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二维光栅位移测量技术综述

刘兆武 尹云飞 吉日嘎兰图 于宏柱 王玮 李晓天 鲍赫 李文昊 郝群

刘兆武, 尹云飞, 吉日嘎兰图, 于宏柱, 王玮, 李晓天, 鲍赫, 李文昊, 郝群. 二维光栅位移测量技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0237
引用本文: 刘兆武, 尹云飞, 吉日嘎兰图, 于宏柱, 王玮, 李晓天, 鲍赫, 李文昊, 郝群. 二维光栅位移测量技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0237
LIU Zhao-Wu, YIN Yun-Fei, JIRIGALANTU, YU Hong-Zhu, WANG Wei, LI Xiao-tian, Bao He, LI Wen-hao, HAO Qun. Overview of 2D grating displacement measurement technology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0237
Citation: LIU Zhao-Wu, YIN Yun-Fei, JIRIGALANTU, YU Hong-Zhu, WANG Wei, LI Xiao-tian, Bao He, LI Wen-hao, HAO Qun. Overview of 2D grating displacement measurement technology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0237

二维光栅位移测量技术综述

doi: 10.37188/CO.2019-0237
基金项目: 国家重点研发计划项目(No. 2016YFB0500100);吉林省科技发展计划(No. 20190201021JC、No. 20180201035GX、No. 20190302047GX);中科院院地合作项目(No. 2018SYHZ0014);广东省重点领域研发计划项目(No. 2019B010144001);国家自然科学基金(No. 61975255);民用航天预研项目(No. D040101)
详细信息
    作者简介:

    刘兆武(1987—),男,黑龙江齐齐哈尔人,博士,2006年于哈尔滨工业大学获得学士学位,2017年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,主要从事全息光栅研制和精密位移测量等方面研究。E-mail:zhaowuliu@ciomp.ac.cn

    吉日嘎兰图(1977—),男,内蒙古锡林郭勒人,博士,研究员,2001年、2006年于长春工业大学分别获得学士、硕士学位,2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光栅制造、微纳米加工及测量技术研究。E-mail:jiri5998@163.com

    李文昊(1980—),男,内蒙古赤峰人,博士,研究员,2002 年于陕西科技大学获学士学位,2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,主要从事光栅设计理论、光栅制造技术、光栅应用等方面的研究。E-mail:liwh@ciomp.ac.cn

    郝 群(1968—),女,博士,教授,1998年于清华大学获工学博士学位,主要从事智能光电感测技术、精密光学测量及仪器等方面的研究。E-mail:qhao@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Overview of 2D grating displacement measurement technology

Funds: Supported by the National Key R & D Plan (No. 2016YFB0500100); Jinlin Province Science and Technology Development Plan (No. 20190201021JC、No. 20180201035GX、No. 20190302047GX); Local Cooperation Project of Chinese Academy of Sciences (No. 2018SYHZ0014); R & D Projects in Key Areas of Guangdong Province (No. 2019B010144001); National Natural Science Foundation of China (No. 61975255), Civil Aerospace Pre-research Project (No. D040101)
More Information
  • 摘要: 超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础,在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多自由度位移测量,光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比,大大降低了对使用环境的湿度、温度和气压的要求。本文主要介绍了近年来国内外基于二维光栅的位移传感系统光学结构的发展现状,从零差式和外差式光栅干涉测量原理入手,综述了基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构发展历程,对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点,并展望了二维光栅位移测量系统的发展趋势,总结了二维光栅位移测量系统的工程化进程。
  • 图  1  迈克尔逊型的零差式光栅位移测量系统

    Figure  1.  A Michelson-type homodyne grating displacement measurement system

    图  2  迈克尔逊型外差式光栅位移测量系统

    Figure  2.  A Michelson-type heterodyne grating displacement measuring system

    图  3  荷兰ASML公司的二维位移测量系统原理图

    Figure  3.  Schematic diagram of the two-dimensional displacement measurement system of ASML in the Netherlands

    图  4  基于对角线的HGI的光学结构图

    Figure  4.  Optical Structure of HGI based on diagonal

    图  5  空间分离式外差二自由度平面光栅位移测量光学结构

    Figure  5.  Optical structure of spatially separated heterodyne grating displacement measurement with two-degree-of-freedom

    图  6  三轴角误差检测自准直器原理图

    Figure  6.  Schematic diagram of self-collimator used for Triaxial angle error detection

    图  7  三轴平面编码器原理图

    Figure  7.  Schematic diagram of three-axis plane encoder

    图  8  六自由度编码器。(a)六自由度平面编码器样机;(b)简单传感器设计示意图

    Figure  8.  Six degrees of freedom encoder. (a) 6-DOF planar encoder prototype; (b) simple sensor design schematic

    图  9  Hsieh等人的位移测量结构图。(a)三自由度位移测量原理图;(b)六自由度位移测量原理图

    Figure  9.  Displacement measurement structure introduced by Hsieh et al. (a) Principle diagram of three-degree-of-freedom displacement measurement; (b) principle diagram of six-degree-of-freedom displacement measurement

    图  10  魏培培等人的位移测量结构图

    Figure  10.  Structural diagram of displacement measurement by Wei Peipei et al.

    表  1  二维光栅位移测量系统性能对比表

    Table  1.   Comparison table of properties of two-dimensional grating displacement measurement systems

    光栅分类研究单位/公司/
    研究者
    xy分辨率/nm光学传感头尺寸/测量范围系统稳定性优点缺点
    正交式光栅测量系统 荷兰的ASML ___ 400 mm×400 mm大型二维平面光栅。 ___ 同时进行XZ向测量,把分光和移相等都合成于一个单元,得到小型化的产品。 棱镜结构和光路结构复杂,衍射测量的位置不同。
    单二维光栅 国防科技大学
    林存宝等
    分辨率优于0.125 nm,往返10 μm内可在x向和y向达2.35 nm和
    3.24 nm。
    xy方向测量范围可达:9.981 μm和
    9.978 μm。
    在10分钟内系统的稳定性分别优于
    4 nm和6 nm。
    同时实现高对比度和高信噪比;可获得八倍细分。 透镜要求高,安装难度大,稳定性能差。
    哈尔滨工业大学
    谭久彬等
    分辨率优于0.122 nm。 125 mm×125 mm,可对xy方向上30 μm的位移进
    行测量。
    机械振动引起的实时测量误差不超过
    0.15 μm,且测量重复性优于±57 nm
    成本低,可实现两次衍射;同时消除了周期非线性误差;增强测头的角度容差。 信噪比低,振动影响大,安装难度大,没有进行减重考虑。
    双二维光栅 日本学者Gao.W等 x轴与y轴分辨率均在
    1 nm以上。
    光学传感头尺寸约为50 mm (X)×50 mm (Y)×30 mm (Z)。 XYZ方向上插补误差的峰谷振幅分别为±10 nm、
    ±10 nm和±3 nm
    系统原理简单;可分别实现三维位移测量和三维角度测量 安装定位要求高,没进行小型化考虑。
    日本学者Li.X等 可分辨Δx、Δy、Δz向上的2 nm阶跃运动,θxθy方向上的0.1角秒阶跃运动及θz方向上0.3角秒阶跃运动。 传感器头的尺寸为
    95 mm (X) ×90 mm (Y) ×25 mm (Z)。
    XYZ方向上,偏振误差的峰谷振幅分别为±6 nm、
    ±7 nm和±6 nm
    测量范围大;可实现六个自由度的测量;运用十字光栅进行精准定位。 器件要求高;
    安装难度大。
    多二维光栅 中国台湾国立中央大学Hsieh等 两轴分辨率优于3 nm,实现六自由度,位移和角度测量分辨率分别为2 nm和0.05 μrad。 闭环配置驱动压电平台,可实现X, YZ方向上1 μm的移
    动距离。
    在1小时内分辨率稳定性可达14 nm。 同时实现六个自由度测量和长行程测量,测量精度高。 稳定性能差,结构复杂,高密度平面光栅的测量精度范围小。
    哈尔滨工业大学
    温凤等
    X向和Y向实现光学2倍细分,不进行电学细分情况下,检测分辨力为
    $2\sqrt 2 $ μm。
    两方向运动范围均为100 μm,Z向的运动范围为20 mm。 ___ 杂散光影响小 装备误差大,光能利用率低。
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-09
  • 修回日期:  2020-01-21
  • 网络出版日期:  2020-06-29

二维光栅位移测量技术综述

doi: 10.37188/CO.2019-0237
    基金项目:  国家重点研发计划项目(No. 2016YFB0500100);吉林省科技发展计划(No. 20190201021JC、No. 20180201035GX、No. 20190302047GX);中科院院地合作项目(No. 2018SYHZ0014);广东省重点领域研发计划项目(No. 2019B010144001);国家自然科学基金(No. 61975255);民用航天预研项目(No. D040101)
    作者简介:

    刘兆武(1987—),男,黑龙江齐齐哈尔人,博士,2006年于哈尔滨工业大学获得学士学位,2017年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,主要从事全息光栅研制和精密位移测量等方面研究。E-mail:zhaowuliu@ciomp.ac.cn

    吉日嘎兰图(1977—),男,内蒙古锡林郭勒人,博士,研究员,2001年、2006年于长春工业大学分别获得学士、硕士学位,2011年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事光栅制造、微纳米加工及测量技术研究。E-mail:jiri5998@163.com

    李文昊(1980—),男,内蒙古赤峰人,博士,研究员,2002 年于陕西科技大学获学士学位,2008年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获博士学位,主要从事光栅设计理论、光栅制造技术、光栅应用等方面的研究。E-mail:liwh@ciomp.ac.cn

    郝 群(1968—),女,博士,教授,1998年于清华大学获工学博士学位,主要从事智能光电感测技术、精密光学测量及仪器等方面的研究。E-mail:qhao@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

摘要: 超精密位移测量技术不仅是精密机械加工的基础,在以摩尔定律飞速发展的芯片制造行业中也起到决定性的作用。以光栅栅距为测量基准的光栅位移测量系统被广泛应用于多自由度位移测量,光栅位移测量系统与激光位移测量系统相比,大大降低了对使用环境的湿度、温度和气压的要求。本文主要介绍了近年来国内外基于二维光栅的位移传感系统光学结构的发展现状,从零差式和外差式光栅干涉测量原理入手,综述了基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构发展历程,对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点,并展望了二维光栅位移测量系统的发展趋势,总结了二维光栅位移测量系统的工程化进程。

English Abstract

刘兆武, 尹云飞, 吉日嘎兰图, 于宏柱, 王玮, 李晓天, 鲍赫, 李文昊, 郝群. 二维光栅位移测量技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0237
引用本文: 刘兆武, 尹云飞, 吉日嘎兰图, 于宏柱, 王玮, 李晓天, 鲍赫, 李文昊, 郝群. 二维光栅位移测量技术综述[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2019-0237
LIU Zhao-Wu, YIN Yun-Fei, JIRIGALANTU, YU Hong-Zhu, WANG Wei, LI Xiao-tian, Bao He, LI Wen-hao, HAO Qun. Overview of 2D grating displacement measurement technology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0237
Citation: LIU Zhao-Wu, YIN Yun-Fei, JIRIGALANTU, YU Hong-Zhu, WANG Wei, LI Xiao-tian, Bao He, LI Wen-hao, HAO Qun. Overview of 2D grating displacement measurement technology[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2019-0237
    • 随着高端制造业的发展,对精密测量的精度要求也越来越高。目前常用的超精密测量系统主要有激光位移测量系统和光栅位移测量系统。其中,激光位移测量系统以激光波长为测量基准,受使用环境如湿度、温度和气压变化的影响较大;光栅位移测量系统是以光栅栅距为基准,大大简化了光路结构,极大地降低了使用环境的影响,测量精度从微米级到亚纳米级或皮米级,为超精密加工及超精密测量技术的进一步发展提供了有效的技术支持[1-10]

      基于衍射光栅的干涉位移测量技术的发展经历了一个漫长的过程,1987年,德国HEIDENHAIN公司首次提出了可实现纳米级测量的光栅位移测量系统,分辨率可达5 nm,精度等级为±1 μm;荷兰的ASML公司利用两个正交的一维光栅实现了高精度测量;随着光栅制造技术的发展,1995年,HEIDENHAIN公司制造出了栅距为8 μm的二维平面栅格光栅,测量分辨率可达1 nm,准确度为±2 μm;2009年,ASML公司NXT:1950 i型光刻机运用HEIDENHAIN公司研制的400 mm×400 mm的大型二维平面光栅,扩大了测量范围,使累积加工误差由4.8 nm下降为2.5 nm[11]。2005~2012年,日本学者Gao.W用二维光栅分别实现了位移三自由度测量和角度三自由度测量,并于2015年实现了可以加工二维光栅位移测量系统的高精度制造技术。

      目前,荷兰ASML公司的光刻机还不能满足芯片制造领域7 nm超高精度位移测量需求。德国HEIDENHAIN公司出口的位移感知系统主要针对芯片制造领域22 nm的高精度位移测量技术需求。国际上,针对高精度“芯片制造”技术的竞争越来越激烈,主要原因是高端芯片制造技术直接体现了一个国家的整体科学技术水平,且直接影响国家战略、国防安全及国民经济。但是上述超高精度及高精度测量技术均是基于一维光栅的测量技术,难以满足小型化高精度的二维测量需求。因此,小型化的高精度二维测量技术不仅成为“芯片制造”技术飞速发展亟待突破的“瓶颈”,也是各国在国际科技竞赛中取胜的关键[12-16]

    • 光栅位移测量系统的核心元件是光栅,以光栅栅距为基准,结构紧凑、光路对称、光程短且对外界环境的敏感性极低,可应用于多维度精密位移测量。在原理上,光栅位移测量系统可分为零差式光栅位移测量系统和外差式光栅位移测量系统[17]

    • 零差式光栅位移测量系统是最早的、应用最广泛的,也是最基础的光栅位移测量系统,其利用光栅衍射光和干涉仪结构进行干涉测量。

      图1为迈克尔逊型的零差式光栅位移测量系统,单频激光束由非偏振分光器(NPBS)分成测量光束和参考光束两束光,分别射入测量光栅和参考光栅,其中测量光束由测量光栅衍射,参考光束由参考光栅衍射,两束衍射光束以一定的衍射角返回,通过折光元件后平行出射,分别经过NPBS的反射和透射,汇聚到光电探测器上,从而形成干涉条纹[18-20]。受多普勒效应影响,在测量光栅移动过程中,其衍射光会发生频移,使得测量光束和参考光束间出现相位差,通过对其进行细分和计数处理,可实现精密位移测量[17]。零差式光栅位移测量法是最早出现、应用最广泛的干涉测量法,其具有结构简单、光源易于选型等优点,但对杂散光敏感,相应的相敏检测器的体积大,光学结构复杂,不能从本质上消除环境对被测信号的干扰[21-25]

      图  1  迈克尔逊型的零差式光栅位移测量系统

      Figure 1.  A Michelson-type homodyne grating displacement measurement system

    • 与零差式光栅位移测量系统不同,外差式光栅位移测量系统采用的是双频激光器[26-28]图2(彩图见期刊电子版)为迈克尔逊型外差式光栅位移测量系统,双频激光器出射的具有一定频差(f1f2)的正交线偏振光被分束镜分为两部分,其中一部分(f1f2)经过偏振片后发生干涉,干涉信号被光电探测器PDr接收,作为参考信号。另一部分光经过偏振分束镜分成两束,频率为f2的S偏振光被偏振分束棱镜反射,经过折光元件和参考光栅,作为参考光;频率为f1的P偏振光被偏振分束棱镜透射,经过折光元件和测量光栅,作为测量光。两束光在偏振分束棱镜处重合,经偏振片后发生干涉,干涉信号(f1f2±Δf)被光电探测器PDm接收,作为测量信号,通过对测量信号和参考信号进行对比,即得到光栅位移量[29-31]。外差式光栅位移测量系统可形成差分信号,从而提高测量分辨率;可用单个PD来区分方向;抗干扰能力强,适用于现场应用。但双频激光器比单频激光器复杂,此外,由于偏振分光棱镜(PBS)的分裂性能不佳会引入几纳米到几十纳米的周期性非线性误差[32-35]

      图  2  迈克尔逊型外差式光栅位移测量系统

      Figure 2.  A Michelson-type heterodyne grating displacement measuring system

    • 目前国际上,德国、北美和日本等国家的HEIDENHIN、MICROE、OPTRA和MITUTOYO等公司都属于高精度光栅位移测量装置制造商,在二维光栅位移测量技术方面占据国际领先地位[36-37]。近年来,国内多个高校及科研机构,在二维光栅位移测量技术方面也进行了大量研究,且在理论研究方面已经获得了很多重要成果[38-39]

    • 最早的二维光栅位移测量系统由两个正交的一维光栅组成,它们相互之间进行独立衍射,两两干涉,以实现对位移的精确测量。2008年,荷兰ASML公司利用光栅干涉和迈克尔逊型干涉原理,提出了X向和Z向同时进行测量的二维位移测量系统,如图3所示[23]

      两个光栅分别为G1和G2,入射的光束通过一个特殊的棱镜组合结构,经过分光元件(IBS)分为两部分:Z向位移干涉测量部分经过偏振分光元件(PBS)分光,通过波片(QL2)照射到测量光栅G2上,再以Littrow原理,运用测量光栅的衍射光,通过聚光元件(GRP)产生干涉,进入探测器D2;X向位移干涉测量部分经过棱镜PRI和光栅G1,运用测量光栅衍射光,在PRI处产生干涉。虽然两部分都是测量光栅的衍射光,但是衍射光来源于不同光束的衍射。此方法把分光和移相等结构都合成于一个单元,得到小型化的产品,但是棱镜结构复杂,测量光栅衍射光的位置不同,光路复杂[40]

      图  3  荷兰ASML公司的二维位移测量系统原理图

      Figure 3.  Schematic diagram of the two-dimensional displacement measurement system of ASML in the Netherlands

    • 随着二维光栅的发展,逐步趋于产品化,两个正交的一维光栅已不满足便捷的应用需求。1995年,德国HEIDENHAIN设计出二维光栅集成的测量结构,该结构可提高测量精度,增加测量维度,但测量系统的结构较复杂。对于单块二维光栅,虽然其机构已成型,但在实现超高精度和高度集成化方面还需要走很长的路。

      2018年,林存宝等设计了一种十字光栅,可同时实现高信号对比度和高信噪比,相位解耦可得到8倍的光学细分,理论分辨率可达0.125 nm,短程(10 μm内)往返时在xy方向上分辨率分别可以达到2.35 nm和3.24 nm[41]。基于对角线的HGI光学结构,如图4(彩图见期刊电子版)所示。由图4可知,塞曼激光器发出一对频率有差异的正交线偏振光,由分束镜BS分为两束,反射信号通过偏振器产生参考信号。透射光垂直入射于十字光栅,被衍射为(−1,−1),(−1,1),(1,−1),(1,1),通过平面反射镜M,偏振分束镜(PBS),分为单独两个偏振光,PBS处理后每一个重叠极化,产生(−1,−1)阶的TE(TM)极化和(1,1)阶的TM(TE)极化,并产生测量信号I1I2,同理可产生I3I4。可同时实现高信号对比度和高信噪比,但由于需要4个透镜对光束进行调整,引入一定的误差信号,且大大增加了系统的安装难度。

      图  4  基于对角线的HGI的光学结构图

      Figure 4.  Optical Structure of HGI based on diagonal

      2019年,谭久彬、胡鹏程等人提出了一种空间分离结构的外差式光栅位移测量系统,分辨率优于0.122 nm,可消除周期非线性误差[42-44]图5(彩图见期刊电子版)为空间分离式外差二自由度平面光栅位移测量系统的光学结构。

      图  5  空间分离式外差二自由度平面光栅位移测量光学结构

      Figure 5.  Optical structure of spatially separated heterodyne grating displacement measurement with two-degree-of-freedom

      图5中,Eref1Eref2分别代表f1f2两束参考光束;Emesase1Emesase2分别代表两束测量光束。光从单频激光器发射,经过分光棱镜(BS)分光,一部分经平面镜出射,分别通过光电调制器调制为f1f2,再分别经过偏振片P1P2进入光纤耦合器(FC)与保偏光纤(Fiber),实现f1f2的分离。进入光路后,f1f2形成参考信号,入射至光电探测器(PDr);经PBS入射至测量光栅,分别设置4个角锥棱镜(RR)进行反射设置,以f1为例,入射进入光栅形成两衍射光,经过角锥棱镜反射到测量光栅(G),其中两路基本对称,再一次经过PBS、BS,与f2光路形成干涉信号,进入光电探测器(PDx和PDy)实现xy的位移测量。同时引入了光纤耦合的原理,使用单频激光器,以二维光栅为基准可以同时实现两次衍射,减少测量系统成本,提高测量精度。

    • 2005~2015年,日本学者Gao.W所在的团队研究了基于二维光栅的三位移测量系统和三角度测量系统,最先提出了一种基于斜面传感器和网格,实现多自由度测量的表面编码器技术[45]。他们将迈克尔逊型干涉结构用于光栅位移测量系统,采用两个正弦xy网格代替平面镜,利用xy网格衍射光束间的干涉信号,检测出x轴、y轴和z轴上的位移,使得线性编码器可分辨x轴和z轴5 nm的阶跃运动。随后,研制了一种双自由度线性编码器样机,光栅栅距为1.6 μm,光学传感头尺寸约为50 mm (X)×50 mm (Y)×30 mm (Z)[46-47]。他们还相继提出了可以实现三轴平面编码器和三轴角误差检测的自准直器[48]

      图6为三轴角误差检测自准直器。激光二极管(LD)的S偏振光经过准直,由偏振分束器(PBS)进行弯折。经四分之一波片(QWP)圆偏振,沿光栅表面法线方向投射到光栅反射器上。从光栅反射器反射出的0阶和1阶衍射光束,经QWP转换为P极化光束,通过PBS到达自准直单元,将两个位置传感探测器放置在准直物镜的焦平面上,用以检测聚焦在探测器上的衍射光束的X向和Y向位移,除了可测量θxθyθz三个轴0.01 μrad的正弦角运动外,还可实现XY两个轴向1 nm分辨率测量。

      图  6  三轴角误差检测自准直器原理图

      Figure 6.  Schematic diagram of self-collimator used for Triaxial angle error detection

      Gao.W等基于以上研究,又设计出了三轴平面位移测量装置,原理图如图7(彩图见期刊电子版)所示[49]。其三轴分辨率均在1 nm以上,在XYZ方向上插补误差的峰谷振幅分别为±10 nm、±10 nm和±3 nm。来自激光光源的光被BS分成两束,将分割后的光束投影到参考XY平面光栅上,得到X向和Y向的±1阶衍射光束。衍射光束一部分到达测量光栅,其中参考XY平面光栅与测量XY平面光栅参数相同,均会产生4束衍射光,分别经过折光元件、PBS和QWS等,通过探测器接收不同偏振角度(0°、90°、180°和270°)的干涉光(X+1、X−1、Y+1和Y−1),可得XY平面光栅相对于光传感器头的三轴位移xyz。测量系统引入四步相移构想,构造原理简单,八束衍射光两两干涉,但是系统整体结构复杂,无法实现系统的集成化,且没有考虑标定问题,无法对其进行精确定位。

      图  7  三轴平面编码器原理图

      Figure 7.  Schematic diagram of three-axis plane encoder

      在三轴角度检测和三轴位移测量的基础上,Gao.W和Li.X等人又提出采用四组PD单元的结构,借鉴前两种系统原理,实现六个自由度的测量[50]图8(a)(彩图见期刊电子版)为六自由度平面编码器样机,其表面编码器由XY平面光栅和光学传感头组成,测量光栅安装在运动元件的背面,传感器头安装在台基上。图8(b)(彩图见期刊电子版)为传感器部分示意图,其中,由激光二极管和准直透镜组成的激光光源输出准直光束,通过分束器(BS1)后,再由分束器(BS2)分成两束,分别投射到测量光栅和参考光栅上。测量光栅和参考光栅在XY方向上具有相同的光栅周期。通过设定一定衍射角,可在光栅表面上产生X向和Y向的一阶衍射光束。测量光栅的衍射光束在BS2处弯曲,参考光栅的衍射光束通过BS2进行干涉,从而可在一个平台上进行六个自由度测量,同时采用十字标定技术,实现精准定位,但是器件的定位精度高,安装难度大。

      图  8  六自由度编码器。(a)六自由度平面编码器样机;(b)简单传感器设计示意图

      Figure 8.  Six degrees of freedom encoder. (a) 6-DOF planar encoder prototype; (b) simple sensor design schematic

    • 二维位移测量系统引入了双二维光栅,结合迈克尔逊结构,可实现三自由度的位移变化,如,引入光栅剪切技术,运用多个二维衍射光栅,可实现对测量系统的检测。中国台湾国立中央大学Hsieh等人提出一种基于准共光路(QCOP)的外差光栅位移测量系统,其分辨率优于3 nm,且在1小时内分辨率稳定性可达14 nm[51]。2015年,Hsieh等人巧妙地将面内迈克尔逊干涉仪结构和面外光栅剪切结构相结合,提出了一种基于光栅的六自由度位移和角度测量干涉仪,其位移和角度测量分辨率分别为2 nm和0.05 μrad[52]

      图9(a)(彩图见期刊电子版)为三自由度位移测量原理。通过测量光栅干涉信号的相移,可以得到二维平面位移,通过检测参考光束与半透射光栅反射光束的光程差,可以获得面外位移量[51]。3个检测部分分别使用光束分裂的排列方式对三自由度位移(XYZ)和三自由度角度信息(θxθyθz)进行同时测量,实现如图9(b)(彩图见期刊电子版)所示的六自由度位移测量[52]

      图  9  Hsieh等人的位移测量结构图。(a)三自由度位移测量原理图;(b)六自由度位移测量原理图

      Figure 9.  Displacement measurement structure introduced by Hsieh et al. (a) Principle diagram of three-degree-of-freedom displacement measurement; (b) principle diagram of six-degree-of-freedom displacement measurement

      图9可知,利用调制器(EOM)对入射的半波锯齿信号进行外差调制,通过BS进行分束,其中P极化和S极化的频率差为16 kHz。以一组光为例,光束经BS分光,一束经平面镜(M)反射,进入探测器(D4)形成参考光;一束经半波片(HWP)经透镜散射至二维光栅,以Littrow式的角度入射至探测器(D1,D2,D3)形成测量光。同享同一光源实现Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ部分检测,三组半波片(HWPs)放置在光栅前侧,进行3次探测,每组包含两个特殊的HWPs,垂直快轴分别成45°和145°放置,通过二维光栅的衍射,相应的对称结构进行干涉,从7个光电探测器获取干扰信号,实现6个自由度的测量。之后,以外差式光栅位移测量系统为基础,引入渥拉斯顿棱镜,结合共路原理,使系统分辨率达2 nm,重复精度为1 nm,还可实现长行程测量[53]。虽然该系统实现了六自由度位移测量,但是光学结构复杂,且需要运用大面积的光栅拼接技术,技术实现难度及制造成本太高。

      哈尔滨工业大学的魏培培、温凤、陈航和邸晶晶等基于平面光栅、双光栅,进行了三维位移测量的研究。理论上,光路核心部分可集成在4 mm×4 mm×2 mm的立方体内,可实现三维位移的同步测量,且位移测量系统的z向分辨率可达4 nm。由于测量系统各方向的位移信息不耦合,X向,Y向,Z向均进行光学2倍细分,不进行电学细分时,X向和Y向的分辨率为$2\sqrt 2 $ μm[54-60]图10(a)为四通道探测器三维测量系统原理图,其包含一个读数头和一个二维测量光栅。读数头是由周期结构完全一致的参考光栅、折光元件、一个BS和4个PD探测器组成。其中,折光元件是栅距为16 μm的一维光栅,单频激光器通过分光元件同时入射四束平行光,经BS分光,一部分进入二维参考光栅,一部分进入二维测量光栅,其中4束光均被折光元件偏折α度,以自准直角度入射,沿入射光的反方向传播,经折光元件与参考光栅产生的反射光在光电探测器干涉,形成干涉条纹,根据其条纹的周期性明暗变化,即可得出位移量。图10(b)为位移测量系统的三维视图,由图10(b)可知,光路结构大体和图10(a)一致,最大的不同之处为其设计了一种折光元件。该折光元件采用二维反射型矩形光栅作为测量光栅。光学读数头由扫描光栅、光阑、激光二极管和探测器组成。扫描光栅由正交二维光栅和两个栅线相互垂直,周期相等的一维光栅组成[61]。测量光栅与扫描光栅栅线成45°夹角放置。正交二维光栅主要起分光作用。其中扫描光栅与测量光栅的周期设置为${d_1} = \sqrt 2 {d_2}$

      图  10  魏培培等人的位移测量结构图

      Figure 10.  Structural diagram of displacement measurement by Wei Peipei et al.

      哈尔滨工业大学的魏培培等人引入基于二维光栅的利特罗式入射,其重要的改进是:(1)分光部分使用了双光栅结构,可实现四束光束的平行入射;(2)折光元件部分引入了基于二维透射光栅和一维透射光栅相结合的光路结构,用以实现四束测量光的利特罗式入射模式。相对之前先衍射分光再进行干涉的方法,此方法采用先进行分光,再进行衍射的途径,满足了四步相移的结构设计要求,极大地减少了光路中杂散光的影响,但是测量系统的误差较大,且光能利用率低。

      此外,国内外还有很多高校、科研院所及高科技企业均进行基于光栅位移测量系统的研究,如清华大学[62-63],中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(长春光机所)[64-65],中国科学院上海光学精密机械研究所[66],日本的索尼[67-68],德国的海德汉[69-71]等。综上所述,光栅位移测量系统已经从一维光栅的多自由度测量发展为二维光栅的多自由度测量,同时可得到纳米或皮米分辨率,本文对几种典型二维光栅位移测量系统的优点与不足进行了分析,如表1所示。

      表 1  二维光栅位移测量系统性能对比表

      Table 1.  Comparison table of properties of two-dimensional grating displacement measurement systems

      光栅分类研究单位/公司/
      研究者
      xy分辨率/nm光学传感头尺寸/测量范围系统稳定性优点缺点
      正交式光栅测量系统 荷兰的ASML ___ 400 mm×400 mm大型二维平面光栅。 ___ 同时进行XZ向测量,把分光和移相等都合成于一个单元,得到小型化的产品。 棱镜结构和光路结构复杂,衍射测量的位置不同。
      单二维光栅 国防科技大学
      林存宝等
      分辨率优于0.125 nm,往返10 μm内可在x向和y向达2.35 nm和
      3.24 nm。
      xy方向测量范围可达:9.981 μm和
      9.978 μm。
      在10分钟内系统的稳定性分别优于
      4 nm和6 nm。
      同时实现高对比度和高信噪比;可获得八倍细分。 透镜要求高,安装难度大,稳定性能差。
      哈尔滨工业大学
      谭久彬等
      分辨率优于0.122 nm。 125 mm×125 mm,可对xy方向上30 μm的位移进
      行测量。
      机械振动引起的实时测量误差不超过
      0.15 μm,且测量重复性优于±57 nm
      成本低,可实现两次衍射;同时消除了周期非线性误差;增强测头的角度容差。 信噪比低,振动影响大,安装难度大,没有进行减重考虑。
      双二维光栅 日本学者Gao.W等 x轴与y轴分辨率均在
      1 nm以上。
      光学传感头尺寸约为50 mm (X)×50 mm (Y)×30 mm (Z)。 XYZ方向上插补误差的峰谷振幅分别为±10 nm、
      ±10 nm和±3 nm
      系统原理简单;可分别实现三维位移测量和三维角度测量 安装定位要求高,没进行小型化考虑。
      日本学者Li.X等 可分辨Δx、Δy、Δz向上的2 nm阶跃运动,θxθy方向上的0.1角秒阶跃运动及θz方向上0.3角秒阶跃运动。 传感器头的尺寸为
      95 mm (X) ×90 mm (Y) ×25 mm (Z)。
      XYZ方向上,偏振误差的峰谷振幅分别为±6 nm、
      ±7 nm和±6 nm
      测量范围大;可实现六个自由度的测量;运用十字光栅进行精准定位。 器件要求高;
      安装难度大。
      多二维光栅 中国台湾国立中央大学Hsieh等 两轴分辨率优于3 nm,实现六自由度,位移和角度测量分辨率分别为2 nm和0.05 μrad。 闭环配置驱动压电平台,可实现X, YZ方向上1 μm的移
      动距离。
      在1小时内分辨率稳定性可达14 nm。 同时实现六个自由度测量和长行程测量,测量精度高。 稳定性能差,结构复杂,高密度平面光栅的测量精度范围小。
      哈尔滨工业大学
      温凤等
      X向和Y向实现光学2倍细分,不进行电学细分情况下,检测分辨力为
      $2\sqrt 2 $ μm。
      两方向运动范围均为100 μm,Z向的运动范围为20 mm。 ___ 杂散光影响小 装备误差大,光能利用率低。
    • 目前,二维光栅位移测量技术存在的主要问题有:(1)高精度、大面积二维光栅制造难度大,对于光栅制造来说,同时获得高精度和大面积是个很大的挑战;(2)传感部分多维协同性响应速率相对低,仪器设备的响应速度是当前工业或科研场所对其硬件条件提出的重要硬性指标之一,一维光栅测量系统较为成熟,但二维光栅测量系统传感响应速度有待提高;(3)小型化的需要难以满足,小型化是超精密位移测量产品的一个重要应用特征,现阶段二维光栅测量系统体积较大,且大部分处于实验室研究阶段,其尺寸无法满足使用要求。另外,在技术细节还存在一些问题,如:(1)提高光路和电路的高倍细分的有效性,以实现测量精度的进一步提升;(2)多维度测量技术刚刚起步,六个自由度的测量仍在实验室阶段;(3)二维光栅测量系统的高精确标定技术尚未成熟;(4)二维光栅测量系统的误差分析和补偿技术还未完善。

      综上所述,二维光栅位移测量系统重点研究内容包括以下几方面:

      (1)高精度、大面积二维光栅制造。光栅制造途径有两种,其一是直接采用全息方法制造大面积光栅,其二是采用小光栅面阵拼接方法制造大面积光栅。这两种方法都是实现高精度、大面积二维光栅制造技术的重点研究课题。目前,HEIDENHAIN公司通过DIADUR光刻复制工艺,可以制造400 mm×400 mm大面积光栅,位移测量系统精度等级为±0.5 μm;国内,长春光机所国家光栅制造与应用工程技术研究中心具有高精度、大面积一维光栅制造能力,且正在研究二维位移测量系统用二维光栅的制造工艺。

      (2)传感部分多维协同性响应速率相对低。提高响应速率的方法主要有两种,其一为提高读数头的转接速度;其二为提高测量光栅的扫描速度。这两种方式都是提高响应速率的有效途径。目前,国内外在二维光栅位移测量方面,对响应速率的研究并没有形成完善的体系。基于二维平面衍射光栅,ASML公司的NXT:1950 i型光刻机的扫描速度可达到0.61 m/s。

      (3)小型化的需求难以满足。小型化设计主要是聚焦于光学系统的小型化设计,此方式也是现在的研究难点和热点。目前,基于一维光栅的光栅位移测量系统的小型化设计产品已经研制成功。理论上,集成化的二维光栅的光学系统的测量尺寸可达50 mm×50 mm×30 mm。

      (4)光路和电路的高倍细分。高倍细分主要聚焦于光路的细分,电路细分已经很完善。在外界环境影响较小的情况下,光路细分方式主要有两种:其一为二级衍射细分,即使用二级衍射光来实现高倍细分;其二为二次衍射细分,即使用角锥棱镜等实现高倍细分。目前,国外,海德汉公司的光栅位移测量分辨率已达到1 nm。国内,长春光机所实验室搭建的光栅位移测量系统分辨率可达到3 nm,正在进行工程化及产品化。

      (5)多维度技术。实现多维度测量有多种方法,主要可分为新技术的运用和测量系统的分立两种模式。目前,国内外基于二维光栅的位移测量系统可实现六个自由度的测量,其测量分辨率可达2 nm,但对于这种系统的研究仍处于实验阶段。

      (6)精确标定技术。位移测量系统最常用的高精度标定技术有传统的十字标定技术和自标定技术。在二维光栅位移测量领域,主要应用的是基于传统的十字标定技术,而针对二维光栅测量系统的自标定技术尚未完善。

      (7)误差分析和补偿。二维光栅位移测量系统的误差主要包括二维光栅制造误差、光学及机械结构误差、电学误差、算法误差以及环境误差等。目前,对于二维光栅位移测量系统还处于误差分析阶段,且误差的分析还不够全面,需要进一步研究整体的误差集成及拟合,以为误差补偿提供有效的数据基础。

      在二维光栅位移测量技术方面,现在采用较多的是将光纤运用于二维光栅位移测量系统,而本课题组后续主要致力于二维光栅位移测量系统中双衍射光路技术的有效利用,以及提高系统测量精度的研究。未来有望,将二维光栅镶嵌于光纤之内,利用小角度入射和光纤耦合技术,缩小系统的光学结构,实现二维位移测量系统的小型化和产品化。

    • 光栅位移测量技术在测量领域具有重要意义,尤其在超精密位移测量方面,其已成为必不可少的测量手段。本文通过研究国内外二维光栅位移测量相关技术,综述了由基于单块二维光栅的光学结构到多块二维光栅耦合设计的光学结构的发展历程,对比分析了几种二维光栅位移测量系统的优缺点:正交式二维光栅可实现小型化设计,但由于引入了棱镜,使得结构复杂;单二维光栅可实现二次衍射,也可消除周期非线性误差,分辨率都优于0.1 nm,但不能兼顾高信噪比和高稳定性;双二维光栅可实现多自由度测量,分辨率优于1 nm,可器件的定位和安装要求高;多二维光栅可同时进行多自由度和长行程测量,但测量范围和光能利用率都会相应降低。

      目前,二维光栅位移测量理论的发展非常显著,理论分辨率已达到亚纳米量级,但是基于二维光栅的位移测量系统的工程化还尚不成熟,使其兼顾高精度、高速度、大量程及小型化等性能仍是一项迫切需要攻克的难题,这也是二维光栅位移测量技术未来的发展方向。光纤光栅等新型光学元件制造及应用技术的发展,也为基于二维光栅的位移测量系统的工程化和小型化提供了技术基础。

参考文献 (71)

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