一种基于光栅多级衍射同步干涉实现多分辨率、多自由度干涉测量的系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于精密仪器及测量领域，具体为一种基于光栅多级衍射同步干设实现多 分辨率、多自由度干设测量的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 目前，基于光栅的位移、速度测量已经有相当的发展，例如，用于一维测量的光栅 尺是运方面应用的典型产品。但经过调研已有国内外产品、文献和专利可W发现，限于激光 功率较低、读数光栅固定的衍射角度限制，鲜有利用超过正负1级衍射光线进行干设测量的 情况，实际上，通常认为利用高级次衍射光进行干设测量没必要(衍射角本身也可W通过光 栅参数进行控制)且可操作性差，高级次衍射光衰减厉害。但是，对于纳米级、亚纳米级精度 测量时其稳定性往往不好，W不同的灵敏度(利用多级衍射光进行干设测量）、多次同步复 测综合判断尤为重要;另一方面，最近几年激光器制作技术有了很大发展，利用高级次衍射 光进行干设测量逐渐成为可能。
[0003] 本申请创造性的提出采用集成屏代替传统的读数光栅，不仅可W实现多探头多分 辨率同步探测，而且光强衰减片的引入使得参与干设的两路光光强比较接近，从而进一步 提升干设条纹对比度，为下一步利用忍片进行电气细分奠定基础。就采用二维光栅而言，传 统的计量光栅、读数光栅模式，由于参与干设、交于计量光栅表面的两路光必须对称于光栅 面的法线，造成了光路布置空间非常狭小且无法拓展。
[0004] 例如，计量光栅和读数光栅(透射光栅)必须满足整数倍关系，根据光栅方程方可 判断经过两光栅衍射后发生相干的两路光，其在计量光栅位置是对称于计量光栅的（W光 栅法线为对称轴）。假如两光栅的光栅常数相等则，计量光栅的0级和+1 (或-1)级，再经过读 数光栅进行二次衍射"分裂"出的+1(原0级衍射出的）和-U原+1级衍射出的)运样两路光会 发生干设(相应的应该还有一个干设面）。运样就要求计量光栅的0级和+1级对称于光栅法 线，进而限制了入射光的方向，相应的干设位置也无法人为控制。其结果导致，不仅一维光 栅只能布置一到两个探头，二维光栅时甚至无法实现(如果二维光栅的频率相同，则二维干 设位置都将出现在对称中屯、，四路光互扰）。
[0005] 特别说明，本发明与美国专利US7297971 B2专利(ASML公司所有)在布置方面有一 定类似性，但原理上的差异巨大。二者比较:布置方面，本申请没有使用（大)透镜；原理方 面，本申请是基于改进的云纹干设测量，美国专利的本质是几何云纹测量(非干设测量），本 发明在测量精度方面有绝对的优势。另外，美国专利不能测量Z向运动量。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提出一种基于二维光栅的高精度二维位移、速度探测系统及方 法，尤其适合于光刻机、大幅面液晶面板加工装备、精密机床、光栅刻划机等。将二维光栅铺 设于上述设备的固定部、集成探头与电机运动部相对固定，可W快速实现多分辨率同步探 测，不仅速度快精度高、而且光路布置灵活便于实现。
[0007] 为实现上述目的所采用的具体技术方案为：
[0008] -种基于光栅多级衍射同步干设实现多分辨率、多自由度干设测量的系统，包括 二维光栅、准直后的激光光源、集成探头;所述集成探头包括多个光电感应探头和集成屏， 集成屏内包括有支撑框架、多个折射晶体，多个光电感应探头和多个折射晶体均相对固定 在支撑框架上;集成屏与光栅平面平行放置;通过集成屏实现多个衍射级次的光同步干设 测量，不同的衍射级次对应不同的分辨率，从而实现多自由度、多分辨率测量。
[0009] 所述的集成屏上按照光线接收位置的不同选择布置有光强衰减片、光程差补偿 片。
[0010] 所述二维光栅为反射光栅或者透射光栅；
[0011] 针对反射光栅和透射光栅分别有两种光路布置方案:使用反射光栅时，光栅反射 面向上，经过准直后的入射光垂直于光栅反射面入射，则其衍射光将对称的出现在入射线 及两个栅向构成的平面内；当使用透射光栅时，入射光将从下方向上入射，此时其衍射光分 布与前述反射光栅的衍射光分布相同。
[0012] -种基于光栅多级衍射同步干设实现多分辨率、多自由度干设测量的方法，采用 同级衍射光干设进行X和y运动量的测量，测量方法如下：
[OOU]假设+m级衍射光与光栅面法线的交角为0+m，当光栅W速度V与该衍射线在栅面的 投影方向前进，则由多普勒效应引起的频差为
[0014]
，(3为光速、fo为光的频率;相对应的
， 即由于相对运动造成一路光频率增加、另一路光频率降低，当+m级衍射光与-m级衍射光相 遇发生干设时，其混频信号的频率则为
对该频率进行时间
[0015] 积分则得到该时间内干设条纹的移动数N，即：
[0016]
(1)
[0017]其中时间t内的位移
，激光的波长为A，另外，sin0+m可W依据光栅方程进 一步表示为光栅常数和m的表达式;例如，采用光栅常数为d的全息光栅时，
[001 引
（2)
[0019] 对于相同的位移、时间内，衍射级次m越大，光电感应探头探测到的干设条纹亮次 数越多，即光学细分倍数越高，光电感应探头的响应时间也需要更快；
[0020] 其中，V代表X或y运动方向的速度，从而实现X和y运动的测量。
[0021] 在权利要求4的基础上，采用非同级衍射光干设测量，并将该干设测量结果与权利 要求4的结果综合，得到Z向运动量的测量，测量方法如下：
[0022] 如果计量光栅同时包含离面运动速度Vz-Z向，即光栅法线方向的速度，贝U
，其中k用W区别二者 属于不同衍射级次，
项表示由于运动速度Vz相对于该衍射光线传播方向引起的多 普勒效应频率差，此时它们干设得到的混频信号频率为，
[0023]
(3)
[0024] 其中，0对于特定的光栅可根据光栅方程唯一确定，是已知量;V根据同级衍射光的 干设可W提前确定。
[0025] 本发明与现有技术相比较，具有W下优点和有益效果：
[0026] 其一，本发明创造性的提出了用集成屏来代替传统的读数光栅，不仅可W实现多 分辨率同步探测，而且有利于简化光路布置。实际上，对于传统应用读数光栅的方案，多分 辨率同步探测和二维同步探测都是无法实现的。
[0027] 其二，光强衰减片的引入可W调理参与干设两路光的光强至大致相等，从而提高 干设条纹的对比度，为进一步的电气细分奠定基础。而传统方法采用读数光栅的光栅常数 必须与计量光栅的光栅常数满足整数倍关系，且入射角度已经固定难W再调整，使得参与 干设两路光强度差异较大，不利于干设条纹对比度提高。
[0028] 其=，本发明中系统的可调可实现性更好，不像传统方法那样计量光栅常数、读数 光栅常数、激光入射角度必须满足光栅方程的限定关系，导致光路布置和实现要求苛刻。
【附图说明】
[0029] 图1是本发明的系统原理示意图。其中编号，5是光电感应探头（分别探测两个方 向，运里限于图示空间，仅画出两个），只要参与干设的两路衍射光强（如+m和-m、+n和-n，m、 n是整数)足W形成有效的干设信号，均可安排一个光电感应探头进行探测；6是折射晶体 (或微镜、小片光栅）、光强衰减片、光程补偿片的集合体，主要用于将计量光栅的衍射光传 播方向W设计需要的方向改变;7是激光光源，最好是半导体激光器W便于封装小型化;8是 计量光栅，图示为二维反射光栅。
[0030] 另外，当采用透射型计量光栅时则，激光光源7将置于计量光栅的背面，一样垂直 光栅面入射，运样其衍射光分布与图1的衍射光分布相同。
[0031] 图2是本发明W两种规格光栅铺设(具体使用时可W有很多道)为例的示意图。其 中编号，A-a、B-b分别是两种频率规格的光栅(大写字母表示水平向、小写字母代表竖直向） 栅道，其中每一道的断口位置与其同规格栅线道的断口位置错开;C代表光栅道标(形状仅 做示意），布置在栅线道的断口处，