本發(fā)明涉及一種基于光學(xué)倍程法的二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，特別涉及一種用于光刻機(jī)工件臺(tái)位移測(cè)量的二自由度外差光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：
光柵測(cè)量系統(tǒng)作為一種典型的位移傳感器廣泛應(yīng)用于眾多機(jī)電設(shè)備。光柵測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理主要基于莫爾條紋原理和衍射干涉原理?；谀獱枟l紋原理的光柵測(cè)量系統(tǒng)作為一種發(fā)展成熟的位移傳感器以其測(cè)距長(zhǎng)、成本低、易于裝調(diào)等眾多優(yōu)點(diǎn)成為眾多機(jī)電設(shè)備位移測(cè)量的首選，但精度通常在微米量級(jí)，常見于一般工業(yè)應(yīng)用。半導(dǎo)體制造裝備中的光刻機(jī)是半導(dǎo)體芯片制作中的關(guān)鍵設(shè)備。超精密工件臺(tái)是光刻機(jī)的核心子系統(tǒng)，用于承載掩模板和硅片完成高速超精密步進(jìn)掃描運(yùn)動(dòng)。超精密工件臺(tái)以其高速、高加速、大行程、超精密、多自由度等運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)成為超精密運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中最具代表性的一類系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動(dòng)，超精密工件臺(tái)通常采用雙頻激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量超精密工件臺(tái)多自由度位移。然而隨著測(cè)量精度、測(cè)量距離、測(cè)量速度等運(yùn)動(dòng)指標(biāo)的不斷提高，雙頻激光干涉儀以環(huán)境敏感性、測(cè)量速度難以提高、占用空間大、價(jià)格昂貴、測(cè)量目標(biāo)工件臺(tái)動(dòng)態(tài)特性差等存在的一系列問題，從而難以滿足更高的測(cè)量需求。針對(duì)上述問題，世界上超精密測(cè)量領(lǐng)域的各大公司及研究機(jī)構(gòu)展開了一系列的研究，研究主要集中于基于衍射干涉原理的光柵測(cè)量系統(tǒng)，研究成果在諸多專利論文中均有揭露。美國(guó)專利文獻(xiàn)US7,102,729B2(公開日2005年8月4日)、US7,483,120B2(公開日2007年11月15日)、US7,,940,392B2(公開日2009年12月24日)、公開號(hào)US2010/0321665A1(公開日2010年12月23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)主要利用一維或二維的平面光柵配合讀數(shù)頭測(cè)量工件臺(tái)水平大行程位移，垂直方向位移測(cè)量采用電渦流或干涉儀等傳感器，但多種傳感器的應(yīng)用限制工件臺(tái)測(cè)量精度。美國(guó)專利文獻(xiàn)US7,864,336B2(公開日2011年1月4日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用兩個(gè)讀數(shù)頭的Littrow條件光柵反射實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，但需要的元器件多，體積大，并且由于通過兩個(gè)讀數(shù)頭的結(jié)果進(jìn)行解算，限制了測(cè)量精度。美國(guó)專利文獻(xiàn)公開號(hào)US2011/0255096A1(公開日2011年10月20日)公開了一種應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的光柵測(cè)量系統(tǒng)，該測(cè)量系統(tǒng)亦采用一維或二維光柵配合特定的讀數(shù)頭實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量，可同時(shí)進(jìn)行水平向和垂向位移測(cè)量，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜；美國(guó)專利文獻(xiàn)公開號(hào)US2011/0096334A1(公開日2011年4月28日)公開了一種外差干涉儀，該干涉儀中采用光柵作為目標(biāo)鏡，但該干涉儀僅能實(shí)現(xiàn)一維測(cè)量。日本學(xué)者GAOWEI在研究論文“Designandconstructionofatwo-degree-of-freedomlinearencoderfornanometricmeasurementofstagepositionandstraightness.PrecisionEngineering34(2010)145-155”中提出了一種利用衍射干涉原理的單頻二維光柵測(cè)量系統(tǒng)，該光柵測(cè)量系統(tǒng)可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水平和垂直向的位移測(cè)量，但由于采用單頻激光，測(cè)量信號(hào)易受干擾，精度難以保證。中國(guó)專利文獻(xiàn)申請(qǐng)?zhí)?01210449244.9(申請(qǐng)日2012年11月09日)及201210448734.7(申請(qǐng)日2012年11月09日)分別公開了一種外差光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，兩種干涉儀測(cè)量系統(tǒng)中的讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)中均采用了四分之一波片用于改變光束的偏振態(tài)，光學(xué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)光學(xué)元件的非理想性將導(dǎo)致測(cè)量誤差。另外，中國(guó)專利文獻(xiàn)公開號(hào)CN103307986A(公開日2013年09月18日)及CN103322927A(公開日2013年09月18日)分別公開了一種外差光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，兩種干涉儀測(cè)量系統(tǒng)中的讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)中均采用了光學(xué)二細(xì)分的光路設(shè)計(jì)，導(dǎo)致分辨率低的不足。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
考慮到上述技術(shù)方案的局限，本發(fā)明的目的是尋求一種利用光學(xué)拍頻原理,并能實(shí)現(xiàn)光學(xué)倍程的外差光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)；能夠?qū)崿F(xiàn)二個(gè)線性自由度位移的同時(shí)測(cè)量，且系統(tǒng)測(cè)量光路短、環(huán)境敏感性低、測(cè)量信號(hào)易于處理；同時(shí)該光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)還要具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。采用該測(cè)量系統(tǒng)作為超精密工件臺(tái)位移測(cè)量裝置，能夠有效的降低激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)在超精密工件臺(tái)應(yīng)用中的不足，使光刻機(jī)超精密工件臺(tái)性能提升。該二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)還可應(yīng)用于精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備等的工件臺(tái)多自由度位移的精密測(cè)量。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：基于光學(xué)倍程法的二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)，包括雙頻激光器、光柵干涉儀、測(cè)量光柵和光電轉(zhuǎn)換單元；光柵干涉儀包括偏振分光棱鏡、參考光柵、第一折光元件和第二折光元件，所述的第一折光元件由兩個(gè)并行放置的直角透射棱鏡組成并置于偏振分光棱鏡和參考光柵之間，其特征在于：第二折光元件采用兩個(gè)對(duì)稱放置的折光元件，并置于偏振分光棱鏡和測(cè)量光柵之間，利用該折光元件完成二次衍射并實(shí)現(xiàn)光學(xué)倍程；雙頻激光器出射雙頻正交偏振激光經(jīng)光纖耦合入射至偏振分光棱鏡后分為反射光和透射光；所述反射光入射至參考光柵后產(chǎn)生兩束衍射反射參考光，兩束參考光分別經(jīng)第一折光元件的兩個(gè)直角透射棱鏡后偏轉(zhuǎn)形成兩束平行參考光，兩束平行參考光回射至偏振分光棱鏡后形成兩束反射參考光；所述透射光入射至測(cè)量光柵后第一次打在測(cè)量光柵上，產(chǎn)生兩束衍射反射測(cè)量光，兩束衍射反射測(cè)量光分別經(jīng)第二折光元件反射后形成與衍射反射測(cè)量光平行的出射光，兩束出射光第二次回射至測(cè)量光柵后衍射反射形成兩束平行測(cè)量光，兩束平行測(cè)量光回射至偏振分光棱鏡后形成兩束透射測(cè)量光；兩束反射參考光中的一束與兩束透射測(cè)量光中的一束重合形成一路測(cè)量光信號(hào)，兩束反射參考光中的另一路與兩束透射測(cè)量光中的另一束重合形成另一路測(cè)量光信號(hào)，兩路測(cè)量光信號(hào)分別經(jīng)光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元，在其中形成兩路測(cè)量電信號(hào)并進(jìn)行處理；雙頻激光器同時(shí)也輸出一束參考電信號(hào)至測(cè)量光電轉(zhuǎn)換單元；當(dāng)測(cè)量光柵相對(duì)于光柵干涉儀做水平方向和垂直方向兩個(gè)自由度的線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換單元將輸出二自由度線性位移。上述技術(shù)方案中，所述的第二折光元件由兩個(gè)直角反射棱鏡組成，光線通過其直角邊反射實(shí)現(xiàn)折光?；蛩龅牡诙酃庠蓛蓚€(gè)后向反射棱鏡組成，光線通過其內(nèi)部三個(gè)反射面的反射實(shí)現(xiàn)折光。本發(fā)明所提供的基于光學(xué)倍程法的二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)及突出性效果：該測(cè)量系統(tǒng)采用二次衍射原理實(shí)現(xiàn)光學(xué)倍程，分辨率與精度可達(dá)亞納米甚至更高，且能夠?qū)崿F(xiàn)二個(gè)線性自由度位移的同時(shí)測(cè)量；該測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量光路短、環(huán)境敏感性低、測(cè)量信號(hào)易于處理，同時(shí)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的位移測(cè)量，對(duì)比激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，在滿足測(cè)量需求的基礎(chǔ)上，可有效的降低工件臺(tái)體積、質(zhì)量，大大提高工件臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能，使工件臺(tái)整體性能綜合提高。該二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)還可應(yīng)用于精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備等的工件臺(tái)多自由度位移的精密測(cè)量中。附圖說明圖1為本發(fā)明的一種外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)示意圖。圖2為本發(fā)明第一種光柵干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明第二種光柵干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1—雙頻激光器，2—光柵干涉儀，3—測(cè)量光柵，4—光電轉(zhuǎn)換單元；21—偏振分光棱鏡，22—參考光柵，23—直角透射棱鏡，24a—直角反射棱鏡，24b—后向反射棱鏡。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、原理和具體實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。請(qǐng)參考圖1，圖1為本發(fā)明的一種外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)示意圖。如圖1所示，該二自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)包括雙頻激光器1、光柵干涉儀2、測(cè)量光柵3、光電轉(zhuǎn)換單元4，測(cè)量光柵3為一維反射型光柵。請(qǐng)參考圖2，圖2為本發(fā)明第一種光柵干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。所述的光柵干涉儀2包括偏振分光棱鏡21、參考光柵22、第一折光元件、第二折光元件，參考光柵22為一維反射型光柵，第一折光元件由兩個(gè)并行放置的直角透射棱鏡23組成，第二折光元件由兩個(gè)對(duì)稱放置的直角反射棱鏡24a組成。結(jié)合圖1、圖2闡述測(cè)量系統(tǒng)原理，所述的雙頻激光器1出射雙頻正交偏振激光經(jīng)光纖耦合入射至偏振分光棱鏡21后分光，反射光為參考光，透射光為測(cè)量光。所述參考光入射至參考光柵22后形成兩束衍射反射參考光，兩束衍射反射參考光分別經(jīng)兩個(gè)直角透射棱鏡23后偏轉(zhuǎn)形成兩束平行參考光，兩束平行參考光回射至偏振分光棱鏡21后形成兩束反射參考光。所述透射光入射至測(cè)量光柵3后第一次打在測(cè)量光柵3上，產(chǎn)生兩束衍射反射測(cè)量光，兩束衍射反射測(cè)量光分別經(jīng)第二折光元件反射后形成與衍射反射測(cè)量光平行的出射光，兩束出射光第二次回射至測(cè)量光柵3后衍射反射形成兩束平行測(cè)量光，兩束平行測(cè)量光回射至偏振分光棱鏡21后形成兩束透射測(cè)量光。兩束反射參考光中的一束與兩束透射測(cè)量光中的一束重合形成一路測(cè)量光信號(hào)，兩束反射參考光中的另一路與兩束透射測(cè)量光中的另一束重合形成另一路測(cè)量光信號(hào)，兩路測(cè)量光信號(hào)分別經(jīng)光纖傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元4，在其中形成兩路測(cè)量電信號(hào)并進(jìn)行處理。雙頻激光器1同時(shí)也輸出一束參考電信號(hào)至光電轉(zhuǎn)換單元4；當(dāng)測(cè)量光柵3相對(duì)于光柵干涉儀2做水平向和垂向(其中垂向運(yùn)動(dòng)為微小運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)范圍為1mm)兩個(gè)自由度的線性運(yùn)動(dòng)時(shí)，光電轉(zhuǎn)換單元4將輸出二自由度線性位移。二自由度運(yùn)動(dòng)位移的表達(dá)式為x＝kx×(α-β)、z＝kz×(α+β)，kx＝Λ/8π，kz＝λ/8(1+cosθ),式中α、β為光電轉(zhuǎn)換單元4的讀數(shù)值，Λ為光柵常數(shù)，λ為激光波長(zhǎng)，θ為光柵衍射角，取Λ＝1μm，λ＝632.8nm，α、β的相位分辨率為2π/1024，外差光柵干涉儀的x、z的測(cè)量分辨率分別為0.25nm、0.09nm。請(qǐng)參考圖3，圖3為本發(fā)明第二種光柵干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，光柵干涉儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的第二折光元件由兩個(gè)對(duì)稱放置的后向反射棱鏡24b實(shí)現(xiàn)光束偏轉(zhuǎn)，對(duì)比直角反射棱鏡24a，采用后向反射棱鏡24b，對(duì)入射角度不敏感，且結(jié)構(gòu)小，可使干涉儀結(jié)構(gòu)更加緊湊、簡(jiǎn)潔、便于安裝。上述實(shí)施方式中給出的測(cè)量系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)方案采用二次衍射原理實(shí)現(xiàn)光學(xué)倍程，分辨率與精度可達(dá)亞納米甚至更高；該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)二個(gè)線性自由度位移的同時(shí)測(cè)量，且系統(tǒng)測(cè)量光路短、環(huán)境敏感性低、測(cè)量信號(hào)易于處理，同時(shí)該光柵干涉儀測(cè)量系統(tǒng)還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝、方便應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用于光刻機(jī)超精密工件臺(tái)的位移測(cè)量，對(duì)比激光干涉儀測(cè)量系統(tǒng)，在滿足測(cè)量需求的基礎(chǔ)上，可有效的降低工件臺(tái)體積、質(zhì)量，大大提高工件臺(tái)的動(dòng)態(tài)性能，使工件臺(tái)整體性能綜合提高。該三自由度外差光柵干涉儀位移測(cè)量系統(tǒng)還可應(yīng)用于精密機(jī)床、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、半導(dǎo)體檢測(cè)設(shè)備等的工件臺(tái)多自由度位移的精密測(cè)量中。