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

(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

如上所述的光栅式位移测量系统，采用两块栅距相同的衍射光栅，光束垂直入射衍射光栅6后，其衍射光能经过衍射光栅7和8后垂直反射，通过选择衍射光栅栅距改变衍射角及衍射光栅之间位置，有利于光路调整与搭建。其中衍射光栅6需要的尺寸小，可以优先考虑其衍射效率指标减小其对非线性误差的影响。

如上所述的一种基于衍射光栅的光学读数头，半波片10其快轴方向与水平方向成45°，分光镜透射的P光与反射的S光经半波片后分别于波片快轴和慢轴上合束干涉形成光学拍频，经偏振分光镜11分离后分别由光电探测器12和 13采集其光学拍频信号作为测量信号I

如上所述的一种基于衍射光栅的的光学读数头，分光镜9能够让参考光 S光透射，经偏振分光镜5反射后与经偏振分光镜5透射的衍射光在偏振镜14 形成光学拍频后被光电探测器15采集其光学拍频信号作为测量信号I

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明利用光栅测量系统光路设计中光栅衍射原则，将衍射光栅6作为分光元件，设计了新的基于衍射光栅的光学干涉仪，入射衍射光栅7的±1级衍射光会叠加的多普勒频移相位反向，可以将莫尔条纹进行倍频，从而提高了系统的分辨力。

2.该系统能够同时获得三组不同类型的测量信号，互为反向或者空间相位相差π，能够实时测量与解算出周期非线性误差对测量相位进行补偿，从而获得精度更高的被测位移。

3.简化了光路布局，减少了光学元件，有利于光路的调试与安装，整个光路系统易于复现，有利于系统的集成化与小型化。

(四)附图说明

图1光栅干涉仪位移测量系统原理图。

其中：1-激光器；2-分光镜；3-偏振镜；4-光电探测器；5-偏振分光镜； 6-衍射光栅；7-衍射光栅；8-角反射镜；9-分光镜；10-半波片；11-偏振分光镜； 12-光电探测器；13-光电探测器；14-偏振镜；15-光电探测器；

(五)具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

一种基于衍射光栅的可补偿周期非线性误差的光学读数头，在激光器1 直射光路上配置分光镜2，分光镜2反射光路上依次配置偏振镜3和光电探测器 4，偏振镜3的偏振方向与水平方向成45°，分光镜透射光路上配置偏振分光镜 5，在偏振分光镜5的反射光路上配置角反射镜8，偏振分光镜5的透射光路上配置衍射光栅6，测量光经衍射光栅6衍射出±1级测量光，衍射光栅6和7互相平行放置且中线重合，-1级测量光反射光路上依次配置分光镜9、半波片10和偏振分光镜11，偏振分光镜11的透射和反射光路上分别配置光电探测电器12 和13，+1级测量光经衍射光栅7反射后透射出偏振分光镜5的光路上依次配置偏振镜14和光电探测器15，半波片10的快轴方向与水平方向成45°，偏振分光镜11的透光轴与水平方向成45°，偏振镜14的偏振方向与水平方向成45°。

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，激光器输出一束双频激光，两频率光偏振态水平竖直，平行光为P光，垂直光为S光，在激光束的直射光路上配置分光镜2，部分激光束经分光镜反射后入射与水平方向成45°的偏振镜两频率光形成光学拍频干涉，光学拍频信号由光电探测器4采集作为参考信号；另一部分经分光镜2透射后，垂直入射偏振分光镜5进行偏振态分离，P光透射进入测量臂成为测量光，S光反射进入参考臂成为参考光，P光垂直入射衍射光栅后衍射成为±1级测量光，-1级和+1级测量光入射衍射光栅7 后垂直反射，叠加由被测位移产生的频率相反的多普勒频移，-1级测量光透射过分光镜9后与依次经偏振分光镜5、角反射镜8以及分光镜9反射的参考光合束，然后光束依次经过半波片10和偏振分光镜11，经偏振分光镜11分离的光束分别偏振合束形成光学拍频干涉，由光电探测器12和13采集其光学拍频信号作为测量信号I

具体实施中，如上所述的光栅读数头，分光镜9能够让参考光S光透射，经偏振分光镜5反射后与经偏振分光镜5透射的衍射光在偏振镜14形成光学拍频后被光电探测器15采集其光学拍频信号作为测量信号I

具体实施中，光电探测器12、13和15所采集到的测量信号经处理单元处理后可得到其实际所测得的相位信息：

具体实施中，通过下式子即可得到光学二细分且消除周期非线性误差的高精度被测位移的相位信息：

具体实施中，所述衍射光栅6和7为平面透射式一维光栅，光栅栅距相同，从而保证测量光垂直入射衍射光栅6后，经衍射衍射光栅7后能够垂直反射，衍射光栅6需选择±1级衍射光的衍射效率高的，可以减小衍射光栅的衍射效率对周期性非线性误差的影响。

在实施过程中，需不断调整衍射光栅6和7，保证两衍射光栅之间的平行度，保证±1级测量光能够在入射衍射光栅7后垂直反射。