以正交衍射光栅为计量标准器的二维微位移工作台

　　1　引　言

　　在半导体光刻、微型机械、精密测量、超精密加工、微型装配、生物细胞操纵和纳米技术等领域,需要十分精确地定位和非常精细地运动,因此高性能的 超精密定位工作台成为这些领域的技术支持。国外(美国、日本等)在微位移工作台方面的研究比较多,技术已经比较成熟,已研制出工作范围为50 mm×50 mm、定位精度达±0.01μm的精密工作台[1]。国内许多单位(如清华大学、浙江大学、哈尔滨工业大学等)也在从事这方面的工作[2-4],已研制出 行程在几~几十mm的一维精密工作台,定位精度达到±0. 1μm。但目前国内研制的行程在几十mm的二维精密工作台还比较少,而从实际应用来看,小行程、一维的精密工作台存在很大的局限性,难以满足许多领域的需 要。为此,研制了一种新型的精密二维位移工作台,利用正交衍射光栅为计量标准器,对工作台两个方向的位移进行实时采集测量,满足了实际工作中大行程与高精 度的要求。

　　2　正交衍射光栅的工作原理

　　一般的衍射光栅只能检测一个方向的位移,而正交衍射光栅能同时检测两个方向的位移,其工作原理如图1所示。由激光器发出的光束进入精细全息光 栅,经光栅一次衍射后在光栅法线与X向所在平面上形成两束衍射光+1(X)、-1(X),并通过置于两侧的直角棱镜反射,会聚于光栅另一点;发生二次衍射 后,产生的(-1,-1)(X)级、(+1,+1)(X)级两束光沿光栅法线方向传播[5],形成的干涉条纹进入光电探测器;用同样的方法产生和接收Y方 向衍射光束产生的干涉条纹。由于X或Y向干涉条纹所产生的相移与光栅沿X或Y方向位移成正比,因而通过检测干涉条纹的相移就可以得到X或Y向的位移 [6]。

　　由衍射光栅的性质可知:当光栅常数为g的光栅在某个方向产生一个相对位移d时,在此方向上形成的+1、-1级衍射光会发生一定的相移φ+1、φ-1,其中:

　　发生二次衍射后,形成的(+1,+1)、(-1,-1)级衍射光的相移φ+1,+1、φ-1,-1分别为:

　　令两束二次衍射光的幅值相等且幅度为1,则它们在合成处x的复振幅表达式为:

　　U(d,x) = U1(d,x)+ U2(d,x) , (3)

　　式中,x为沿光电阵列面方向的坐标。

　　两束二次衍射光为近似平面光,假设两束光的倾角为2ε,并设它们的中心位置为0,根据激光的传播特性[7],去掉初相位的影响后,两束光的复振幅方程可近似为:

　　其中,λ为激光波长。其合成光强度分布为:

　　上式表示当光栅静止时,在光电探测器处形成有明暗相间的干涉条纹,当光栅移动了一个光栅节距时,干涉条纹相位变化8π,即4个条纹常数。在此基 础上,如果光电探测器采用四象限光电阵列,并把光电阵列面置于适当的位置,使光电阵列各相邻两个象限之间接收到的相位相差为π/2+2π,则可以得到四个 相差π/2的光强信号,通过对此4个信号的差分、判向、计数与细分处理,就得到了条纹的整体相位变化情况。