全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構的制作方法
【專利摘要】全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構屬于全息平面衍射光柵制作領域，目的在于解決現有技術存在的干涉場承載平臺熱膨脹對測量精度的影響以及米級尺寸的Y軸長條反射鏡的加工及裝調難度大的問題。本發明包括的X軸測量系統包括X軸光束方向調節器、X軸干涉計、潛望鏡結構、X軸測量反射鏡和X軸參考反射鏡；Y軸測量系統包括Y軸干涉計、Y軸參考反射鏡和Y軸測量反射鏡；雙頻激光器發出的激光經分光棱鏡分出兩束光，并分別通過轉向棱鏡進入到X軸測量系統和Y軸測量系統；X軸測量系統中X軸干涉計采用潛望鏡結構實現工作臺X軸相對位置的測量；Y軸測量系統采用多個Y軸干涉計實現Y軸相對位置的測量。
【專利說明】全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構

【技術領域】
[0001]本發明屬于全息平面衍射光柵制作【技術領域】，具體涉及一種全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構。

【背景技術】
[0002]制造米級尺度全息光柵的方法主要有以下兩種:一種是靜態干涉場曝光方式，兩束平面高斯光束相疊加形成直線狀干涉條紋，而且干涉場與光柵基底始終保持靜止，一次曝光將干涉條紋記錄于曝光膠上，制造米級尺度光柵需要同等甚至更大尺寸的干涉場。另一種是掃描曝光方式，即采用兩束小截面高斯激光相干涉形成光斑直徑為毫米量級的干涉條紋(又稱干涉場)，通過精密工作臺的二維運動以掃描干涉場曝光方式將干涉場記錄于曝光膠上，制作出具有納米級精度的大面積平面衍射光柵。掃描干涉場曝光方式制作大面積全息光柵時不需要大口徑光學系統，因此該方法降低了光學加工難度且更利于實現米級大尺寸全息光柵的制作。描干涉場曝光二維工作臺的X軸位移用于確定光柵的每條刻線的位置，Y軸位移用于實現對光柵各刻線掃描過程中的速度均勻性進行控制，工作臺的擺角測量用于實現工作臺擺角控制及X軸測量鏡面形補償等。描描干涉場曝光二維工作臺的X軸位移的短期測量精度要求在納米量級，Y軸位移的短期測量精度要求在百納米量級。工作臺位移和擺角測量光路結構的優劣直接影響著掃描曝光光柵的性能指標，如衍射波前和雜散光等。
[0003]現有技術對工作臺X軸方向運動的位移和擺角測量是將激光干涉計的參考反射鏡與干涉計安放在同一大理石底座上，將測量反射鏡固定在工作臺上層臺上，該方法沒有考慮到干涉場承載平臺熱膨脹對工作臺和干涉場在X軸方向相對位移測量精度的影響；現有技術對工作臺Y軸方向運動的位移和擺角測量的測量反射鏡僅采用一個長條測量反射鏡實現，該方法對具有制造米級以上光柵長度的掃描曝光系統而言，要求其加工一個米級以上尺寸的平面長條反射鏡，如對于500mmX 1500mm光柵而言，其相應的Y軸反射鏡長度則應大于1500_，而且該反射鏡的面形精度應在百納米量級，該米級尺寸的Y軸長條反射鏡的加工及裝調難度較大。


【發明內容】

[0004]本發明的目的在于提出一種全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，解決現有技術存在的干涉場承載平臺熱膨脹對測量精度的影響以及米級尺寸的Y軸長條反射鏡的加工及裝調難度大的問題。
[0005]為實現上述目的，本發明的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構包括雙頻激光器、分光棱鏡、轉向棱鏡、X軸測量系統和Y軸測量系統；所述X軸測量系統包括X軸光束方向調節器、X軸干涉計、潛望鏡結構、X軸測量反射鏡和X軸參考反射鏡；所述Y軸測量系統包括Y軸光束方向調節器、Y軸干涉計、Y軸參考反射鏡和Y軸測量反射鏡；
[0006]所述雙頻激光器發出的激光經分光棱鏡分出兩束光，并分別通過轉向棱鏡進入到X軸測量系統和Y軸測量系統；
[0007]進入到X軸測量系統的光通過X軸光束方向調節器進入到所述X軸干涉計，光束經X軸干涉計分成上下兩簇光，上面的光經過所述潛望鏡結構進行光路折轉后，入射到X軸參考反射鏡表面，然后沿原光路返回到所述X軸干涉計的內部，下面的光經所述X軸測量反射鏡反射后沿原光路返回至所述X軸干涉計的內部，上下兩簇光的返回光在所述X軸干涉計內部發生干涉；
[0008]進入到Y軸測量系統的光依次通過η個分光棱鏡和Y軸光束方向調節器分別進入到η個Y軸干涉計，每個Y軸干涉計將進入的光束分成上下兩簇光，上面的光入射到一個Y軸參考反射鏡表面后，沿原光路返回到所述Y軸干涉計的內部，下面的光經一個Y軸測量反射鏡反射后沿原光路返回至所述Y軸干涉計的內部，上下兩簇光的返回光在Y軸干涉計內部發生干涉。
[0009]所述潛望鏡結構包括潛望鏡固定座、反射鏡固定塊、兩個潛望反射鏡和反射鏡壓板；兩個潛望反射鏡的反射表面互相平行且與入射光束成45度角，潛望反射鏡通過反射鏡固定塊和反射鏡壓板固定在所述潛望鏡固定座上。
[0010]所述潛望反射鏡的側視圖是一個直角梯形，所述直角梯形的下底邊長為上底邊長的二倍。
[0011]所述X軸測量系統還包括X軸反射鏡調整座和X軸參考反射鏡調整架；所述X軸參考反射鏡通過所述X軸參考反射鏡調整架安裝在干涉場光學承載機構上，所述X軸參考反射鏡位于光柵基底的上方，所述X軸測量反射鏡通過X軸反射鏡調整座設置在二維工作臺上。
[0012]所述Y軸測量系統還包括Y軸測量反射鏡調整架，多個Y軸測量反射鏡分別通過Y軸測量反射鏡調整架設置在二維工作臺上。
[0013]所述η的取值為至少二個。
[0014]本發明的有益效果為:本發明的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構采用所述潛望鏡結構來實現在Z軸方向具有百毫米量級高度差的干涉場和工作臺之間的X軸相對位置測量，避免了干涉場隨熱膨脹發生位置變化對工作臺的X軸相對位置測量的影響；本發明的所述潛望鏡結構采用的是兩個獨立的且側面呈直角梯形的潛望反射鏡來實現一個潛望鏡的功能，所述的兩個潛望反射鏡便于裝調且結構穩定，有益于提高工作臺與干涉場在X軸方向的相對位移的測量精度；同時，在工作臺Y軸位移測量方面，本發明采用η個Y軸測量反射鏡實現一個具有其η倍長度的Y軸測量反射鏡的功能，降低了 Y軸測量反射鏡的加工及裝調難度，該方法對米級以上尺寸的掃描曝光光柵制作而言尤為有益。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為本發明的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構示意圖；
[0016]圖2為本發明的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構中X軸測量系統三維圖結構示意圖；
[0017]圖3為本發的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構中二維工作臺和干涉場光學承載機構的空間位置示意圖；
[0018]圖4為本發明左側的Y軸干涉計開始工作時的Y軸干涉計與Y軸測量反射鏡的相對位置關系示意圖；
[0019]圖5為本發明中間的Y軸干涉計開始工作時的Y軸干涉計與Y軸測量反射鏡的相對位置關系示意圖；
[0020]圖6為本發明右側的Y軸干涉計開始工作時的Y軸干涉計與Y軸測量反射鏡的相對位置關系示意圖；
[0021]其中:1、雙頻激光器，2、分光棱鏡，3、波長跟蹤器，4、轉向棱鏡，5、X軸光束方向調節器，6、X軸干涉計，7、潛望鏡結構，701、潛望鏡固定座，702、反射鏡固定塊，703、潛望反射鏡，704、反射鏡壓板，8、X軸測量反射鏡，9、X軸反射鏡調整座，10、X軸參考反射鏡，11、X軸參考反射鏡調整架，12、Y軸光束方向調節器，13、Y軸干涉計，14、Y軸參考反射鏡，15、Y軸測量反射鏡，16、Y軸測量反射鏡調整架，17、光柵基底，18、二維工作臺，19、干涉場光學承載機構。

【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明的實施方式作進一步說明。
[0023]參見附圖1、附圖2和附圖3，本發明的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構包括雙頻激光器1、分光棱鏡2、轉向棱鏡4、Χ軸測量系統和Y軸測量系統；所述X軸測量系統包括X軸光束方向調節器5、X軸干涉計6、潛望鏡結構7、X軸測量反射鏡8和X軸參考反射鏡10 ;所述Y軸測量系統包括Y軸光束方向調節器12、Y軸干涉計13、Y軸參考反射鏡14和Y軸測量反射鏡15 ；
[0024]所述雙頻激光器I發出的激光經分光棱鏡2分出兩束光，并分別通過轉向棱鏡4進入到X軸測量系統和Y軸測量系統；
[0025]進入到X軸測量系統的光通過X軸光束方向調節器5進入到所述X軸干涉計6，光束經X軸干涉計6分成上下兩簇光，上面的光經過所述潛望鏡結構7進行光路折轉后，入射到X軸參考反射鏡10表面，然后沿原光路返回到所述X軸干涉計6的內部，下面的光經所述X軸測量反射鏡8反射后沿原光路返回至所述X軸干涉計6的內部，上下兩簇光的返回光在所述X軸干涉計6內部發生干涉，將該干涉光束進行接收后經電子信號處理即可獲得二維工作臺18相對于干涉場在X軸方向的位移和擺角；
[0026]進入到Y軸測量系統的光依次通過η個分光棱鏡2和Y軸光束方向調節器12分別進入到η個Y軸干涉計13，每個Y軸干涉計13將進入的光束分成上下兩簇光，上面的光入射到一個Y軸參考反射鏡14表面后，沿原光路返回到所述Y軸干涉計13的內部，下面的光經一個Y軸測量反射鏡15反射后沿原光路返回至所述Y軸干涉計13的內部，上下兩簇光的返回光在Y軸干涉計13內部發生干涉，將該干涉光束進行接收后經電子信號處理即可獲得二維工作臺18相對于干涉場在Y軸方向的位移和擺角。
[0027]所述X軸干涉計6和所述Y軸干涉計13的波長誤差，分別采用放置在其附近的波長跟蹤器3進行補償。
[0028]所述潛望鏡結構7包括潛望鏡固定座701、反射鏡固定塊702、兩個潛望反射鏡703和反射鏡壓板704 ;兩個潛望反射鏡703的反射表面互相平行且與入射光束成45度角，兩個潛望反射鏡703具有一個潛望鏡的功能，潛望反射鏡703與所述潛望鏡固定座701的安裝方式簡易且結構穩定，只需將潛望反射鏡703放置在潛望鏡固定座701上，然后再將兩個反射鏡固定塊702分別放置于所述潛望反射鏡703兩側，最后安裝所述反射鏡壓板704，使所述潛望反射鏡703固定在所述潛望鏡固定座701上。
[0029]所述潛望反射鏡703的側視圖是一個直角梯形，所述直角梯形的下底邊長為上底邊長的二倍。
[0030]所述X軸測量系統還包括X軸反射鏡調整座9和X軸參考反射鏡調整架11 ;所述X軸參考反射鏡10通過所述X軸參考反射鏡調整架11安裝在干涉場光學承載機構19上，所述X軸參考反射鏡10位于光柵基底17的上方，所述X軸測量反射鏡8通過X軸反射鏡調整座9設置在二維工作臺18上。
[0031]所述Y軸測量系統還包括Y軸測量反射鏡調整架16，多個Y軸測量反射鏡15分別通過Y軸測量反射鏡調整架16設置在二維工作臺18上，所述Y軸干涉計13與所述Y軸參考反射鏡14固定放置在同一大理石底座上，所述Y軸干涉計13是一個雙路干涉計。所述Y軸干涉計13、所述Y軸參考反射鏡14和所述Y軸測量反射鏡15的數量相同。在工作臺沿X軸位移的不同階段，采用η個所述Y軸干涉計13分時對工作臺在Y軸方向的位移和擺角進行測量。
[0032]所述η的取值為至少二個。
[0033]實施例一:
[0034]二維工作臺18相對于干涉場在X軸位移的測量方法為:所述雙頻激光器I發出的激光經過所述分光棱鏡2透射后，再經所述轉向棱鏡4反射后進入所述X軸光束方向調節器5，然后進入所述X軸干涉計6 ;該光束經過所述X軸干涉計6后，分成上下兩簇光；位于上面的一簇光經過兩個所述潛望鏡結構7進行光路折轉后，入射至所述X軸參考反射鏡10表面，然后沿原光路返回至所述雙軸干涉計內部；位于所述X軸干涉計6下部的一簇光經所述X軸測量反射鏡8反射后沿原光路返回至所述X軸干涉計6內部；上下兩簇光在所述X軸干涉計6內部發生干涉，將該干涉光束進行接收后經電子信號處理即可獲得二維工作臺18相對于干涉場在X軸方向的位移和擺角。
[0035]二維工作臺18與干涉場在Y軸方向相對位移的測量主要通過Y軸干涉計13測量Y軸參考反射鏡14和Y軸測量反射鏡15的相對位置變化來實現。掃描干涉場二維工作臺18Υ軸位移用于實現對光柵各刻線掃描過程中的速度均勻性進行控制，二維工作臺18的擺角測量用于實現工作臺擺角控制及X軸測量鏡面形補償等。描干涉場曝光二維工作臺18的X軸位移的短期測量精度要求為納米量級，二維工作臺18的Y軸位移的短期測量精度要求在百納米量級，其測量精度要求比二維工作臺18Χ軸位移的要求要寬松很多，因此，對于描干涉場二維工作臺18Υ軸位移的測量本發明采用了與X軸位移的測量不同的方法，即所述Y軸參考反射鏡14沒有安裝在所述干涉場光學承載機構19上，而是與所述Y軸干涉計13 —起固定在同一大理石底座上。
[0036]所述Y軸干涉計13、所述Y軸參考反射鏡14和所述Y軸測量反射鏡15的數量均為3個。通過干涉儀裝調來確保三個所述Y軸測量反射鏡15的反射鏡表面在X軸方向處于同一直線上。在工作臺沿X軸位移的不同階段，采用三個所述Y軸干涉計13分時對工作臺在Y軸方向的位移和擺角進行測量，其中三個所述Y軸干涉計13和三個所述Y軸參考反射鏡14 一直處于靜止不動狀態，而三個所述Y軸測量反射鏡15在工作臺運動過程中隨著工作臺運動而運動。若人面向Y軸正向方向，三個所述Y軸干涉計13按空間位置可分為左側的Y軸干涉計13、中間的Y軸干涉計13和右側的Y軸干涉計13 ;三個Y軸參考反射鏡14按空間位置可分為左側的Y軸參考反射鏡14、中間的Y軸參考反射鏡14和右側的Y軸參考反射鏡14 ;三個所述Y軸測量反射鏡15按空間位置可分為左側的Y軸測量反射鏡15、中間的Y軸測量反射鏡15和右側的Y軸測量反射鏡15。參見附圖4，給出了左側的Y軸干涉計13開始工作時的三個所述Y軸干涉計13與所述Y軸測量反射鏡15的相對位置關系示意圖，參見附圖5，給出了中間的所述Y軸干涉計13開始工作時的三個所述Y軸干涉計13與所述Y軸測量反射鏡15的相對位置關系示意圖，參見附圖6給出了右側的所述Y軸干涉計13開始工作時的三個所述Y軸干涉計13與所述Y軸測量反射鏡15的相對位置關系示意圖。在工作臺沿X軸負向運動過程中，當左側的所述Y軸干涉計13處于附圖4和附圖5所示的空間位置之間時，左側的Y軸干涉計13對左側的Y軸參考反射鏡14和左側的Y軸測量反射鏡15之間的距離進行實時測量；當中間的Y軸干涉計13處于附圖5和附圖6所示的空間位置之間時，中間的Y軸干涉計13對中間的Y軸參考反射鏡14和中間的Y軸測量反射鏡15之間的距離進行實時測量；當右側的Y軸干涉計13處于附圖6所示的空間位置且工作臺繼續沿X軸負向運動過程時，右側的Y軸干涉計13對右側的所述Y軸參考反射鏡14和右側的Y軸測量反射鏡15之間的距離進行實時測量。
[0037]在本發明的描述中，術語“內”、“外”、“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“頂”、“底”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明而不是要求本發明必須以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
[0038]以上所述本發明的【具體實施方式】，僅用以解釋本發明，而不構成對本發明保護范圍的限制。任何根據本發明的技術構思所作出的各種其他相應的改變與變形，均應包含在本發明權利要求的保護范圍內。
【權利要求】
1.全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，其特征在于，包括雙頻激光器(I)、分光棱鏡(2)、轉向棱鏡(4)、X軸測量系統和Y軸測量系統；所述X軸測量系統包括X軸光束方向調節器(5)、X軸干涉計(6)、潛望鏡結構(7)、X軸測量反射鏡(8)和X軸參考反射鏡(10);所述Y軸測量系統包括Y軸光束方向調節器(12)、Y軸干涉計(13)、Υ軸參考反射鏡(14)和Y軸測量反射鏡(15)； 所述雙頻激光器(I)發出的激光經分光棱鏡(2)分出兩束光，并分別通過轉向棱鏡(4)進入到X軸測量系統和Y軸測量系統； 進入到X軸測量系統的光通過X軸光束方向調節器(5)進入到所述X軸干涉計(6)，光束經X軸干涉計(6)分成上下兩簇光，上面的光經過所述潛望鏡結構(7)進行光路折轉后，入射到X軸參考反射鏡(10)表面，然后沿原光路返回到所述X軸干涉計(6)的內部，下面的光經所述X軸測量反射鏡⑶反射后沿原光路返回至所述X軸干涉計(6)的內部，上下兩簇光的返回光在所述X軸干涉計￠)內部發生干涉； 進入到Y軸測量系統的光依次通過η個分光棱鏡(2)和Y軸光束方向調節器(12)分別進入到η個Y軸干涉計(13)，每個Y軸干涉計(13)將進入的光束分成上下兩簇光，上面的光入射到一個Y軸參考反射鏡(14)表面后，沿原光路返回到所述Y軸干涉計(13)的內部，下面的光經一個Y軸測量反射鏡(15)反射后沿原光路返回至所述Y軸干涉計(13)的內部，上下兩簇光的返回光在Y軸干涉計(13)內部發生干涉。
2.根據權利要求1所述的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，其特征在于，所述潛望鏡結構(7)包括潛望鏡固定座(701)、反射鏡固定塊(702)、兩個潛望反射鏡(703)和反射鏡壓板(704);兩個潛望反射鏡(703)的反射表面互相平行且與入射光束成45度角，潛望反射鏡(703)通過反射鏡固定塊(702)和反射鏡壓板(704)固定在所述潛望鏡固定座(701)上。
3.根據權利要求2所述的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，其特征在于，所述潛望反射鏡(703)的側視圖是一個直角梯形，所述直角梯形的下底邊長為上底邊長的二倍。
4.根據權利要求1所述的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，其特征在于，所述X軸測量系統還包括X軸反射鏡調整座(9)和X軸參考反射鏡調整架(11);所述X軸參考反射鏡(10)通過所述X軸參考反射鏡調整架(11)安裝在干涉場光學承載機構(19)上，所述X軸參考反射鏡(10)位于光柵基底(17)的上方，所述X軸測量反射鏡(8)通過X軸反射鏡調整座(9)設置在二維工作臺(18)上。
5.根據權利要求1所述的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，其特征在于，所述Y軸測量系統還包括Y軸測量反射鏡調整架(16)，多個Y軸測量反射鏡(15)分別通過Y軸測量反射鏡調整架(16)設置在二維工作臺(18)上。
6.根據權利要求1所述的全息掃描曝光二維工作臺位移和擺角測量光路結構，其特征在于，所述η的取值為至少二個。
【文檔編號】G01B11/26GK104515470SQ201410817175
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】李曉天, 劉兆武, 于海利, 唐玉國, 巴音賀希格, 齊向東, 李文昊, 白志紅 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所