成電信號的細分、鑒相。
2. 如權利要求1所述的一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)，其特 征在于：由雙頻激光器發(fā)出具有特定頻差的線偏振光f\、f 2，經過非偏振分光鏡后分為兩部 分，其中一部分被反射到與振動方向45°放置的第一檢偏器，按馬呂斯特定律合成新的線 偏振光且產生頻率為（f\-f 2)的拍頻信號，該拍頻信號經第一光電探測器轉換后作為參考 信號f；;另一部分經過偏振分光鏡后得到兩路光：左側光路為頻率f :的s光發(fā)生反射，右 側光路為頻率4的P光發(fā)生透射，兩路光分別由第一反射鏡、第二反射鏡反射，入射到光柵 上，發(fā)生第一次衍射； 對于右側光路，P光的+1級衍射光經過1/4波片后變?yōu)橛倚?，被第三反射鏡反射后， 再次經過1/4波片變?yōu)閟光，此s光入射到光柵表面發(fā)生第二次衍射，由光路的可逆性，二 次衍射的+1級衍射光沿原路返回偏振分光鏡；對于左側光路二次衍射的+1級衍射光也沿 原路返回偏振分光鏡；由于此時線偏振光4、4的偏振狀態(tài)互換，故此時f i發(fā)生透射而匕發(fā) 生反射，兩者再經第二檢偏器形成頻率為拍頻信號，該拍頻信號經第二光電探 測器轉換后作為測量信號f m; 將上述參考信號f；和測量信號匕分別經第一前置放大器、第二前置放大器高增益放大 后，經混頻器可得頻移信號△/' = #，該頻移信號Λ f經細分處理電路采用相位解調得到相 a 移Φ4，繼而得到光柵位移。
3. 如權利要求2所述的一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)，其特 征在于：左側光路為頻率^的s光發(fā)生反射，右側光路為頻率f 2的P光發(fā)生透射，兩路光分 別由第一反射鏡、第二反射鏡反射，入射到光柵上，發(fā)生第一次衍射，入射角應為： 又 I = arcsin- ，i為入射角，λ為入射光波長，d為光柵柵距。 a
【專利摘要】一種基于外差干涉和二次衍射效應的光柵位移測量系統(tǒng)，包括雙頻激光器、非偏振分光鏡、偏振分光鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第三反射鏡、1/4波片、光柵、第一檢偏器、第二檢偏器、第一光電探測器、第二光電探測器、第一前置放大器、第二前置放大器、混頻器、細分處理電路，其中：雙頻激光器發(fā)出具有特定頻差的線偏振光f1和f2，其中f1為s偏振光，f2為p偏振光；光柵柵距為d，用于入射光的反射衍射；第一檢偏器、第二檢偏器用于合成新的線偏振光并產生拍頻信號；第一光電探測器、第二光電探測器用于將拍頻信號轉換為電信號；第一前置放大器、第二前置放大器用于電信號帶自動增益的高倍放大；混頻器用于解調出頻移信號Δf；細分處理電路用于完成電信號的細分、鑒相。
【IPC分類】G01B11-02
【公開號】CN104634254
【申請?zhí)枴緾N201510100566
【發(fā)明人】李金龍, 胡松, 趙立新, 蔣薇
【申請人】中國科學院光電技術研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年3月6日