基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统

摘要

基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，包括光栅干涉仪、测量光栅、预处理单元和电子信号处理单元；光栅干涉仪包括激光管、偏振片、偏振分光棱镜、参考光栅、折光元件及四通道零差结构。该系统基于光栅衍射、光学多普勒和零差信号处理实现位移测量。光栅干涉仪输出光信号至预处理单元，转换为电信号至电子信号处理单元。当干涉仪与测量光栅做二自由度线性相对运动时，系统可输出两个线性位移。该测量系统采用二次衍射原理实现光学倍程，能够实现亚纳米甚至更高分辨率。采用零差信号处理，可消除直流分量和幅值变化带来的影响，具有对环境不敏感、测量精度高等优点，作为光刻机超精密工件台位移测量系统可提升工件台性能。

主权项

基于光学倍程法的二自由度零差光栅干涉仪位移测量系统，其特征在于：包括光栅干涉仪(1)、测量光栅(2)、两个预处理单元和电子信号处理单元(4)；光栅干涉仪(1)包括激光管(11)、第一偏振分光棱镜(12)、参考光栅(13)、第一折光元件(14)、第二折光元件(15)和两个四通道零差结构；其中第一折光元件由两个并行放置的直角透射棱镜组成并置于第一偏振分光棱镜(12)和参考光栅(13)之间，第二折光元件由两个对称放置的直角反射棱镜组成并置于第一偏振分光棱镜(12)和测量光栅(2)之间；激光管(11)出射激光通过偏振片后入射至第一偏振分光棱镜(12)，反射光为参考光，透射光为测量光，参考光入射至参考光栅(13)后产生两束衍射反射参考光，两束衍射反射参考光经第一折光元件(14)形成两束平行参考光，两束平行参考光回射至第一偏振分光棱镜(12)后反射至两个四通道零差结构；测量光入射至测量光栅(2)后产生两束衍射反射测量光，两束衍射反射测量光经第二折光元件后出射光分别与其入射光平行，且两束出射光第二次回射至测量光栅(2)后衍射反射形成两束平行测量光，两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜(12)后透射至两个四通道零差结构；利用这种设计使得光束两次打在光栅上，完成两次往返，实现光学倍程；最后两束平行测量光回射至第一偏振分光棱镜(12)并反射至两个四通道零差结构，两束平行参考光和两束平行测量光在出射第一偏振分光棱镜(12)后实现合光，其中一束参考光与一束测量光射入第一四通道零差结构(16a)，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第一预处理单元(3a)，另一束参考光与另一束测量光射入第二四通道零差结构(16b)，转换为两个正弦信号和两个余弦信号，并输出至第二预处理单元(3b)，最后分别在第一预处理单元(3a)和第二预处理单元(3b)中进行运算处理并输出两个电信号至电子信号处理单元(4)进行处理；当测量光栅(2)相对于光栅干涉仪(1)做两个自由度的线性运动时，电子信号处理单元(4)将输出二自由度线性位移；所述的每个四通道零差结构包括分光镜(161)、第一四分之一波片(162)、第二四分之一波片(164)、第三四分之一波片(165)、第二偏振分光棱镜(163)、第三偏振分光棱镜(166)和光电探测器(167)；参考光和测量光合光后进入四通道零差结构，首先经过分光镜(161)分为两束；其中反射光经过第一四分之一波片(162)后进入第二偏振分光棱镜(163)，再分为两束光，并分别射入两个光电探测器，最终输出两个正弦信号；透射光经过第二四分之一波片(164)和第三四分之一波片(165)后进入偏振分光棱镜(166)，再分为两束光分别射入两个光电探测器，最终输出两个余弦信号。