高細(xì)分高密度光柵干涉儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測(cè)量?jī)x器，特別是一種高細(xì)分高密度光柵干涉儀。
【背景技術(shù)】
[0002] 光柵干涉儀是高精度光柵尺測(cè)量系統(tǒng)（柵距一般小于10微米）的核心模塊，決定 了其精度和分辨率。高精度光柵尺測(cè)量系統(tǒng)由光柵尺體、安裝夾具、基于光柵干涉儀的讀數(shù) 頭及信號(hào)控制器和顯示器組成，其功能是進(jìn)行高精度位移量的測(cè)量。廣泛應(yīng)用于機(jī)床加工 控制、晶片處理和切割、集成電路光刻設(shè)備、半導(dǎo)體檢測(cè)、機(jī)器人系統(tǒng)、航空航天、科學(xué)研宄、 軍事等領(lǐng)域。
[0003] 高精度光柵尺測(cè)量系統(tǒng)不僅是現(xiàn)代最基礎(chǔ)的自動(dòng)化量?jī)x之一，而且是現(xiàn)代加工和 生產(chǎn)及科學(xué)研宄中高精度、高品質(zhì)的重要保證手段之一。尤其是20nm/14nm集成電路光刻 設(shè)備、納米/亞納米科學(xué)研宄、航空航天、科學(xué)研宄、軍事等領(lǐng)域，對(duì)高精度光柵尺測(cè)量系統(tǒng) 提出了更高精度和分辨率的需求。
[0004] 相對(duì)于高精度激光干涉儀而言，基于光柵干涉儀的光柵尺測(cè)量系統(tǒng)具有對(duì)環(huán)境不 敏感的優(yōu)點(diǎn)。其電子細(xì)分的分辨率已達(dá)皮米量級(jí)。但是實(shí)際應(yīng)用中，光柵尺測(cè)量系統(tǒng)的綜 合分辨率由光柵干涉儀光學(xué)分辨率和電子細(xì)分分辨率共同決定；光柵干涉儀光學(xué)分辨率決 定了電子細(xì)分分辨率的有效性。因此，提高光柵干涉儀光學(xué)分辨率是進(jìn)一步提高光柵尺測(cè) 量系統(tǒng)分辨率的根本所在。
[0005] 日本佳能提出 US5038032、US5146085、US4912320 等專(zhuān)利、美國(guó) IBM 提 出了專(zhuān)利US5442172,美國(guó)ZYGO亦申請(qǐng)了不少新穎的光柵干涉儀專(zhuān)利，如 US8300233B2, US0194824A1，US0114061A1，以獲得更高精度和分辨率。德國(guó)海德漢、日本索 尼亦推出了高分辨率的光柵尺測(cè)量系統(tǒng)。但是以上述為代表的技術(shù)方案，光柵干涉儀光學(xué) 細(xì)分?jǐn)?shù)一般為2或4。多采用高電子細(xì)分，如12bit、14bit ;進(jìn)一步的高bit電子細(xì)分是易 于實(shí)現(xiàn)的，但受限于光柵干涉儀光學(xué)4細(xì)分分辨率，已無(wú)意義。因此，進(jìn)一步提高光柵干涉 儀光學(xué)細(xì)分?jǐn)?shù)對(duì)于實(shí)際提高光柵干涉儀光學(xué)分辨率乃至光柵尺測(cè)量系統(tǒng)總體分辨率，具有 重要價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是克服上述現(xiàn)有技術(shù)方案不足，提出一種高細(xì)分高密度光柵干涉 儀：首先將高密度光柵設(shè)計(jì)成負(fù)一級(jí)高衍射光效率；進(jìn)而采用高細(xì)分棱鏡實(shí)現(xiàn)棱鏡反射面 與高密度光柵間的多次反復(fù)衍射，并且最終在棱鏡準(zhǔn)直面自準(zhǔn)直回射并再次在高密度光柵 間反復(fù)衍射，從而使光柵干涉儀獲得高細(xì)分效果，有效提高光柵干涉儀光學(xué)分辨率。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下：
[0008] 一種高細(xì)分高密度光柵干涉儀，包括：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的高密度衍射光柵、線偏振光源、 偏振分束器、第一高細(xì)分棱鏡、第二高細(xì)分棱鏡、第一反射鏡、第二反射鏡、第一四分之一波 片、第二四分之一波片、數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元和干涉光電探測(cè)單元，其特點(diǎn)在于，所 述的線偏振光源發(fā)出偏振光束經(jīng)偏振分束器分為透射的P光和反射的S光，所述的P光依 次經(jīng)所述的第一四分之一波片、第一反射鏡入射到所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)衍射光柵，所述的S光 依次經(jīng)所述的第二四分之一波片、第二反射鏡入射到所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)衍射光柵；借助第一 高細(xì)分棱鏡、第二高細(xì)分棱鏡，入射光束在衍射光柵上2N次-1級(jí)衍射（N為衍射光柵上單 向反復(fù)衍射次數(shù)），分別產(chǎn)生正負(fù)2N倍多普勒光學(xué)頻移，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)4N倍光學(xué)細(xì)分。經(jīng)該相 對(duì)運(yùn)動(dòng)衍射光柵2N次衍射后的兩束-1級(jí)衍射光經(jīng)所述的第一高細(xì)分棱鏡和第二高細(xì)分 棱鏡透射和反射后，再自準(zhǔn)直原路返回，分別經(jīng)所述的第一四分之一波片和第二四分之一 波片轉(zhuǎn)換為與原偏振態(tài)正交的線偏振光，再次經(jīng)偏振分束器入射到所述的干涉光電探測(cè)單 元，該干涉光電探測(cè)單元的輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元的輸入端相連。
[0009] 所述的第一高細(xì)分棱鏡和第二高細(xì)分棱鏡均包括至少一個(gè)反射面、一個(gè)相鄰的準(zhǔn) 直面和一個(gè)相對(duì)的透射面；所述的高細(xì)分棱鏡反射面與準(zhǔn)直面夾角α、高細(xì)分棱鏡反射面 與透射面夾角Φ、高細(xì)分棱鏡透射面與高密度衍射光柵平面的夾角α 3滿足以下關(guān)系：
[0010]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高細(xì)分高密度光柵干涉儀，包括：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的高密度衍射光柵（1)、線偏振光源 (8)、偏振分束器（9)、第一高細(xì)分棱鏡（4)、第二高細(xì)分棱鏡（5)、第一反射鏡（2)、第二反射 鏡（3)、第一四分之一波片（6)、第二四分之一波片（7)、數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元（15)和 干涉光電探測(cè)單元，其特征在于，所述的線偏振光源（8)發(fā)出偏振光束經(jīng)偏振分束器（9)分 為透射的P光和反射的S光，所述的P光依次經(jīng)所述的第一四分之一波片（6)、第一反射鏡 (2)入射到所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)衍射光柵（1)，所述的S光依次經(jīng)所述的第二四分之一波片（7)、 第二反射鏡（3)入射到所述的相對(duì)運(yùn)動(dòng)衍射光柵（1)，分別經(jīng)由第一高細(xì)分棱鏡（4)和第二 高細(xì)分棱鏡（5)透射和反射后，兩束-1級(jí)衍射光束各自在衍射光柵（1)上單向N次衍射， 再自準(zhǔn)直原路單向N次衍射返回，分別經(jīng)所述的第一四分之一波片（6)和第二四分之一波 片（7)轉(zhuǎn)換為與原偏振態(tài)正交的線偏振光，再次經(jīng)偏振分束器（9)入射到所述的干涉光電 探測(cè)單元，該干涉光電探測(cè)單元的輸出端與所述的數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元（15)的輸 入端相連。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于，所述的第一高細(xì)分 棱鏡（4)和第二高細(xì)分棱鏡（5)均包括至少一個(gè)反射面、一個(gè)相鄰的準(zhǔn)直面和一個(gè)相對(duì)的 透射面；所述的高細(xì)分棱鏡反射面與準(zhǔn)直面夾角a、高細(xì)分棱鏡反射面與透射面夾角小、 高細(xì)分捸鐿誘射而與高密度衍射光柵平而的央角a。滿足以下關(guān)系：
其中，％為空氣折射率、1^為高細(xì)分棱鏡折射率，A為光源波長(zhǎng)，0為入射光束與高密 度衍射光柵法線夾角，d為高密度衍射光柵的柵距，a3多0。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于，所述的第一高細(xì)分 棱鏡（4)和第二高細(xì)分棱鏡（5)均包括至少一個(gè)反射面和一個(gè)相鄰的準(zhǔn)直面；所述的高細(xì) 分棱鏡反射面與準(zhǔn)直面夾角a滿足以下關(guān)系：
其中，％為空氣折射率、nl為高細(xì)分棱鏡折射率，A為光源波長(zhǎng)，0為入射光束與高 密度衍射光柵法線夾角，d為高密度衍射光柵（1)的柵距。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于所述的線偏振光源 是發(fā)光二極管、激光二極管、固體的光源或氣體光源；單頻的激光器或雙頻正交偏振的激光 器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于所述的干涉 光電探測(cè)單元為偏振相移干涉光電探測(cè)單元或雙頻外差干涉光電探測(cè)單元。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于，所述的偏振相移干 涉光電探測(cè)單元包括第三四分之一波片（16)、非偏振分束器（17)、第一偏振分束器（18)、 處正交偏振45度放置的第二偏振分束器（22)、第一探測(cè)器（19)、第二探測(cè)器（20)、第三探 測(cè)器（21)和第四探測(cè)器（23)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于，所述的雙頻外差干 涉光電探測(cè)單元包括非偏振分束器（10)、處于正交雙頻線偏振光45度放置的第一檢偏器 (11)及對(duì)應(yīng)的第一探測(cè)器（12)、處于正交雙頻線偏振光45度放置的第二檢偏器（14)及對(duì) 應(yīng)的第二探測(cè)器（13)，所述的線偏振光源（8)發(fā)出偏振光束經(jīng)所述的非偏振分束器（10)分 為兩束，一束經(jīng)所述的偏振分束器（9)分為透射的P光和反射的S光，另一束射入所述的第 一檢偏器（11)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于，所述的數(shù) 據(jù)采集和處理及控制單元由數(shù)據(jù)采集卡和運(yùn)動(dòng)控制卡及工業(yè)計(jì)算機(jī)組成或由至少具有采 集和計(jì)算功能的電路板組成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的高細(xì)分高密度光柵干涉儀，其特征在于，所述的高 密度衍射光柵（1)是反射型或透射型。
【專(zhuān)利摘要】一種高細(xì)分高密度光柵干涉儀，包括：相對(duì)運(yùn)動(dòng)的高密度衍射光柵、線偏振光源、偏振分束器、第一和第二高細(xì)分棱鏡、第一和第二反射鏡、第一和第二四分之一波片、偏振相移干涉光電探測(cè)單元或雙頻外差干涉光電探測(cè)單元、數(shù)據(jù)采集和處理及控制單元。本發(fā)明將高密度光柵設(shè)計(jì)成負(fù)一級(jí)高衍射光效率；進(jìn)而采用高細(xì)分棱鏡實(shí)現(xiàn)棱鏡反射面與高密度光柵間的多次反復(fù)衍射，并且最終在棱鏡準(zhǔn)直面自準(zhǔn)直回射并再次在高密度光柵間反復(fù)衍射，從而使光柵干涉儀獲得高細(xì)分效果，有效提高光柵干涉儀光學(xué)分辨率。
【IPC分類(lèi)】G01D5-38, G01B9-02
【公開(kāi)號(hào)】CN104613865
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510080676
【發(fā)明人】韋春龍, 盧炎聰, 周常河
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
【公開(kāi)日】2015年5月13日
【申請(qǐng)日】2015年2月15日