高细分高密度光栅干涉仪的制作方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 光栅干涉仪是高精度光栅尺测量系统（栅距一般小于10微米）的核心模块，决定 了其精度和分辨率。高精度光栅尺测量系统由光栅尺体、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、机器人系统、航空航天、科学研宄、 军事等领域。
[0003] 高精度光栅尺测量系统不仅是现代最基础的自动化量仪之一，而且是现代加工和 生产及科学研宄中高精度、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/亚纳米科学研宄、航空航天、科学研宄、军事等领域，对高精度光栅尺测量系统 提出了更高精度和分辨率的需求。
[0004] 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系统具有对环境不 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，光栅尺测量系统的综 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 量系统分辨率的根本所在。
[0005] 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系统。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系统总体分辨率，具有 重要价值。
【发明内容】
[0006] 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。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] 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。
[0009] 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α 3满足以下关系：
[0010]
【主权项】
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a、高细分棱镜反射面与透射面夹角小、 高细分捸镱诱射而与高密度衍射光柵平而的央角a。滿足以下关系：
其中，％为空气折射率、1^为高细分棱镜折射率，A为光源波长，0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，a3多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a满足以下关系：
其中，％为空气折射率、nl为高细分棱镜折射率，A为光源波长，0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。
【专利摘要】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。
【IPC分类】G01D5-38, G01B9-02
【公开号】CN104613865
【申请号】CN201510080676
【发明人】韦春龙, 卢炎聪, 周常河
【申请人】中国科学院上海光学精密机械研究所
【公开日】2015年5月13日
【申请日】2015年2月15日