一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统

摘要

本发明涉及一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，所述自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，所述相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，所述相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。与现有技术相比，本发明克服了位移测量溯源难度大和光栅刻线密度低的缺点，其直接溯源的测量途径具有位移测量准确性高、鲁棒性强的优势。

权利要求

1.一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，包括相干光源(1)、光电探测模块(2)、自溯源光栅(3)和信号处理模块(5)，所述自溯源光栅(3)设置于待测的位移运动平台(4)上，所述相干光源(1)、光电探测模块(2)和信号处理模块(5)依次连接，所述相干光源(1)产生的激光经光电探测模块(2)传播后，入射至自溯源光栅(3)，与自溯源光栅(3)发生衍射作用，返回至光电探测模块(2)中继续传播，进入信号处理模块(5)，信号处理模块(5)采集干涉信号获取运动位移量和运动方向；

所述光电探测模块(2)包括衍射光生成单元和信号接收单元，其中，所述衍射光生成单元包括第一波片(201)、第一偏振分光棱镜(202)、第二波片(203)、第三波片(204)、第一平面反射镜(205)和第二平面反射镜(206)，所述第一波片(201)接收的激光经第一偏振分光棱镜(202)等比例分解为垂直偏振光和水平偏振光，垂直偏振光依次经第三波片(204)和第一平面反射镜(205)后以Littrow角入射至自溯源光栅(3)发生衍射，水平偏振光依次经第二波片(203)和第二平面反射镜(206)后以Littrow角入射至自溯源光栅(3)发生衍射，两束衍射光分别沿原光路返回，合束后一同射入信号接收单元。

2.根据权利要求1所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述相干光源(1)与光电探测模块(2)自由空间连接或通过光纤连接。

3.根据权利要求2所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述第一波片(201)为二分之一波片，使入射激光的偏振方向与入射平面呈45°，所述第二波片(203)和第三波片(204)为四分之一波片，快轴与光入射平面呈45°。

4.根据权利要求2所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述信号接收单元包括非偏振分光平片(207)、第四波片(208)、第五波片(209)和两组探测子单元，每组探测子单元分别与所述第四波片(208)和第五波片(209)对应设置，经非偏振分光平片(207)的衍射光被非偏振的以光强等比例的条件分为两路，一路依次射入第四波片(208)和一组探测子单元，另一路依次射入第五波片(209)和另一组探测子单元，所述探测子单元与信号处理模块(5)连接。

5.根据权利要求4所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述第四波片(208)为四分之一波片，快轴与光入射平面成45°，所述第五波片(209)为二分之一波片，快轴与光入射平面成22.5°。

6.根据权利要求4所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述探测子单元包括第二偏振分光棱镜(210)、第一光电探测器(212)和第二光电探测器(213)，所述第一光电探测器(212)和第二光电探测器(213)分别对应接收经所述第二偏振分光棱镜(210)等比例分解的垂直偏振光和水平偏振光，形成干涉信号。

7.根据权利要求1所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述信号处理模块(5)采集干涉信号获取运动位移量和运动方向具体为：获取干涉信号的光强，基于关系式 获得自溯源光栅(3)所在光栅平面的

一维运动距离x，其中，I为干涉信号的光强，d为自溯源光栅(3)的周期；通过相位解包裹、反正切的方法求解每一路干涉信号的相位信息，以判断运动的正负方向。

8.根据权利要求1所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述自溯源光栅(3)由原子光刻技术在真空环境下将金属材料加热升华至气体状态并以泻流方式引出金属原子束制备得到。

9.根据权利要求1所述的自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，其特征在于，所述相干光源(1)的激光波长小于2倍自溯源光栅(3)的周期。

说明书

一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及精密位移测量领域，尤其是涉及一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统。

背景技术

[0002] 精密及超精密测量技术是现代加工及制造领域的基础，其量程和精度决定着制造的尺寸和精度。进入21世纪以后，集成电路、半导体制造等领域发展迅速，高尖端精密制造水平代表着一个国家装备制造以及现代工业生产水平。

[0003] 随着人们对纳米测量领域的探究不断深入，衍生出了各种不同的精密位移测量方法。其中由于激光干涉仪和光栅干涉仪具有大量程、高精度、测量速度快的特点，被广泛应用于各个生产领域的制造产业当中。激光干涉仪以激光的波长作为测量基准，具有非接触、量程大、精度高的特点，被应用于各式机械结构定位中。由于激光干涉仪的位移测量原理，其对波长的稳定性要求非常高，波长的干扰将直接影响到测量的精度。当测量环境中的温度、湿度、气体浓度发生变化时波长也会随之改变，且在测量的过程中读数头与待测物之间的距离会发生改变，进一步增加了波长对环境的敏感程度。这一缺点限制了激光干涉仪的应用范围，在一般的环境下无法发挥激光干涉仪高精度的测量能力。

[0004] 而光栅位移测量系统以光栅作为量尺，以光栅的栅距作为测量基准，相比于单纯以波长作为基准的激光干涉仪，以光栅周期为基准的光栅位移测量系统对环境的敏感程度低，并且当光束入射到光栅表面时会发生衍射效应，光栅周期性的结构起到了平均的作用。此外，光栅干涉仪的读数头内部设计简单紧凑、光路对称，可以做到读数头与光栅之间的距离达到毫米量级，不会随着待测物移动而发生改变，进一步降低了环境对光栅位移系统测量精度的影响。随着技术的发展，光栅的制造水平进一步提高，这使得以光栅栅距作为测量基准的系统应用越来越广泛。

[0005] 传统的光栅位移系统是利用莫尔条纹的原理制备而成，由于光栅的测量分辨力与光栅周期直接相关，所以当光栅的周期减小时，衍射现象会越明显，直接影响到莫尔条纹的信号，使得测量精度降低。当光栅刻线密度达到一定数量时，采用衍射式光栅干涉位移测量技术的方法即可提升光栅的测量精度，从而实现高分辨率、高精度的位移测量。衍射式光栅位移测量系统主要存在以下关键问题：1.光栅周期的准确性、一致性受限于工业光栅制造的工艺水平。传统的光栅干涉仪中使用的衍射光学元件通常为普通光栅，比如全息光栅或者线划光栅，这类光栅受其制备工艺的限制，无法保证工艺中的每一环节都达到具有高精度以及重复性的定位，其光栅周期误差较大，通常在1nm以上，这使得所制造的光栅周期具有不一致性，如果将周期不确定度大的光栅应用于位移测量系统当中，会使得以光栅周期作为测量基准的位移测量系统准确性大幅度降低。2.高刻线光栅的制造工艺复杂，制造困难。由于光栅的刻线密度直接影响了衍射光栅位移测量的分辨率，且随着刻线密度的增加，所制备的光栅面型和刻线质量也无法得到改正，因此，提出一种可以重复制备且能保证光栅周期严格准确的高刻线密度光栅是提高光栅位移测量系统精确度的关键。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了提供一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，克服了现有位移测量结果无法溯源，且刻线密度低的问题，提高了精密位移测量的可信程度。

[0007] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

[0008] 一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，包括相干光源、光电探测模块、自溯源光栅和信号处理模块，所述自溯源光栅设置于待测的位移运动平台上，所述相干光源、光电探测模块和信号处理模块依次连接，所述相干光源产生的激光经光电探测模块传播后，入射至自溯源光栅，与自溯源光栅发生衍射作用，返回至光电探测模块中继续传播，进入信号处理模块，信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。

[0009] 进一步地，所述相干光源与光电探测模块自由空间连接或通过光纤连接。

[0010] 进一步地，所述光电探测模块包括衍射光生成单元和信号接收单元，其中，所述衍射光生成单元包括第一波片、第一偏振分光棱镜、第二波片、第三波片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，所述第一波片接收的激光经第一偏振分光棱镜等比例分解为垂直偏振光和水平偏振光，垂直偏振光依次经第三波片和第一平面反射镜后以Littrow角入射至自溯源光栅发生衍射，水平偏振光依次经第二波片和第二平面反射镜后以Littrow角入射至自溯源光栅发生衍射，两束衍射光分别沿原光路返回，合束后一同射入信号接收单元。

[0011] 进一步地，所述第一波片为二分之一波片，使入射激光的偏振方向与入射平面呈45°，所述第二波片和第三波片为四分之一波片，快轴与光入射平面呈45°。

[0012] 进一步地，所述信号接收单元包括非偏振分光平片、第四波片、第五波片和两组探测子单元，每组探测子单元分别与所述第四波片和第五波片对应设置，经非偏振分光平片的衍射光被非偏振的以光强等比例的条件分为两路，一路依次射入第四波片和一组探测子单元，另一路依次射入第五波片和另一组探测子单元，所述探测子单元与信号处理模块连接。

[0013] 进一步地，所述第四波片为四分之一波片，快轴与光入射平面成45°，所述第五波片为二分之一波片，快轴与光入射平面成22.5°。

[0014] 进一步地，所述探测子单元包括第二偏振分光棱镜、第一光电探测器和第二光电探测器，所述第一光电探测器和第二光电探测器分别对应接收经所述第二偏振分光棱镜等比例分解的垂直偏振光和水平偏振光，形成干涉信号。

[0015] 进一步地，所述信号处理模块采集干涉信号获取运动位移量和运动方向具体为：

[0016] 获取干涉信号的光强，基于关系式 获得自溯源光栅所在光栅平面的一维运动距离x，其中，I为干涉信号的光强，d为自溯源光栅(3)的周期；通过相位解包裹、反正切的方法求解每一路干涉信号的相位信息，以判断运动的正负方向。

[0017] 进一步地，所述自溯源光栅由原子光刻技术在真空环境下将金属材料加热升华至气体状态并以泻流方式引出金属原子束制备得到。

[0018] 进一步地，所述相干光源的激光波长小于2倍自溯源光栅的周期。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

[0020] 1、本发明采用自溯源光栅形成干涉信号以得到位移测量结果，具有溯源于自然界常数的特性，自溯源型光栅干涉仪不仅具备与现有光栅干涉仪相比同等的测量测量速度和分辨力，而且克服了现有的光栅干涉仪中位移测量结果无法溯源，且刻线密度低的问题，提高了精密位移测量的可信程度；

[0021] 2、自溯源光栅刻线密度高，提高了光学细分下位移测量分辨能力；

[0022] 3、自溯源光栅结构稳定，面型均匀，制造一致性高，位移测量可以广泛的应用于各种环境；

[0023] 4、本发明通过光电探测模块波片的设置，改变衍射光的偏振态，能够获得有效的干涉信号，从而提高位移测量的准确度。

附图说明

[0024] 图1为本发明的结构示意图；

[0025] 图2为本发明的自溯源光栅示意图；

[0026] 图3为本发明的光传输示意图；

[0027] 图4为读数头内部结构的示意图；

[0028] 图5为自溯源光栅沉积过程示意图；

[0029] 图6为位移平台在三角波驱动条件下干涉信号的波形示意图；

[0030] 图中，1为相干光源，2为光电探测模块，3为自溯源光栅，4为位移运动平台，5为信号处理模块，201为第一波片，202为第一偏振分光棱镜，203为第二波片，204为第三波片，205为第一平面反射镜，206为第二平面反射镜，207为非偏振分光平片，208为第四波片，209为第五波片，210为第二偏振分光棱镜，211为第一光电探测器，212为第二光电探测器，301为铬原子束，302为会聚激光，303为一维沉积光栅。

具体实施方式

[0031] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0032] 如图1和图2所示，本实施例提供一种自溯源型光栅干涉精密位移测量系统，包括相干光源1、光电探测模块2、自溯源光栅3和信号处理模块5，自溯源光栅3设置于待测的位移运动平台4上，相干光源1与光电探测模块2自由空间连接或通过光纤连接，光电探测模块2和信号处理模块5相连接，相干光源的激光波长小于2倍自溯源光栅的周期。光电探测模块
2传播后，入射至自溯源光栅3，与自溯源光栅3发生衍射作用，返回至光电探测模块2中继续传播，进入信号处理模块5，信号处理模块5采集干涉信号获取运动位移量和运动方向。

[0033] 如图3所示，光电探测模块2包括读数头和光电探测器，相干光源1产生的激光接入光传输路径的端口a，光源进入读数头后继续传播，由端口b对称的入射到自溯源光栅3表面，发生衍射，其衍射光返回到光传输路径中，在读数头中发生干涉并由端口c接入光电探测器，光电探测器将衍射光的干涉信号转化为电流信号并作为输出信号由端口d传输到信号处理模块中。

[0034] 上述测量系统中采用自溯源光栅作为干涉仪，具有溯源于自然界常数的特性，位移测量结果以原子光刻光栅节距为基准，可直接溯源至原子能级跃迁频率，具有自溯源特征。与其他的光栅干涉仪位移测量系统相比，上述测量系统克服了位移测量溯源难度大和光栅刻线密度低的缺点，其直接溯源的测量途径具有位移测量准确性高、鲁棒性强的优势。

[0035] 自溯源型光栅是一种光栅周期严格溯源于自然界常数的沉积式光栅。它是通过原子光刻方法制备而得，由于其制备工艺的固有特性，使得其光栅周期值可以直接溯源于原子跃迁能级对应的波长，其光栅周期误差理论上可以小于0.001nm，实际产品的周期误差不超过0.1nm，且铬原子光刻光栅的刻线密度可以达到4700l/mm，其面型为正弦型，并且可以多次重复制备，具有保持高刻线密度的条件下高一致性、高均匀性、抗环境变化能力强等特点。

[0036] 将自溯源光栅应用于衍射式光栅位移测量系统，以直接溯源于自然界常数的光栅周期作为测量基准，测得的位移量也将间接溯源于自然界常数，位移测量的可溯源特性大幅度提高了测量过程中的可信度。并且，以铬原子光刻光栅为例，可达4700l/mm的高刻线密度光栅能够在光学细分下具有极高的分辨能力。将自溯源型光栅运用在光栅干涉仪精密位移测量系统中，能够保证在高精度、测量速度快的前提条件下，与其他普通光栅干涉仪相比具有以下的优势：1.自溯源光栅干涉仪所测得的结果具有间接溯源于自然界常数的特性，由于自溯源光栅的周期准确性可达到皮米量级，对位移测量的可信度高；2.自溯源光栅刻线密度可达4700l/mm，仅通过光学细分可以达到极高的分辨率，进而通过电子细分能获得皮米量级的测量分辨能力3.自溯源光栅结构稳定，面型均匀，制造一致性高，位移测量可以应用于各种环境。将自溯源型光栅干涉仪应用于工业系统中，通过位移测量的可溯源原理，可以大幅度增加纳米尺度测量的准确性。

[0037] 如图4所示，光电探测模块2为反射式光栅干涉仪光路模块，包括衍射光生成单元和信号接收单元，其中，衍射光生成单元包括第一波片201、第一偏振分光棱镜202、第二波片203、第三波片204、第一平面反射镜205和第二平面反射镜206；信号接收单元包括非偏振分光平片207、第四波片208、第五波片209和两组探测子单元，各探测子单元包括第二偏振分光棱镜210、第一光电探测器211和第二光电探测器212，所述第一光电探测器211和第二光电探测器212分别对应接收经所述第二偏振分光棱镜210等比例分解的垂直偏振光和水平偏振光，形成干涉信号。第一波片201和第五波片209为二分之一波片(半波片)，第二波片203、第三波片204和第四波片208为四分之一波片，其中第五波片209的快轴与光入射平面呈22.5°，四分之一波片的快轴与光入射平面均呈45°。

[0038] 本实施例采用上述光电探测模块获取干涉信号的过程如下：

[0039] 波长为375nm的相干光源1产生一束线偏振的激光，激光的线宽小于10GHz，入射至光电探测模块，调整可旋转的第一波片201的快轴方向，使入射激光的偏振方向与入射平面呈45°，经过第一波片201后正入射至第一偏振分光棱镜202；第一偏振分光棱镜202将入射光等比例分解为垂直偏振和水平偏振两个分量，其中垂直偏振光透射后经过第三波片204，使垂直偏振光变为右旋圆偏振光。右旋圆偏振光经过第一平面反射镜205后以Littrow角入射至自溯源光栅3，入射光在光栅处发生衍射，‑1级衍射光沿原光路返回，再次经过第三波片204，变为水平偏振光，水平偏振光经过第一偏振分光棱镜202后发生反射，射入信号接收单元。另一路反射的水平偏振光，经过第二波片203后变为左旋圆偏振光(四分之一波片的快轴与光入射平面呈45°)，左旋圆偏振光经过第二平面反射镜206，以Littrow(利特罗)角度入射至自溯源光栅3，入射光在光栅处发生衍射，‑1级衍射光沿原路返回，再次经过第二波片203后变为垂直偏振光，垂直偏振光经过第一偏振分光棱镜202后发生透射，与前一路衍射光合束，一同入射至信号接收单元。

[0040] 两束偏振垂直的衍射光经非偏振分光平片207被非偏振的以光强等比例的条件分为两路，分别射入第四波片208和第五波片209，第四波片208的快轴与光入射平面成45°，第五波片209的快轴与光入射平面成22.5°，经过波片后的光经过第二偏振分光棱镜210后，垂直偏振的部分透射到第二光电探测器212内部被接收，水平偏振的部分反射到第一光电探测器211内部被接收，将光电探测器采集的四路正交干涉信号接入信号处理模块5中。对四路正交的干涉信号进行相位解包裹、反正切运算，即可求得自溯源光栅3所在光栅平面的一维运动距离和运动方向。

[0041] 上述光电探测模块中，通过改变四分之一波片和半波片的快轴方向，进而改变衍射光的偏振态，再通过偏振分束棱镜将两路衍射光合束，使得两路衍射光偏振方向相互垂直；通过调整光电探测器前的四分之一波片和半波片的快轴方向，并利用非偏振分束镜以及偏振分束棱镜，将相互垂直的偏振光分为四路，且每一路均可以发生干涉现象。获得的四路信号是指相位依次相差90°的信号，并用光电探测器接收，所述光电探测器包含至少一个光接收单元，用于探测所述发生干涉的衍射光。本实施例中，光电探测器包括且不限于光电二极管。

[0042] 四路相位依次相差90°的信号，其干涉光强有如下关系：I∝ cos(4πx/d)，式中x为位移平台运动的距离，d为自溯源光栅的周期，并采用相位解包裹、反正切的方法求得每一路干涉信号的相位，进而求得运动方向，再通过电子细分，获得测量位移。

[0043] 本测量系统中使用的自溯源光栅由原子光刻技术在真空环境下将金属材料加热升华至气体状态并以泻流方式引出金属原子束制备得到。所述金属原子束元素为铬、铁、钠、铝、镱中任一种；包括但不限于由原子光刻技术制备的节距溯源于自然常数的一维原子光刻光栅以及由原子光刻光栅作为掩膜版制作的各种类型的光栅。入射方式包括但不限于光栅的Littrow结构，所述的光栅Littrow结构指入射光从对称方向斜入射至光栅发生衍射，衍射光沿原路返回读数头的方式。其中入射光栅的角度θ＝arcsin(λ/2d)，式中λ为激光的波长，d为自溯源光栅的周期，所述的激光波长λ需小于2倍光栅周期。自溯源光栅周期d与自然界常数存在以下关系：d＝c/(2f0)，式中c为真空中光传播的速度，f0为任意一种原子在使用原子光刻技术制备光栅的过程中所使用的能级跃迁频率常数。

[0044] 本实施例以铬原子为例，图5为一维铬原子光刻光栅制备过程的示意图。一般地，在真空环境下将放有铬粉的坩埚加热至1550℃～1650℃之间使其达到升华状态，并将其从1mm泻流孔引出形成金属原子束。然后结合经纬仪与测高工具将一维冷却激光调节至与其正交，根据激光监测效果将金属原子束发散角降低至1mrad以内。进而将准直后的Cr原子束
301通过与其正交的激光会聚驻波场，在偶极力的作用下沉积到样板上形成一维沉积光栅
303。会聚激光302波长为425.6nm，对应Cr原子的共振跃迁能级为 会聚激光频率调节至该共振能级对应中心频率的正失谐(+20MHz)或负失谐(‑250MHz)位置。因此，形成的一维铬(Cr)原子光刻光栅结构周期为所用激光波长的一半，为212.8nm。另外，制备过程中，会聚激光被样板切割比例限制在50％以内。基板一般为硅或磷化铟材料。

[0045] 图6为位移平台以三角波驱动的条件下，直接由信号接收模块得到的波形示意图。图中三角形状的波形是位移平台的运动信息，其正向均匀增加与反向均匀减少表示位移平台沿着两个不同的方向在匀速运动。图中正弦形的曲线为自溯源光栅干涉仪读数头结构中的光电探测模块直接获得的单路干涉信号。其中单路干涉信号的光强存在以下关系式中d＝212.8nm为铬原子光刻光栅的周期，x为位移平台运动的距离。

[0046] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。