自适应共光路光栅干涉仪及其实现方法
【专利摘要】一种自适应共光路光栅干涉仪，包括：相对运动的光栅尺、角锥棱镜、反射镜、透反镜、位敏探测器、偏振分束器、线偏振光源、用于驱动上述镜子的PZT微位移驱动器、数据采集和处理及控制单元、偏振相移干涉光电探测单元或双频外差干涉光电探测单元。本发明采用基于衍射光点位置反馈控制角锥棱镜或反射镜的自适应方法，来保证动态光栅干涉仪的完全共光路特性，从而消除光栅尺体相对运动误差的光路影响，进而获得高精度和分辨率。
【专利说明】自适应共光路光栅干涉仪及其实现方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及光学测量仪器，特别是一种自适应共光路光栅干涉仪及其实现方法。

【背景技术】
[0002] 光栅干涉仪是高精度光栅尺测量系统（栅距一般小于10微米）的核心，决定了其 精度和分辨率。高精度光栅尺测量系统由光栅尺体、安装夹具、基于光栅干涉仪的读数头及 信号控制器和显示器组成，其功能是进行高精度位移量的测量。广泛应用于机床加工控制、 晶片处理和切割、集成电路光刻设备、半导体检测、机器人系统、航空航天、科学研究、军事 等领域。
[0003] 高精度光栅尺测量系统不仅是现代最基础的自动化量仪之一，而且是现代加工和 生产及科学研究中高精度、高品质的重要保证手段之一。尤其是20nm/14nm集成电路光刻 设备、纳米/亚纳米科学研究、航空航天、科学研究、军事等领域，对高精度光栅尺测量系统 提出了更高精度和分辨率的需求。
[0004] 相对于高精度激光干涉仪而言，尽管基于光栅干涉仪的光栅尺测量系统具有对环 境不敏感的优点，但由于光栅尺测量系统的读数头与光栅尺体之间运动误差的影响，尚难 以达到同样高精度和分辨率。
[0005] 日本佳能提出US5038032、US5146085、US4912320等专利、美国IBM提出了专利 US5442172,都试图解决上述运动误差影响问题，美国ZYG0亦申请了不少新颖的光栅干涉 仪专利，如旧830023382，旧019482441，旧011406认1，以获得更高精度和分辨率。但是以 上述为代表的技术方案皆存在以下问题：未采用真正的完全共光路干涉仪设计。因此，无法 消除上述运动误差的光路影响，只能对其影响有所缓解。进一步，台湾淡江大学的mi提出 一种准共光路的光栅干涉仪【Sensors and Actuators A:Physical, 193:69-78, 2013】获得 较好的性能。由此证明，采用共光路设计光栅干涉仪是消除上述运动误差影响，获得高精度 和分辨率的有效方式。


【发明内容】

[0006] 本发明的目的，是在以往技术方案和研究成果之上，提出一种完全共光路光栅干 涉仪，进一步采用自适应方法来实现其动态共光路，达到消除上述运动误差的影响，从而获 得更高精度和分辨率。
[0007] 本发明的技术解决方案如下：
[0008] -种自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于：包括：相对运动的光栅尺、角锥棱 镜、反射镜、透反镜、位敏探测器、第一偏振分束器、线偏振光源、用于驱动上述镜子的PZT 微位移驱动器、数据采集和处理及控制单元、干涉光电探测单元，
[0009] ①线偏振光源所发出偏振光束经第一偏振分束器分为透射的S光和反射的P光， 所述的P光经所述的反射镜反射后经相对运动光栅尺衍射后的±m(m> = 1)级衍射光入射 角锥棱镜，所述的S光经所述的透反镜反射后经相对运动光栅尺衍射后的土m(m> = 1)级 衍射光入射角锥棱镜，所述的P光、S光经角锥棱镜反射输出分别进入对方光路，并产生分 别为±2m倍多普勒频移，最终两束光路产生4m倍多普勒频移差，并在所述的第一偏振分束 器处同方向正交偏振态出射，形成完全共光路，该完全共光路入射所述的干涉光电探测单 元，该干涉光电探测单元的输出端接所述的数据采集和处理及控制单元的输入端，
[0010] ②所述的位敏探测器在所述的透反镜的反向透射光方向设置，探测光栅尺衍射光 线的光点变化，该位敏探测器的输出端接所述的数据采集和处理及控制单元的输入端，所 述的数据采集和处理及控制单元的输出端接所述的PZT微位移驱动器的控制端，PZT微位 移驱动器驱动反射镜或角锥棱镜以改变入射和出射光线的方位。
[0011] 所述的干涉光电探测单元为偏振相移干涉光电探测单元或双频外差干涉光电探 测单元。
[0012] 所述的偏振相移干涉光电探测单兀由四分之一波片、非偏振分束器、第二偏振分 束器、第三偏振分束器及第一探测器、第二探测器、第三探测器、第四探测器组成。
[0013] 所述的双频外差干涉光电探测单元由第一偏振分束器、非偏振分束器、处正交偏 振45度放置的第一检偏器及对应的第五探测器、处正交偏振45度放置的第二检偏器及对 应的第六探测器组成。
[0014] 所述的线偏振光源是发光二极管、激光二极管、固体的光源或气体光源；单频的激 光器或双频正交偏振的激光器。
[0015] 所述的PZT微位移驱动器亦可以由MEMS的或静电的，或是平面微电机替代。
[0016] 所述的光栅尺是普通光栅尺或闪耀光栅尺，所述的光栅尺是反射型的光栅尺或是 透射型的光栅尺。
[0017] 所述的位敏探测器为PSD或是探测器阵列、或是CCD探测器、或是CMOS。
[0018] 所述的角锥棱镜或为直角棱镜、或是反射镜拼装角镜。
[0019] 所述的数据采集和处理及控制单元由数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组 成。
[0020] 所述的自适应共光路光栅干涉仪的自适应实现方法，其特点在于该方法包括如下 步骤：
[0021] ①初始化：静态调整好的光栅干涉仪至完全共光路状态，光栅尺无运动，所述的数 据采集和处理及控制单元采集位敏探测器上光栅尺衍射光线的光点位置作为目标参考位 置，并设定与目标参考位置差的阈值；
[0022] ②工作时，所述数据采集和处理及控制单元采集位敏探测器上光栅尺衍射光线的 光点位置，并计算该光点位置与所述的目标参考位置的差值；若该位置差值小于等于所设 定的阈值，则转入步骤④；若该位置差值大于所设定的阈值，则转入步骤③；
[0023] ③所述的数据采集和处理及控制单元实时地将所述位置差值反馈至所述的PZT 微位移驱动器，驱动反射镜或角锥棱镜移动，将光点调至无运动时完全共光路情形的目标 参考位置，转入步骤②；
[0024] ④所述的数据采集和处理及控制单元同步采集所述的干涉光电探测单元的数据， 计算相应光栅尺相对位移量，并在所述的数据采集和处理及控制单元输出端输出。
[0025] 本发明的技术效果：
[0026] 本发明采用自适应方法来实现光栅干涉仪动态共光路，可以消除光栅尺运动误差 的影响，从而获得更高精度和分辨率。

【专利附图】

【附图说明】
[0027] 图1为采用单个三维PZT微位移器件驱动反射镜实现自适应共光路光栅干涉仪的 实施例光路图。
[0028] 图2为采用两个三维PZT微位移器件分别驱动两个透反镜实现自适应共光路光栅 干涉仪的实施例光路图。
[0029] 图3为采用单个三维PZT微位移器件驱动角锥棱镜实现自适应共光路光栅干涉仪 的实施例光路图。
[0030] 图4为在图3中采用双频外差干涉术的实施例光路图。

【具体实施方式】
[0031] 下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范 围。
[0032] 1、实施例1。如图1。
[0033] 激光器8发出线偏振光，经第一偏振分束器7分成P光和S光，分别通过反射镜 3和透反镜4入射衍射光栅1，由衍射光栅1衍射后（设为±1级光）的两路衍射光方向 与衍射光栅1垂直，且经角锥棱镜2反射后，P光和S光分别进入各自对方光路（S光和P 光），形成完全共光路，再经第一偏振分束器7出射为正交的线偏光，进入虚线框内的由非 偏振分束器10、四分之一波片9、第二偏振分束器12、第三偏振分束器15及第一探测器11、 第二探测器13、第三探测器14、第四探测器16组成的偏振相移干涉光电探测单元（以下简 称A)，形成四路相移90°的探测信号，进而通过数据采集和处理及控制单元由相移干涉术 (Optical Shop Testing[M]，John Wiley&Sons, 2007, Chapterl4, p547)计算出衍射光栅 1 的 位置对应的相位信息，最后换算成相应位移信息并予以输出。
[0034] 上述方案具有光学4细分特征，且热不灵敏。具有一定的抗转动（yaw)、滚动 (roll)、平移（stand off)、侧移（offset)的能力，但对于追求更高精度和分辨率而言，仍将 有限。
[0035] 为了更好地消除光栅尺所有运动误差的影响，采用如下方法：在透反镜4处泄露 一定量的S光，运用位敏探测器6进行光点位置实时探测；而在反射镜3处，将反射镜3由三 维PZT微位移器件5驱动。当衍射光栅尺1移动时，若存在运动误差，则将导致衍射光线移 动，劣化共光路特征，引起位敏探测器6上的光点移动。数据采集和处理及控制单元17 (以 下图中简称B)将该移动量反馈至反射镜3处的三维PZT微位移器件，动态驱动之，使引起 位敏探测器6上的光点回到共光路光点处（实际处理为小于与目标参考位置差值阈值，即 光点移动量阈值即可）。数据采集和处理及控制单元17同步采集上述的偏振相移干涉光电 探测单元的数据，计算相应光栅尺相对位移量，并在数据采集和处理及控制单元17输出端 输出。由此，可以保证获得一个自适应的动态共光路光栅干涉仪，消除光栅尺所有运动误 差的影响。因此可实现更高精度和分辨率。上述方案中，数据采集和处理及控制单元17由 数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组成。
[0036] 2、实施例2。如图2。
[0037] 与图1不同的是，分别采用两个位敏探测器6-1(即原图1中之6)和6-2,作为光 点移动位敏探测反馈。而分别采用两个三维PZT微位移器件驱动透反镜4和3(原图1中 反射镜3改为透反镜）进行自适应光路共光路控制。图中A为图1中的虚线框内的偏振相 移干涉光电探测单元，B则为图1中数据采集和处理及控制单元17。图中，PZT微位移器件 控制线未标出。
[0038] 3、实施例3。如图3。
[0039] 分别采用两个位敏探测器6-1 (即原图1中之6)和6-2作为光点移动位敏探测反 馈。透反镜4和透反镜3(原图1中反射镜3改为透反镜）固定不动。一个三维的PZT微 位移器件5驱动角锥棱镜2进行自适应光路共光路控制。图中A为图1中的虚线框内的偏 振相移干涉光电探测单元，B则为数据采集和处理及控制单元17。图中，PZT微位移器件控 制线未标出。
[0040] 4、实施例4。如图4。
[0041] 若采用双频正交偏振的激光器做光源，则相应的光电信号探测和处理采用双频外 差干涉术替代上述偏振相移干涉术。以图3为例作修改，其他上述案例皆可以此作相应改 变。
[0042] 双频正交偏振的激光器8发出线偏振光，由非偏振分束器18分成两束光，一束作 为参考光通过处正交偏振45度放置的检偏器19为探测器22接收；另一束经第一偏振分束 器7分成P光和S光，分别通过透反镜4和透反镜3 (原图1中反射镜3改为透反镜）入射 衍射光栅1，由衍射光栅尺1衍射后（设为±1级光）的两路衍射光方向与1衍射光栅垂 直，且经角锥棱镜2反射后，P光和S光分别进入各自对方光路（S光和P光），形成完全共 光路，再经第一偏振分束器7出射为正交的线偏光，通过处正交偏振45度放置的检偏器20 为探测器21接收。两路光电信号输入数据采集和处理及控制单元B，进而由双频外差干涉 术（Optical Shop Testing[M], John Wiley&Sons, 2007, Chapterl4，p640)计算出衍射光栅 尺1的位置对应的相位信息，最后换算成相应位移信息并输出。相应的自适应光路共光路 控制同案例3。图中，PZT微位移器件控制线未标出。由非偏振分束器18、第一偏振分束器 7、处正交偏振45度放置的第一检偏器19及对应的第五探测器22、处正交偏振45度放置的 第二检偏器20及对应的第六探测器21构成双频外差干涉光电探测单元。数据采集和处理 及控制单元B由数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组成。
[〇〇43] 上述案例中，光栅尺亦可以是透射型的；透射型使用时，角锥棱镜相对于反射型光 栅尺作镜像放置，反射型光栅尺亦由透射型光栅尺替代。
【权利要求】
1. 一种自适应共光路光栅干涉仪，包括：相对运动的光栅尺（1)、角锥棱镜（2)、反射镜 (3)、透反镜（4)、位敏探测器（6)、第一偏振分束器（7)、线偏振光源（8)、用于驱动上述镜子 的PZT微位移驱动器、数据采集和处理及控制单元、干涉光电探测单元，其特征在于： ① 线偏振光源（8)所发出偏振光束经第一偏振分束器（7)分为透射的S光和反射的P 光，所述的P光经所述的反射镜（3)反射后经相对运动光栅尺（1)衍射后的土m(m> = 1) 级衍射光入射角锥棱镜（2)，所述的S光经所述的透反镜（4)反射后经相对运动光栅尺（1) 衍射后的±m(m> = 1)级衍射光入射角锥棱镜（2)，所述的P光、S光经角锥棱镜（2)反射 输出分别进入对方光路，并产生分别为±2m倍多普勒频移，最终两束光路产生4m倍多普勒 频移差，并在所述的第一偏振分束器（7)处同方向正交偏振态出射，形成完全共光路，该完 全共光路入射所述的干涉光电探测单元，该干涉光电探测单元的输出端接所述的数据采集 和处理及控制单元的输入端， ② 所述的位敏探测器（6)在所述的透反镜（4)的反向透射光方向设置，探测光栅尺衍 射光线的光点变化，该位敏探测器￠)的输出端接所述的数据采集和处理及控制单元的输 入端，所述的数据采集和处理及控制单元的输出端接所述的PZT微位移驱动器的控制端， PZT微位移驱动器驱动反射镜或角锥棱镜以改变入射和出射光线的方位。
2. 根据权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的干涉光电探测 单元为偏振相移干涉光电探测单元或双频外差干涉光电探测单元。
3. 根据权利要求2所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的偏振相移干涉 光电探测单元由四分之一波片（9)、非偏振分束器（10)、第二偏振分束器（12)、第三偏振分 束器（15)及第一探测器（11)、第二探测器（13)、第三探测器（14)、第四探测器（16)组成。
4. 根据权利要求2所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的双频外差干涉 光电探测单兀由第一偏振分束器（7)、非偏振分束器（18)、处正交偏振45度放置的第一检 偏器（19)及对应的第五探测器（22)、处正交偏振45度放置的第二检偏器（20)及对应的第 六探测器（21)组成。
5. 根据权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的线偏振光源 是发光二极管、激光二极管、固体的光源或气体光源；单频的激光器或双频正交偏振的激光 器。
6. 根据权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的PZT微位移驱 动器亦可以由MEMS的或静电的，或是平面微电机替代。
7. 根据权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的光栅尺是普通 光栅尺或闪耀光栅尺，所述的光栅尺是反射型的光栅尺或是透射型的光栅尺。
8. 根据权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的位敏探测器为 PSD或是探测器阵列、或是(XD探测器、或是CMOS。
9. 根据权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的角锥棱镜或为 直角棱镜、或是反射镜拼装角镜。
10. 根据权利要求1至9任一项所述的自适应共光路光栅干涉仪，其特征在于所述的数 据采集和处理及控制单元由数据采集卡和运动控制卡及工业计算机组成。
11. 权利要求1所述的自适应共光路光栅干涉仪的自适应实现方法，其特征在于该方 法包括如下步骤： ① 初始化：静态调整好的光栅干涉仪至完全共光路状态，光栅尺（1)无运动，所述的数 据采集和处理及控制单元采集位敏探测器（6)上光栅尺（1)衍射光线的光点位置作为目标 参考位置，并设定与目标参考位置差的阈值； ② 工作时，所述数据采集和处理及控制单元采集位敏探测器（6)上光栅尺衍射光线的 光点位置，并计算该光点位置与所述的目标参考位置的差值；若该位置差值小于等于所设 定的阈值，则转入步骤④；若该位置差值大于所设定的阈值，则转入步骤③； ③ 所述的数据采集和处理及控制单元实时地将所述位置差值反馈至所述的PZT微位 移驱动器，驱动反射镜（3)或角锥棱镜（2)移动，将光点调至无运动时完全共光路情形的目 标参考位置，转入步骤②； ④ 所述的数据采集和处理及控制单元同步采集所述的干涉光电探测单元的数据，计算 相应光栅尺相对位移量，并在所述的数据采集和处理及控制单元输出端输出。
【文档编号】G01B9/02GK104048597SQ201410261633
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月13日 优先权日:2014年6月13日
【发明者】韦春龙, 周常河, 向显嵩, 卢炎聪 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所