外差光纤干涉仪位移测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种外差光纤干涉仪位移测量系统及方法，其中的系统包括同时发射测量光和参考光的激光光源组件、基于第一单模光纤依次设置在测量光的光路上的第一光电探测器、第一光纤耦合器、光纤套圈、平凸透镜、第一偏振分光棱镜和反射装置，以及基于第二单模光纤依次设置在参考光的光路上的第二光电探测器、第二光纤耦合器、准直器、第二偏振分光棱镜和反射装置；其中，待测物体固定在反射装置上；对参考光和测量光进行处理，形成测量信号及参考信号，并根据测量信号及参考信号确定待测物体的位移信息。利用上述发明专利技术能够实现高精度的位移检测。

【技术实现步骤摘要】
外差光纤干涉仪位移测量系统及方法
本专利技术涉及精密位移测量
，更为具体地，涉及一种外差光纤干涉仪位移测量系统及方法。
技术介绍
精密测量是精密加工的基础，尤其对于IC装备，纳米级甚至亚纳米级的分辨率成为精密测量的标准和要求，目前是激光干涉仪和光栅干涉仪作为精密测量的研究对象，对其分辨率的要求也越来越高。现有的商用干涉仪，例如光纤耦合的干涉仪，虽然能够实现纳米级精度以及更广的应用范围。但在实际测量过程中，死程误差、热漂移误差以及光纤传输误差，均会使干涉仪的测量精度明显下降。此外，在实际位移测量过程，由于物体运动引起等因素还会引起光栅或者反射镜产生微小转角，这样会使得回光的信号质量变差，引入误差。解决转角的方法是利用光学元件将有夹角的光束变为平行光束，但仍然存在光斑分离的情况。由于光斑分离，在大行程测量的使用场景，光斑的尺寸需要增大。相较于小光斑，大光斑不仅使得测量转角范围小，而且光束的波前质量会更差。针对上述问题，专利US6020964A、专利US6980279B2均采用角锥棱镜进行回光，使得进入角锥棱镜的光与出射的光平行，即使振动等环境因素引起反射镜微小转角时，也能保证最后返回的光与入射的光平行，但是这样使得干涉仪的结构整体较大，并且在测量行程太大时会产生光斑分离的情况。专利US6897962B2发布了一种八倍细分的干涉仪，虽然会产生光斑分离，但通过加大光斑可以使得两光斑在测量行程中始终有重叠区域。但是，大光斑也同时存在一定的问题，例如当空气扰动时，会使得空气折射率不稳定，从而光斑的波前变得紊乱，信号的质量变差，且死程和温漂的误差也会变大。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种外差光纤干涉仪位移测量系统及方法，以解决目前的干涉测量仪存在的体积大、检测质量差、准确度低等问题。本专利技术提供的外差光纤干涉仪位移测量系统，包括同时发射测量光和参考光的激光光源组件、基于第一单模光纤依次设置在测量光的光路上的第一光电探测器、第一光纤耦合器、光纤套圈、平凸透镜、第一偏振分光棱镜和第一反射装置，以及基于第二单模光纤依次设置在参考光的光路上的第二光电探测器、第二光纤耦合器、准直器、第二偏振分光棱镜和第二反射装置；其中，待测物体固定在第一反射装置上；测量光依次通过光纤套圈、平凸透镜、第一偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经第一反射装置、第一偏振分光棱镜、平凸透镜、光纤套圈和第一单模光纤反馈至第一光纤耦合器处，同时另一束光经第二偏振分光棱镜、准直器和第二单模光纤反馈至第二光纤耦合器处；参考光依次通过准直器、第二偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经第二反射装置、第二偏振分光棱镜、准直器和第二单模光纤反馈至第二光纤耦合器处，同时另一束光经第一偏振分光棱镜、平凸透镜和第一单模光纤反馈至第一光纤耦合器处；第一光纤耦合器将处理后的测量光和参考光耦合至第一光电探测器处，以形成测量信号；第二光纤耦合器将处理后的参考光和测量光耦合至第二光电探测器处，以形成参考信号；根据测量信号及参考信号确定待测物体的位移信息。此外，优选的技术方案是，激光光源组件包括单频激光器、与单频激光器连接的光纤分束器，以及与光纤分束器连接的第一声光调制器和第二声光调制器；其中，单频激光器发射的光束经光纤分束器后形成两束光，其中一束光经第一声光调制器移频处理后，形成测量光，另一束光经第二声光调制器移频处理后，形成参考光。此外，优选的技术方案是，激光光源组件包括第一激光发射器和第二激光发射器；第一激光发射器发射测量光，第二激光发射器发射与测量光频率相同的参考光。此外，优选的技术方案是，参考光通过第二单模光纤后经准直器处理，形成偏振角度为45°的第一线偏振光；第一线偏振光经第二偏振分光棱镜，形成第一P光和第一S光；第一P光投射至第二反射装置，并返回至准直器和第二单模光纤；第一S光反射至第一偏振分光棱镜后，经平凸透镜汇聚至第一单模光纤。此外，优选的技术方案是，测量光通过第一单模光纤后，通过平凸透镜形成偏振角度为45度的第二线偏振光；第二线偏振光经第一偏振分光棱镜后，形成第二P光和第二S光；第二S光反射至第二偏振分光棱镜后，通过准直镜进入第二单模光纤；第二P光投射后的光束(1.1)到达第一反射装置，反射的光束(1.2)经平凸透镜后打在光纤套圈端面上并反射至平凸透镜，再次通过平凸透镜后的光束(1.3)与光束(1.2)平行，光束(1.3)经第一反射装置反射后的光束(1.4)与光束(1.1)平行；光束(1.4)通过平凸透镜后汇聚至第一单模光纤中。此外，优选的技术方案是，进入第一单模光纤的光束(1.4)和第一S光传输至第一光纤耦合器，并通过第一光纤耦合器耦合至第一光电探测器，第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号；进入第二单模光纤的第二S光和第一P光传输至第二光纤耦合器，并通过第二光纤耦合器耦合至第二光电探测器，第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号。此外，优选的技术方案是，第一反射装置的位移信息的表示公式如下：其中，Δz表示位移信息，λ表示光束在空气中的波长，表示测量信号鉴相后的相位，表示参考信号鉴相后的相位，θ为第一反射装置相对y轴方向的安装角。此外，优选的技术方案是，参考信号鉴相后的相位基于第一单模光纤和第二单模光纤的扰动误差形成；通过作差法去除扰动误差。此外，优选的技术方案是，第一反射装置为反射镜或者光栅。根据本专利技术另一方面，提供一种外差光纤干涉仪位移测量方法，利用上述外差光纤干涉仪位移测量系统对待测物体进行位移测量；其中，方法包括：测量光依次通过光纤套圈、平凸透镜、第一偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经第一反射装置、第一偏振分光棱镜、平凸透镜、光纤套圈和第一单模光纤反馈至第一光纤耦合器处，同时另一束光经第二偏振分光棱镜、准直器和第二单模光纤反馈至第二光纤耦合器处；参考光依次通过准直器、第二偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经第二反射装置、第二偏振分光棱镜、准直器和第二单模光纤反馈至第二光纤耦合器处，同时另一束光经第一偏振分光棱镜、平凸透镜和第一单模光纤反馈至第一光纤耦合器处；第一光纤耦合器将处理后的测量光和参考光耦合至第一光电探测器处，以形成测量信号；第二光纤耦合器将处理后的参考光和测量光耦合至第二光电探测器处，以形成参考信号；根据测量信号及参考信号确定待测物体的位移信息。利用上述外差光纤干涉仪位移测量系统及方法，具有对环境不敏感、测量精度高、体积小、质量轻，转角测量范围大，测量行程大等优点，可提高光刻机超精密工件台位置测量系统的综合性能。为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本专利技术的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。附图说明通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本专利技术的更全面理解，本专利技术的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为根据本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种外差光纤干涉仪位移测量系统，其特征在于，包括同时发射测量光和参考光的激光光源组件、基于第一单模光纤依次设置在所述测量光的光路上的第一光电探测器、第一光纤耦合器、光纤套圈、平凸透镜、第一偏振分光棱镜和第一反射装置，以及基于第二单模光纤依次设置在所述参考光的光路上的第二光电探测器、第二光纤耦合器、准直器、第二偏振分光棱镜和第二反射装置；其中，所述待测物体固定在所述第一反射装置上；/n所述测量光依次通过所述光纤套圈、所述平凸透镜、所述第一偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经所述第一反射装置、所述第一偏振分光棱镜、所述平凸透镜、所述光纤套圈和所述第一单模光纤反馈至所述第一光纤耦合器处，同时另一束光经所述第二偏振分光棱镜、所述准直器和所述第二单模光纤反馈至所述第二光纤耦合器处；/n所述参考光依次通过所述准直器、所述第二偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经所述第二反射装置、所述第二偏振分光棱镜、所述准直器和所述第二单模光纤反馈至所述第二光纤耦合器处，同时另一束光经所述第一偏振分光棱镜、所述平凸透镜和所述第一单模光纤反馈至所述第一光纤耦合器处；/n所述第一光纤耦合器将处理后的测量光和参考光耦合至所述第一光电探测器处，以形成测量信号；所述第二光纤耦合器将处理后的参考光和测量光耦合至所述第二光电探测器处，以形成参考信号；/n根据所述测量信号及所述参考信号确定所述待测物体的位移信息。/n...

【技术特征摘要】
1.一种外差光纤干涉仪位移测量系统，其特征在于，包括同时发射测量光和参考光的激光光源组件、基于第一单模光纤依次设置在所述测量光的光路上的第一光电探测器、第一光纤耦合器、光纤套圈、平凸透镜、第一偏振分光棱镜和第一反射装置，以及基于第二单模光纤依次设置在所述参考光的光路上的第二光电探测器、第二光纤耦合器、准直器、第二偏振分光棱镜和第二反射装置；其中，所述待测物体固定在所述第一反射装置上；
所述测量光依次通过所述光纤套圈、所述平凸透镜、所述第一偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经所述第一反射装置、所述第一偏振分光棱镜、所述平凸透镜、所述光纤套圈和所述第一单模光纤反馈至所述第一光纤耦合器处，同时另一束光经所述第二偏振分光棱镜、所述准直器和所述第二单模光纤反馈至所述第二光纤耦合器处；
所述参考光依次通过所述准直器、所述第二偏振分光棱镜后形成两束光，一束光经所述第二反射装置、所述第二偏振分光棱镜、所述准直器和所述第二单模光纤反馈至所述第二光纤耦合器处，同时另一束光经所述第一偏振分光棱镜、所述平凸透镜和所述第一单模光纤反馈至所述第一光纤耦合器处；
所述第一光纤耦合器将处理后的测量光和参考光耦合至所述第一光电探测器处，以形成测量信号；所述第二光纤耦合器将处理后的参考光和测量光耦合至所述第二光电探测器处，以形成参考信号；
根据所述测量信号及所述参考信号确定所述待测物体的位移信息。


2.如权利要求1所述的外差光纤干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述激光光源组件包括单频激光器、与所述单频激光器连接的光纤分束器，以及与所述光纤分束器连接的第一声光调制器和第二声光调制器；其中，
所述单频激光器发射的光束经所述光纤分束器后形成两束光，其中一束光经所述第一声光调制器移频处理后，形成所述测量光，另一束光经所述第二声光调制器移频处理后，形成所述参考光。


3.如权利要求1所述的外差光纤干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述激光光源组件包括第一激光发射器和第二激光发射器；
所述第一激光发射器发射所述测量光，所述第二激光发射器发射与所述测量光频率相同的所述参考光。


4.如权利要求1所述的外差光纤干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述参考光通过所述第二单模光纤后经所述准直器处理，形成偏振角度为45°的第一线偏振光；
所述第一线偏振光经所述第二偏振分光棱镜，形成第一P光和第一S光；所述第一P光投射至所述第二反射装置，并返回至所述准直器和所述第二单模光纤；
所述第一S光反射至所述第一偏振分光棱镜后，经所述平凸透镜汇聚至所述第一单模光纤。


5.如权利要求4所述的外差光纤干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述测量光通过所述第一单模光纤后，通过所述平凸透镜形成偏振角度为45度的第二线偏振光；
所述第二线偏振光经所述第一偏振...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙国华，程朝奎，郭升莉，
申请(专利权)人：北京华卓精科科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11