一种基于衍射光栅的光学读数头属于微纳米测量技术，包括激光器、隔离器、偏振分光棱镜、反射镜、1/4波片、衍射光栅、光阑、四象限光电二极管传感器，其激光器发出线偏振激光光束经隔离器由偏振分光棱镜分为P偏振光和S偏振光，由反射镜分别将两路光反射到光栅表面进行两次衍射后，按原路返回至分光棱镜出射，经1/4波片被四象限光电二极管传感器接收，经放大转化电路处理后得到四路相差90°的正弦信号用于后续处理，得到被测物的位移信息；本读数头结构简单，调整方便，光路系统易于复现，利于系统的集成化和小型化，提高了系统的分辨力和稳定性。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于微纳米测量技术，主要涉及一种应用在光刻平台的高精度高速率的光栅式位移测量装置。
技术介绍
随着现代科学技术的不断进步，微电子制造工业、纳米技术、航空航天技术以及MEMS等技术得到了蓬勃发展。而这些技术的实现必须以精密的测试技术作为基础，这使超精密位移测量技术成为现代工业得以进步的前提条件。光学测量方法以其高测量精度、非接触、宽动态范围和易于数字化的特点而显示出独特的优势，而光学测量方法中的光栅式位移测量相较于激光干涉测量，以不易受环境干扰、对光源要求低、光路以及机械结构简单、成本低等优点被越来越重视。 2000年，台湾大学机械所范光照教授及苏宗德等人，建立了一套用以测量位移及工件表面形貌的光栅干涉仪。该系统具有体积小且安装简易等优点，而该系统所用到的光学读数头就是最基本的基于衍射反射光栅干涉的单光栅位移测量系统，激光照射的光栅衍射面发生衍射，得到两束衍射光用于干涉测量，这两束光又经反射镜、分光镜后重合叠加，得到差频干涉的莫尔条纹，实现光学二细分。2006年，刘玉圣在其硕士论文中提出了一种光学读数头的结构，利用两个直角棱镜，将经衍射光栅一次衍射后的土 I级衍射光循平行于入射光返回光栅，发生二次衍射，该一次衍射光从光栅表面垂直射出经四分之一玻片被接收器接收，随着光栅的移动可以检出两路正交的正弦信号，从而实现了光学四细分，提高了测量的分辨率。但该光学读数头光路搭建复杂，对光学器件提出了较高的要求，同时较多的光学器件不利于小型化，光路的不完全对称也给系统带来了一定的误差。有鉴于此，如何提供一种光学读数头，以期能够实现高分辨力、便于小型化，正是当前的重要课题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对精密制造领域中特别是光刻平台中高定位精度的实现对高测量速度、高测量精度的位移测量系统的需求，提供一种适用于光栅式位移测量装置的光学读数头，不仅实现了光学四倍频，提高了测量的分辨率，而且光学元器件的较少使用及完全对称光路的使用减少了系统的误差、便于系统的集成化、小型化。本专利技术的目的是这样实现的一种基于衍射光栅的光学读数头，在激光器的直射光路上依次配置隔离器和偏振分光棱镜，在偏振分光棱镜的呈相互垂直的透射光路和反射光路上分别配置反射镜A和反射镜B，且所述的偏振分光棱镜的透射光路在反射镜A上的交点与偏振分光棱镜的反射光路在反射镜B上的交点相互对称；衍射光栅配置在反射镜A和反射镜B的对称地反射光路上，在衍射光栅的两路一级衍射光路上配置光阑、1/4波片A和反射镜C，所述的衍射光栅位于两路一级衍射光路经反射镜C按一级衍射光原路反射回的入射点位置上；在偏振分光棱镜位于反射镜B相对一侧部位上且与偏振分光棱镜反射光路同轴线位置处配置1/4波片B和四象限光电二极管传感器。如上所述的光学读数头，偏振分光棱镜的偏振角为0°，1/4波片A、B其快轴的方向与水平方向成45°。偏振分光棱镜的偏振角为0°可以得到透射部分为P偏振光,反射部分为S偏振光的两路测量光束；1/4波片A快轴方向与水平方向成45° ,使得一级衍射光第一经过它后由线偏振光变为圆偏振光，再经反射镜反射后第二次经过它时可以看成快轴方向与水平方向成-45° ,将圆偏振光变为与其垂直的椭圆偏振光；1/4波片B其快轴的方向与水平方向成45° 二次衍射的光出射后变为左旋光和右旋光，此时两束光的振动方向为90度，不会发生干涉。 与现有技术相比，本专利技术的特点和有益效果是I.本专利技术利用光栅测量系统光路设计中多次衍射原则，设计了新的基于衍射反射光栅的光学读数头，光路使用一级衍射光作为测量光，通过反射镜的反射作用进行二次衍射，激光的多次多普勒频移效果叠加，将摩尔条纹进行了四次倍频，提高了整个系统的分辨力。2.反射镜的利用不仅保证了光学四倍频的实现，提高了系统的分辨率，而且使得干涉的两路光的光路具有完全对称性，使其通过相同的光学元件，尽量保证了光程差为零，同时外界对两路光的干扰相近，可在后续的处理中消除共模干扰，从而提高了系统的稳定性。3.整个光学读数头使用了较少的光学元件，光路系统结构简单，调试相对容易，光路系统易于复现，同时利于整个系统的集成化和小型化。附图说明图I为一种基于衍射光栅的光学读数头结构示意图。其中1激光器；2隔离器；3偏振分光棱镜；4反射镜A ；5反射镜B ；6衍射光栅；7光阑；81/4波片A ；9反射镜C ；101/4波片B ;11四象限光电二极管传感器。具体实施例方式下面结合附图对本专利技术实施方案进行详细描述。一种基于衍射光栅的光学读数头，在激光器I的直射光路上依次配置隔离器2和偏振分光棱镜3,在偏振分光棱镜3的呈相互垂直的透射光路和反射光路上分别配置反射镜A4和反射镜B5,且所述的偏振分光棱镜3的透射光路在反射镜A4上的交点与偏振分光棱镜的反射光路在反射镜B5上的交点相互对称；衍射光栅6配置在反射镜A4和反射镜B5的对称地反射光路上，在衍射光栅6的两路一级衍射光路上配置光阑7、1/4波片AS和反射镜C9，所述的衍射光栅6位于两路一级衍射光路经反射镜C9按一级衍射光原路反射回的入射点位置上；在偏振分光棱镜3位于反射镜B5相对一侧部位上且与偏振分光棱镜3反射光路同轴线位置处配置1/4波片BlO和四象限光电二极管传感器11，偏振分光棱镜3的偏振角为0°，1/4波片A(8)和1/4波片B(IO)的快轴的方向与水平方向成45°。本实施例测量头中采用基于衍射光栅的光学读数头，以其光学读数头中激光器I作为激光光源器件，激光光束经隔离器2到达偏振分光棱镜3，由分光棱镜3得到两路光，透射部分为P偏振光，反射部分为S偏振光,两路光分别由反射镜A4和反射镜B5到达衍射光栅6表面,发生第一次衍射,一级衍射光经反射镜入射回衍射光栅6表面原点,而在该过程中经过两次1/4波片AS，使线偏振光变为椭圆偏振光，然后发生二次衍射，第二次衍射的一级衍射光按原路返回到反射镜A4和反射镜B5，两路光又经过偏振分光棱镜3从第二光轴方向出射，穿过1/4波片BlO后分别变为左旋光和右旋光，两路光最后到达四象限光电二极管传感器11。具体实施中，上述器件中的偏振分光棱镜3的偏振角为0° , 1/4波片A8、BlO其快轴的方向与水平方向成45°。这样偏振分光棱镜的偏振角为0°可以得到透射部分为P偏振光，反射部分为S偏振光的两路测量光束；1/4波片A8快轴方向与水平方向成45° ,使得··级衍射光第一经过它后由线偏振光变为圆偏振光，再经反射镜反射后第二次经过它时可以看成快轴方向与水平方向成-45°，将圆偏振光变为与其垂直的椭圆偏振光；1/4波片BlO其快轴的方向与水平方向成45° 二次衍射的光出射后变为左旋光和右旋光，此时两束光的振动方向为90度，不会发生干涉。·本实施例中反射镜A4和反射镜B5关于偏振分光棱镜3对称，从而保证整个系统具有对称性，而两路光分别由反射镜A4和反射镜B5反射，入射到衍射光栅上，发生第一次衍射，当以及衍射光垂直光栅表面出射时，其入射角应该满足「 Π · ·又I = arcsin — d在实施过程中，不断调整反射镜A4和反射镜B5使光束射入衍射光栅的入射角满足上式，则衍射光垂直出射，而光阑7、1/4波片AS，反射镜ClO都处于垂直光线上，并保证两束光都能被完全反射回衍射光栅表面。具体实施中本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于衍射光栅的光学读数头，其特征在于在激光器(1)的直射光路上依次配置隔离器(2)和偏振分光棱镜(3)，在偏振分光棱镜(3)的呈相互垂直的透射光路和反射光路上分别配置反射镜A(4)和反射镜B(5)，且所述的偏振分光棱镜(3)的透射光路在反射镜A(4)上的交点与偏振分光棱镜(3)的反射光路在反射镜B(5)上的交点相互对称；衍射光栅(6)配置在反射镜A(4)和反射镜B(5)的对称地反射光路上，在衍射光栅(6)的两路一级衍射光路上配置光阑(7)、1/4波片A(8)和反射镜C(9)，所述的衍射光栅(6)位于两路一级衍射光路经反射镜C(9)按一级衍射光原路反射回的入射点位置上；在偏振分光棱镜(3)位于反射镜B(5)相对一侧部位上且与偏振分光棱镜(3)反射光路同轴线位置处配置1/4波片B(10)和四象限光电二极管传感器(11)。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王雷，谭久彬，杨远源，赵勃，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：
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