[发明专利]一种基于衍射光栅的可补偿其周期性非线性误差的光学读数头

说明书

本发明提供的是一种基于衍射光栅的可补偿其周期性非线性误差的光学读数头。其特征是：它由激光器1、分光镜2和9、偏振镜3和14、光电探测器4、12、13及15、偏振分光镜5和11、衍射光栅6和7、角反射镜8以及半波片10组成。本发明可用于对被测位移信息及测量系统周期性非线性误差的实时测量；本系统光路结构简单易于搭、系统小型化和集成化，能够对光栅尺位移测量系统非线性误差进行实时补偿，提高了系统的测量精度与稳定性。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于衍射光栅的可补偿其周期性非线性误差的光学读数头，可用于光刻平台上进行高精度大量程高速度的位移测量，属于精密测量技术领域。

(二)背景技术

超精密测量与定位是精密制造、半导体生产和纳米科学技术的基石。光学测量技术以高测量精度、非接触和数字化等特点而显示其独特的优势，其中光栅式位移测量相较于激光干涉测量，在工况条件下仍能保持较好的精度与稳定性，这些优点弥补了激光干涉测量的不足，使其在纳米级测量中越来越具有研究价值。

在外差干涉测量系统中，由于两个频率的偏振光不能完全分离并分别进入测量臂与参考臂，通常会产生周期性的非线性误差，周期非线性误差是影响外差式测量系统测量精度最主要的因素。

为减小和补偿外差式干涉仪的非线性误差，哈尔滨工业大学专利 CN103604376B(公开日2017年2月1日)公开了一种双频激光光栅干涉三维测量方法及测量系统，通过非共轴光路设计避免两频率光束在干涉仪内部互相混叠，从而抑制了周期非线性误差的产生。但非共轴式光栅干涉仪的光路结构设计相较于传统共轴式干涉仪较为复杂，且各光学元件之间的校准精度需求高，不易调整与搭建光路。同时，非共轴光路设计会使得测量臂与干涉臂的光程不平衡，当环境中存在温度漂移时，会产生热漂移误差。

2015年，任晓在其博士论文中提出了一种光学读数头结构，利用工控机采集的相位差信号控制伺服电动机带动偏振片按一定方向旋转，偏振片旋转的相位角度产生一个与被测位移相位相反的向位移，直到相位差数值显示为零，从而消除非线性相位移。但该方法对伺服电机的控制系统的响应速度、补偿时间以及准确性都提出了较高要求，较难达到实时补偿周期非线性误差。

为此有必要设计一种外差式干涉仪结构，能够实现高分辨力、结构简便易于搭建且消除周期非线性误差，正是当前提高测量系统精度的重要研究方向之一。

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种能够实现高精度大范围量程高测量速度的位移测量系统满足精密制造领域中特别是光刻平台的需求，提供一种光栅式位移测量系统，实现了光学二细分，提高了测量的分辨力，而且能够补偿周期非线性误差提高系统的测量精度，光路中的光学器件可以小型化和集成化，提高了光刻平台的空间利用率。

本发明的目的是这样实现的：

一种基于衍射光栅的可补偿其周期性非线性误差的位移测量系统。激光器1发出一束双频且偏振态互相垂直的激光，激光束的一部分光经分光镜2反射后经偏振镜3形成拍频干涉，光学拍频信号被光电探测器4采集作为参考信号 I_R，另一部分光透射出分光镜2后被偏振分光镜5偏振分离，平行光P光透射进入测量臂作为测量光，垂直光S光反射进入参考臂作为参考光，参考光反射出偏振分光镜5后经角反射镜8反射后垂直入射分光镜9，测量光透射出偏振分光镜 5后垂直入射衍射光栅6产生±1级衍射光，±1级衍射光分别斜入射衍射光栅7 和8后其衍射光垂直反射，经衍射光栅7反射的+1级测量光经过分光镜9后透射与部分经分光镜9后反射的参考光合束，经半波片10后其快轴和慢轴分别形成光学拍频干涉，经偏振分光镜11分离后快轴和慢轴的光学拍频信号分别被光电探测器12和13采集作为测量信号I₁和测量信号I₂，经衍射光栅8反射的-1级测量光再次透射出偏振分光镜5后与经过分光镜9透射并被偏振分光镜5反射的参考光合束，经偏振镜14后形成光学拍频干涉，光学拍频信号被光电探测器 15采集作为测量信号I₃。