[发明专利]一种基于衍射光栅的光学读数头

说明书

技术领域

本发明属于微纳米测量技术，主要涉及一种应用在光刻平台的高精度高速率的光栅式位移测量装置。

背景技术

随着现代科学技术的不断进步，微电子制造工业、纳米技术、航空航天技术以及MEMS等技术得到了蓬勃发展。而这些技术的实现必须以精密的测试技术作为基础，这使超精密位移测量技术成为现代工业得以进步的前提条件。光学测量方法以其高测量精度、非接触、宽动态范围和易于数字化的特点而显示出独特的优势，而光学测量方法中的光栅式位移测量相较于激光干涉测量，以不易受环境干扰、对光源要求低、光路以及机械结构简单、成本低等优点被越来越重视。

2000年，台湾大学机械所范光照教授及苏宗德等人，建立了一套用以测量位移及工件表面形貌的光栅干涉仪。该系统具有体积小且安装简易等优点，而该系统所用到的光学读数头就是最基本的基于衍射反射光栅干涉的单光栅位移测量系统，激光照射的光栅衍射面发生衍射，得到两束衍射光用于干涉测量，这两束光又经反射镜、分光镜后重合叠加，得到差频干涉的莫尔条纹，实现光学二细分。

2006年，刘玉圣在其硕士论文中提出了一种光学读数头的结构，利用两个直角棱镜，将经衍射光栅一次衍射后的±1级衍射光循平行于入射光返回光栅，发生二次衍射，该一次衍射光从光栅表面垂直射出经四分之一玻片被接收器接收，随着光栅的移动可以检出两路正交的正弦信号，从而实现了光学四细分，提高了测量的分辨率。但该光学读数头光路搭建复杂，对光学器件提出了较高的要求，同时较多的光学器件不利于小型化，光路的不完全对称也给系统带来了一定的误差。

有鉴于此，如何提供一种光学读数头，以期能够实现高分辨力、便于小型化，正是当前的重要课题之一。

发明内容

本发明的目的是针对精密制造领域中特别是光刻平台中高定位精度的实现对高测量速度、高测量精度的位移测量系统的需求，提供一种适用于光栅式位移测量装置的光学读数头，不仅实现了光学四倍频，提高了测量的分辨率，而且光学元器件的较少使用及完全对称光路的使用减少了系统的误差、便于系统的集成化、小型化。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于衍射光栅的光学读数头，在激光器的直射光路上依次配置隔离器和偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜的呈相互垂直的透射光路和反射光路上分别配置反射镜A和反射镜B，且所述的偏振分光棱镜的透射光路在反射镜A上的交点与偏振分光棱镜的反射光路在反射镜B上的交点相互对称；衍射光栅配置在反射镜A和反射镜B的对称地反射光路上，在衍射光栅的两路一级衍射光路上配置光阑、1/4波片A和反射镜C，所述的衍射光栅位于两路一级衍射光路经反射镜C按一级衍射光原路反射回的入射点位置上；在偏振分光棱镜位于反射镜B相对一侧部位上且与偏振分光棱镜反射光路同轴线位置处配置1/4波片B和四象限光电二极管传感器。

如上所述的光学读数头，偏振分光棱镜的偏振角为0°，1/4波片A、B其快轴的方向与水平方向成45°。

偏振分光棱镜的偏振角为0°可以得到透射部分为P偏振光，反射部分为S偏振光的两路测量光束；1/4波片A快轴方向与水平方向成45°，使得一级衍射光第一经过它后由线偏振光变为圆偏振光，再经反射镜反射后第二次经过它时可以看成快轴方向与水平方向成-45°，将圆偏振光变为与其垂直的椭圆偏振光；1/4波片B其快轴的方向与水平方向成45°二次衍射的光出射后变为左旋光和右旋光，此时两束光的振动方向为90度，不会发生干涉。

与现有技术相比，本发明的特点和有益效果是：

1.本发明利用光栅测量系统光路设计中多次衍射原则，设计了新的基于衍射反射光栅的光学读数头，光路使用一级衍射光作为测量光，通过反射镜的反射作用进行二次衍射，激光的多次多普勒频移效果叠加，将摩尔条纹进行了四次倍频，提高了整个系统的分辨力。

2.反射镜的利用不仅保证了光学四倍频的实现，提高了系统的分辨率，而且使得干涉的两路光的光路具有完全对称性，使其通过相同的光学元件，尽量保证了光程差为零，同时外界对两路光的干扰相近，可在后续的处理中消除共模干扰，从而提高了系统的稳定性。

3.整个光学读数头使用了较少的光学元件，光路系统结构简单，调试相对容易，光路系统易于复现，同时利于整个系统的集成化和小型化。

附图说明

图1为一种基于衍射光栅的光学读数头结构示意图。

其中：1激光器；2隔离器；3偏振分光棱镜；4反射镜A；5反射镜B；6衍射光栅；7光阑；81/4波片A；9反射镜C；101/4波片B；11四象限光电二极管传感器。