提高二维计量光栅面形精度的方法

A planar encoder is a device for measuring two-dimensional ultra-precise planar displacements. A crossed grating is used in the encoder to avoid the turbulence effects commonly encountered with laser interferometers. It is important to make sure that the groove of the grating be uniform, namely, the grating with small diffraction wavefront aberration. We propose a method to adjust the attitude and position of optical elements in exposure system in order to reduce the wavefront aberration of the grating. By considering the aberration of the collimation lens together with the position error of the lens, we construct aberration model to guide the adjustment of optical elements in the exposure system. We measure the diffractive wavefront aberration of a reference grating firstly; and then put the grating into the optical system. When expanded beams incidence onto the grating with a different incidence angle, we can obtain some interference fringe patterns. The patterns change with the position (or attitude) of the collimation lens. By using the fringe patterns, we can adjust the exposure system to make the aberration in exposure area as small as possible.

二维光栅尺由于其结构紧凑、抗干扰强等优点，使其的二维位移测量方面有很大的应用潜力。作为二维光栅尺的主要部件二维平面光栅，其面形精度直接影响最终位移测量精度。由于平面光栅的面形精度主要受限于曝光系统光学元件的像差和曝光系统的调整精度，本课题希望研究曝光系统的光路调整策略，即利用球面镜像差的对称性，通过仔细调整曝光系统中光学元件的位置和姿态，使得曝光干涉场的像差互相补偿，从而减小所制作的平面光栅的衍射波像差。本课题的特点在于利用光线追击的方法，建立双光束曝光时干涉场的波像差模型，充分考虑准直透镜像差和光学系统调整误差对曝光干涉场波像差的影响。通过先制作一块有像差的光栅，用菲索干涉仪测量其衍射波像差，然后再将其放在曝光光路中，根据它的若干个衍射级次形成的干涉图，调整曝光光路。利用透镜像差的互补性，使最终制作的光栅衍射波像差优于准直透镜波像差。

我们提出一种调整双光束曝光系统的反馈方法，该系统可以用两个像差相近的球面准直镜代替非球面镜，做出波像差很好的光栅。理论分析和数值计算表明，因为干涉波像差可以用泽尼克多项式展开，而因为泽尼克多项式的正交性，因此可以实习不同光路调节误差的误差分离。在此基础上，我们可以得到光路调整方案，即先制作一块光栅，测量其波面误差，按照泽尼克多项式进行误差分解，按照系统设计参数和泽尼克多项式的系数，推算各个环节需要调整的量，调整好后后再制作光栅，如果不满足波像差要求，再按照上述原则调整一次。一般调整两次就可以使得光栅的衍射波像差降低到二十分之一波长以下。第一次调整是按照设计参数计算进行的粗调，第二章则根据实际系统进行了修正，实习了精调。由于泽尼克多项式与曝光系统调整环节很好的线性关系，使得我们容易获得比较高的调整精度。另外，考虑到调整过程中可能会引入光栅周期与理想周期的偏离，我们也提出了调整曝光基板的调整方案，以此来保证调整过程中光栅周期不变。在实验中，考虑到光刻胶厚度对基板零级波像差的影响，我们通过测量正负一级衍射波像差，来扣除基板面形和光刻胶厚度对测量的影响。基于这种调整方法，我们最终实现了在70mm*70mm的范围内，衍射波像差为0.03波长，而用于曝光的准直球面镜像差为0.6波长。利用光路调节，实现了曝光透镜像差的补偿，用比较差的球面镜做出了高质量的衍射光栅