一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统

摘要

一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统涉及一种光栅位移测量系统；该测量系统包括出射端接光纤的双频激光器、分光部件、干涉光路部件、光电探测及信号处理部件和一维反射式测量光栅；所述干涉光路部件包括偏振分光棱镜、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、参考臂折光元件和一维反射式参考光栅；所述一维反射式测量/参考光栅周期、测量/参考臂折光元件折光角度、出射端接光纤的双频激光器的波长之间满足2d

说明书

技术领域

一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统涉及一种光栅位移测量系统，特别涉及一 种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统。

背景技术

光栅位移测量技术最早起源于19世纪，从20世纪50年代开始得到了迅速的发展。 目前，光栅位移测量系统已经成为了一种典型的位移传感器，并被广泛应用于众多机电设 备。光栅位移测量系统因具有分辨力高、精度高、成本低、环境敏感性低等众多优点，不 仅在工业和科研领域得到了广泛的应用，而且被众多国内外学者研究。

光刻机是生产半导体芯片的核心设备。超精密工件台是光刻机的核心子系统，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。超精密工件台具有高速 度、高加速度、多自由度、大行程、超精密等特点。双频激光干涉仪因为同时具有高精度、 大量程的优点，被广泛用于超精密工件台的位移测量。然而，近年来半导体芯片制造的工 艺水平不断提升：2010年，半导体芯片的加工已经采用了32nm线宽工艺；在2011年底， 22nm线宽的CPU芯片也已上市销售。不断提高的半导体芯片加工水平对超精密工件台位 移测量的分辨力、精度等指标都提出了更高的要求，双频激光干涉仪因其存在环境敏感性 差、占用空间大、多自由度测量结构复杂、价格昂贵等问题难以满足新的测量需求。

为了解决上述问题，国内外超精密测量领域的有关公司及众多学者都进行了大量的研 究，研究成果在诸多专利和论文中均有揭露。荷兰ASML公司的专利US 7,483,120 B2（公 开日2007年11月15日）公开了一种应用于光刻机超精密工件台的平面光栅测量系统及 布置方案，该测量系统主要利用二维平面光栅与读数头测量工件台的水平大行程位移，工 件台竖直方向的位移可以通过单独布置的高度传感器进行测量，但是使用多种传感器会使 超精密工件台的结构复杂并会限制位移的测量精度。日本学者Gao Wei在发表的论文 “Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric  measurement of stage position and straightness.Precision Engineering34(2010)145-155.”和 “Position and out-of-straightness measurement of a precision linear air-bearing stage by using a  two-degree-of-freedom linear encoder.Measurement Science and Technology21(2010) 054005.”中提出了一种基于衍射干涉原理的两轴光栅位移测量系统，可以同时测量水平和 竖直两个方向的直线位移，但是该系统在测量竖直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，因此系统的竖直方向直线位移的量程受限于光束直径的大小，无法实 现竖直方向大行程直线位移的测量。清华大学朱煜等人的专利CN 102937411 A（公开日 2013年2月20日）中公开了一种双频光栅干涉仪位移测量系统，也可以同时测量水平和 竖直两个方向的直线位移，而且使用了双频激光作为光源以提高信号的抗干扰能力，但是 该系统的竖直方向直线位移的量程同样受限于光束直径的大小，仍然无法实现竖直方向大 行程直线位移的测量。国立台湾大学Fan Kuang-Chao等人在发表的论文“Displacement  Measurement of Planar Stage by Diffraction Planar Encoder in Nanometer Resolution.I2MTC (2012)894-897.”中研制了一种纳米量级分辨力的二维平面光栅位移测量装置，可以测量两 个水平方向的直线位移，但是无法测量竖直方向的直线位移，不能满足超精密工件台竖直 方向的位移测量要求。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系 统，该测量系统不仅能够同时测量沿x轴、z轴两个方向的直线位移，而且提高了测量信 号的抗干扰能力，同时相比已有技术该系统的z向位移量程得到了极大的扩展。

本发明的目的是这样实现的：

一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，包括出射端接光纤的双频激光器、分光 部件、干涉光路部件、光电探测及信号处理部件和一维反射式测量光栅；所述干涉光路部 件包括偏振分光棱镜、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 考臂折光元件和一维反射式参考光栅；

所述一维反射式测量光栅和一维反射式参考光栅的光栅周期分别为d₁和d₂；所述测 量臂折光元件和参考臂折光元件的折光角度分别为θ_i1和θ_i2，且分别满足2d₁sinθ_i1=±mλ₁、 2d₂sinθ_i2=±mλ₂，式中λ₁、λ₂分别为出射端接光纤的双频激光器射出的两个频率光波的波长、 m为衍射级次；

所述出射端接光纤的双频激光器射出的双频激光经过分光部件分成两束平行光，这两 束平行光再经过偏振分光棱镜后分为传播方向被偏折90度的波长为λ₁的测量光和沿原方 向传播的波长为λ₂的参考光，测量光与参考光的偏振方向互相垂直，测量光的两束平行 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，偏折后的两束测量光入射至一维反射式测量光栅并分别被衍射为+m级衍射测量光 和-m级衍射测量光，±m级衍射测量光分别沿各自入射光的反方向传播，并再次经过测量 臂折光元件、测量臂四分之一波片和偏振分光棱镜后，入射至光电探测及信号处理部件； 参考光的两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，偏折后的两束参考光入射至一维反射式参考光栅并分别被衍射为 +m级衍射参考光和-m级衍射参考光，±m级衍射参考光分别沿各自入射光的反方向传播， 并再次经过参考臂折光元件、参考臂四分之一波片和偏振分光棱镜后入射至光电探测及信 号处理部件；两束衍射测量光分别和两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件表面形成 两组干涉拍频信号，干涉拍频信号被光电探测及信号处理部件探测并处理，一维反射式测 量光栅相对干涉光路部件沿x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 和z方向的直线位移。

上述的一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，所述分光部件为以下四种结构中 的一种：

第一、所述分光部件由准直透镜、非偏振分光棱镜、直角反射棱镜组成，出射端接光 纤的双频激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至非偏振分光棱镜被分成光强相等、 传播方向互相垂直的两束光，其中一束光经直角反射棱镜后传播方向被偏折90度与另一 束光平行传播，形成两束光强相等的平行出射光；

第二、所述分光部件由准直透镜、一维透射光栅、反射镜、孔径光阑组成，出射端接 光纤的双频激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至一维透射光栅并被衍射，±1级 衍射光经反射镜偏折并通过孔径光阑形成两束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光 被孔径光阑过滤；

第三、所述分光部件由准直透镜、一维透射光栅、透镜、孔径光阑组成，出射端接光 纤的双频激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至一维透射光栅并被衍射，±1级衍 射光经透镜偏折并通过孔径光阑形成两束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔 径光阑过滤；

第四、所述分光部件由准直透镜、一维透射光栅、棱镜、孔径光阑组成，出射端接光 纤的双频激光器发射的激光经过准直透镜准直后入射至一维透射光栅并被衍射，±1级衍 射光经棱镜偏折并通过孔径光阑形成两束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔 径光阑过滤。

上述的一种使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，所述测量臂折光元件为以下四种 结构中的一种：

第一，所述测量臂折光元件包括光阑和折光反射镜，所述两束平行测量光经过光阑和 折光反射镜后传播方向分别被偏折±θ_i1并入射至一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光阑和折光棱镜，所述两束平行测量光经过光阑和折 光棱镜后传播方向分别被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅发生衍射；

第三，所述测量臂折光元件包括光阑和第一折光透镜，所述两束平行测量光经过光阑 和第一折光透镜后传播方向分别被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅发生衍射；

第四，所述测量臂折光元件包括光阑和第二折光透镜，所述两束平行测量光经过光阑 和第二折光透镜后传播方向分别被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅发生衍射；

所述参考臂折光元件为测量臂折光元件采用的四种结构中的一种，并将±θ_i1替换为 ±θ_i2。

本发明的有益效果说明如下：

该测量系统使用了满足2d₁sinθ_i1=±mλ₁、2d₂sinθ_i2=±mλ₂条件的一维反射式测量光栅、 一维反射式参考光栅、测量臂折光元件、参考臂折光元件及出射端接光纤的双频激光器， 保证了两束衍射测量光分别沿各自入射光传播方向的反方向传播，因此在一维反射式测量 光栅相对干涉光路部件沿z轴运动时，两束衍射测量光在光电探测及信号处理部件表面的 光斑位置不变；又因为系统在测量时除一维反射式测量光栅外其他元件的相对位置始终不 变，因此两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件表面的光斑位置始终不变，所以在一 维反射式测量光栅相对测量臂折光元件沿z轴运动时，光电探测及信号处理部件表面的两 组干涉光斑的干涉区域不变，系统的z向位移量程不再受限于光斑直径的大小，而是取决 于光源的相干长度，本发明的光源为出射端接光纤的双频激光器，其相干长度可以达到米 量级甚至千米量级，因此本发明的z向位移量程可以扩展到米量级甚至千米量级，已有技 术中日本学者Gao Wei所研制的测量装置的z向位移量程仅为4mm，朱煜等人的专利中 虽未说明系统的z向位移量程，但其z向位移量程受限于光斑直径的大小，无法实现厘米 量级的z向位移测量，因此本发明具有的显著有益效果为不仅提出了一种可以同时测量两 轴位移的光栅测量系统，并且该系统的z向位移量程相比已有技术得到了极大的扩展。此 外，本发明使用双频激光光源，提高了位移测量信号的抗干扰能力。

附图说明

图1为本发明的一种使用双频激光的两轴光栅位移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结构示意图。

图3为本发明分光部件的第二种结构的结构示意图。

图4为本发明分光部件的第三种结构的结构示意图。

图5为本发明分光部件的第四种结构的结构示意图。

图6为本发明测量臂折光元件的第一种结构的结构示意图。

图7为本发明测量臂折光元件的第二种结构的结构示意图。

图8为本发明测量臂折光元件的第三种结构的结构示意图。

图9为本发明测量臂折光元件的第四种结构的结构示意图。

图中：1出射端接光纤的双频激光器；2分光部件；21准直透镜；22非偏振分光棱镜； 23直角反射棱镜；24一维透射光栅；251反射镜；252透镜；253棱镜；26孔径光阑；3 干涉光路部件；31偏振分光棱镜；32测量臂四分之一波片；33测量臂折光元件；331光 阑；332折光反射镜；333折光棱镜；334第一折光透镜；335第二折光透镜；34参考臂 四分之一波片；35参考臂折光元件；36一维反射式参考光栅；4光电探测及信号处理部 件；5一维反射式测量光栅。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施例一

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，结构示意图如图1所示。该测量 系统包括出射端接光纤的双频激光器1、分光部件2、干涉光路部件3、光电探测及信号 处理部件4和一维反射式测量光栅5；所述干涉光路部件3包括偏振分光棱镜31、测量臂 四分之一波片32、测量臂折光元件33、参考臂四分之一波片34、参考臂折光元件35和 一维反射式参考光栅36；

所述一维反射式测量光栅5和一维反射式参考光栅36的光栅周期分别为d₁和d₂；所 述测量臂折光元件33和参考臂折光元件35的折光角度分别为θ_i1和θ_i2，且分别满足 2d1sinθ_i1=±mλ₁、2d2sinθ_i2=±mλ₂，式中λ₁、λ₂分别为出射端接光纤的双频激光器1射出的 两个频率光波的波长、m为衍射级次；

所述出射端接光纤的双频激光器1射出的双频激光经过分光部件2分成两束平行光， 这两束平行光再经过偏振分光棱镜31后分为传播方向被偏折90度的波长为λ₁的测量光 和沿原方向传播的波长为λ₂的参考光，测量光与参考光的偏振方向互相垂直，测量光的 两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32后均被测量 臂折光元件33偏折，偏折后的两束测量光入射至一维反射式测量光栅5并分别被衍射为 +m级衍射测量光和-m级衍射测量光，±m级衍射测量光分别沿各自入射光的反方向传播， 并再次经过测量臂折光元件33、测量臂四分之一波片32和偏振分光棱镜31后，入射至 光电探测及信号处理部件4；参考光的两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34后均被参考臂折光元件35偏折，偏折后的两束参考光入射至 一维反射式参考光栅36并分别被衍射为+m级衍射参考光和-m级衍射参考光，±m级衍射 参考光分别沿各自入射光的反方向传播，并再次经过参考臂折光元件35、参考臂四分之 一波片34和偏振分光棱镜31后入射至光电探测及信号处理部件4；两束衍射测量光分别 和两束衍射参考光在光电探测及信号处理部件4表面形成两组干涉拍频信号，干涉拍频信 号被光电探测及信号处理部件4探测并处理，一维反射式测量光栅5相对干涉光路部件3 沿x轴和z轴运动时，光电探测及信号处理部件4分别输出x方向和z方向的直线位移。 具体实施例二

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的具体结构如图2所示。该分光部件2由准直透镜21、非偏振分 光棱镜22、直角反射棱镜23组成，出射端接光纤的双频激光器1发射的激光经过准直透 镜21准直后入射至非偏振分光棱镜22被分成光强相等、传播方向互相垂直的两束光，其 中一束光经直角反射棱镜23后传播方向被偏折90度与另一束光平行传播，形成两束光强 相等的平行出射光。

具体实施例三

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的具体结构如图3所示。该分光部件2由准直透镜21、一维透射 光栅24、反射镜251、孔径光阑26组成，出射端接光纤的双频激光器1发射的激光经过 准直透镜21准直后入射至一维透射光栅24并被衍射，±1级衍射光经反射镜251偏折并 通过孔径光阑26形成两束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑26过滤。 具体实施例四

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的具体结构如图4所示。该分光部件2由准直透镜21、一维透射 光栅24、透镜252、孔径光阑26组成，出射端接光纤的双频激光器1发射的激光经过准 直透镜21准直后入射至一维透射光栅24并被衍射，±1级衍射光经透镜252偏折并通过 孔径光阑26形成两束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑26过滤。

具体实施例五

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，分光部件2的具体结构如图5所示。该分光部件2由准直透镜21、一维透射 光栅24、棱镜253、孔径光阑26组成，出射端接光纤的双频激光器1发射的激光经过准 直透镜21准直后入射至一维透射光栅24并被衍射，±1级衍射光经棱镜253偏折并通过 孔径光阑26形成两束光强相等的平行出射光，其他级次的衍射光被孔径光阑26过滤。

具体实施例六

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的具体结构如图6所示。该测量臂折光元件33包括光阑 331和折光反射镜332，所述两束平行测量光经过光阑331和折光反射镜332后传播方向 分别被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅5发生衍射。

具体实施例七

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的具体结构如图7所示。该测量臂折光元件33包括光阑 331和折光棱镜333，所述两束平行测量光经过光阑331和折光棱镜333后传播方向分别 被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅5发生衍射。

具体实施例八

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的具体结构如图8所示。该测量臂折光元件33包括光阑 331和第一折光透镜334，所述两束平行测量光经过光阑331和第一折光透镜334后传播 方向分别被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅5发生衍射。

具体实施例九

本实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，与具体实施例一的整体结构相 同。其中，测量臂折光元件33的具体结构如图9所示。该测量臂折光元件33包括光阑 331和第二折光透镜335，所述两束平行测量光经过光阑331和第二折光透镜335后传播 方向分别被偏折±θ_i1并入射至一维反射式测量光栅5发生衍射。

以上实施例的使用双频激光的两轴光栅位移测量系统，参考臂折光元件35为具体实 施例六、具体实施例七、具体实施例八、具体实施例九所述的测量臂折光元件33结构中 的一种，并将±θ_i1替换为±θ_i2。

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的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。