本發(fā)明涉及一種光柵測(cè)量方法，特別涉及一種二自由度外差光柵干涉儀測(cè)量方法，屬于位移測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

光柵測(cè)量系統(tǒng)作為一種典型的位移傳感器廣泛應(yīng)用于眾多機(jī)電設(shè)備。光柵測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理。基于莫爾條紋原理的光柵測(cè)量系統(tǒng)作為一種發(fā)展成熟的位移傳感器以其測(cè)距長(zhǎng)、成本低、易于裝調(diào)等眾多優(yōu)點(diǎn)成為眾多機(jī)電設(shè)備位移測(cè)量的首選，但精度通常在微米量級(jí)，常見于一般工業(yè)應(yīng)用。

超精密位移測(cè)量技術(shù)在諸如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、超精密工件臺(tái)、米級(jí)光柵制造設(shè)備等工業(yè)計(jì)量設(shè)備中具有重要應(yīng)用。半導(dǎo)體制造裝備中的光刻機(jī)是半導(dǎo)體芯片制作中的關(guān)鍵設(shè)備，隨著半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，應(yīng)用于光刻機(jī)的超精密工件臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制顯得尤為重要。超精密工件臺(tái)以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)成為超精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中最具代表性的一類系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)，超精密工件臺(tái)通常采用雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量超精密工件臺(tái)多自由度位移。然而隨著測(cè)量精度、測(cè)量距離、測(cè)量速度等運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環(huán)境敏感性、測(cè)量速度難以提高、占用空間、價(jià)格昂貴、測(cè)量目標(biāo)工件臺(tái)難以設(shè)計(jì)制造控制等一系列問題難以滿足測(cè)量需求。

針對(duì)上述問題，世界上超精密測(cè)量領(lǐng)域的各大公司及研究機(jī)構(gòu)展開了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測(cè)量系統(tǒng)，研究成果在諸多專利論文中均有揭露。荷蘭ASML公司美國(guó)專利US7,102,729B2(公開日2005年8月4日)、US7,483,120B2(公開日2007年11月15日)、US7,,940,392B2(公開日2009年12月24日)、公開號(hào)US2010/0321665A1(公開日2010年12月23日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的平面光柵測(cè)量系統(tǒng)及布置方案，該測(cè)量系統(tǒng)主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數(shù)頭測(cè)量工件臺(tái)水平大行程位移，高度方向位移測(cè)量采用電渦流或干涉儀等高度傳感器，但多種傳感器的應(yīng)用限制工件臺(tái)測(cè)量精度。美國(guó)ZYGO公司美國(guó)專利公開號(hào)US2011/0255096A1(公開日2011年10月20日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的光柵測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)采用二維光柵配合特定的讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，可同時(shí)進(jìn)行水平向和垂向位移測(cè)量，但大尺寸的二維光柵造價(jià)極其昂貴；日本CANON公司美國(guó)專利公開號(hào)US2011/0096334A1(公開日2011年4月28日)公開了一種外差干涉儀，該干涉儀中采用光柵作為目標(biāo)鏡，但該干涉儀僅能實(shí)現(xiàn)一維測(cè)量。日本學(xué)者GAOWEI在研究論文“Design and construction of a two-degree-of-freedom linear encoder for nanometric measurement of stage position and straightness.Precision Engineering34(2010)145-155”中提出了一種利用衍射干涉原理的單頻二維光柵測(cè)量系統(tǒng)，該光柵測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平和垂直向的位移測(cè)量，但由于采用單頻激光，測(cè)量信號(hào)易受干擾，精度難以保證。中國(guó)專利文獻(xiàn)公開號(hào)CN103759657A(公開日2014年04月30日)及CN103759656A(公開日2014年04月30日)分別公開了一種外差光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，兩種干涉儀測(cè)量系統(tǒng)中的讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)中使得其再對(duì)垂向進(jìn)行測(cè)量時(shí)的行程非常小，不能對(duì)垂向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行較大行程的測(cè)量，應(yīng)用范圍受到了限制。

考慮到上述技術(shù)方案的局限，尋求一種利用光學(xué)拍頻原理的二自由度外差光柵干涉儀測(cè)量方法，應(yīng)用該測(cè)量方法的測(cè)量系統(tǒng)要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。該測(cè)量方法能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)自由度的大行程位移。該二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法可應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)、精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備等需要多自由度精密位移測(cè)量的場(chǎng)合。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種二自由度外差光柵干涉儀測(cè)量方法，該測(cè)量方法能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，且能夠同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)自由度的大行程位移。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法，其特征在于該方法包括如下步驟：

1)搭建測(cè)量系統(tǒng)：所述測(cè)量系統(tǒng)包括讀數(shù)頭、測(cè)量光柵和電子信號(hào)處理部件；

所述讀數(shù)頭包括雙頻激光發(fā)生器、干涉儀、第一光電轉(zhuǎn)換單元、第二光電轉(zhuǎn)換單元、第三光電轉(zhuǎn)換單元；所述雙頻激光發(fā)生器包括激光管、針孔、準(zhǔn)直透鏡、分光鏡、第一聲光調(diào)制器、第二聲光調(diào)制器、第一光擋、第二光擋、第一反射鏡、第二反射鏡、第一偏振片、第二偏振片、第一高透射分光鏡、第二高透射分光鏡、參考信號(hào)合成單元；所述干涉儀包括第一干涉儀分光鏡、第二干涉儀分光鏡、第一反射器、第二反射器；

2)利用步驟1)的測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量：

a)雙頻激光發(fā)生器的激光管出射一束單頻激光，該單頻激光經(jīng)過針孔和準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)分光鏡分為兩束功率相同、傳播方向垂直的光，兩束光分別經(jīng)第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器后產(chǎn)生衍射光，包括兩束零級(jí)衍射光和兩束一級(jí)衍射光，兩束零級(jí)衍射光分別被第一光擋和第二光擋攔截，兩束一級(jí)衍射光分別經(jīng)第一反射鏡、第一偏振片和第二反射鏡、第二偏振片后，入射至第一高透射分光鏡和第二高透射分光鏡；

b)第一高透射分光鏡和第二高透射分光鏡反射出的兩束功率較小的光，入射至參考信號(hào)合成單元，合成外差參考光信號(hào)，第一高透射分光鏡和第二高透射分光鏡透射出的兩束功率較大的光，形成非共軸雙頻激光，出射至干涉儀，所述的非共軸雙頻激光為偏振方向相同，傳播方向一致，光路平行，且存在一定頻差的兩束激光；

c)外差參考光信號(hào)出射至第三光電轉(zhuǎn)換單元，轉(zhuǎn)換為外差參考電信號(hào)，經(jīng)電纜輸出至電子信號(hào)處理部件；

d)干涉儀的第一干涉儀分光鏡將入射的一束激光分為第一參考光和第一測(cè)量光，第一參考光經(jīng)第二干涉儀分光鏡入射至第二光電轉(zhuǎn)換單元；第一測(cè)量光經(jīng)第一反射器后以利特羅角入射至測(cè)量光柵并發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光原路返回，經(jīng)第一反射器、第一干涉儀分光鏡后入射至第一光電轉(zhuǎn)換單元；

e)干涉儀的第二干涉儀分光鏡將入射的一束激光分為第二參考光和第二測(cè)量光，第二參考光經(jīng)第一干涉儀分光鏡入射至第一光電轉(zhuǎn)換單元；第二測(cè)量光經(jīng)第二反射器后以利特羅角入射至測(cè)量光柵并發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光原路返回，經(jīng)第二反射器、第二干涉儀分光鏡后入射至第二光電轉(zhuǎn)換單元；

f)第一參考光和第二測(cè)量光的衍射光在第二光電轉(zhuǎn)換單元前重合并發(fā)生干涉，形成第一拍頻光信號(hào)I₁，表示為：

其中，E_r1表示第一參考光的光矢量，E_m2表示第二測(cè)量光的衍射光的光矢量，I_DC1表示光強(qiáng)信號(hào)中的直流分量的幅值，I_AC1表示光強(qiáng)信號(hào)中的交流分量的幅值，f表示雙頻激光的頻差，表示由于測(cè)量光柵在X和Z方向上位移所引起的相位變化值；

第二參考光和第一測(cè)量光的衍射光在第一光電轉(zhuǎn)換單元前重合并發(fā)生干涉，形成第二拍頻光信號(hào)I₂，表示為：

其中，E_r2表示第二參考光的光矢量，E_m1表示第一測(cè)量光的衍射光的光矢量，I_DC2表示光強(qiáng)信號(hào)中的直流分量的幅值，I_AC2表示光強(qiáng)信號(hào)中的交流分量的幅值，f表示雙頻激光的頻差，表示由于測(cè)量光柵在X和Z方向上位移所引起的相位變化值。

g)I₁和I₂分別被第二光電轉(zhuǎn)換單元和第一光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為外差測(cè)量電信號(hào)，經(jīng)電纜輸出至電子信號(hào)處理部件；

h)由1)到7)，電子信號(hào)處理部件得到一個(gè)外差參考電信號(hào)和兩個(gè)外差測(cè)量電信號(hào)，做信號(hào)解調(diào)和處理，得到包含有X和Z兩個(gè)方向位移信息的相位變化值和表達(dá)為：

其中，d為測(cè)量光柵的柵距，λ₁和λ₂為雙頻激光的波長(zhǎng)，θ₁為波長(zhǎng)是λ₁的激光入射至測(cè)量光柵的利特羅角，θ₂為波長(zhǎng)是λ₂的激光入射至測(cè)量光柵的利特羅角，Δx為待求的X方向位移值，Δz為待求的Z方向位移值；

將已知的參數(shù)值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂帶入上述的和的表達(dá)式，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的二元一次方程組，解該方程組，從而得測(cè)量光柵在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，從而實(shí)現(xiàn)了二自由度位移測(cè)量。

本發(fā)明的上述技術(shù)方案中，所述的測(cè)量光柵為一維反射光柵。參考信號(hào)合成單元包括第一參考信號(hào)反射鏡、第二參考信號(hào)反射鏡和透射光柵。

本發(fā)明所述的一種二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：

①大幅度避免了偏振混疊誤差，實(shí)現(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度；

②測(cè)量精度受外界環(huán)境影響?。?/p>

③可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)自由度的大行程位移；

④所使用的測(cè)量系統(tǒng)讀數(shù)頭體積小、質(zhì)量輕、易于安裝，方便應(yīng)用；

⑤可應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)、精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備等的工件臺(tái)多自由度位移的精密測(cè)量中。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法采用的測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

圖2為本發(fā)明一種參考信號(hào)合成單元示意圖。

圖3為本發(fā)明測(cè)量Z向位移的原理示意圖。

圖中，1——讀數(shù)頭，2——測(cè)量光柵，3——電子信號(hào)處理部件；11——雙頻激光發(fā)生器，12——干涉儀，13——第一光電轉(zhuǎn)換單元，14——第二光電轉(zhuǎn)換單元，15——第三光電轉(zhuǎn)換單元；111——激光管，112——針孔，113——準(zhǔn)直透鏡，114——分光鏡、115——第一聲光調(diào)制器，115'——第二聲光調(diào)制器，116——第一光擋，116'——第二光擋，117——第一反射鏡，117'——第二反射鏡，118——第一偏振片，118'——第二偏振片，119——第一高透射分光鏡，119'——第二高透射分光鏡，110——參考信號(hào)合成單元；121——第一干涉儀分光鏡，122——第二干涉儀分光鏡，123——第一反射器，124——第二反射器；1101——第一參考信號(hào)反射鏡，1102——第二參考信號(hào)反射鏡，1103——透射光柵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和具體實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明的一種二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法采用的測(cè)量系統(tǒng)示意圖，該系統(tǒng)包括讀數(shù)頭1、測(cè)量光柵2、電子信號(hào)處理部件3。

所述讀數(shù)頭1包括雙頻激光發(fā)生器11、干涉儀12、第一光電轉(zhuǎn)換單元13、第二光電轉(zhuǎn)換單元14、第三光電轉(zhuǎn)換單元15；所述雙頻激光發(fā)生器11包括激光管111、針孔112、準(zhǔn)直透鏡113、分光鏡114、第一聲光調(diào)制器115、第二聲光調(diào)制器115'、第一光擋116、第二光擋116'、第一反射鏡117、第二反射鏡117'、第一偏振片118、第二偏振片118'、第一高透射分光鏡119、第二高透射分光鏡119'、參考信號(hào)合成單元110；所述干涉儀12包括第一干涉儀分光鏡121、第二干涉儀分光鏡122、第一反射器123、第二反射器124。

圖1所述的二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法包含如下步驟：

1)雙頻激光發(fā)生器11的激光管111出射一束單頻激光，該單頻激光經(jīng)過針孔112和準(zhǔn)直透鏡113準(zhǔn)直后，經(jīng)分光鏡114分為兩束功率相同、傳播方向垂直的光，兩束光分別經(jīng)第一聲光調(diào)制器和第二聲光調(diào)制器后產(chǎn)生衍射光，包括兩束零級(jí)衍射光和兩束一級(jí)衍射光，兩束零級(jí)衍射光分別被第一光擋116和第二光擋116'攔截，兩束一級(jí)衍射光分別經(jīng)第一反射鏡117、第一偏振片118和第二反射鏡117'、第二偏振片118'后，入射至第一高透射分光鏡119和第二高透射分光鏡119'；

2)第一高透射分光鏡和第二高透射分光鏡反射出的兩束功率較小的光，入射至參考信號(hào)合成單元110，合成外差參考光信號(hào)，第一高透射分光鏡119和第二高透射分光鏡119'透射出的兩束功率較大的光，形成非共軸雙頻激光，出射至干涉儀12，所述的非共軸雙頻激光為偏振方向相同，傳播方向一致，光路平行，且存在一定頻差的兩束激光；

3)外差參考光信號(hào)出射至第三光電轉(zhuǎn)換單元15，轉(zhuǎn)換為外差參考電信號(hào)，經(jīng)電纜輸出至電子信號(hào)處理部件3；

4)干涉儀的第一干涉儀分光鏡121將入射的一束激光分為第一參考光和第一測(cè)量光，第一參考光經(jīng)第二干涉儀分光鏡122入射至第二光電轉(zhuǎn)換單元14；第一測(cè)量光經(jīng)第一反射器123后以利特羅角入射至測(cè)量光柵并發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光原路返回，經(jīng)第一反射器123、第一干涉儀分光鏡121后入射至第一光電轉(zhuǎn)換單元13；

5)干涉儀的第二干涉儀分光鏡將入射的一束激光分為第二參考光和第二測(cè)量光，第二參考光經(jīng)第一干涉儀分光鏡入射至第一光電轉(zhuǎn)換單元；第二測(cè)量光經(jīng)第二反射器后以利特羅角入射至測(cè)量光柵并發(fā)生衍射，產(chǎn)生衍射光原路返回，經(jīng)第二反射器、第二干涉儀分光鏡后入射至第二光電轉(zhuǎn)換單元；

6)第一參考光和第二測(cè)量光的衍射光在第二光電轉(zhuǎn)換單元前重合并發(fā)生干涉，形成第一拍頻光信號(hào)I₁，表示為：

其中，E_r1表示第一參考光的光矢量，E_m2表示第二測(cè)量光的衍射光的光矢量，I_DC1表示光強(qiáng)信號(hào)中的直流分量的幅值，I_AC1表示光強(qiáng)信號(hào)中的交流分量的幅值，f表示雙頻激光的頻差，表示由于測(cè)量光柵在X和Z方向上位移所引起的相位變化值。

第二參考光和第一測(cè)量光的衍射光在第一光電轉(zhuǎn)換單元前重合并發(fā)生干涉，形成第二拍頻光信號(hào)I₂，表示為：

其中，E_r2表示第二參考光的光矢量，E_m1表示第一測(cè)量光的衍射光的光矢量，I_DC2表示光強(qiáng)信號(hào)中的直流分量的幅值，I_AC2表示光強(qiáng)信號(hào)中的交流分量的幅值，f表示雙頻激光的頻差，表示由于測(cè)量光柵在X和Z方向上位移所引起的相位變化值。

7)I₁和I₂分別被第二光電轉(zhuǎn)換單元和第一光電轉(zhuǎn)換單元轉(zhuǎn)換為外差測(cè)量電信號(hào)，經(jīng)電纜輸出至電子信號(hào)處理部件；

8)由1)到7)，電子信號(hào)處理部件得到一個(gè)外差參考電信號(hào)和兩個(gè)外差測(cè)量電信號(hào)，做信號(hào)解調(diào)和處理，得到包含有X和Z兩個(gè)方向位移信息的相位變化值和表達(dá)為：

其中，d為測(cè)量光柵的柵距，λ₁和λ₂為雙頻激光的波長(zhǎng)，θ₁為波長(zhǎng)是λ₁的激光入射至測(cè)量光柵的利特羅角，θ₂為波長(zhǎng)是λ₂的激光入射至測(cè)量光柵的利特羅角，Δx為待求的X方向位移值，Δz為待求的Z方向位移值。

將已知的參數(shù)值d、λ₁、λ₂、θ₁、θ₂帶入上述的和的表達(dá)式，得到一個(gè)簡(jiǎn)單的二元一次方程組，解該方程組，從而得測(cè)量光柵在X方向和Z方向的位移值Δx和Δz，實(shí)現(xiàn)了二自由度位移測(cè)量。

請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明一種參考信號(hào)合成單元示意圖，參考信號(hào)合成單元包括第一參考信號(hào)反射鏡1101，第二參考信號(hào)反射鏡1102，透射光柵1103。

圖2所述的參考信號(hào)合成單元的原理包含如下步驟：

第一參考信號(hào)反射鏡和第二參考信號(hào)反射鏡分別將第一高透射分光鏡和第二高透射分光鏡反射出來的兩束激光以一定角度反射至透射光柵的相同位置，產(chǎn)生重合的兩束衍射光，兩束重合的衍射光拍頻形成外差參考光信號(hào)。

請(qǐng)參考圖3，圖3為本發(fā)明測(cè)量Z向位移的原理示意圖，當(dāng)測(cè)量光柵只沿Z方向位移時(shí)，該測(cè)量光的光程發(fā)生改變，變化值為

${\mathrm{\ΔL}}_1=2\×\frac{\mathrm{\Δ}z}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中，ΔL₁為測(cè)量光的光程變化值，Δz為測(cè)量光柵沿Z方向的位移值，θ為該測(cè)量光入射至測(cè)量光柵的利特羅角。

同時(shí)，該測(cè)量光掃過光柵柵線，產(chǎn)生相應(yīng)的多普勒移頻，掃過光柵柵線的位移變化值為

ΔL₂＝Δz×tan(θ)

其中，ΔL₂為負(fù)一級(jí)衍射光的掃過光柵的變化值。

所以，當(dāng)測(cè)量光柵沿Z向位移時(shí)，最終解算出來的相位變化值包含了測(cè)量光的光程變化值和掃過光柵柵線的位移變化值。

上述二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量方法不僅能夠?qū)崿F(xiàn)亞納米甚至更高分辨率及精度，而且可同時(shí)測(cè)量?jī)蓚€(gè)自由度的大行程位移，更兼具使用的測(cè)量系統(tǒng)體積小、質(zhì)量輕、環(huán)境敏感性弱等眾多優(yōu)點(diǎn)。可以應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)、精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備等的工件臺(tái)多自由度位移的精密測(cè)量中。