一种利用光栅测量的位移测量系统的制作方法
【专利摘要】一种利用光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器、凸透镜、折光元件、光栅、光电转换器和电子信号处理部件；该测量系统基于光栅衍射、光学多普勒效应和光学拍频原理实现位移测量，位移测量功能不受读取距离的限制，可灵活安装和应用到多种需要测量位移的场合之中。当光栅相对激光器做三自由度平动时，测量系统能够始终输出所需测量方向的位移信息，不受另两个方向运动的影响。该测量系统安装灵活，调整方便，对环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高。本发明可以为光刻机超精密工件台进行位置位移测量，提升工件台综合性能，也可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量。
【专利说明】-种利用光栅测量的位移测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种利用光栅测量的位移测量系统，尤其涉及一种可适应不同读取距 离的光栅位移测量系统。
【背景技术】
[0002] 光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备之中。光栅测 量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于衍射干涉原理的光栅测量 系统作为一种典型的位移传感器W其测量分辨率高、精度高、成本低等众多优点成为众多 机电设备位移测量的首选。
[0003] 在半导体制造装备中，光刻机是半导体芯片制作中的关键设备，而超精密工件台 则是光刻机的核也子系统，用于承载掩模板和娃片完成高速超精密步进扫描运动。超精密 工件台W其大行程、超精密、多自由度运动等特点成为超精密运动系统中最具代表性的一 类系统。传统光栅测量系统的测量装置必须时刻贴近光栅，对位置有着十分苛刻的要求，应 用在超精密工件台的多自由度测量之中，不仅安装不便，调整困难，其位置的局限性还一定 程度上限制了工件台运动距离、运动精度等指标的进一步提升。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提出一种利用光栅测量的位移测量系统，使其位移测量功能不受 测量装置与光栅之间距离的限制，从而实现在不同距离下的位移测量功能，同时光栅相对 于测量装置的距离的变化不会影响到测量结果。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] 一种利用光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器、光栅、光电转换器和电子 信号处理部件，其特征在于，所述系统还包括凸透镜和折光元件，该折光元件为棱柱体；所 述的凸透镜的中也位于激光器的激光光轴上，所述的折光元件截面相对于激光光轴对称； 所述的激光器产生的激光垂直入射到光栅上；光栅产生的正负级衍射光经过折光元件后， 折射并形成与激光光轴平行的两束光，然后经凸透镜汇聚到光电转换器上形成干涉信号， 该干涉信号经光电转换器转换成电信号后进入电子信号处理部件之中。
[0007] 优选地，所述激光器位于凸透镜与光电转换器之间，激光器发出的激光依次先经 过凸透镜折光元件后垂直入射到光栅上。
[0008] 优选地，所述的折光元件采用H角棱镜，其截面为等腰H角形；或采用梯形棱镜， 其截面为等腰梯形，或采用反射镜组。
[0009] 本发明具有W下优点及突出性的技术效果：测量系统基于光栅衍射、光学多普勒 效应和光学拍频原理实现位移测量，位移测量功能不受光栅与测量装置的距离的限制，可 灵活安装和应用到各种需要测量位移的场合当中。当光栅相对测量装置做H自由度平动 时，测量系统能够始终输出所需测量方向的位移信息，不受另两个方向平动的影响。该测量 系统安装灵活，调整方便，对环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米 甚至更高。该测量系统可W为光刻机超精密工件台进行位置的测量，提升工件台综合性能， 也可应用于精密机床、H坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测 量。
【专利附图】
【附图说明】
[0010] 图1为本发明的第一种实施例的结构原理示意图。
[0011] 图2为本发明的第一种实施例的H维结构示意图。
[0012] 图3为本发明的第二种实施例的结构原理示意图。
[0013] 图4为本发明的第H种实施例的结构原理示意图。
[0014] 图5为本发明的第四种实施例的结构原理示意图。
[0015] 图6为本发明的第五种实施例的结构原理示意图。
[0016] 图7为本发明的第六种实施例的结构原理示意图。
[0017] 图8为本发明的测量装置工作原理示意图。
[001引图中，1-激光器，2-凸透镜，3-光栅，4一光电转换器，5-电子信号处理部件， 6a-立角棱镜，6b-梯形棱镜，6c-反射镜组，7-待测物体。
【具体实施方式】
[0019] 本发明为一种利用光栅测量的位移测量系统，包括激光器1、凸透镜2、折光元件、 光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。
[0020] 下面结合附图及实施例对本发明的【具体实施方式】作进一步的详细描述。
[0021] 请参考图1、图2,图1为本发明第一种实施例的结构原理示意图，也是本发明优选 的实施例。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、H角棱镜6a、光栅3、光电转换器 4、电子信号处理部件5。图2为本发明的第一种实施例的H维结构示意图。
[0022] 本实施例中，激光器1位于凸透镜2和光电转换器4之间；凸透镜2的中也位于激 光器1产生激光的光轴上，所述的折光元件为H角棱镜6a，其截面为等腰H角形且相对于 激光光轴对称；H角棱镜6a的底面与光栅平面平行，其顶角指向光栅3。
[0023] 下面介绍本实施例的工作原理。所述的激光器1产生的激光经过凸透镜2和折光 元件的中也后垂直入射到光栅3上；光栅3产生的正负级衍射光经过折光元件后，折射并形 成与凸透镜2光轴平行的两束光，然后经凸透镜2汇聚到光电转换器4上形成干涉信号，该 干涉信号经光电转换器4转换成电信号后进入电子信号处理部件5之中，用于解调光栅运 动的位移信息。
[0024] 根据图1所示的笛卡尔坐标方向，当所述的光栅3相对于测量装置做Y方向的运 动时，电子信号处理部件5将输出振幅稳定的交流信号，通过对信号进行计数W及进一步 的相位解调，便可W解算出光栅3在Y方向上的运动位移信息；当所述的光栅3相对于测量 装置做X方向的运动时，激光接触光栅的衍射点随光栅移动，其正负一级衍射光的方向不 变但衍射位置发生了平移，所述的正负一级衍射光依然经过H角棱镜6a的上下表面，折射 并形成与凸透镜2光轴平行的两束光，经凸透镜2汇聚到光电转换器4上形成干涉信号，该 干涉信号经光电转换器4转换成电信号后进入电子信号处理部件5之中，由于正负一级衍 射光光程同时改变且改变量相同，干涉信号反映的相位差信息不会受到影响，即测量装置 输出的Y向位移测量结果不会受到光栅X方向位移的影响；当所述的光栅3相对于测量装 置做Z方向的运动时，该方向为光栅刻线方向，即衍射光不会发生多普勒频移，测量装置输 出的Y向位移测量结果不会受到光栅Z方向位移的影响。
[00巧]当所述的光栅3相对于测量装置做Y方向的运动时，设电子信号处理部件5中接 收到的交流信号极值点计数为N，交流信号振幅为U，最终位置信号电压为U。，光栅栅距为 d，则光栅3相对于测量装置做X方向的运动的距离为：
【权利要求】
1. 一种利用光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器（1)、光栅（3)、光电转换器 (4)和电子信号处理部件（5)，其特征在于，所述系统还包括凸透镜（2)和折光元件，该折光 元件为棱柱体；所述的凸透镜（2)的中心位于激光器（1)的激光光轴上，所述折光元件的 截面相对于激光光轴对称；激光器（1)产生的激光垂直入射到光栅（3)上；光栅（3)产生 的正负级衍射光经过折光元件后，折射并形成与激光光轴平行的两束光，然后经凸透镜（2) 汇聚到光电转换器（4)上形成干涉信号，该干涉信号经光电转换器（4)转换成电信号后输 入到电子信号处理部件（5)之中。
2. 根据权利要求1所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：激光器（1) 位于凸透镜（2)与光电转换器（4)之间，激光器（1)发出的激光依次经过凸透镜（2)、折光 元件后垂直入射到光栅（3)上。
3. 根据权利要求1或2所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：所述 的折光元件采用三角棱镜^a)，其截面为等腰三角形。
4. 根据权利要求1或2所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：所述 的折光元件采用梯形棱镜^b)，其截面为等腰梯形。
5. 根据权利要求1或2所述的一种利用光栅测量的位移测量系统，其特征在于：所述 的折光元件采用反射镜组（6c)。
【文档编号】G01B11/02GK104359411SQ201410720157
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月1日 优先权日:2014年12月1日
【发明者】朱煜, 张鸣, 崔健彰, 王磊杰, 叶伟楠, 杨开明, 胡金春, 徐登峰, 成荣, 张利, 赵彦坡, 胡清平, 尹文生, 穆海华 申请人:清华大学, 北京华卓精科科技有限公司