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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]