一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)涉及一種光柵位移測(cè)量系統(tǒng)；該測(cè)量系統(tǒng)包括單頻激光光源、分光部件、偏振分光棱鏡、測(cè)量臂四分之一波片、測(cè)量臂折光元件、參考臂四分之一波片、參考臂折光元件、二維反射式參考光柵、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件和二維反射式測(cè)量光柵；所述二維反射式測(cè)量光柵和二維反射式參考光柵表面形貌相同，二維反射式測(cè)量光柵和二維反射式參考光柵的x方向周期和y方向周期均為d；所述測(cè)量臂折光元件和參考臂折光元件的x方向折光角度和y方向折光角度均為θi，且滿足2dsinθi=±m(xù)λ；本發(fā)明不僅能夠同時(shí)測(cè)量沿x軸、y軸、z軸三個(gè)方向的直線位移，而且相比已有技術(shù)該系統(tǒng)的z向位移量程得到了極大的擴(kuò)展。
【專利說明】一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)涉及一種光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光柵位移測(cè)量技術(shù)最早起源于19世紀(jì)，從20世紀(jì)50年代開始得到了迅速的發(fā)展。目前，光柵位移測(cè)量系統(tǒng)已經(jīng)成為了一種典型的位移傳感器，并被廣泛應(yīng)用于眾多機(jī)電設(shè)備。光柵位移測(cè)量系統(tǒng)因具有分辨力高、精度高、成本低、環(huán)境敏感性低等眾多優(yōu)點(diǎn)，不僅在工業(yè)和科研領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，而且被眾多國內(nèi)外學(xué)者研究。
[0003]光刻機(jī)是生產(chǎn)半導(dǎo)體芯片的核心設(shè)備。超精密工件臺(tái)是光刻機(jī)的核心子系統(tǒng)，用于承載基片并完成裝片、曝光、換臺(tái)、卸片過程中的聞速超精S運(yùn)動(dòng)。超精S工件臺(tái)具有聞速度、高加速度、多自由度、大行程、超精密等特點(diǎn)。雙頻激光干涉儀因?yàn)橥瑫r(shí)具有高精度、大量程的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于超精密工件臺(tái)的位移測(cè)量。然而，近年來半導(dǎo)體芯片制造的工藝水平不斷提升:2010年，半導(dǎo)體芯片的加工已經(jīng)采用了 32nm線寬工藝；在2011年底，22nm線寬的CPU芯片也已上市銷售。不斷提高的半導(dǎo)體芯片加工水平對(duì)超精密工件臺(tái)位移測(cè)量的分辨力、精度等指標(biāo)都提出了更高的要求，雙頻激光干涉儀因其存在環(huán)境敏感性差、占用空間大、多自由度測(cè)量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴等問題難以滿足新的測(cè)量需求。
[0004]為了解決上述問題，國內(nèi)外超精密測(cè)量領(lǐng)域的有關(guān)公司及眾多學(xué)者都進(jìn)行了大量的研究，研究成果在諸多專利和論文中均有揭露。荷蘭ASML公司的專利US7，483，120B2(
【公開日】2007年11月15日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的平面光柵測(cè)量系統(tǒng)及布置方案，該測(cè)量系統(tǒng)主要利用二維平面光柵與讀數(shù)頭測(cè)量工件臺(tái)的水平大行程位移，工件臺(tái)豎直方向的位移可以通過單獨(dú)布置的高度傳感器進(jìn)行測(cè)量，但是使用多種傳感器會(huì)使超精密工件臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜并會(huì)限制位移的測(cè)量精度。日本學(xué)者Gao Wei在發(fā)表的論文“Asub-nanometric three-axis surface encoder with short-period planar gratings forstage motion measurement.Precision Engineering36 (2012) 576-585.，，中提出了一種基于衍射干涉原理的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)量X、1、Z三個(gè)方向的直線位移，但是該系統(tǒng)在測(cè)量z方向的直線位移時(shí)會(huì)導(dǎo)致測(cè)量光與參考光的干涉區(qū)域變小，因此系統(tǒng)的z方向直線位移的量程受限于光束直徑的大小，無法實(shí)現(xiàn)z方向大行程直線位移的測(cè)量。清華大學(xué)朱煜等人的專利CN102937411A (
【公開日】2013年2月20日)中公開了一種雙頻光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，可以同時(shí)測(cè)量水平和豎直兩個(gè)方向的直線位移，而且使用了雙頻激光作為光源以提高信號(hào)的抗干擾能力，但是該系統(tǒng)的豎直方向直線位移的量程同樣受限于光束直徑的大小，仍然無法實(shí)現(xiàn)豎直方向大行程直線位移的測(cè)量，而且該系統(tǒng)使用一維二維反射式測(cè)量光柵僅能測(cè)量兩個(gè)方向的直線位移。國立臺(tái)灣大學(xué)Fan Kuang-Chao等人在發(fā)表的論文“Displacement Measurement of Planar Stage by Diffraction Planar Encoderin Nanometer Resolution.12MTC(2012)894-897.”中研制了一種納米量級(jí)分辨力的二維平面光柵位移測(cè)量裝置，可以測(cè)量兩個(gè)水平方向的直線位移，但是無法測(cè)量豎直方向的直線位移，也不能滿足超精密工件臺(tái)豎直方向的位移測(cè)量要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)不僅能夠同時(shí)測(cè)量沿X軸、y軸、Z軸三個(gè)方向的直線位移，而且相比已有技術(shù)該系統(tǒng)的z向位移量程得到了極大的擴(kuò)展。
[0006]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，包括單頻激光光源、分光部件、偏振分光棱鏡、測(cè)量臂四分之一波片、測(cè)量臂折光元件、參考臂四分之一波片、參考臂折光元件、二維反射式參考光柵、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件和二維反射式測(cè)量光柵；
[0008]所述二維反射式測(cè)量光柵和二維反射式參考光柵表面形貌相同，二維反射式測(cè)量光柵的X方向周期和I方向周期均為d ;二維反射式參考光柵的X方向周期和I方向周期均為d ;所述測(cè)量臂折光元件的X方向折光角度和y方向折光角度均為Θ i，參考臂折光元件的X方向折光角度和y方向折光角度均為Θ i，且滿足2dsin Θ，式中λ為單頻激光光源的波長、m為衍射級(jí)次；
[0009]所述單頻激光光源射出的單頻激光經(jīng)過分光部件分成四束光強(qiáng)相等的平行光，其中兩束光的傳播方向與xoy平面平行、另兩束光的傳播方向與xoz平面平行，這四束平行光經(jīng)過偏振分光棱鏡后分為傳播方向偏轉(zhuǎn)90度的測(cè)量光和沿原方向傳播的參考光,測(cè)量光的偏振方向與參考光的偏振方向垂直；
[0010]測(cè)量光的四束平行光經(jīng)過快軸方向與測(cè)量光偏振方向呈45度的測(cè)量臂四分之一波片后，均被測(cè)量臂折光元件偏折，偏折后的四束測(cè)量光中兩束光的傳播方向平行于yoz平面、另兩束光的傳播方向平行于xoz平面，傳播方向平行于yoz平面的兩束測(cè)量光入射至二維反射式測(cè)量光柵并分別被衍射為I方向的+m級(jí)衍射測(cè)量光和_m級(jí)衍射測(cè)量光，傳播方向平行于xoz平面的兩束測(cè)量光入射至二維反射式測(cè)量光柵并分別被衍射為X方向的+m級(jí)衍射測(cè)量光和I級(jí)衍射測(cè)量光，四束衍射測(cè)量光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，并再次經(jīng)過測(cè)量臂折光元件、測(cè)量臂四分之一波片和偏振分光棱鏡后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；
[0011]參考光的四束平行光經(jīng)過快軸方向與參考光偏振方向呈45度的參考臂四分之一波片后，均被參考臂折光元件偏折，偏折后的四束參考光中兩束光的傳播方向平行于xoy平面、另兩束光的傳播方向平行于xoz平面，傳播方向平行于xoy平面的兩束參考光入射至二維反射式參考光柵并分別被衍射為I方向的+m級(jí)衍射參考光和-m級(jí)衍射參考光,傳播方向平行于xoz平面的兩束參考光入射至二維反射式參考光柵并分別被衍射為X方向的+m級(jí)衍射參考光和-m級(jí)衍射參考光，四束衍射參考光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，并再次經(jīng)過參考臂折光元件、參考臂四分之一波片和偏振分光棱鏡后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；
[0012]X方向的兩束衍射測(cè)量光和X方向的兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成兩組干涉，y方向的兩束衍射測(cè)量光和y方向的兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面形成另兩組干涉；當(dāng)其他元件不動(dòng)、二維反射式測(cè)量光柵沿X軸、y軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)及信號(hào)處理部件分別輸出X方向、y方向和z方向的直線位移。[0013]上述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，所述單頻激光光源是半導(dǎo)體激光二極管或出射端接光纖的氣體激光器。
[0014]上述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，所述分光部件為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種:
[0015]第一,所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、第一非偏振分光棱鏡、第二非偏振分光棱鏡、第一直角反射棱鏡、第三非偏振分光棱鏡、第二直角反射棱鏡組成，單頻激光光源發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至第一非偏振分光棱鏡被分成光強(qiáng)相等、傳播方向互相垂直的兩束光，其中一束光沿z方向入射至第二非偏振分光棱鏡被分成光強(qiáng)相等的透射光和傳播方向沿X方向的反射光、透射光被第一直角反射棱鏡反射沿X方向傳播，另一束光沿X方向傳播入射至第三非偏振分光棱鏡被分成光強(qiáng)相等的透射光和傳播方向沿-y方向的反射光、反射光被第二直角反射棱鏡反射沿X方向傳播；
[0016]第二，所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、二維透射光柵、反射鏡、孔徑光闌組成，所述二維透射光柵X方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵并被衍射，X方向和I方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)反射鏡偏折并通過孔徑光闌形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌過濾；
[0017]第三，所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、二維透射光柵、透鏡、孔徑光闌組成，所述二維透射光柵X方向和I方向的光柵周期相等，單頻激光光源發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵并被衍射，X方向和y方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)透鏡偏折并通過孔徑光闌形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌過濾；
[0018]第四，所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡、二維透射光柵、棱鏡、孔徑光闌組成，所述二維透射光柵X方向和I方向的光柵周期相等，單頻激光光源發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵并被衍射，X方向和y方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)棱鏡偏折并通過孔徑光闌形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌過濾。
[0019]上述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，所述測(cè)量臂折光元件為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種:
[0020]第一，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和折光反射鏡，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和折光反射鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和折光反射鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0021]第二，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和折光棱鏡，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和折光棱鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和折光棱鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0022]第三，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和第一折光透鏡，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和第一折光透鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和第一折光透鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射；
[0023]第四，所述測(cè)量臂折光元件包括光闌和第二折光透鏡，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和第二折光透鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌和第二折光透鏡后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵發(fā)生衍射。
[0024]所述參考臂折光元件為測(cè)量臂折光元件采用的四種結(jié)構(gòu)中的一種。
[0025]本發(fā)明的有益效果說明如下:
[0026]該測(cè)量系統(tǒng)使用了滿足2dsin Θ條件的二維反射式測(cè)量光柵、二維反射式參考光柵、測(cè)量臂折光元件、參考臂折光元件及單頻激光光源，保證了四束衍射測(cè)量光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，因此在二維反射式測(cè)量光柵相對(duì)測(cè)量臂折光元件沿z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，四束衍射測(cè)量光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面的光斑位置不變，又因?yàn)橄到y(tǒng)在測(cè)量時(shí)除二維反射式測(cè)量光柵外其他元件的相對(duì)位置始終不變，因此四束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面的光斑位置始終不變，所以在二維反射式測(cè)量光柵相對(duì)測(cè)量臂折光元件沿Z軸運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電探測(cè)及信號(hào)處理部件表面的四組干涉光斑的干涉區(qū)域不變，系統(tǒng)的Z向位移量程不再受限于光斑直徑的大小，而是取決于光源的相干長度，本發(fā)明的光源為單頻激光光源，單頻激光光源的相干長度一般在厘米量級(jí)以上，可以達(dá)到米量級(jí)甚至千米量級(jí)，因此本發(fā)明的Z向位移量程可以擴(kuò)展到米量級(jí)甚至千米量級(jí)，已有技術(shù)中日本學(xué)者Gao Wei所研制的測(cè)量裝置是唯一能夠使用單一測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)三維位移測(cè)量的裝置，但其z向位移量程也僅達(dá)到4_，因此本發(fā)明具有的顯著有益效果為不僅提出了一種可以同時(shí)測(cè)量三維位移的光柵測(cè)量系統(tǒng)，并且該系統(tǒng)的z向位移量程相比已有技術(shù)得到了極大的擴(kuò)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1為本發(fā)明的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖2為本發(fā)明分光部件的第一種結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖3為本發(fā)明分光部件的第二種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0030]圖4為本發(fā)明分光部件的第三種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0031]圖5為本發(fā)明分光部件的第四種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0032]圖6為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第一種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0033]圖7為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第二種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0034]圖8為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第三種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0035]圖9為本發(fā)明測(cè)量臂折光元件的第四種結(jié)構(gòu)的xoz方向剖面圖。
[0036]圖中:1單頻激光光源；2分光部件；21準(zhǔn)直透鏡；22第一非偏振分光棱鏡；23第二非偏振分光棱鏡；24第一直角反射棱鏡；25第三非偏振分光棱鏡；26第二直角反射棱鏡；27 二維透射光柵；281反射鏡；282透鏡；283棱鏡；29孔徑光闌；31偏振分光棱鏡；32測(cè)量臂四分之一波片；33測(cè)量臂折光元件；331光闌；332折光反射鏡；333折光棱鏡；334第一折光透鏡；335第二折光透鏡；34參考臂四分之一波片；35參考臂折光元件；36 二維反射式參考光柵；4光電探測(cè)及信號(hào)處理部件；5 二維反射式測(cè)量光柵。
【具體實(shí)施方式】
[0037]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0038]具體實(shí)施例一[0039]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該測(cè)量系統(tǒng)包括單頻激光光源1、分光部件2、偏振分光棱鏡31、測(cè)量臂四分之一波片32、測(cè)量臂折光兀件33、參考臂四分之一波片34、參考臂折光兀件35、二維反射式參考光柵36、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4和二維反射式測(cè)量光柵5 ；
[0040]所述二維反射式測(cè)量光柵5和二維反射式參考光柵36表面形貌相同，二維反射式測(cè)量光柵5的X方向周期和y方向周期均為d ;二維反射式參考光柵36的x方向周期和y方向周期均為d ;所述測(cè)量臂折光元件33的X方向折光角度和y方向折光角度均為Θ i，參考臂折光元件35的X方向折光角度和y方向折光角度均為Θ i，且滿足2dsin Θ i=±m(xù) λ，式中入為單頻激光光源I的波長、m為衍射級(jí)次；
[0041]所述單頻激光光源I射出的單頻激光經(jīng)過分光部件2分成四束光強(qiáng)相等的平行光，其中兩束光的傳播方向與xoy平面平行、另兩束光的傳播方向與xoz平面平行，這四束平行光經(jīng)過偏振分光棱鏡31后分為傳播方向偏轉(zhuǎn)90度的測(cè)量光和沿原方向傳播的參考光，測(cè)量光的偏振方向與參考光的偏振方向垂直；
[0042]測(cè)量光的四束平行光經(jīng)過快軸方向與測(cè)量光偏振方向呈45度的測(cè)量臂四分之一波片32后，均被測(cè)量臂折光元件33偏折，偏折后的四束測(cè)量光中兩束光的傳播方向平行于yoz平面、另兩束光的傳播方向平行于xoz平面，傳播方向平行于yoz平面的兩束測(cè)量光入射至二維反射式測(cè)量光柵5并分別被衍射為y方向的+m級(jí)衍射測(cè)量光和_m級(jí)衍射測(cè)量光，傳播方向平行于xoz平面的兩束測(cè)量光入射至二維反射式測(cè)量光柵5并分別被衍射為X方向的+m級(jí)衍射測(cè)量光和-m級(jí)衍射測(cè)量光，四束衍射測(cè)量光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，并再次經(jīng)過測(cè)量臂折光元件33、測(cè)量臂四分之一波片32和偏振分光棱鏡31后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4 ;
[0043]參考光的四束平行光經(jīng)過快軸方向與參考光偏振方向呈45度的參考臂四分之一波片34后,均被參考臂折光兀件35偏折,偏折后的四束參考光中兩束光的傳播方向平行于xoy平面、另兩束光的傳播方向平行于xoz平面，傳播方向平行于xoy平面的兩束參考光入射至二維反射式參考光柵36并分別被衍射為y方向的+m級(jí)衍射參考光和_m級(jí)衍射參考光，傳播方向平行于xoz平面的兩束參考光入射至二維反射式參考光柵36并分別被衍射為X方向的+m級(jí)衍射參考光和-m級(jí)衍射參考光，四束衍射參考光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，并再次經(jīng)過參考臂折光兀件35、參考臂四分之一波片34和偏振分光棱鏡31后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4 ;
[0044]X方向的兩束衍射測(cè)量光和X方向的兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4表面形成兩組干涉，y方向的兩束衍射測(cè)量光和I方向的兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4表面形成另兩組干涉；當(dāng)其他元件不動(dòng)、二維反射式測(cè)量光柵5沿X軸、y軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí),光電探測(cè)及信號(hào)處理部件4分別輸出X方向、y方向和z方向的直線位移。
[0045]上述可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，所述單頻激光光源I是半導(dǎo)體激光二極管。
[0046]具體實(shí)施例二
[0047]本實(shí)施例與具體實(shí)施例一的不同在于，所述單頻激光光源I是出射端接光纖的氣體激光器。
[0048]具體實(shí)施例三[0049]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的立體具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該分光部件2由準(zhǔn)直透鏡21、第一非偏振分光棱鏡22、第二非偏振分光棱鏡23、第一直角反射棱鏡24、第三非偏振分光棱鏡25、第二直角反射棱鏡26組成，單頻激光光源I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡21準(zhǔn)直后入射至第一非偏振分光棱鏡22被分成光強(qiáng)相等、傳播方向互相垂直的兩束光,其中一束光沿z方向入射至第二非偏振分光棱鏡23被分成光強(qiáng)相等的透射光和傳播方向沿X方向的反射光、透射光被第一直角反射棱鏡24反射沿X方向傳播，另一束光沿X方向傳播入射至第三非偏振分光棱鏡25被分成光強(qiáng)相等的透射光和傳播方向沿_y方向的反射光、反射光被第二直角反射棱鏡26反射沿X方向傳播。
[0050]具體實(shí)施例四
[0051]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的xoz方向剖面圖如圖3所示。該分光部件由準(zhǔn)直透鏡21、二維透射光柵27、反射鏡281、孔徑光闌29組成，所述二維透射光柵27x方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵27并被衍射，X方向和I方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)反射鏡281偏折并通過孔徑光闌29形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌29過濾。
[0052]具體實(shí)施例五
[0053]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的xoz方向剖面圖如圖4所示。該分光部件由準(zhǔn)直透鏡21、二維透射光柵27、透鏡282、孔徑光闌29組成，所述二維透射光柵27x方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵27并被衍射，X方向和I方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)透鏡282偏折并通過孔徑光闌29形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌29過濾。
[0054]具體實(shí)施例六
[0055]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，分光部件2的xoz方向剖面圖如圖5所示。該分光部件由準(zhǔn)直透鏡21、二維透射光柵27、棱鏡282、孔徑光闌29組成，所述二維透射光柵27x方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源I發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵27并被衍射，X方向和I方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)棱鏡282偏折并通過孔徑光闌29形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌29過濾。
[0056]具體實(shí)施例七
[0057]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的xoz方向剖面圖如圖6所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和折光反射鏡332，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和折光反射鏡332后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和折光反射鏡332后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0058]具體實(shí)施例八
[0059]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的xoz方向剖面圖如圖7所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和折光棱鏡333，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和折光棱鏡333后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和折光棱鏡333后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0060]具體實(shí)施例九
[0061]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的xoz方向剖面圖如圖8所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和第一折光透鏡334，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和第一折光透鏡334后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和第一折光透鏡334后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0062]具體實(shí)施例十
[0063]本實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，與具體實(shí)施例一的整體結(jié)構(gòu)相同。其中，測(cè)量臂折光元件33的xoz方向剖面圖如圖9所示。該測(cè)量臂折光元件33包括光闌331和第二折光透鏡334，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和第二折光透鏡334后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌331和第二折光透鏡334后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵5發(fā)生衍射。
[0064]以上實(shí)施例的可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，參考臂折光元件35為具體實(shí)施例七、具體實(shí)施例八、具體實(shí)施例九、具體實(shí)施例十所述的測(cè)量臂折光元件33結(jié)構(gòu)中的一種。
[0065]本發(fā)明不局限于上述最佳實(shí)施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化或方法改進(jìn)，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:包括單頻激光光源(I)、分光部件(2)、偏振分光棱鏡(31)、測(cè)量臂四分之一波片(32)、測(cè)量臂折光元件(33)、參考臂四分之一波片(34)、參考臂折光元件(35)、二維反射式參考光柵(36)、光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)和二維反射式測(cè)量光柵(5)； 所述二維反射式測(cè)量光柵(5)和二維反射式參考光柵(36)表面形貌相同，二維反射式測(cè)量光柵(5)的X方向周期和y方向周期均為d ;二維反射式參考光柵(36)的x方向周期和y方向周期均為d ;所述測(cè)量臂折光元件(33)的X方向折光角度和y方向折光角度均為Qi，參考臂折光元件(35)的X方向折光角度和y方向折光角度均為Qi，且滿足2dsin Θ，式中λ為單頻激光光源(I)的波長、m為衍射級(jí)次； 所述單頻激光光源(I)射出的單頻激光經(jīng)過分光部件(2)分成四束光強(qiáng)相等的平行光，其中兩束光的傳播方向與xoy平面平行、另兩束光的傳播方向與xoz平面平行，這四束平行光經(jīng)過偏振分光棱鏡(31)后分為傳播方向偏轉(zhuǎn)90度的測(cè)量光和沿原方向傳播的參考光，測(cè)量光的偏振方向與參考光的偏振方向垂直； 測(cè)量光的四束平行光經(jīng)過快軸方向與測(cè)量光偏振方向呈45度的測(cè)量臂四分之一波片(32)后，均被測(cè)量臂折光元件(33)偏折，偏折后的四束測(cè)量光中兩束光的傳播方向平行于yoz平面、另兩束光的傳播方向平行于xoz平面，傳播方向平行于yoz平面的兩束測(cè)量光入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)并分別被衍射為y方向的+m級(jí)衍射測(cè)量光和_m級(jí)衍射測(cè)量光，傳播方向平行于xoz平面的兩束測(cè)量光入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)并分別被衍射為X方向的+m級(jí)衍射測(cè)量光和-m級(jí)衍射測(cè)量光，四束衍射測(cè)量光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，并再次經(jīng)過測(cè)量臂折光元件(33)、測(cè)量臂四分之一波片(32)和偏振分光棱鏡(31)后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4 ); 參考光的四束平行光經(jīng)過快軸方向與參考光偏振方向呈45度的參考臂四分之一波片(34)后，均被參考臂折光元件(35)偏折，偏折后的四束參考光中兩束光的傳播方向平行于xoy平面、另兩束光的傳播方向平行于xoz平面，傳播方向平行于xoy平面的兩束參考光入射至二維反射式參考光柵(36)并分別被衍射為I方向的+m級(jí)衍射參考光和-m級(jí)衍射參考光，傳播方向平行于xoz平面的兩束參考光入射至二維反射式參考光柵(36)并分別被衍射為X方向的+m級(jí)衍射參考光和-m級(jí)衍射參考光，四束衍射參考光分別沿各自入射光傳播方向的反方向傳播，并再次經(jīng)過參考臂折光元件(35)、參考臂四分之一波片(34)和偏振分光棱鏡(31)后，入射至光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4 ); X方向的兩束衍射測(cè)量光和X方向的兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)表面形成兩組干涉，y方向的兩束衍射測(cè)量光和y方向的兩束衍射參考光在光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)表面形成另兩組干涉；當(dāng)其他元件不動(dòng)、二維反射式測(cè)量光柵(5)沿X軸、y軸和z軸運(yùn)動(dòng)時(shí),光電探測(cè)及信號(hào)處理部件(4)分別輸出X方向、y方向和z方向的直線位移。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述單頻激光光源(I)是半導(dǎo)體激光二極管或出射端接光纖的氣體激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述分光部件(2)為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種: 第一，所述分光部件(2)由準(zhǔn)直透鏡(21)、第一非偏振分光棱鏡(22)、第二非偏振分光棱鏡(23)、第一直角反射棱鏡(24)、第三非偏振分光棱鏡(25)、第二直角反射棱鏡(26)組成，單頻激光光源(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(21)準(zhǔn)直后入射至第一非偏振分光棱鏡(22)被分成光強(qiáng)相等、傳播方向互相垂直的兩束光,其中一束光沿z方向入射至第二非偏振分光棱鏡(23)被分成光強(qiáng)相等的透射光和傳播方向沿X方向的反射光、透射光被第一直角反射棱鏡(24)反射沿X方向傳播,另一束光沿X方向傳播入射至第三非偏振分光棱鏡(25)被分成光強(qiáng)相等的透射光和傳播方向沿_y方向的反射光、反射光被第二直角反射棱鏡(26)反射沿X方向傳播； 第二，所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡(21)、二維透射光柵(27)、反射鏡(281)、孔徑光闌(29)組成，所述二維透射光柵(27) X方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(2)準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵(27)并被衍射，X方向和I方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)反射鏡(281)偏折并通過孔徑光闌(29)形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌(29)過濾； 第三，所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡(21)、二維透射光柵(27)、透鏡(282)、孔徑光闌(29)組成，所述二維透射光柵(27)x方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(2)準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵(27)并被衍射，X方向和y方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)透鏡(282)偏折并通過孔徑光闌(29)形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌(29)過濾； 第四，所述分光部件由準(zhǔn)直透鏡(21)、二維透射光柵(27)、棱鏡(282)、孔徑光闌(29)組成，所述二維透射光柵(27) X方向和y方向的光柵周期相等，單頻激光光源(I)發(fā)射的激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(2)準(zhǔn)直后入射至二維透射光柵(27)并被衍射，X方向和y方向的±1級(jí)衍射光經(jīng)棱鏡(282)偏折并通過孔徑光闌(29)形成四束光強(qiáng)相等的平行出射光，其他級(jí)次的衍射光被孔徑光闌(29)過濾。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述測(cè)量臂折光元件(33)為以下四種結(jié)構(gòu)中的一種: 第一，所述測(cè)量臂折光元件(33)包括光闌(331)和折光反射鏡(332)，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和折光反射鏡(332)后傳播方向分別被偏折± Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和折光反射鏡(332)后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射； 第二，所述測(cè)量臂折光元件(33)包括光闌(331)和折光棱鏡(333)，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和折光棱鏡(333)后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和折光棱鏡(333)后傳播方向分別被偏折± Qi并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射； 第三，所述測(cè)量臂折光元件(33)包括光闌(331)和第一折光透鏡(334)，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和第一折光透鏡(334)后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和第一折光透鏡(334)后傳播方向分別被偏折± Qi并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射；第四，所述測(cè)量臂折光元件(33)包括光闌(331)和第二折光透鏡(334)，所述傳播方向平行于yoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和第二折光透鏡(334)后傳播方向分別被偏折土 Θ i并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射，所述傳播方向平行于xoz平面的兩束平行測(cè)量光經(jīng)過光闌(331)和第二折光透鏡(334)后傳播方向分別被偏折± Qi并入射至二維反射式測(cè)量光柵(5)發(fā)生衍射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種可測(cè)豎直位移的三維光柵位移測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于:所述參考臂折光元件(35)為測(cè)量 臂折光元件(33)采用的四種結(jié)構(gòu)中的一種。
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK103644849SQ201310675316
【公開日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】林杰, 關(guān)健, 金鵬, 譚久彬 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)