一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器制造技术

本发明专利技术属于位移传感器技术领域，具体涉及一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，包括激光器、准直扩束器、上层光栅、下层四象限阵列光栅、四象限探测器、细分电路模块，所述激光器的光路方向上设置有准直扩束器，所述准直扩束器的光路方向上设置有上层光栅，所述上层光栅的光路方向上设置有下层四象限阵列光栅，所述下层四象限阵列光栅的光路方向上设置有四象限探测器，所述四象限探测器与细分电路模块电性连接。本发明专利技术实现了面内位移高分辨检测功能。基于光学自成像细分成像效应，实现了变化周期为光栅周期的二分之一的光学细分，解决了传统双层光栅位移传感器无法实现光学细分的难题，提高了位移分辨率。提高了位移分辨率。提高了位移分辨率。

【技术实现步骤摘要】
一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器


[0001]本专利技术属于位移传感器
，具体涉及一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器。

技术介绍

[0002]超精密、高稳定性的二维位移测量在半导体制造、光刻、芯片加工制备等领域的发展过程中发挥着极其重要的作用。近年来，光刻和芯片制造技术快速发展，对位移测量精度、稳定性、行程等技术指标提出了更高的要求。目前，主流的位移检测原理包括：激光干涉式测量法以及利用光栅的单次一级衍射光干涉效应的光栅式位移测量。其中，光栅式位移传感器受益于其能进行绝对位置测量的优点，在光刻机、原子力显微镜等集成化精密加工测试设备与系统中得到广泛应用。传统光栅式位移检测的原理基于多路衍射光的干涉效应。此类器件采用空间光干涉技术，并且需要滤波片、分束器、反射镜等大量光学元件，使得系统复杂、体积较大、稳定性差。此外，该方法需要采用两个一维位移传感器组合的方式，实现二维位移测量。过程中由于存在系统装配误差，往往会对测量精度造成较大影响。基于光学自成像原理，采用双层光栅结构可以顺利实现面内二维位移测量，该方案可以有效简化光路结构、提高系统稳定性和集成度。然而，该方法相较于传统多级次衍射干涉式位移传感器而言，无法实现光学细分，因此在相同电子细分倍数情况下分辨率较差。

技术实现思路

[0003]针对上述传统光栅式位移检测系统复杂、体积较大、稳定性差，且采用双层光栅结构无法实现光学细分的技术问题，本专利技术提供了一种结构简单、体积小、稳定性强、分辨率高的具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，包括激光器、准直扩束器、上层光栅、下层四象限阵列光栅、四象限探测器、细分电路模块，所述激光器的光路方向上设置有准直扩束器，所述准直扩束器的光路方向上设置有上层光栅，所述上层光栅的光路方向上设置有下层四象限阵列光栅，所述下层四象限阵列光栅的光路方向上设置有四象限探测器，所述四象限探测器与细分电路模块电性连接。
[0006]所述上层光栅与待测位移物体贴合连接，所述下层四象限阵列光栅与四象限探测器贴合连接。
[0007]所述上层光栅采用二维蜂窝状六边形圆孔周期结构分布，所述上层光栅的每行或每列圆孔的圆心在同一平行线上，相邻所述平行线之间的距离为光栅周期长度，相邻所述平行线上的圆孔彼此相外切。
[0008]所述下层四象限阵列光栅采用四象限阵列圆孔二维平面光栅，所述下层四象限阵列光栅包括第一象限光栅、第二象限光栅、第三象限光栅和第四象限光栅，所述第一象限光栅与第二象限光栅并列设置，所述第三象限光栅与第四象限光栅并列设置。
[0009]所述第一象限光栅与第二象限光栅在横向距离上相隔n+1/4(n＝0,1,2,3
…
)个光栅周期，所述第三象限光栅与第四象限光栅在纵向距离上相隔n+1/4(n＝0,1,2,3
…
)个光栅周期。
[0010]所述激光器的激光波长为635nm，所述激光器的功率为1.2mw，所述细分电路模块的电路细分倍数为1000倍。
[0011]所述上层光栅和下层四象限阵列光栅的光栅圆孔直径为450nm，所述上层光栅和下层四象限阵列光栅的光栅占空比为0.5，所述上层光栅和下层四象限阵列光栅的光栅厚度为150nm，所述上层光栅和下层四象限阵列光栅的光栅材料为AI，所述上层光栅和下层四象限阵列光栅的光栅周期为900nm，所述上层光栅的光栅面积为10mm*10mm。
[0012]所述第一象限光栅、第二象限光栅、第三象限光栅和第四象限光栅的光栅面积均为2.5mm*2.5mm。
[0013]所述下层四象限阵列光栅位于上层光栅的有效自成像距离D之内，所述下层四象限阵列光栅处于自成像半周期或周期位置Z处；
[0014][0015][0016]所述d为上层光栅与下层四象限阵列光栅的光栅周期，所述N为光栅周期的个数，所述n为单个周期光栅的衍射级次，所述N、n均为整数0、1、2
…
。
[0017]一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器测量方法，包括下列步骤：
[0018]S1、激光器发出的光经准直扩束器准直扩束后，沿直线传播并径直入射到上层光栅上；
[0019]S2、上层光栅与待测位移物体贴合在一起，随待测位移物体一起在平面内进行移动；
[0020]S3、光束径直穿过下层四象限阵列光栅，下层四象限阵列光栅与四象限探测器紧紧贴合在一起；
[0021]S4、由四象限探测器将上层光栅、下层四象限阵列光栅在二维平面产生面内相对移动时整个系统光强透射率信号进行采集，得到两组共四路正弦信号；
[0022]S5、每组信号由两路相位彼此相差90
°
的正余弦信号组成，分别用于X方向和Y方向位移的检测，定义横向方向为X方向，定义纵向方向为Y方向，第一象限光栅与第二象限光栅产生X方向的信号，第三象限光栅与第四象限光栅产生Y方向的信号；
[0023]S6、两组信号通过细分电路模块对信号进行细分调制，对待测位移物体的面内位移进行测量。
[0024]本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0025]本专利技术基于双层二维圆孔阵列光栅结构光学自成像原理，实现了面内位移高分辨检测功能。基于光学自成像细分成像效应，实现了变化周期为光栅周期的二分之一的光学细分，即实现了两倍的光学细分，解决了传统双层光栅位移传感器无法实现光学细分的难
题，提高了位移分辨率；并且本专利技术光路简单，无需反射镜、棱镜、滤光片、分束器等光学元件，光路简单，系统稳定，抗干扰能力强，利于微型化、集成化、高分辨位移检测应用。
附图说明
[0026]为了更清楚地说明本专利技术的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。
[0027]本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本专利技术可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本专利技术所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本专利技术所揭示的
技术实现思路
能涵盖的范围内。
[0028]图1为本专利技术的整体结构示意图；
[0029]图2为本专利技术上层光栅的结构示意图；
[0030]图3为本专利技术上层光栅的二维面内仿真结果图；
[0031]图4为本专利技术上层光栅沿Z方向离面仿真结果图；
[0032]图5为本专利技术下层四象限阵列光栅的结构示意图；
[0033]图6为本专利技术四象限探测器输出四个象限面内位移信号图；
[0034]图7为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，其特征在于：包括激光器(1)、准直扩束器(2)、上层光栅(3)、下层四象限阵列光栅(4)、四象限探测器(5)、细分电路模块(6)，所述激光器(1)的光路方向上设置有准直扩束器(2)，所述准直扩束器(2)的光路方向上设置有上层光栅(3)，所述上层光栅(3)的光路方向上设置有下层四象限阵列光栅(4)，所述下层四象限阵列光栅(4)的光路方向上设置有四象限探测器(5)，所述四象限探测器(5)与细分电路模块(6)电性连接。2.根据权利要求1所述的一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，其特征在于：所述上层光栅(3)与待测位移物体贴合连接，所述下层四象限阵列光栅(4)与四象限探测器(5)贴合连接。3.根据权利要求1所述的一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，其特征在于：所述上层光栅(3)采用二维蜂窝状六边形圆孔周期结构分布，所述上层光栅(3)的每行或每列圆孔的圆心在同一平行线上，相邻所述平行线之间的距离为光栅周期长度，相邻所述平行线上的圆孔彼此相外切。4.根据权利要求1所述的一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，其特征在于：所述下层四象限阵列光栅(4)采用四象限阵列圆孔二维平面光栅，所述下层四象限阵列光栅(4)包括第一象限光栅(401)、第二象限光栅(402)、第三象限光栅(403)和第四象限光栅(404)，所述第一象限光栅(401)与第二象限光栅(402)并列设置，所述第三象限光栅(403)与第四象限光栅(404)并列设置。5.根据权利要求4所述的一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，其特征在于：所述第一象限光栅(401)与第二象限光栅(402)在横向距离上相隔n+1/4(n＝0,1,2,3
…
)个光栅周期，所述第三象限光栅(403)与第四象限光栅(404)在纵向距离上相隔n+1/4(n＝0,1,2,3
…
)个光栅周期。6.根据权利要求1所述的一种具有光学自细分功能的二维点阵光栅面内位移传感器，其特征在于：所述激光器(1)的激光波长为635nm，所述激光器(1)的功率为1.2mw，所述细分电路模块(6)的电路细分倍数为1000倍。7.根据权利要求1所述的一种具有...

【专利技术属性】
技术研发人员：辛晨光，马霄琛，李孟委，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：