平面光栅标定系统的制作方法

本发明属于光学计量技术领域，特别涉及一种平面光栅标定系统。

背景技术：

随着光学技术的不断发展与创新，平面光栅作为很多高精密光学仪器的重要部件，应用场景越来越广泛，如光栅尺测量仪、平面光栅摄谱仪、光栅单色仪，大型光刻设备等科学仪器都要使用。除以上应用外，高精度平面光栅在“大型光学系统”、“惯性约束核聚变激光驱动装置”等都具有重要的应用。平面光栅的制造误差会影响这些精密设备的测量精度，因此平面光栅的标定对提高以平面光栅为核心的光学仪器的测量精度具有重要意义。

在麻省理工学院的美国专利us6,882,477b1中，公开了一种平面光栅读模式系统，该系统中的光学子系统和工件台一起采用隔振措施，在平面光栅的标定使用过程中，由于放置平面光栅的工件台是运动的，采用这样一体式的隔振方法，使得作为运动部分的工件台所产生的振动，不可避免地会传递并作用于光学子系统，从而引起误差，影响平面光栅标定的精度。

技术实现要素：

为了提高平面光栅标定的精度，本发明提供了一种平面光栅标定系统，该系统包括光学子系统、机架、第一隔振器、真空吸盘、工件台、第二隔振器和基底；所述光学子系统安装在机架上，机架采用第一隔振器隔振；真空吸盘可转动地安装在工件台上，工件台位于基底上，基底采用第二隔振器隔振；即光学子系统与工件台相对分离独立隔振。

优选地，平面光栅标定系统还包括控制器，所述控制器内含相位卡；所述光学子系统包括双频激光器、第一分光镜、第一反射镜、第一直角反射镜、第二直角反射镜、第一偏振分光镜、相位调制器、第一相位计、第二偏振分光镜、第二反射镜、第三反射镜、第一准直透镜、第二准直透镜、第一光束采样器、第二光束采样器、第二相位计和位移干涉仪组件；控制器分别与相位调制器、第一相位计、第二相位计和位移干涉仪组件连接；

将待标定的平面光栅安装在真空吸盘上，所述双频激光器发射出的双频正交偏振激光经第一分光镜后，分为透射的和反射的两束双频正交偏振激光，透射的双频正交偏振激光经第一反射镜反射后，通过第一偏振分光镜分解为透射的p光和反射的s光，透射的p光顺序经第二反射镜、第一准直透镜和第一光束采样器，第一光束采样器反射的p光后经第二偏振分光镜透射，第一光束采样器透射的p光经平面光栅后产生0级衍射光，0级衍射光经第二光束采样器反射；第一偏振分光镜反射的s光顺序经相位调制器、第三反射镜、第二准直透镜和第二光束采样器，第二光束采样器反射的s光经第二偏振分光镜反射后与经第二偏振分光镜透射的p光合光成第一测量光，第一测量光输入第一相位计；经第二光束采样器透射的s光经过平面光栅衍射后产生-1级衍射光，-1级衍射光经第二光束采样器反射与0级衍射光经第二光束采样器反射的p光合光成第二测量光，第二测量光输入第二相位计；经第一分光镜反射的正交偏振激光依次经第一直角反射镜、第二直角反射镜反射后，输入位移干涉仪组件对工件台进行位移扫描；

第一相位计的第一测量光、第二相位计的第二测量光和位移干涉仪组件的工件台移动信息反馈至控制器，双频激光器发出参考光给控制器的相位卡，经控制器运算处理生成控制指令传递给相位调制器，相位调制器根据控制指令对激光光束进行调制，以校正平面光栅标定发生的误差。

进一步地，所述相位调制器采用电光调制器。

进一步地，所述相位调制器包括第一声光调制器和第二声光调制器；第一声光调制器设置在第一偏振分光镜透射的p光上，第一偏振分光镜分解出的透射的p光经第一声光调制器调制后再到第二反射镜；第二声光调制器设置在第一偏振分光镜反射的s光上，第一偏振分光镜反射的s光经第二声光调制器调制后到第三反射镜。

进一步地，所述位移干涉仪组件包括x方向干涉仪、y方向干涉仪、第三直角反射镜和第二分光镜，输入位移干涉仪组件的激光经第三直角反射镜反射到第二分光镜，第二分光镜分解出的透射光经x方向干涉仪对工件台进行位移扫描，第二分光镜分解出的反射光经y方向干涉仪对工件台进行位移扫描。

进一步地，所述平面光栅为一维平面光栅，工件台能够沿x方向做步进运动和沿y方向做扫描运动。

进一步地，所述平面光栅为二维平面光栅；工件台先沿x方向做步进运动和沿y方向做扫描运动，完成平面光栅的第一维标定；然后真空吸盘带动平面光栅绕z轴旋转90度，工件台再继续沿x方向做步进运动和沿y方向做扫描运动，完成第二维平面光栅标定。

进一步地，所述控制器对第一相位计反馈的第一测量光的信息与参考光的信息做以下运算处理：

式中：

φ1代表第一测量光的相位变化弧度值，反映了第一测量光受到振动、空气扰动等引起的相位变化情况；

pm1代表相位卡对第一测量光与参考光对比得到的数值；

f代表控制器中的相位卡分辨率；

控制器对第二相位计反馈的第二测量光的信息与参考光的信息做以下运算处理：

式中：

φ2代表第二测量光的相位变化弧度值，反映了第二测量光受到振动、空气扰动等引起的相位变化情况；

pm2代表相位卡对第二测量光与参考光对比得到的数值；

结合第一测量光与第二测量光的相位变化弧度值，得到经平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移：

式中：

χm代表在振动、空气扰动等影响下经平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移数值；

λ代表平面光栅周期；

控制器根据上述运算处理结果生成控制指令传递给相位调制器，相位调制器根据控制指令对激光光束进行调制，以校正由于振动、空气扰动等因素影响导致平面光栅标定发生的误差。

更进一步地，在光栅标定过程中，x方向干涉仪和y方向干涉仪分别实时采集工件台的x方向和y方向的位移，并反馈给控制器，由控制器做以下运算处理：

xdie＝[cosα(xr-x)+sinα(yr-y)]

式中：

χdie代表工件台的运动误差引起的平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移；

α代表在工件台坐标系中光栅栅线的偏转角；

χr代表工件台在坐标系中x轴方向参考的理想位移；

yr代表工件台在坐标系中y轴方向参考的理想位移；

χ代表干涉仪x轴方向实际测量的位移；

y代表干涉仪y轴方向实际测量的位移；

得到进行平面光栅标定时的平面光栅衍射后光束所产生的综合相位漂移为：

xfle＝xm-xdie

式中：

χfle代表平面光栅衍射后光束所产生的综合相位漂移；

控制器根据上述运算处理结果生成控制指令传递给相位调制器，相位调制器根据控制指令对激光光束进行调制，以校正由于振动、空气扰动和工件台运动误差等因素影响导致平面光栅标定发生的误差。

进一步地，在光栅标定过程中，x方向干涉仪和y方向干涉仪分别实时采集工件台的x方向和y方向的位移，并反馈给控制器，由控制器运算处理后，得到工件台相对于理想位置的运动误差引起的平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移χdie，控制器根据χdie的运算结果生成控制指令传递给相位调制器，相位调制器根据控制指令对激光光束进行调制，以校正由于工件台运动误差影响导致平面光栅标定发生的误差。

本发明的平面光栅标定系统把光学子系统和工件台进行相对分离，并给这两部分配置相对独立的隔振器，避免工件台的运动所产生的振动传递到测量用的光学子系统，提高了光学子系统稳定性；因此，本发明的平面光栅标定系统通过对光学子系统和工件台相对独立的隔振措施，消除了工件台的运动产生的振动对光学子系统不利影响，提高了平面光栅标定精度。

附图说明

图1为本发明的平面光栅标定系统实施例示意图；

图2为位移干涉仪组件对工件台扫描的平面示意图；

图3为位移干涉仪组件光路示意图；

图4为一维平面光栅示意图；

图5为二维平面光栅示意图；

图6为平面光栅标定系统另一实施例示意图。

图中：1-双频激光器，2-第一分光镜，3-第一反射镜，4-第一直角反射镜，5-第二直角反射镜，6-第一偏振分光镜，7-相位调制器，8-第一相位计，9-第二偏振分光镜，10-第二反射镜，11-第三反射镜，12-第一准直透镜，13-第二准直透镜，14-第一光束采样器，15-第二光束采样器，16-第二相位计，17-位移干涉仪组件，18-工件台，19-真空吸盘，20-基底，21-第二隔振器，22-第一隔振器，23-控制器，24-机架，25-平面光栅，26-x方向干涉仪，27-y方向干涉仪，28-第三直角反射镜，29-第二分光镜，71-第一声光调制器，72-第二声光调制器。

具体实施方式

为了更进一步阐述本发明为解决技术问题所采取的技术手段及功效，以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细描述，需要说明的是所提供的附图是示意性的，相互间并没有完全按照尺寸或者比例绘制，因此附图和具体实施例并不作为本发明要求的保护范围限定。

如图1所示的平面光栅标定系统可选实施例，该系统包括光学子系统、机架24、第一隔振器22、真空吸盘19、工件台18、第二隔振器21、基底20和控制器23；其中光学子系统包括双频激光器1、第一分光镜2、第一反射镜3、第一直角反射镜4、第二直角反射镜5、第一偏振分光镜6、相位调制器7、第一相位计8、第二偏振分光镜9、第二反射镜10、第三反射镜11、第一准直透镜12、第二准直透镜13、第一光束采样器14、第二光束采样器15、第二相位计16和位移干涉仪组件17；所述光学子系统安装在机架24上，机架24安装在第一隔振器22上；真空吸盘19可转动地安装在工件台18上，工件台18位于基底20上，基底20安装在第二隔振器21上，所述控制器23分别与相位调制器7、第一相位计8、第二相位计16和位移干涉仪组件17连接，控制器内含相位卡(图中未示出)，相位卡可以对输入的光信号进行转换处理或对比；

将待标定的平面光栅25安装在真空吸盘19上，所述双频激光器1发射出的双频正交偏振激光经第一分光镜2后，分为透射的和反射的两束双频正交偏振激光，透射的双频正交偏振激光经第一反射镜3反射后，通过第一偏振分光镜6分解为透射的p光和反射的s光，透射的p光顺序经第二反射镜10、第一准直透镜12和第一光束采样器14，第一光束采样器14反射的p光后经第二偏振分光镜9透射，第一光束采样器14透射的p光经平面光栅25后产生0级衍射光，0级衍射光经第二光束采样器15反射；本实施例中的相位调制器7采用电光调制器，第一偏振分光镜6反射的s光顺序经相位调制器7、第三反射镜11、第二准直透镜13和第二光束采样器15，第二光束采样器15反射的s光经第二偏振分光镜9反射后与经第二偏振分光镜9透射的p光合光成第一测量光，第一测量光输入第一相位计8；经第二光束采样器15透射的s光经过平面光栅25衍射后产生-1级衍射光，-1级衍射光经第二光束采样器15反射与0级衍射光经第二光束采样器15反射的p光合光成第二测量光，第二测量光输入第二相位计16；双频激光器1发射出的双频正交偏振激光经第一分光镜2反射，反射的正交偏振激光再依次经第一直角反射镜4、第二直角反射镜5反射后，输入位移干涉仪组件17对工件台18进行位移扫描；

第一相位计8的第一测量光、第二相位计16的第二测量光和位移干涉仪组件17的工件台移动信息反馈至控制器23，双频激光器1发出参考光给控制器23的相位卡，控制器23进行以下运算处理：

控制器对第一相位计反馈的第一测量光的信息与参考光的信息做以下运算处理：

式中：

φ1代表第一测量光的相位变化弧度值，反映了第一测量光受到振动、空气扰动等引起的相位变化情况；

pm1代表相位卡对第一测量光与参考光对比得到的数值；

f代表控制器中的相位卡分辨率；

同时，控制器对第二相位计反馈的第二测量光的信息与参考光的信息做以下运算处理：

式中：

φ2代表第二测量光的相位变化弧度值，反映了第二测量光受到振动、空气扰动等引起的相位变化情况；

pm2代表相位卡对第二测量光与参考光对比得到的数值。

结合第一测量光与第二测量光的相位变化弧度值，得到经平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移：

式中：

χm代表在振动、空气扰动等影响下经平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移数值；

λ代表平面光栅周期；

在光栅标定过程中，x方向干涉仪和y方向干涉仪分别实时采集工件台的x方向和y方向的位移，并反馈给控制器，由控制器做以下运算处理：

xdie＝[cosα(xr-x)+sinα(yr-y)]

式中：

χdie代表工件台相对于理想位置的运动误差引起的平面光栅衍射后光束所产生的相位漂移；

α代表在工件台坐标系中光栅栅线的偏转角；

χr代表工件台在坐标系中x轴方向参考的理想位移；

yr代表工件台在坐标系中y轴方向参考的理想位移；

χ代表干涉仪x轴方向实际测量的位移；

y代表干涉仪y轴方向实际测量的位移；

得到进行平面光栅标定时的平面光栅衍射后光束所产生的综合相位漂移为：

xfle＝xm-xdie

式中：

χfle代表平面光栅衍射后光束所产生的综合相位漂移；

控制器23根据上述运算处理结果生成控制指令传递给相位调制器7，相位调制器7根据控制指令对激光光束进行调制，以校正由于振动、空气扰动和工件台运动误差等因素影响导致平面光栅25标定发生的误差。

本实施例的有益效果是：采用光学子系统和工件台独立隔振方式，消除了工件台的运动产生的振动对光学子系统不利影响，提高了平面光栅标定精度。另外，工件台的运动误差可由位移干涉仪组件测量得出，激光受振动，诸如气流攒动、折射率变化由第一相位计测量信号经运算得出，激光自身不稳定性可有第二相位计测量信号经运算得出，位移干涉仪组件、第一相位计和第二相位计这三部分测量信息反馈至控制器，再由控制器运算处理后控制相位调制器对激光光束进行调制，以削弱由此产生的误差；标定光源与工件台位移测量干涉仪光源都是来自双频激光器这个光源，避免了光源差异带来的误差；进一步提高了平面光栅标定精度。系统采用相位调制器缩短光路，降低光学子系统复杂性，可缩小系统尺寸，并且也降低了光学子系统对双频激光器功率需求。

如图2所示的位移干涉仪组件对工件台扫描示例，位移干涉仪组件包括x方向干涉仪26和y方向干涉仪27，平面光栅25放置在真空吸盘19上，真空吸盘19安装在工件台上，x方向干涉仪26测量工件台x方向的运动，y方向干涉仪27测量工件台y方向的运动，实现如图4所示的一维平面光栅标定。如果要进行二维平面光栅标定，那么在工件台沿x方向步进运动和沿y方向扫描运动后，还需要把真空吸盘19绕z轴方向旋转90度，即带动二维平面光栅旋转90度，再控制工件台继续沿x方向步进运动和沿y方向扫描运动，才可以实现如图5所示的二维平面光栅标定。

图3为位移干涉仪组件光路示意图；位移干涉仪组件包括x方向干涉仪26、y方向干涉仪27、第三直角反射镜28和第二分光镜29，输入位移干涉仪组件的激光经第三直角反射镜28反射到第二分光镜29，第二分光镜29分解出的透射光经x方向干涉仪26对工件台18进行位移扫描，第二分光镜29分解出的反射光经y方向干涉仪27对工件台18进行位移扫描。

如图6所示的平面光栅标定系统可选实施例，该实施例与图1所示实施例的不同在于，相位调制器7不是采用的电光调制器，而是两个声光调制器，即第一声光调制器71和第二声光调制器72；第一声光调制器71设置在第一偏振分光镜6的透射的p光线路上，第一偏振分光镜6分解出的透射的p光经第一声光调制器71调制后再到第二反射镜10；第二声光调制器72设置在第一偏振分光镜6的反射的s光线路上，第一偏振分光镜6分解出的反射的s光经第二声光调制器72调制后到第三反射镜11。

需要说明的是，上述涉及的所有参数有单位的，都采用国际标准单位。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。