使用光谱分析的干涉式编码器制造技术

确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息包括：将第一光束朝向编码器标尺引导，其中第一光束从编码器标尺衍射；将第一光束的衍射分量与第二光束组合以形成干涉输出光束；监控输出光束的变化，其作为第一和第二光束的波长的函数；以及基于作为波长的函数的输出光束的变化来确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息。

Interferometric encoder using spectral analysis

To determine the degree of freedom of information about the rigid motion encoder scale includes: a first light beam toward the encoder scale guide, wherein the first light beam from the encoder scale diffraction; the first light beam and second beam diffraction components are combined to form the output beam interference; monitor the change of the output beam, as a function of the wavelength of the first and second beams; and based on the change as a function of wavelength of the output beam to determine the degree of freedom of information about the scale of the rigid motion encoder.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用光谱分析的干涉式编码器
本公开涉及使用光谱分析的干涉式编码器。
技术介绍
光学干涉测量用于在各种设置中进行精确测量。例如，半导体光刻系统使用激光干涉测量来测量位移并将台架精确地定位到纳米精度。在这些系统中，与腔运动对准的激光束(有时称为测试光束或测量光束)被从附接到移动物体的反射镜反射，并且与用作基准的另一光束干涉。每当光束路径改变一波长时，干涉相位改变2π，所以干涉相位提供了对腔长度变化的测量。可以使用外差或零差技术来提取干涉的相位。通常在这些系统中，测试光束在空气中行进很长距离。如果光束路径中的空气的折射率改变，即使局部改变，则该改变本身表现为被测量物体的明显位移。这种明显的位移构成测量误差，并且空气路径越长，该误差可能越严重。一类具有显著更短的光束路径的位移测量干涉仪包括干涉式编码器系统。通常，干涉式编码器系统包括称为编码器标尺(例如，光栅)的周期性结构和编码器头部。编码器头部是包括干涉仪的组件。干涉仪将测试光束引导到编码器标尺，在那里它衍射。干涉仪将衍射的测试光束与参考光束组合，以形成干涉输出光束，其干涉相位与两个光束之间的光学相位差相关。干涉式编码器系统通过测量从编码器标尺反射的光束的相移来测量横向于测试光束的位移。当编码器标尺的图案化表面在测试光束下移动时，测试光束在从编码器反射之后相对于固定参考光束的相位对于每个图案周期偏移2π。然后，光束相位的高精度测量允许位移测量到图案周期的一小部分。由于编码器标尺的测量运动横向于测试光束，因此可以实现腔长度以及因此光束空气路径的显著减小，从而最小化大气折射率波动。
技术实现思路
本公开涉及用于执行位移测量的各种光学编码器配置，其中配置依赖于将波长扫描光束导向编码器标尺或将宽带光束导向编码器标尺。在与编码器标尺和至少一个其它光束相互作用之后，从波长扫描光束或宽带光束的干涉中产生的干涉光束作为波长的函数被记录和分析。干涉导致强度调制，其是编码器标尺相对于参考系的位置和取向的特征。光学编码器配置可以具有各种实施方式。例如，入射光束可以被编码器标尺分割成不同的衍射阶，这些衍射阶被重新定向回到编码器标尺，在那里它们衍射第两次，随后彼此干涉。在一些情况下，两次衍射光束通常与未与编码器标尺相互作用的另一独立光束干涉。在一些情况下，使用平面反射镜、屋顶反射镜或回射器将衍射光束重新定向回编码器标尺。在某些实施方式中，编码器可以包括被配置为扩展用于信号处理的衍射光束的可用波长范围的光学元件。在一些情况下，编码器标尺包括沿着一个维度的周期性图案(例如1D光栅)，使得编码器对编码器标尺在一个横向维度上的运动敏感。在一些情况下，编码器标尺包括沿着两个维度的周期性图案(例如2D光栅)，使得编码器对两个横向维度上的编码器标尺的运动敏感。在一些情况下，编码器被配置为针对编码器标尺上的图案重复的每个维度捕获多个衍射阶，从而允许将编码器标尺的横向运动与垂直于编码器标尺的周期性图案的表面的运动区分开。在一些实施方式中，编码器从编码器标尺捕获镜面衍射阶，以便确定对沿着编码器标尺的表面法线的运动的敏感度。在某些情况下，编码器被配置为作为波长的函数来评估干涉光束的幅度，以便获得关于编码器标尺的倾斜的信息。在一些情况下，捕获的光束耦合回传送初始光束的同一光纤。可替代地，在一些情况下，一旦衍射光束到达编码器的光学组件，它们就采用替代路径。其他实施方式也是可能的并且在本文中详细描述。在第一方面中，本公开的主题可以体现在包括以下步骤的方法中：沿着第一光束从编码器标尺衍射的不同路径引导第一光束和第二光束、将第一光束的衍射分量与第二光束组合以形成输出光束、监控作为第一和第二光束的波长的函数的输出光束强度的变化以及基于输出光束作为波长的函数的变化确定关于编码器标尺的刚体运动的一个或多个自由度的信息。该方法可以具有各种实施方式。例如，在一些实施方式中，确定关于编码器标尺的自由度的信息包括确定参考表面和编码器标尺之间的绝对距离。在一些实施方式中，监控输出光束包括确定输出光束的干涉对比度是局部最大值处的一个或多个波长。编码器标尺可以包括光栅和满足Littrow条件的一个或多个波长。当波长变化时，编码器标尺可以处于固定位置。该方法还可以包括改变编码器标尺的位置，以及根据在对应于光学频域中局部最大对比度的一个或多个波长中的至少一个处的编码器标尺位置的变化来确定输出光束的干涉相位的变化。确定关于编码器标尺的刚体运动的自由度的信息还可以包括基于干涉相位的变化确定关于编码器标尺的位置的相对变化的信息。关于编码器标尺的位置的相对变化的信息可以包括关于编码器标尺沿着平行于编码器标尺的表面法线的方向的相对位移的信息和/或关于编码器标尺沿着正交于编码器标尺的表面法线的第一方向的相对位移的信息。在一些实施方式中，第一光束的衍射分量包括从编码器标尺一次衍射的分量。一次衍射分量可对应于来自编码器标尺的第m阶衍射，其中|m|>1。在一些实施方式中，与第二光束组合的第一光束的衍射分量包括由编码器标尺一次衍射的第一光束分量和从编码器标尺至少两次衍射的第二光束分量。对应于由第一光束分量穿过的空间的光学路径长度(OPL)可以不同于对应于第二光束分量穿过的空间的OPL。第二分量可以从反射镜反射。反射镜可以包括平面反射镜、屋顶棱镜或角回射器。在一些实施方式中，衍射分量包括已经从第一反射镜反射并由编码器标尺沿由第一分量和第一光束限定的第一平面进行两次衍射的第一分量、已经从第二反射镜反射并且由编码器标尺沿由第二分量和第一光束限定的第二平面进行两次衍射的第二分量以及已经被编码器标尺一次衍射的第三分量。第一平面和第二平面可以彼此正交。由第一分量穿过的第一空间可以具有第一OPL，由第二分量穿过的第二空间可以具有第二OPL，由第三分量穿过的第三空间可以具有第三OPL，其中第一OPL、第二OPL和第三OPL不同。衍射分量还可以包括已经从第三反射镜反射并且由编码器标尺沿着第一平面两次衍射的第四分量，以及已经从第四反射镜反射并且由编码器标尺沿着第二平面两次衍射的第五分量，其中第一平面和第二平面彼此正交，由第四分量穿过的第四空间具有第四OPL，由第五分量穿过的第五空间具有第五OPL，并且第一、第二、第三、第四和第五OPL中的每一个都不同。在一些实施方式中，第一光束的光束路径相对于编码器标尺的表面法线平行定向。在一些实施方式中，第一光束的光束路径相对于编码器标尺的表面法线倾斜地定向并且垂直于编码器标尺的周期性表面图案。在一些实施方式中，第一光束的衍射分量和第二光束形成第一输出光束，其中编码器标尺包括在二维上是周期性的表面图案。该方法还可以包括沿着不同的路径引导第三光束和第四光束，其中第三光束从编码器标尺衍射，并且其中第一光束和第三光束的路径相对于编码器标尺的表面法线倾斜地定向。该方法还可以包括将第三光束的衍射分量与第四光束组合以形成第二输出光束、针对编码器标尺的固定位置改变第三和第四光束的波长、基于第一光束和第三光束的波长的变化来确定第一光束和第三光束在光学频域中第一输出光束和第二输出光束的对比度分别是局部最大值处的波、改变编码器标尺的位置、根据编码器标尺位置的改变确定在对应局部最大值处的波长处第一输出光束和第二输出光束的干涉相位的变化，其中确定关于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于确定与编码器标尺的刚体运动的自由度的信息有关的方法，所述方法包括：沿着不同路径引导第一光束和第二光束，其中所述第一光束从编码器标尺衍射；将所述第一光束的衍射分量与所述第二光束组合，以形成干涉输出光束；监控作为第一和第二光束的波长的函数的输出光束中的干涉；以及基于作为波长的函数的输出光束的变化来确定与所述编码器标尺的刚体运动的自由度有关的信息。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.07.14 US 62/024,0101.一种用于确定与编码器标尺的刚体运动的自由度的信息有关的方法，所述方法包括：沿着不同路径引导第一光束和第二光束，其中所述第一光束从编码器标尺衍射；将所述第一光束的衍射分量与所述第二光束组合，以形成干涉输出光束；监控作为第一和第二光束的波长的函数的输出光束中的干涉；以及基于作为波长的函数的输出光束的变化来确定与所述编码器标尺的刚体运动的自由度有关的信息。2.根据权利要求1所述的方法，其中，确定与所述编码器标尺的自由度有关的信息包括确定参考表面和所述编码器标尺之间的绝对距离。3.根据权利要求1所述的方法，其中，监控所述输出光束包括确定一个或多个波长，在所述一个或多个波长处所述输出光束的对比度在光学频域中是局部最大的。4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述编码器标尺包括光栅，并且其中，所述一个或多个波长包括Littrow波长λL。5.根据权利要求3所述的方法，其中，所述编码器标尺在固定位置处，而波长是变化的。6.根据权利要求5所述的方法，还包括改变所述编码器标尺的位置；确定所述输出光束的干涉相位的变化，输出光束的干涉相位的变化是在对应于所述光学频域中的局部最大对比度的一个或多个波长中的至少一个波长处的编码器标尺位置的变化的函数，其中，确定与所述编码器标尺的刚体运动的自由度有关的信息还包括基于干涉相位的变化确定与所述编码器标尺的位置的相对变化有关的信息。7.根据权利要求6所述的方法，其中，与所述编码器标尺的位置的相对变化有关的信息包括与所述编码器标尺沿着平行于所述编码器标尺的表面法线的方向的相对位移有关的信息和/或与所述编码器标尺沿着正交于所述编码器标尺的表面法线的第一方向的相对位移有关的信息。8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光束的衍射分量包括从所述编码器标尺一次衍射的分量。9.根据权利要求8所述的方法，其中，一次衍射分量对应于来自所述编码器标尺的第m衍射阶，其中|m|＞1。10.根据权利要求1所述的方法，其中，第一光束的与所述第二光束组合的衍射分量包括由所述编码器标尺一次衍射的第一光束分量和由所述编码器标尺至少两次衍射的第二光束分量。11.根据权利要求10所述的方法，其中，对应于由所述第一光束分量穿过的空间的光学路径长度(OPL)不同于对应于由所述第二光束分量穿过的空间的OPL。12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第二分量已经从反射镜反射。13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述反射镜是平面反射镜、屋顶棱镜或角回射镜。14.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衍射分量包括：第一分量，其已经从第一反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第一平面两次衍射；第二分量，其已经从第二反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第二平面两次衍射；第三分量，其已经由所述编码器标尺一次衍射。15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一平面和所述第二平面彼此正交。16.根据权利要求14所述的方法，其中，由所述第一分量穿过的第一空间具有第一OPL，由所述第二分量穿过的第二空间具有第二OPL，由所述第三分量穿过的第三空间具有第三OPL，所述第一OPL、所述第二OPL和所述第三OPL中的每一个都不同。17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述衍射分量还包括：第四分量，其已经从第三反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第一平面两次衍射；以及第五分量，其已经从第四反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第二平面两次衍射，其中，所述第一平面和所述第二平面彼此正交，其中，由所述第四分量穿过的第四空间具有第四OPL，由所述第五分量穿过的第五空间具有第五OPL，并且其中，所述第一OPL、所述第二OPL、所述第三OPL、所述第四OPL和所述第五OPL中的每一个都不同。18.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光束的光束路径相对于所述编码器标尺的表面法线平行定向。19.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光束的光束路径相对于所述编码器标尺的表面法线倾斜定向，并且相对于所述编码器标尺的周期性表面图案正交地定向。20.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光束的衍射分量和所述第二光束形成第一输出光束，其中，所述编码器标尺包括在二维上是周期性的表面图案，并且其中，所述方法还包括：沿着不同路径引导第三光束和第四光束，其中，所述第三光束从所述编码器标尺衍射，并且其中，所述第一光束和第三光束的路径相对于所述编码器标尺的表面法线倾斜地定向；将所述第三光束的衍射分量与所述第四光束组合，以形成第二输出光束；对于所述编码器标尺的固定位置，改变所述第三光束和第四光束的波长；基于所述第一光束和所述第三光束的波长的变化，分别确定所述第一光束和所述第三光束的波长，在第一光束和第三光束的这些波长处，第一输出光束和第二输出光束的对比度在光学频域中局部最大；改变所述编码器标尺的位置；作为编码器标尺位置的函数，确定第一输出光束和第二输出光束在对应于局部最大值的波长处的干涉相位的变化，其中，确定与所述编码器标尺的刚体运动的自由度有关的信息还包括基于干涉相位的变化来确定与所述编码器标尺的位置的相对变化有关的信息。21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一光束和所述第三光束的路径位于正交平面中。22.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第一光束、所述第二光束、所述第三光束和所述第四光束具有公共源。23.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光束的光束路径相对于所述编码器标尺的表面法线平行定向，并且其中，所述衍射分量包括：第一分量，其已经从第一反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第一平面两次衍射，其中，所述第一分量在所述编码器标尺和所述第一反射镜之间的路径对应于第m衍射阶，其中，|m|＞1；以及第二分量，其已经从第二反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第一平面两次衍射，其中，所述第二分量在所述编码器标尺和所述第二反射镜之间的路径对应于第n衍射阶，其中，|n|＞1。24.根据权利要求23所述的方法，还包括基于所述第一光束的波长变化来确定所述第一光束的一个或多个波长，在所述一个或多个波长处，输出光束的对比度在光学频域中是局部最大的。25.根据权利要求24所述的方法，还包括改变所述编码器标尺的位置；以及监控作为所述编码器标尺的位置变化的函数的、在对应于局部最大对比度的一个或多个波长处的输出光束的相位变化，其中，确定与所述编码器标尺的刚体运动的自由度有关的信息包括确定与所述编码器标尺沿着平行于所述编码器标尺的表面法线的第一方向的位置的相对变化有关、所述编码器标尺沿着与所述编码器标尺的表面法线正交的第二方向的相对位移有关、以及所述编码器标尺沿着与第一和第二方向都正交的第三方向的相对位移有关的信息。26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述衍射分量还包括：第三分量，其已经从第三反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着正交于第一平面的第二平面两次衍射；以及第四分量，其已经从第四反射镜反射并且由所述编码器标尺沿着第二平面两次衍射。27.根据权利要求23所述的方法，其中，每个反射镜相对于所述编码器标尺表面的法线以不同的角度布置，使得所述第一分量和所述第二光束之间的最大对比度在光学频域中发生在第一波长处，并且所述第二分量和所述第二光束之间的最大干涉在光学频域中发生在不同于所述第一波长的第二波长处。28.根据权利要求1所述的方法，其中，确定与所述编码器标尺的位置有关的信息包括确定与所述编码器标尺沿着多达五个不同自由度的运动有关的信息。29.根据权利要求1所述的方法，其中，所述编码器标尺包括在二维中为周期性的表面图案。30.根据权利要求1所述的方法，还包括确定所述编码器标尺的尖端和/或倾斜。31.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衍射分量包括：第一分量，已经从反射镜反射并且由所述编码器标尺两次衍射，其中，所述第一分量在所述编码器标尺和所述第一反射镜之间的路径对应于第m衍射阶；以及第二分量，已经从反射镜反射并且由所述编码器标尺两次衍射，其中，所述第二分量在所述编码器标尺和所述第二反射镜之间的路径对应于第n衍射阶，其中，n≠m。32.根据权利要求31所述的方法，其中，所述第一分量和所述第二分量中的每一个在从反射镜反射之前由透射光栅衍射。33.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衍射分量包括：第一分量，已经由所述编码器标...

【专利技术属性】
技术研发人员：LL德克，J利塞纳，
申请(专利权)人：齐戈股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US