一种外差式六自由度光栅运动测量系统的制作方法

本发明涉及一种光栅运动测量系统，特别涉及一种外差式六自由度光栅运动测量系统。

背景技术：

多轴精密位移台在超精密加工设备和超精密测量仪器中得到了广泛的应用，并且作为这些装备的核心部件，直接影响着超精密加工和测量的精度。例如，在半导体工业的核心生产设备光刻机中，超精密工件台被用于承载基片并完成装片、曝光、换台、卸片过程中的高速超精密运动。超精密工件台的运动精度直接决定着所加工的半导体芯片的加工精度，进而对半导体芯片的质量和性能有很大的影响。此外，在共焦显微镜等扫描成像式显微镜中，多轴精密位移台往往被用于承载待测样品并完成扫描运动。多轴精密位移台的运动精度直接决定着样品的扫描精度，进而影响着样品测量的准确度。因此，对多轴精密位移台的运动进行精确测量和控制就显得格外重要。

多轴精密位移台的超精密运动往往具有多自由度、大行程、位移分辨力高、精度高等特点。而且在实际系统中，由于机械加工误差的客观存在，多轴精密位移台不可能进行理想的沿轴直线运动，这意味着在其沿轴运动的同时必然存在着绕轴的偏转。虽然这种绕轴偏转的倾角都很微小，但在超精密运动测量中仍会造成不可忽视的测量误差。因此，在多轴精密位移台的超精密运行测量中，有必要对这些微小倾角进行测量。

为了满足这些测量需求，国内外众多学者进行了大量的研究，并设计了多种不同的测量系统。位移测量分辨力可达纳米或亚纳米量级的激光干涉仪因为同时具有高精度、大量程的优点，被广泛用于超精密位移台的位移测量。但是，激光干涉仪存在多自由度测量结构复杂、占用空间大、测量精度易受环境影响等问题。这限制了其在多轴精密位移台的超精密运动测量中的应用。从20世纪50年代起得到迅速发展，并被广泛应用在众多机电设备中的光栅位移测量系统，因其具有分辨力高、结构简单、测量结果不受环境影响等优点，被众多学者视为多轴超精密运动测量的解决方案并被广泛研究。日本学者Kimura Akihide等人在发表的论文“A sub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings for stage motion measurement.Precision Engineering 36,576-585(2012).”中率先提出了一种基于衍射光干涉原理的三维光栅位移测量系统，仅使用一个光学读数头和一个二维反射式平面光栅，就可以同时测量位移台沿x方向、y方向和z方向三个自由度的直线位移，但是该系统在测量z方向的直线位移时会导致测量光与参考光的干涉区域变小，因此系统的z向直线位移量程受限于光束直径的大小，无法实现z向大行程直线位移的测量。为了解决这一问题，哈尔滨工业大学的林杰等人将光栅的自准直结构引入测量系统，使得系统在测量z方向的直线位移时测量光与参考光的干涉区域保持不变，进而极大地扩展了系统的z向直线位移量程，相关研究成果发表在论文“Grating encoder for wide range three-axis displacement measurement.Proceedings of SPIE 9446,944602(2015).”中。但是，上述的测量系统均无法测量光栅绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小转角。而且，这些系统均需要使用结构复杂的四通道棱镜组探测结构对干涉信号进行探测，这更是极大地限制了这些系统进一步扩展进而实现转角测量的能力。为了实现三轴位移与微小转角的同时测量，日本东北大学的Li Xinghui等人在发表的论文“A Six-degree-of-freedom Surface Encoder for Precision Positioning of a Planar Motion Stage.Precision Engineering 37,771-781(2013).”中提出了一种可测三轴倾角的六自由度光栅位移测量系统，但是该系统仍然存在无法实现z方向大行程直线位移测量的问题。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种外差式六自由度光栅运动测量系统，相比已有技术该系统不仅能够同时测量沿x轴、y轴和z轴方向三个自由度的大行程直线位移，而且能够测量绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小转角。

本发明的目的是这样实现的：

一种外差式六自由度光栅运动测量系统，包括单频激光光源、电光调制器、分光部件、偏振分光棱镜、测量臂四分之一波片、测量臂折光元件、参考臂四分之一波片、参考臂折光元件、二维反射式测量光栅、二维反射式参考光栅、非偏振分光镜、光电探测及信号处理部件、检偏器、位置探测及信号处理部件；

所述二维反射式测量光栅和二维反射式参考光栅表面形貌相同，二维反射式测量光栅的x方向周期和y方向周期均为d；二维反射式参考光栅的z方向周期和y方向周期均为d；所述测量臂折光元件x方向的折光角度和y方向的折光角度均为θ，参考臂折光元件z方向的折光角度和y方向的折光角度也均为θ，且满足2dsinθ＝±λ，式中λ为单频激光光源的波长；

所述单频激光光源发射的是线偏振单频激光，偏振方向与z轴呈45度，经快轴方向与z轴平行的电光调制器调制后输出外差式激光，该外差式激光由偏振方向沿y轴的s波分量和偏振方向沿z轴的p波分量构成，并且s波分量和p波分量之间存在一个随电光调制器所加载的调制电压变化而变化的相位差；

外差式激光经过分光部件分成四束光强相等的平行光，其中两束光的转播方向与xoy平面平行、另两束光的转播方向与xoz平面平行，这四束平行光经过偏振分光棱镜后，每一束的s波分量被反射90度、形成测量光，每一束的p波分量被透射、形成参考光；

测量光的四束平行光经过快轴方向与测量光偏振方向呈45度的测量臂四分之一波片后均被测量臂折光元件偏折，偏折后的四束测量光中两束光的传播方向平行于yoz平面、另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于yoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅并分别被衍射为y方向的+1级衍射测量光和-1级衍射测量光，传播方向平行于xoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅并分别被衍射为x方向的+1级衍射测量光和-1级衍射测量光，四束衍射测量光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，并再次经过测量臂折光元件和测量臂四分之一波片，此时四束衍射测量光的偏振方向沿x轴并被偏振分光棱镜透射至非偏振分光镜，非偏振分光镜透射的四束衍射测量光入射至光电探测及信号处理部件表面，非偏振分光镜反射的四束衍射测量光的偏振方向沿z轴，经透光方向也沿z轴的检偏器后，入射至位置探测及信号处理部件表面；

参考光的四束平行光经过快轴方向与参考光偏振方向呈45度的参考臂四分之一波片后均被参考臂折光元件偏折，偏折后的四束参考光中两束光的转播方向平行于xoy平面、另两束光的转播方向平行于xoz平面，传播方向平行于xoy平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅并分别被衍射为y方向的+1级衍射参考光和-1级衍射参考光，传播方向平行于xoz平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅并分别被衍射为x方向的+1级衍射参考光和-1级衍射参考光，四束衍射参考光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，并再次经过参考臂折光元件和参考臂四分之一波片，此时四束衍射参考光的偏振方向沿y轴并被偏振分光棱镜反射至非偏振分光镜，非偏振分光镜透射的四束衍射参考光入射至光电探测及信号处理部件表面，非偏振分光镜反射的四束衍射参考光的偏振方向沿y轴，因为检偏器的透光方向与y轴垂直，所以这四束衍射参考光被检偏器完全阻挡；

x方向的两束衍射测量光和x方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件表面形成两组干涉，y方向的两束衍射测量光和y方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件表面形成另两组干涉；当其他元件不动、二维反射式测量光栅沿x轴、y轴和z轴运动时，光电探测及信号处理部件分别输出x方向、y方向和z方向三个自由度的直线位移；

入射至位置探测及信号处理部件表面的只有四束衍射测量光，当其他元件不动、二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴产生微小转角时，位置探测及信号处理部件表面的四束衍射测量光的光斑位置会产生相应的变化，位置探测及信号处理部件将探测光斑位置的变化，并分别输出二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小转角。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述单频激光光源是准直的线偏振半导体激光器或出射端接光纤的线偏振单频气体激光器。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述分光部件为以下三种结构中的一种：第一，所述分光部件由二维透射光栅、反射镜、遮光光阑组成，所述二维透射光栅z方向和y方向的光栅周期相等，外差式激光入射至二维透射光栅并被衍射，z方向和y方向的±1级衍射光经反射镜偏折并通过遮光光阑形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被遮光光阑过滤；第二，所述分光部件由二维透射光栅、棱镜、遮光光阑组成，所述二维透射光栅z方向和y方向的光栅周期相等，外差式激光入射至二维透射光栅并被衍射，z方向和y方向的±1级衍射光经棱镜偏折并通过遮光光阑形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被遮光光阑过滤；第三，所述分光部件由二维透射光栅、十字形透射光栅、遮光光阑组成，所述二维透射光栅在z方向和y方向上的光栅周期相等，所述十字形透射光栅的表面结构是由四个等周期一维光栅结构组成的正交十字形结构，十字形透射光栅的光栅周期与二维透射光栅的光栅周期相等，外差式激光入射至二维透射光栅并被衍射，z方向和y方向的±1级衍射光经十字形透射光栅的z方向一维光栅结构和y方向一维光栅结构再次衍射后形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被遮光光阑过滤。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述测量臂折光元件为以下三种结构中的一种：第一，所述测量臂折光元件包括阻挡光阑和折光反射镜，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑和折光反射镜后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑和折光反射镜后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅发生衍射；第二，所述测量臂折光元件包括阻挡光阑和折光棱镜，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑和折光棱镜后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑和折光棱镜后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅发生衍射；第三，所述测量臂折光元件由十字形四台阶透射光栅和阻挡光阑组成，所述十字形四台阶透射光栅的表面结构是由四个等周期一维四台阶光栅结构组成的正交十字结构，十字形四台阶透射光栅的光栅周期是二维反射式测量光栅的光栅周期的2倍，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过十字形四台阶透射光栅后传播方向分别被偏折±θ,再经过阻挡光阑后入射至二维反射式测量光栅发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过十字形四台阶透射光栅后传播方向分别被偏折±θ,再经过阻挡光阑后入射至二维反射式测量光栅发生衍射，其他级次的衍射光被阻挡光阑阻挡。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述参考臂折光元件为测量臂折光元件采用的三种结构中的一种。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述位置探测及信号处理部件由4个四象限位置敏感探测器和测角信号处理电路构成，4个四象限位置敏感探测器用于探测四束衍射测量光光斑位置的变化，测角信号处理电路用于计算并输出二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴产生的微小转角。

本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

该系统使用了电光调制器产生外差式激光作为系统所用的测量光源，因此系统中的光电探测及信号处理部件所需探测的是外差式干涉信号，所以系统的光电探测及信号处理部件无需使用结构复杂的四通道棱镜组探测结构，这极大地简化了系统的结构，为系统实现六自由测量奠定了基础。同时，该系统使用了非偏振分光镜、检偏器和位置探测及信号处理部件，使四束衍射测量光入射至位置探测及信号处理部件，因此可以精确测量由于二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴的微小倾角所导致的四束衍射测量光光斑位置的变化，根据二维反射式测量光栅的倾角和四束衍射测量光光斑位置变化之间的几何关系，可以实现对二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小倾角的同时精确测量。因此本发明的显著有益效果是提出了一种新的能够同时测量沿x轴、y轴和z轴方向三个自由度的大行程直线位移和绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小转角的外差式六自由度光栅运动测量系统，而且本发明还保留了z向位移量大的优点。

附图说明

图1为本发明的一种外差式六自由度光栅运动测量系统的结构示意图；

图2为本发明分光部件的第一种结构的xoz方向剖面图；

图3为本发明分光部件的第二种结构的xoz方向剖面图；

图4为本发明分光部件的第三种结构的结构示意图；

图5为本发明测量臂折光元件的第一种结构的xoz方向剖面图；

图6为本发明测量臂折光元件的第二种结构的xoz方向剖面图；

图7为本发明测量臂折光元件的第三种结构的xoz方向剖面图；

图8为本发明所用十字形四台阶透射光栅的结构示意图；

图中：1—单频激光光源；2—电光调制器；3—分光部件；31—二维透射光栅；321—反射镜；322—棱镜；323—十字形透射光栅；33—遮光光阑；4—偏振分光棱镜；51—测量臂四分之一波片；52—参考臂四分之一波片；61—测量臂折光元件；611—阻挡光阑；612—折光反射镜；613—折光棱镜；614—十字形四台阶透射光栅；62—参考臂折光元件；71—二维反射式测量光栅；72—二维反射式参考光栅；81—非偏振分光镜；82—检偏器；91—光电探测及信号处理部件；92—位置探测器及信号处理部件。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。

实施例一

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，结构示意图如图1所示。该测量系统包括单频激光光源1、电光调制器2、分光部件3、偏振分光棱镜4、测量臂四分之一波片51、测量臂折光元件61、参考臂四分之一波片52、参考臂折光元件62、二维反射式测量光栅71、二维反射式参考光栅72、非偏振分光镜81、光电探测及信号处理部件91、检偏器82、位置探测及信号处理部件92；

所述二维反射式测量光栅71和二维反射式参考光栅72表面形貌相同，二维反射式测量光栅71的x方向周期和y方向周期均为d；二维反射式参考光栅72的z方向周期和y方向周期均为d；所述测量臂折光元件61的x方向折光角度和y方向折光角度均为θ，参考臂折光元件62的z方向折光角度和y方向折光角度也均为θ，且满足2dsinθ＝±λ，式中λ为单频激光光源1的波长；

所述单频激光光源1发射的是线偏振单频激光，偏振方向与z轴呈45度，经快轴方向与z轴平行的电光调制器2调制后输出外差式激光，该外差式激光由偏振方向沿y轴的s波分量和偏振方向沿z轴的p波分量构成，并且s波分量和p波分量之间存在一个随电光调制器2所加载的调制电压变化而变化的相位差；

外差式激光经过分光部件3分成四束光强相等的平行光，其中两束光的转播方向与xoy平面平行、另两束光的转播方向与xoz平面平行，这四束平行光经过偏振分光棱镜4后，每一束的s波分量被反射90度、形成测量光，每一束的p波分量被透射、形成参考光；

测量光的四束平行光经过快轴方向与测量光偏振方向呈45度的测量臂四分之一波片51后均被测量臂折光元件61偏折，偏折后的四束测量光中两束光的传播方向平行于yoz平面、另两束光的传播方向平行于xoz平面，传播方向平行于yoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅71并分别被衍射为y方向的+1级衍射测量光和-1级衍射测量光，传播方向平行于xoz平面的两束测量光入射至二维反射式测量光栅71并分别被衍射为x方向的+1级衍射测量光和-1级衍射测量光，四束衍射测量光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，并再次经过测量臂折光元件61和测量臂四分之一波片51，此时四束衍射测量光的偏振方向沿x轴并被偏振分光棱镜4透射至非偏振分光镜81，非偏振分光镜81透射的四束衍射测量光入射至光电探测及信号处理部件表面91，非偏振分光镜81反射的四束衍射测量光的偏振方向沿z轴，经透光方向也沿z轴的检偏器82后，入射至位置探测及信号处理部件表面92；

参考光的四束平行光经过快轴方向与参考光偏振方向呈45度的参考臂四分之一波片52后均被参考臂折光元件62偏折，偏折后的四束参考光中两束光的转播方向平行于xoy平面、另两束光的转播方向平行于xoz平面，传播方向平行于xoy平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅72并分别被衍射为y方向的+1级衍射参考光和-1级衍射参考光，传播方向平行于xoz平面的两束参考光入射至二维反射式参考光栅72并分别被衍射为x方向的+1级衍射参考光和-1级衍射参考光，四束衍射参考光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，并再次经过参考臂折光元件62和参考臂四分之一波片52，此时四束衍射参考光的偏振方向沿y轴并被偏振分光棱镜4反射至非偏振分光镜81，非偏振分光镜81透射的四束衍射参考光入射至光电探测及信号处理部件表面91，非偏振分光镜81反射的四束衍射参考光的偏振方向沿y轴，因为检偏器82的透光方向与y轴垂直，所以这四束衍射参考光被检偏器82完全阻挡；

x方向的两束衍射测量光和x方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件91表面形成两组干涉，y方向的两束衍射测量光和y方向的两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件91表面形成另两组干涉；当其他元件不动、二维反射式测量光栅71沿x轴、y轴和z轴运动时，光电探测及信号处理部件91分别输出x方向、y方向和z方向三个自由度的直线位移；

入射至位置探测及信号处理部件92表面的只有四束衍射测量光，当其他元件不动、二维反射式测量光栅71绕x轴、y轴和z轴产生微小转角时，位置探测及信号处理部件92表面的四束衍射测量光的光斑位置会产生相应的变化，位置探测及信号处理部件92将探测光斑位置的变化，并分别输出二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴三个自由度的微小转角。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述单频激光光源1是准直的线偏振半导体激光器。

上述的一种外差式六自由度光栅运动测量系统，所述位置探测及信号处理部件92由4个四象限位置敏感探测器和测角信号处理电路构成，4个四象限位置敏感探测器用于探测四束衍射测量光光斑位置的变化，测角信号处理电路用于计算并输出二维反射式测量光栅绕x轴、y轴和z轴产生的微小转角。

实施例二

本实施例与实施例一不同在于，所述单频激光光源1是出射端接光纤的线偏振单频气体激光器。

实施例三

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，与实施例一的整体结构相同。其中，分光部件3的具体结构如图2所示。该分光部件3由二维透射光栅31、反射镜321、遮光光阑33组成，所述二维透射光栅31的z方向和y方向光栅周期相等，外差式激光入射至二维透射光栅31并被衍射，z方向和y方向的±1级衍射光经反射镜321偏折并通过遮光光阑33形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被遮光光阑33过滤。

实施例四

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，与实施例一的整体结构相同。其中，分光部件3的具体结构如图3所示。该分光部件3由二维透射光栅31、棱镜322、遮光光阑33组成，所述二维透射光栅31的z方向和y方向光栅周期相等，外差式激光入射至二维透射光栅31并被衍射，z方向和y方向的±1级衍射光经棱镜322偏折并通过遮光光阑33形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被遮光光阑33过滤。

实施例五

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，与实施例一的整体结构相同。其中，分光部件3的具体结构如图4所示。该分光部件3由二维透射光栅31、十字形透射光栅323、遮光光阑33组成，所述二维透射光栅31在z方向和y方向上的光栅周期相等，所述十字形透射光栅323的表面结构是由四个等周期一维光栅结构组成的正交十字形结构，十字形透射光栅323的光栅周期与二维透射光栅31的光栅周期相等，外差式激光入射至二维透射光栅31并被衍射，z方向和y方向的±1级衍射光经十字形透射光栅323的z方向一维光栅结构和y方向一维光栅结构再次衍射后形成四束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被遮光光阑33过滤。

实施例六

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，与实施例一的整体结构相同。其中，测量臂折光元件61的具体结构如图5所示。该测量臂折光元件61包括阻挡光阑611和折光反射镜612，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑611和折光反射镜612后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅71发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑611和折光反射镜612后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅71发生衍射。

实施例七

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，与实施例一的整体结构相同。其中，测量臂折光元件61的具体结构如图6所示。该测量臂折光元件61包括阻挡光阑611和折光棱镜613，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑611和折光棱镜613后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅71发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过阻挡光阑611和折光棱镜613后传播方向分别被偏折±θ并入射至二维反射式测量光栅71发生衍射。

实施例八

本实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，与实施例一的整体结构相同。其中，测量臂折光元件61的具体结构如图5所示。该测量臂折光元件61由十字形四台阶透射光栅614和阻挡光阑611组成，所述十字形四台阶透射光栅614的表面结构是由四个等周期一维四台阶光栅结构组成的正交十字结构，十字形四台阶透射光栅614的光栅周期是二维反射式测量光栅71的光栅周期的2倍，所述传播方向平行于yoz平面的两束平行测量光经过十字形四台阶透射光栅614后传播方向分别被偏折±θ,再经过阻挡光阑611后入射至二维反射式测量光栅71发生衍射，所述传播方向平行于xoz平面的两束平行测量光经过十字形四台阶透射光栅614后传播方向分别被偏折±θ,再经过阻挡光阑611后入射至二维反射式测量光栅71发生衍射，其他级次的衍射光被阻挡光阑611阻挡。

以上实施例的外差式六自由度光栅运动测量系统，参考臂折光元件62为具体实施例六、具体实施例七、具体实施例八所述的测量臂折光元件61结构中的一种。

对于以上相关实施例中所涉及的折光角度θ的具体数值，本领域技术人员能够根据实际需要进行合理选取，所以没必要在此列举。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明启示下作出的结构变化或方法改进，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。