[发明专利]一种利用可旋转光栅测量的位移测量系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种利用可旋转光栅测量的位移测量系统，尤其涉及一种可适应不同光栅旋转角度的位移测量系统。

背景技术

光栅测量系统作为一种典型的位移传感器广泛应用于众多机电设备之中。光栅测量系统的测量原理主要基于莫尔条纹原理和衍射干涉原理。基于衍射干涉原理的光栅测量系统作为一种典型的位移传感器以其测量分辨率高、精度高、成本低等众多优点成为众多机电设备位移测量的首选。

在半导体制造装备中，光刻机是半导体芯片制作中的关键设备，而超精密工件台则是光刻机的核心子系统，用于承载掩模板和硅片完成高速超精密步进扫描运动。超精密工件台以其大行程、超精密、多自由度运动等特点成为超精密运动系统中最具代表性的一类系统。传统光栅测量系统的测量装置对光栅的安装角度十分敏感，使用过程中对被测物体的转角范围有着十分苛刻的要求，应用在超精密工件台的多自由度测量之中，不仅安装不便，调整困难，其角度的局限性还一定程度上限制了工件台多自由度运动的行程以及运动精度等指标的进一步提升。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用可旋转光栅测量的位移测量系统，使其位移测量功能不受光栅绕激光光轴旋转角度的限制，从而实现在不同光栅旋转角度下的位移测量功能，同时光栅相对于测量装置的旋转角度的变化不会影响到测量结果。

本发明的技术方案如下：

一种利用可旋转光栅测量的位移测量系统，该系统包括激光器、光栅、光电转换器和电子信号处理部件，其特征在于，所述系统还包括凸透镜和折光元件，该折光元件为回转体；所述的凸透镜的中心位于激光器的激光光轴上，所述的折光元件的轴线与激光光轴重合；所述的激光器产生的激光垂直入射到光栅上；光栅产生的正负级衍射光经过折光元件后，折射并形成与激光光轴平行的两束光，然后经凸透镜汇聚到光电转换器上形成干涉信号，该干涉信号经光电转换器转换成电信号后进入电子信号处理部件之中。

优选地，所述激光器位于凸透镜与光电转换器之间，激光器发出的激光依次先经过凸透镜折光元件后垂直入射到光栅上。

优选地，所述的折光元件采用圆锥镜，其轴截面为等腰三角形；或采用圆台形透镜，其轴截面为等腰梯形，或采用凹面反射镜，该凹面反射镜为内部空心圆台状。

本发明具有以下优点及突出性的技术效果：测量系统基于光栅衍射、光学多普勒效应和光学拍频原理实现位移测量，位移测量功能不受待测物体绕一个固定方向转动的限制，可灵活安装和应用到多种需要测量位移的场合之中。当光栅相对激光器做平面运动或绕激光光轴转动时，测量系统能够始终输出所需测量方向的位移信息，不受光栅面内平动或转动的影响。该测量系统安装灵活，调整方便，对环境敏感性低、测量信号易于处理，分辨率与精度可达亚纳米甚至更高。该测量系统可以为光刻机超精密工件台进行位置位移测量，提升工件台综合性能，也可应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等的工件台多自由度位移的精密测量。

附图说明

图1为本发明的第一种实施例的三维结构示意图。

图2为本发明的第一种实施例的结构原理示意图。

图3为本发明的第一种实施例的侧视图。

图4为本发明的第二种实施例的结构原理示意图。

图5为本发明的第三种实施例的结构原理示意图。

图6为本发明的第四种实施例的结构原理示意图。

图7为本发明的第五种实施例的结构原理示意图。

图8为本发明的第六种实施例的结构原理示意图。

图9为本发明的第六种实施例的三维结构示意图。

图10为本发明的测量装置工作原理示意图。

图中，1—激光器，2—凸透镜，3—光栅，4—光电转换器，5—电子信号处理部件，6a—圆锥镜，6b—圆台形透镜，6c—凹面反射镜，7—待测物体。

具体实施方式

本发明为一种利用可旋转光栅测量的位移测量系统，包括激光器1、凸透镜2、折光元件、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。

下面结合附图及实施例对本发明的具体实施方式作进一步的详细描述。

请参考图1、图2、图3，图1为本发明的第一种实施例的三维结构示意图，该实施例也是本发明优选的实施例，图2为本发明的第一种实施例的结构原理示意图，图3为本发明的第一种实施例的侧视图，即激光光束方向的视图。所述的位移测量系统包括激光器1、凸透镜2、圆锥镜6a、光栅3、光电转换器4、电子信号处理部件5。