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二维光栅位移测量技术综述

尹云飞 刘兆武 吉日嘎兰图  于宏柱 王玮 李晓天 鲍赫 李文昊 郝群

尹云飞, 刘兆武, 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.2020-0237
引用本文: 尹云飞, 刘兆武, 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.2020-0237
YIN Yun-Fei, LIU Zhao-Wu, 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.2020-0237
Citation: YIN Yun-Fei, LIU Zhao-Wu, 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.2020-0237

二维光栅位移测量技术综述

doi: 10.37188/CO.2020-0237
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(20190201021JC、20190103158JH、20190103157JH、20190302047GX),广东省重点领域研发计划项目(2019B010144001),国家自然科学基金(61975255)项目,民用航天预研项目(No.D040101)
详细信息
    作者简介:

    尹云飞(1995—),男,山西临汾人,博士研究生,2018年于中北大学获得学士学位,主要从事二维光栅位移测量等方面研究。E-mail:1920924393@qq.com

    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

    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,主要从事平面、凹面全息光栅的理论设计及制作工艺等方面的研究。E-mail:leewenho@163.com

    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 (20190201021JC、20190103158JH、20190103157JH、20190302047GX), R & D projects in key areas of Guangdong Province (2019B010144001), National Natural Science Foundation of China (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维测量系统,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  零差式光栅位移测量系统

    (a)一种迈克尔逊型的零差式光栅位移测量系统;(b)四步相移结构示意图

    Figure  1.  Homodyne grating displacement measuring system

    (a) A Michelson-type homodyne grating displacement measurement system; (b) Schematic diagram of four-step phase shift structure

    图  2  一种外差式光栅位移测量系统

    Figure  2.  A heterodyne grating displacement measuring system

    图  3  正交衍射光栅工作原理图

    Figure  3.  Working principle diagram of orthogonal diffraction grating

    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  空间分离式外差二维平面光栅位移测量光学结构

    (a)分光调制的外差光源示意图;(b)光学结构图

    Figure  5.  Spatially separated heterodyne 2-D planar grating displacement measurement optical structure

    (a) Schematic of separately modulated heterodyne laser; (b) Optical configuration

    图  6  三维位移测量原理图

    Figure  6.  Triaxial displacement detecting encoder schematic

    图  7  三维角度测量原理图

    Figure  7.  3-D angle measurement principle diagram

    图  8  六维编码器。

    (a)六维平面编码器样机; (b) 传感器设计示意图

    Figure  8.  6-D encoder.

    (a) 6-D planar encoder prototype;(b) Sensor design schematic

    图  9  Hsieh等人的位移测量结构图。

    (a)三维位移测量原理图;(b)六维测量原理图

    Figure  9.  Hsieh et al. Displacement measurement structure diagram.

    (a) 3-D displacement measurement principle diagram; (b) 6-D measurement principle diagram

    图  10  林杰等学者的位移测量结构图。

    (a)四通道探测器三维测量系统原理图;(b)位移测量系统的三维视图

    Figure  10.  Structural diagram of displacement measurement by Lin Jie et al.

    (a) Schematic diagram of a three-channel detector three-dimensional measurement system; (b) Three-dimensional view of the displacement measurement system

    表  1  基于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 system

    光栅分类研究单位/公司/
    研究者
    X与Y分辨率/nm光学传感器尺寸/
    测量范围
    系统稳定性特点
    单二维光栅华中科技大学王选择等学者50 mm×50 mm同时进行X和Y向测量,在空间位置上实现同向测量
    国防科技大学林存宝等学者分辨率优于0.125 nm往返10 μm内可在X和Y达2.35 nm和3.24 nmX与Y方向测量幅度可达:9.981和9.978 μm在10分钟内的系统稳定性分别优于4和6 nm同时实现高对比度和高信噪比;可获得八倍光学细分,未考虑因偏振分离性能引起的周期非线性误差的影响
    哈尔滨工业大学谭久彬等学者分辨率优于0.122 nm125 mm×125 mm可对X和Y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;可消除周期非线性误差;增强测头的角度容差,不过信噪比较低,受振动影响较大
    双二维光栅日本Gao.W等学者X与Y轴分辨率均在1 nm以上光学传感器尺寸约为50 mm (X)×50 mm (Y)×30 mm (Z)X、Y和Z方向上的峰谷振幅误差分别为±10 nm、±10 nm和±3 nm系统原理简单,分别可实现三维位移测量和三维角度测量,受自准直单元尺寸限制,未考虑非线性误差分量的影响
    日本Li.X等学者可分辨ΔX、ΔY、ΔZ方向上的2 nm步进运动,以及θXθY方向上的0.1角秒步进运动θZ方向上0.3角秒步进运动传感器头的尺寸为95 mm(X) ×90 mm(Y) ×25 mm(Z)X、Y和Z方向上,偏振间误差的峰谷振幅分别为±6 nm、±7 nm和±6 nm测量范围大,可实现六维测量系统,且对远程测量系统稳定性不佳
    多二维光栅中国台湾国立中央大学Hsieh等学者两轴分辨率优于3 nm,实现六维测量,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,Y和Z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同时实现六维测量和长行程测量,测量精度高,且结构复杂,稳定性较差,测量范围小
    哈尔滨工业大学林杰、陆振刚等学者X向和Y向实现光学2细分,不进行电学细分下,检测分辨力为$2\sqrt 2 $ μm两方向运动范围均100 μm,Z向的运动范围为20 mm稳定性较好杂散光影响小
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出版历程

二维光栅位移测量技术综述

doi: 10.37188/CO.2020-0237
    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(20190201021JC、20190103158JH、20190103157JH、20190302047GX),广东省重点领域研发计划项目(2019B010144001),国家自然科学基金(61975255)项目,民用航天预研项目(No.D040101)
    作者简介:

    尹云飞(1995—),男,山西临汾人,博士研究生,2018年于中北大学获得学士学位,主要从事二维光栅位移测量等方面研究。E-mail:1920924393@qq.com

    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

    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,主要从事平面、凹面全息光栅的理论设计及制作工艺等方面的研究。E-mail:leewenho@163.com

    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维测量系统,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

尹云飞, 刘兆武, 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.2020-0237
引用本文: 尹云飞, 刘兆武, 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.2020-0237
YIN Yun-Fei, LIU Zhao-Wu, 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.2020-0237
Citation: YIN Yun-Fei, LIU Zhao-Wu, 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.2020-0237
    • 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。目前常用的大量程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,激光位移测量系统是以激光波长为测量基准,受使用环境的湿度、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测量基准,极大降低了对使用环境的要求,测量精度从微米级到纳米级甚至亚纳米级,为超精密加工技术的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经历了一个漫长的发展过程,1986年,德国HEIDENHAIN公司提出相位光栅,并于次年实现分辨率0.02 μm的干涉扫描直线光栅尺的首次应用,1995年,HEIDENHAIN公司制造出栅距为8 μm的二维平面光栅,测量分辨率可达1 nm,精度等级±2 μm[11];2005−2012年,日本学者Gao.W用二维光栅分别实现三维位移测量和三维角度测量[12-17],并于2015年实现了二维光栅位移测量系统的高精度制造技术[18]。2008年,荷兰的ASML公司利用两个正交的一维光栅实现了高精度二维测量[6];随着光栅制造技术的发展,次年,该公司NXT:1950i型光刻机运用HEIDENHAIN公司所研制的400 mm×400 mm的大型二维平面光栅,扩大测量范围,累计加工误差由4.8 nm下降为2.5 nm[19-20]。进一步巩固了ASML公司在光刻机制造领域的龙头地位。

      高端芯片制造技术作为现代化高端装备制造技术的代表,已经成为各个国家综合国力的衡量标志,国际上针对高端芯片制造的竞争越来越激烈。基于二维光栅位移测量系统以其稳定性高、环境适应性好、维度多和体积小的优势,更加适合高端装备制造领域中的位移测量,不仅成为众多企业和研究院所研究的重点,也是各国在国际科技竞赛中取胜的关键[21-24]

    • 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低,可应用于多维度精密位移测量。从原理上,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[25]

    • 零差式光栅位移测量系统是最早的、最基础的、应用最广泛的基于衍射干涉的光栅位移测量系统,如图1为零差式光栅位移测量系统的基本结构。

      图  1  零差式光栅位移测量系统

      Figure 1.  Homodyne grating displacement measuring system

      图1(a)为迈克尔逊型的零差式光栅位移测量系统,单频激光经非偏振分光棱镜(NPBS)分成两束光,分别入射测量光栅和参考光栅,其中测量光束由测量光栅衍射,参考光束以相同的角度由参考光栅衍射,通过折光元件后,再次通过NPBS合束形成干涉信号,被光电探测器(PD)接收[26-28]。当测量光栅沿光栅矢量方向移动时,其衍射光会发生频移现象,测量光束和参考光束产生相位差,引起干涉强度变化,经过信号处理系统计算可实现精密位移测量。零差式光栅位移测量法采用最广的是四步相移结构,如图(b)为四步相移结构示意图,激光经二分之一波片(HWP)、分光棱镜(BS)分光,反射光经偏振分光棱镜(PBS1),在探测器(PD1和PD2)上,以光束不同偏振态实现0°和180°相移检测;透射光入射至四分之一波片(QWP)、偏振分光棱镜(PBS2)分光,在探测器(PD3和PD4)上,以光束不同偏振态实现90°和270°的相移检测。零差式光栅位移测量法的原理简单、光源易于选型,但相应的相敏检测器光学结构复杂、体积大,并且对杂散光和光强变化很敏感,不能完全消除环境对被测信号的干扰[29-33]

    • 外差式光栅位移测量系统光源采用双频激光[34-36]图2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(f1, f2)的正交线偏振光被分光棱镜(BS)分为两束,反射光(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。透射光经偏振分光棱镜(PBS)分成两束光,分别入射测量光栅和参考光栅,其中测量光束由测量光栅衍射,参考光束以相同的角度由参考光栅衍射,通过折光元件后,再次通过PBS合束形成干涉信号(f1f2±Δf),被光电探测器(PDm)接收,作为测量信号,测量信号与参考信号差分计算,即得到光栅位移量[37-39]。外差式光栅位移测量系统利用拍频信号差分计算位移,抗干扰能力强,单个PD即可实现位移信号的采集、辨向和细分,但双频光源比单频光源结构复杂,信号处理难度大,并且PBS的偏振分离性能不佳会引入几纳米到几十纳米的周期性非线性误差[40-43],限制了外差式光栅位移测量系统的发展。

      图  2  一种外差式光栅位移测量系统

      Figure 2.  A heterodyne grating displacement measuring system

    • 国际上,德国的HEIDENHIN、北美的MICROE、OPTRA和日本的MITUTOYO等都属于高精度的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,且相关领域的研究热度呈现出上升趋势[18, 44]。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进行了大量的研究,且在理论研究方面已经获得了很多重要成果[45-62]

    • 最早的基于光栅的二维位移测量模型为正交的两个一维光栅,实现对二维位移的精确测量,但利用两个一维光栅实现二维位移测量会大大增加系统的复杂程度,且无法避免由角度误差引起的阿贝误差,并不满足市场便捷式的应用需求。随着二维光栅的发展,利用单块二维光栅的二维位移测量模型逐渐涌现并形成产品,可提高测量精度,增加测量维度,但测量系统的结构较复杂,在实现位移测量的超高精度和高度集成化方面还需要走很长的路。

      2003年,华中科技大学的王选择等学者利用正交式二维光栅和迈克尔逊型干涉原理,实现了一种二维位移测量系统,如图3所示[46]

      图  3  正交衍射光栅工作原理图

      Figure 3.  Working principle diagram of orthogonal diffraction grating

      测量系统包括X向和Y向两个结构,激光垂直入射至测量光栅,衍射为+1(X)、−1(X)、+1(Y)和−1(Y)级衍射光,分别经直角棱镜反射形成二次衍射,分别为(−1, −1)(X)、(+1, +1)(X),(−1, −1)(Y)和(+1, +1)(Y)垂直出射;其中(−1, −1)(X)和(+1, +1)(X)垂直入射光电探测器形成干涉;(−1, −1)(Y)和(+1, +1)(Y)垂直入射光电探测器形成干涉。此方法将一个二维光栅等同为两个一维光栅,运用顶点坐标变化法给出定量和定性理论分析,实现二维位移测量,是运用二维光栅进行位移测量的常规方法[47]

      2018年,林存宝等学者设计出一种基于对角线衍射光束的差分光栅干涉仪(Heterodyne Grating Interferometer),结合相位解耦方式,可获得高信号对比度和高信噪比,实现8倍的光学细分,理论位移测量分辨率可达0.125 nm,短程往返10 μm X和Y方向上位移重复性分别达2.35 nm和3.24 nm[48]。采用对角线衍射光束的光学结构如图4所示。塞曼激光器发出有一定频率偏差的正交线偏振光,由分光棱镜分为两束,反射光经偏振片后干涉作为参考信号。透射光垂直入射于测量光栅,利用对角线方向(−1, −1),(−1, 1),(1, −1),(1, 1)衍射光,通过平面反射镜、偏振分束棱镜和偏振片调制,(−1, −1)级的f1f2分别与(1, 1)级的f2f1相互干涉,产生两路测量信号I1I2,(1, −1)级的f1f2分别与(−1, 1)级的f2f1相互干涉,产生两路测量信号I3I4I1I2I3I4均带有2倍光学细分的X和Y方向的位移信息,经相位解耦后得到8倍光学细分二维位移值。虽然同时实现了高信号对比度和高信噪比,但并未考虑因偏振分离性能引起的周期非线性误差的影响。

      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、胡鹏程等学者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[49-51]图5(彩图见期刊电子版)为空间分离式外差二维平面光栅位移测量系统的光学结构。

      图  5  空间分离式外差二维平面光栅位移测量光学结构

      Figure 5.  Spatially separated heterodyne 2-D planar grating displacement measurement optical structure

      图5(a)中,单频激光器发射激光经分光棱镜(BS)分光,反射光经平面镜出射至声光调制器(AOM1),透射光至声光调制器(AOM2),分别调制为f1f2;经过偏振片(P1和P2)和光纤耦合器(FC1和FC2)进入保偏光纤(Fiber1和Fiber2),实现f1f2的空间分离。图5(b)中,f1f2垂直入射至偏振分光棱镜(PBS),反射光经参考分光棱镜(BSr)合束入射至光电探测器(PDr)作为参考信号(Eref1Eref2),透射光垂直入射至测量光栅在X向与Y向各生成两束衍射光,经四个角锥棱镜(RR1-4)反射形成二次衍射,衍射光分别为:(−1, −1)X,(−1, −1)Y,(1, 1)X,(1, 1)Y,四路衍射光在空间位置上两两对称出射,经PBS反射和测量分光棱镜(BSm)合束,(−1, −1)X与(1, 1)X,(−1, −1)Y与(1, 1)Y两两形成干涉信号,入射至光电探测器(PDX和PDY),实现X向和Y向位移测量。该系统采用空间分离技术消除了周期非线性误差,同时利用空间角锥棱镜调制光束以实现两次衍射和测量光束的空间耦合,增加了光学细分倍数,提高了测量精度,但对光能利用率较低,仍有进一步提升的空间。

    • 双二维光栅位移测量系统是在单二维光栅测量系统的基础上增加了参考光栅,可以分别解算出对称级次的衍射光因光栅运动引起的相位变化,进而可以测量更多维度的位移信息。2005~2015年,日本学者Gao.W等所在的团队利用双二维光栅研制了基于二维光栅的三维位移测量系统和三维角度测量系统,实现多维测量的平面编码器技术[12]图6为三维位移测量原理图,入射光经偏振分光棱镜分光,反射光经四分之一波片入射至参考光栅,透射光经四分之一波片入射至测量光栅,参考光栅X向±1级衍射光(UrX+1)、(UrX−1)和Y向+1级衍射光(UrY+1)分别与测量光栅相应级次的衍射光(UsX+1)、(UsX−1)、(UsY+1)干涉,被探测单元A、B、C接收,A所探测信号包含X正向位移和Z方向位移信息,B所探测信号包含X负向位移和Z方向位移信息,C所探测信号包含Y正向位移和Z方向位移信息,三组信息解耦即可实现三维位移测量,最高可分辨5 nm步进运动[13-14]

      图  6  三维位移测量原理图

      Figure 6.  Triaxial displacement detecting encoder schematic

      图7为三轴角度测量编码器原理图[15],设计初衷是用于检测沿Z轴移动的精密线性位移台的角误差。激光二极管(LD)的S偏振光经过准直透镜(CL),由偏振分光棱镜(PBS)进行转折。经四分之一波片(QWP)转化为圆偏振光,垂直入射到光栅上。从衍射光栅衍射出的0级和1级衍射光束,经QWP转换为P偏振光,通过PBS,到达位于准直物镜(CO)焦平面上的两个位置探测器,检测两个衍射光斑的X向和Y向位移。0级衍射光入射探测器I,其X向和Y向的输出可分别检测俯仰误差ΔθX和偏航误差ΔθY。1级衍射光入射探测器II,从探测器II和I的Y方向输出的差异获得滚转误差ΔθZ。与商用自准直仪对比实验证明,此系统在三个转动维度上都能够分辨0.01弧秒的角度误差。由于1级衍射光以一定的角度入射自准直单元,线性位移台Z方向行程受自准直单元尺寸限制。

      图  7  三维角度测量原理图

      Figure 7.  3-D angle measurement principle diagram

      在三维位移测量系统和三维角度测量系统的基础上,结合二者的功能,实现六维测量[16-17]。如图8(a)(彩图见期刊电子版)为六维平面编码器样机,编码器由XY平面光栅和光学传感器组成,测量光栅安装在运动元件的背面,传感器安装在台基上。图8(b)(彩图见期刊电子版)为传感器部分示意图,激光二极管和准直透镜输出平行光束,经偏振分光棱镜(PBS)分光,分别入射至参考光栅和测量光栅,两光栅衍射的±1级衍射光经分光棱镜(BS1)反射至三维位移测量装置,部分0级和−1级衍射光经(BS1)透射至三维角度测量装置。通过分光棱镜把位移测量装置和角度测量装置结合一起,传感器尺寸为95 mm(X)×90 mm(Y)×25 mm(Z),实现了六维测量,可分辨ΔX、ΔY和ΔZ上2 nm位移步进运动,θXθY上0.1弧秒角度步进运动和θZ上0.3弧秒角度步进运动,但对远程测量系统稳定性不佳,在输出中存在周期性误差的影响。

      图  8  六维编码器。

      Figure 8.  6-D encoder.

    • 多二维光栅位移测量系统是在双二维光栅的基础上增加二维光栅进行分光或在单二维光栅基础上增加多个二维光栅结构进行拼接,可以解算衍射光或透射光因光栅运动而产生的相位变化,进而进行多维度的位移测量。中国台湾国立中央大学Hsieh等学者设计了一种基于准共光路(QCOP)的外差光栅位移测量系统,结合二维透射光栅实现三维位移测量系统,理论分辨率可达0.1 nm,在10分钟内面外检测稳定性优于30 nm,面内检测稳定性约40 nm[52]。2015年,Hsieh等人在QCOP结构基础上,在面内采用迈克尔逊干涉测量结构、面外运用光栅剪切干涉测量结构,提出一种基于二维光栅的六维测量系统,在考虑电噪声前提下,位移和角度测量分辨率分别为2 nm和0.05 μrad[53]

      图9(a)为三维位移测量原理图,入射光经电光调制器(EOM)进行外差调制,经扩束镜、分光棱镜分光。反射光经偏振片(P)和平面镜(M),透射至探测器(D4)作为参考光束;透射光经快轴呈45°和145°放置的半波片(HWPs),调制为四个偏振方向不同的外差光束,经聚光透镜透射于二维半透半反光栅(其中透射作为衍射光,反射形成迈克尔逊干涉仪),每束衍射光包含四个不同偏振状态的衍射光,选择±1级衍射光的不同偏振状态与0级衍射光的不同偏振状态相互干涉。其中反射光经聚光透镜透射,通过BS反射至探测器(D4),与参考光束干涉,实现对Z轴位移测量;+1(X)向衍射光、−1(Y)向衍射光分别与0级衍射光干涉,被探测器D2、D3接收,D1(四个不同偏振状态的0级衍射光)所探测信号作为参考信号,D2所探测信号包含X正向位移信息,D3所探测信号包含Y负向位移信息,通过对信息解耦可实现X和Y向位移测量。

      图  9  Hsieh等人的位移测量结构图。

      Figure 9.  Hsieh et al. Displacement measurement structure diagram.

      基于三维位移测量基础上,如图9(b)为六维测量原理图,激光经EOM调制,经第一BS分光,第一透射光入射至I检测单元;第一反射光经第二BS分光,第二透射光由平面镜入射至II检测单元;第二反射光经平面镜入射至III检测单元;三个检测单元采用同一光源,结构一致。从检测单元I和II面内干涉测量中,其Z向的位移差异可获得滚转角度θZ;在Y轴上,从检测单元I和II的面外干涉测量中,其X向的输出差异可获得俯仰角度θX;在X轴上,从检测单元II和III的面外干涉测量中,其Y向的输出差异可获得偏航角度θY。结合I检测单元,实现六维测量。次年,Hsieh等学者以外差式光栅位移测量系统为基础,结合Wollaston棱镜和QCOP结构,测量系统位移分辨率可达2 nm,位移重复性精度为1 nm,可实现1100 μm/s速度的宽度50 mm长行程测量和垂直方向1.2 mm测量[54]。虽然实现了六自由度位移测量,但是光学结构复杂,受聚焦透镜焦深限制垂直方向上测量范围小,且需要运用大面积的光栅拼接技术,技术实现难度高、制造成本大。

      哈尔滨工业大学的林杰等学者基于多二维光栅实现多维位移测量。理论上,光路核心部分可集成在4 mm×4 mm×2 mm的立方体内,实现三维同步测量位移测量系统的Z向分辨率可达4 nm;在测量系统中X向和Y向位移信息不耦合,X向,Y向均实现2倍光学细分,不进行电学细分,则X向和Y向分辨率可达$2\sqrt 2 $ μm[55-61]图10(a)为四通道探测器三维测量系统原理图。入射光经分束部分,实现四束光的平行入射至偏振分光棱镜(PBS1)进行分光,透射光经四分之一波片,经折光元件实现四束光以Littrow角入射至二维参考光栅;反射光经四分之一波片和折光元件以Littrow角入射至二维测量光栅,测量光与参考光原路返回从PBS另一侧出射,参考光栅±1(X)、±1(Y)级衍射光与测量光栅±1(X)、±1(Y)级衍射光两两干涉,入射至四步相移结构,实现三维位移测量;其中分束部分采用一个二维透射光栅和三个一维透射光栅,入射光经二维透射光栅分为四束,以一定入射角至一维透射光栅,分别出射四束平行光,四束衍射光的能量在理论上相等;折光元件由四个结构一致的台阶式一维光栅和光阑组成,四束平行入射光偏折相同角度,经光阑遮入射至二维测量光栅,光阑用于遮挡杂光的影响。分束部分出射光平行性可靠便于调节,光学结构简单,稳定性较好,可测量系统光能利用率低,信噪比低,未考虑Z轴的位移测量量程。

      图  10  林杰等学者的位移测量结构图。

      Figure 10.  Structural diagram of displacement measurement by Lin Jie et al.

      同年,哈尔滨工业大学的陆振刚等学者基于二维光栅设计如图10 (b)为位移测量系统的三维视图[62]。折光单元为两个相互垂直的一维透射光栅和一个透射型二维光栅组成,其中二维透射光栅用于分光,一维透射光栅用于合光,二维测量光栅放置位置与折光单元呈45°偏差,并且二维测量光栅的光栅周期约为二维透射光栅的0.707倍;入射光经四分之一波片入射至偏振分光棱镜,透射光经四分之一波片透射至折光单元,四束衍射光以一定角度入射至与轴线方向呈现45°放置的二维测量光栅,形成多次衍射,经折光单元,衍射光分别为:(0, 0)、(0, +1)、(0, −1)、(+1, 0)、(−1, 0);反射光经四分之一波片透射、平面镜反射,经偏振分光棱镜透射与(0,0)级衍射光干涉,入射至四步相移结构实现Z轴位移测量;二维测量光栅沿X矢量方向运动,二维测量光栅衍射光(+1, 0)、(−1, 0)与(+1, 0)、(−1, 0)干涉,沿X轴线的探测器只包含X轴位移信息;二维测量光栅沿Y矢量方向运动,二维测量光栅衍射光(0, +1)、(0, −1)与(0, +1)、(0, −1)干涉,沿Y轴线的探测器只包含Y轴位移信息;分别对三组信息解耦可实现三维位移测量。对比之前衍射分光进行干涉测量的方法,此方法采用先分光,再衍射的途径,虽然测量系统杂散光影响较小,可运用多次衍射,光能利用率低,对测量系统误差考量也并不完善。

      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[63-64],中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(长春光机所)[65-66],上海光机所[67],日本的索尼[68-69],德国的海德汉[70-72]等。综上所述,光栅位移测量系统已经从一维光栅的多维测量发展为二维光栅的多维测量,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性能进行对比,如表1所示

      表 1  基于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 system

      光栅分类研究单位/公司/
      研究者
      X与Y分辨率/nm光学传感器尺寸/
      测量范围
      系统稳定性特点
      单二维光栅华中科技大学王选择等学者50 mm×50 mm同时进行X和Y向测量,在空间位置上实现同向测量
      国防科技大学林存宝等学者分辨率优于0.125 nm往返10 μm内可在X和Y达2.35 nm和3.24 nmX与Y方向测量幅度可达:9.981和9.978 μm在10分钟内的系统稳定性分别优于4和6 nm同时实现高对比度和高信噪比;可获得八倍光学细分,未考虑因偏振分离性能引起的周期非线性误差的影响
      哈尔滨工业大学谭久彬等学者分辨率优于0.122 nm125 mm×125 mm可对X和Y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;可消除周期非线性误差;增强测头的角度容差,不过信噪比较低,受振动影响较大
      双二维光栅日本Gao.W等学者X与Y轴分辨率均在1 nm以上光学传感器尺寸约为50 mm (X)×50 mm (Y)×30 mm (Z)X、Y和Z方向上的峰谷振幅误差分别为±10 nm、±10 nm和±3 nm系统原理简单,分别可实现三维位移测量和三维角度测量,受自准直单元尺寸限制,未考虑非线性误差分量的影响
      日本Li.X等学者可分辨ΔX、ΔY、ΔZ方向上的2 nm步进运动,以及θXθY方向上的0.1角秒步进运动θZ方向上0.3角秒步进运动传感器头的尺寸为95 mm(X) ×90 mm(Y) ×25 mm(Z)X、Y和Z方向上,偏振间误差的峰谷振幅分别为±6 nm、±7 nm和±6 nm测量范围大,可实现六维测量系统,且对远程测量系统稳定性不佳
      多二维光栅中国台湾国立中央大学Hsieh等学者两轴分辨率优于3 nm,实现六维测量,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,Y和Z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同时实现六维测量和长行程测量,测量精度高,且结构复杂,稳定性较差,测量范围小
      哈尔滨工业大学林杰、陆振刚等学者X向和Y向实现光学2细分,不进行电学细分下,检测分辨力为$2\sqrt 2 $ μm两方向运动范围均100 μm,Z向的运动范围为20 mm稳定性较好杂散光影响小
    • 目前,二维光栅位移测量技术尚存在的主要问题有:(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还有待提高;(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,从尺寸角度也无法满足使用要求;(4)高倍细分不够完善。提高光路和电路的高倍细分的有效性,实现测量精度的进一步提升;(5)多维度测量实现难度大。多维度测量技术研究刚刚起步,六维的测量系统仍处于实验室阶段;(6)标定和补偿不够成熟。二维光栅测量系统的高精确标定技术,尚未成熟,且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需要在以下几个方面进行研究:

      (1)高精度、大面积二维光栅制造技术。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二维光栅,其二是采用小光栅面阵拼接方法制造大面积二维光栅。这两种方法都是高精度、大面积二维光栅制造技术未来要重点研究的技术问题。目前,德国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±0.5 μm;国内,中科院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制造工艺技术。

      (2)传感部分多维协同性响应速率技术。响应速率的提高主要有两种,其一为读数头的转接速度;其二为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技术方面,响应速率并没有形成完善的体系,基于二维平面衍射光栅,ASML公司的光刻机NXT:1950i扫描速度可达0.61 m/s。

      (3)小型化技术。小型化设计是现在研究的难点和热点。目前,国内外,基于一维光栅衍射干涉原理的光栅位移测量系统的小型化设计已经形成样机。基于二维光栅在理论上,集成化的二维光栅测量系统的尺寸可达50×50×30 mm3

      (4)光路和电路的高倍细分技术。实现高倍细分主要是聚焦于光路,电路细分已经很完善,在外界影响极小的情况下,光路细分方式主要有两种,其一为二级衍射,使用二级衍射光来实现高倍细分;其二为二次衍射,使用角锥棱镜等实现高倍细分。目前,国外,HEIDENHAIN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2 nm分辨率,而其工程化及产品化正在进行。

      (5)多维度技术。实现多维度测量有多种方法,主要体现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可实现六维测量,其测量分辨率可达2 nm,但这种系统研究仍处于实验阶段。

      (6)精确标定和补偿技术。位移测量系统最普遍用的高精度标定方法是传统的十字标定技术和自标定技术。而在二维光栅位移测量领域,主要应用的方法是基于传统的十字标定技术,而针对二维光栅测量系统自标定技术尚未完善。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,二维光栅位移测量的误差还处于分析阶段,并没有形成一套特定的误差补偿理论,误差的分析还不够全面,需要研究整体系统的误差集成及拟合,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,现在最为突出的乃是采用新型光学结构运用于二维光栅位移测量系统,而本文后续的报道中,主要聚焦于二维光栅位移测量系统中有效利用双衍射光路技术,提高系统测量精度方面的研究;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,缩小系统光学的结构;采用单次衍射实现高倍光学细分;实现二维位移测量系统的小型化和产品化。

    • 光栅位移测量技术研究在测量领域具有重要意义,尤其在超精密位移测量方面已成为必不可少的测量手段。本文通过国内外二维光栅位移测量相关技术的研究,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。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,可高信噪比和高稳定性不能兼顾;双二维光栅可实现多维测量,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维角度和多维位移测量,可高精度的测量范围和光能利用率都会相应降低。

      目前,二维光栅位移测量技术理论方面的发展非常显著,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未成熟,使其将高精度、高速度、大量程及小型化等性能融为一体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发展方向。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有效地技术基础。

参考文献 (72)

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