CN100456080C

CN100456080C - 一种定偏移平行输出分束器

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Publication number: CN100456080C
Application number: CNB2006101190206A
Authority: CN
Inventors: 关俊
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Priority date: 2006-12-01
Filing date: 2006-12-01
Publication date: 2009-01-28
Anticipated expiration: 2026-12-01
Also published as: CN1996091A

Abstract

本发明公开了一种定偏移平行输出分束器，至少包括一个入射面、一个出射面、一个分束面和三个反射面，所述分束面和反射面中，至少有两对面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射。本发明可用于表面形貌测量系统。

Description

一种定偏移平行输出分束器

【技术领域】

本发明涉及光学器件设计领域，尤其涉及一种定偏移平行输出分束器。

【背景技术】

在锥形光束干涉表面形貌测量系统中，分束器是其关键器件之一。其中的一类非常规的分束要求是：要求对把入射的光源的光束分成用作锥形光束干涉的两束光，这两束光要相互平行，分束器引入的二者光程差为零，而且还要求二者之间的偏移量恒定。针对这一分束要求，前面已经有人设计出了不同结构的此类分束器，如：US4498773、US4884697和US6611397等所述。在US4498773中，其分束系统采用的四个分立元件形成的组合系统，所以其稳定性较差，系统调整也很是麻烦。对于US4884697和US6611397B2中相应的分束器，它们明显的缺陷就是插入损耗很大，分束效率低，这两种分束器的在不考虑制造误差的情况下的理论插入损耗就会达到3dB，也就是说有一半的光束能量被浪费掉。

图1是美国专利US6611397的分束器的光路图。如图1所示，两块棱镜a、b的结合面上有一层半透半反膜，入射光线在该表面一部分穿透该膜另一部分被该膜反射，透射部分被棱镜b边缘的全反膜反射回半透半反膜，并再次被半透半反膜部分反射出去；入射光的第一次被反射部分光线被半透半反膜反射后，再被棱镜a表面的全反膜两次反射后出射。如图中所示，两部分出射光线有一定的距离。在改变入射点后，两部分出射光线的距离仍保持不变，如图中的虚线所示。但是，棱镜b反射回半透半反膜的部分光线会有一半的能量通过半透半反膜透射出去造成损失；同样，棱镜a反射回的光线也有一半的能量被半透半反膜表面被反射出去造成损失。这部分光线的损失不但会形成很大的插入损耗，而且会形成鬼像。

以上所述技术的缺陷是：理论插入损耗就很大大，分束效率低。对于高精度的测量系统来说，由于分束器的漏光而产生的杂散光会对系统产生较大的噪声，同时由于其他器件有可能对这些杂散光吸收，所以也会加剧该系统的热不稳定性。所有的这些缺陷将会严重伤害高精度高稳定性的测量系统的测量性能。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种高稳定性，零理论插入损耗的定偏移平行输出分束器，克服了插入损耗大，分束效率低的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供一种定偏移平行输出分束器，至少包括一个入射面、一个出射面、一个分束面和三个反射面，所述分束面和反射面中，至少有两对面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射，该分束器是由第一棱镜1、第二棱镜9、第三棱镜4、第四棱镜6所结合成的单片式一体化结构；其中第一棱镜1，其剖面为平行四边形，第一棱镜1的顶面形成分束器的入射面11，第一棱镜1的左侧面为第一反射面2，第一棱镜1的右侧面为分束面10，第二棱镜9，与所述第一棱镜1通过分束面10相互连接；第三棱镜4，与所述第一棱镜1通过第一棱镜1的底面相互连接；第四棱镜6，其剖面为平行四边形，第四棱镜6的左侧面为第二反射面8，其右侧面为第三反射面7，第四棱镜与所述第三棱镜4通过第二反射面8相互连接，第四棱镜6与所述第二棱镜9通过第四棱镜6的顶面相互连接，第四棱镜6的顶面与第一棱镜1的底面重合为中间面3；第三棱镜4的底面与第四棱镜6的底面重合形成分束器的出射面5；光线从所述第一棱镜1的入射面11垂直入射后经由上述棱镜，并从第三、第四棱镜的出射面5平行分束出射。

另外，本发明还提供一种定偏移平行输出分束器，至少包括一个入射面、一个出射面、一个分束面和三个反射面，所述分束面和反射面中，至少有两对面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射，其特征在于，该分束器是由第一棱镜12、第二棱镜13、第三棱镜14所结合成的单片式一体化结构，第一棱镜12，其剖面为平行四边形，第一棱镜12的右侧面为分束面，第一棱镜12的左侧面为第一反射面，第一棱镜12的顶面为入射面；第二棱镜13，与所述第一棱镜12通过第一棱镜12的底面相互连接；第三棱镜14，其左侧面为第二反射面，其右侧面为第三反射面，与所述第二棱镜13通过第二反射面相互连接，与所述的第一棱镜12通过分束面相互连接，其中第二反射面与第三反射面相互平行；第二棱镜13的底面与第三棱镜14的底面重合，形成分束器的出射面5；光线从所述第一棱镜的入射面11垂直入射后经由上述棱镜，并从第二、第三棱镜的出射面平行分束出射。

进一步地，所述的分束器是透明构件。

进一步地，所述透明构件由棱镜组成。棱镜的数目和结构可根据具体情况设计。

进一步地，所述棱镜的结合方式是胶合连接或机械方式连接。机械连接可采用销钉等方式。

进一步地，所述反射面镀有对入射光全反的膜层，用于入射光的全反射。

进一步地，也可以使所述反射面符合全反射定律，即不需镀膜即可完成入射光的全反射功能。

进一步地，所述分束面镀有比例分光膜，用于入射光的分束。

进一步地，所述入射面和出射面镀有增透膜，用于入射光的增透。

本发明的优点在于：所述分束器的理论插入损耗为零，实际的插入损耗只取决于制造误差，插入损耗小，极大地提高了采用本发明的高精度高稳定性的测量系统的测量性能。

同时，由于只需要调整使入射光垂直于入射面入射，即可保证本发明的分束特性，故极大地降低了分束器的调试难度。

【附图说明】

图1为现有的分束器结构示意图；

图2为本发明分束器剖面结构示意图；

图3为本发明的第一实施例的剖面结构示意图；

图4为本发明的第二实施例的剖面结构示意图；

图5为本发明应用于锥形光束干涉的表面形貌测量系统的示意图。

【具体实施方式】

以下结合附图和具体实施例对本发明作详细说明。

图2为本发明的分束器剖面结构示意图。它是由棱镜1、4、6、9所结合成的单片式一体化结构。棱镜1与棱镜9通过面10相互连接；棱镜1与棱镜4通过面3相互连接；棱镜6与棱镜9也是通过面3相互连接；棱镜4与棱镜6通过面8相互连接。棱镜1与棱镜4、棱镜1与棱镜9、棱镜4与棱镜6、棱镜6与棱镜9之间可以是胶合连接，或者通过销钉等方式的机械连接以及其他连接方式。所述棱镜之间也可以有间隙。但一般为了结构的稳定和设计方便，最好采用几个面紧密连接的方式。

如图2所示，设定与边11平行的轴为X轴，所述X轴的正向是自左向右；设定与X方向的夹角沿X轴的正向顺时针旋转到相应的边所成的角为正，反之为负。其中，棱镜1的剖面为平行四边形，即其面2和面10相互平行，面11与面3相互平行。面2、面10与X轴正向的夹角为α。同样，棱镜6的剖面也是平行四边形，棱镜6的顶面和棱镜1的底面重合为面3，而面3与该分束器的顶面11和底面5相互平行。面7、面8与X轴正向的夹角为β。在棱镜1中，面2和面10之间的距离为S1；在棱镜6中，面7和面8之间的距离为S2。棱镜9用于支撑棱镜1，并且可作为光波导。棱镜9与棱镜1共面10，与棱镜6共面3，棱镜9对其除了面3、10之外的其它面没有具体的限制，可根据需要进行选择。棱镜4的作用和棱镜9一致，棱镜4与棱镜1共面3，与棱镜6共面5和8，棱镜4对其除了面3、5、8以外的其它面也没有具体的限制，只需根据具体情况确定即可。

由于棱镜1的面2和棱镜6的面7、面8起全反射功能，故可在面2、面7和面8镀上对入射光波段全反的膜层或利用全发射定律完成上述功能。由于面10起分束功能，可在面10镀上比例分光膜，所述比例分光膜可以镀在棱镜1的10面一侧上，也可以镀在棱镜9的10面一侧上，或者在10面的两侧同时镀膜。为了降低插入损耗，一般要在面11和面5镀上对入射光波段增透的增透膜。

针对棱镜1的面2和棱镜6的面7、面8，可利用全发射定律完成全反射功能。将棱镜1在出射光束BO1波长(或波段)上的折射率(或最大折射率)设为n1，棱镜6在出射光束BO2波长(或波段)上的折射率(或最大折射率)设为n2，棱镜4在出射光束BO2波长(或波段)上的折射率(或最小的折射率)设为n3，周围的空气等介质的折射率设为n0。由全反射定律可知：当光束BO1在面2上的入射角π-α≥arcsin(n1/n 0)，光束BO2在面7上的入射角β≥arcsin(n2/n0)，光束BO2在面8上的入射角β≥arcsin(n2/n3)时，光束在相应的面上都会发生全反射。根据所述折射率n1、n2、n3、n0，选择合适的夹角α和β，使相应光束在面2、面7、面8上实现全反射。由于所述大于临界入射角的全反射可以反射全部的能量，故利用全反射定律设计的分束器，相对于采用镀上对入射光波段全反的膜层的方式，有更高的效率和更低的插入损耗，同时也节省了成本。

入射光B I垂直于面11入射至棱镜1中，在面10上被分成一定比例的反射光BI1和透射光BI2，反射光BI1再次被面2反射后，经过棱镜4垂直于面5出射，形成出射光BO1；透射光BI2从棱镜9穿过到达棱镜6，先被棱镜6的面8反射，形成BI3反射光，所述反射光BI3被面7反射后，也垂直于面5出射，形成出射光BO2。入射光BI在面10和分束光BI1在面2上的入射角为π-α；分束光BI2在面8和反射光BI3在面7上的入射角为β。入射光BI在面10上的入射点为A，分束光BI1在面2上的入射点为B，分束光BI2在面8上的入射点为E，反射光BI3在面7上的入射点为F。过点B作线段AE的垂线，交线段AE于点C；过点F做线段AE的垂线交线段AE的延长线于点G。根据几何关系可知，线段AB与线段BC的夹角δ＝1.5π-2α，线段EF与线段FG的夹角θ＝2β-0.5π。由于面2和10相互平行，被面2反射后的出射光BO1平行于入射光BI；由于棱镜6的面7和面8相互平行，出射光BO2平行于通过分束面10的透射光BI2，也即是平行于入射光BI。由此可知，出射光BO1、出射光BO2和入射光BI相互平行。从该分束器出射的两出射光BO1和BO2的偏移距离L＝BC+GF。由几何关系可知，BC＝2S1sinα，GF＝2S2sinβ，则

L＝2(S1sinα+S2sinβ) -----(1)

假设棱镜1、棱镜4、棱镜6、棱镜9对入射光波长或波段的中心波长的折射率分别为n₁’，n₂’，n₃’，n₄’，则从该分束器出射的出射光BO1和出射光BO2之间的光程差OPD为：

OPD＝AB+EG-AC-EF＝

-n₁’S1/cosα-n₂’S2cos2β/cosβ-n₄’S1cos2α/cosα-n₃’S2/cosβ

-----(2)

依据所需要的偏移距离L和光程差OPD，即可确定一组满足上述公式(1)和(2)的S1、S2、α、β参数以及各棱镜的折射率，也即相应分束器的设计参数。由几何关系可以得出，垂直于面11的入射光BI在面11的入射位置的变化并不影响偏移距离L和光程差OPD。两出射光之间的偏移距离由棱镜1和棱镜6的结构所决定，光程差由棱镜1、棱镜4、棱镜6、棱镜9的结构和材料决定，即偏移距离L和光程差OPD都和入射光BI的入射位置无关。因此，只需保证入射光BI垂直于面11入射，即可保证分束器设定的分束特性。

以上所介绍的分束器结构是本发明的一般模型。

图3为本发明的第一实施例的结构示意图。其中，棱镜1的面2、面10与顶面11沿X轴正向成135°，棱镜6的面7、面8与顶面11沿X轴正向成45°。在该结构中，光束在各个面上都是以90°和45°入射。

图4为本发明的第二实施例的结构示意图。该结构将图2所示的棱镜6、棱镜9结合成一个棱镜14，而棱镜12对应于图2中的棱镜1，棱镜13对应于图2中的棱镜4。

图5为本发明应用于锥形光束干涉的表面形貌测量系统的示意图。光源15发射出的入射光被本发明的分束器16分成两束等能量的出射光17和出射光18，分束器16的出射光17和出射光18通过分束器19后到达被测对象20。分束器19中镀有与分束器16的出射光17和出射光18成45°角的半透半反膜。分束器16的出射光17和出射光18到达被测对象20，两者与被测对象20的交点的连线位于扫描轴Z轴上，或平行于Z轴。被被测对象20反射后的光束再次通过分束器19，形成分束器19的出射光21和出射光22。被测对象20上相应的表面信息已经被调制到出射光21和出射光22的位相信息之中。出射光21和出射光22经过转折棱镜23后，入射至傅立叶变换透镜24，而后到达位于24焦面上的探测器25。由此可以测知被测对象20上与出射光17和出射光18相交的两测量点之间的斜率信息。通过扫描可以得知整个被测对象20的分段斜率信息，再通过对斜率的积分等运算进而得到整个被测对象20的表面形貌信息。所述表面形貌测量系统可用于测量光学镜片等的形貌特性，如用于测量大面积的天文或同步辐射等特殊面型的反射类元件的形貌；也可用于测量硅片的形貌，如可用于双工件台光刻机的调焦调平系统。

以上已详细描述了本发明的优选实施例和应用方式。但本领域技术人员将会意识到，在不背离权利要求书中公开的本发明范围的情况下，任何修改、添加和替换均属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种定偏移平行输出分束器，至少包括一个入射面(11)、一个出射面(5)、一个分束面(10)和三个反射面(2、7、8)，所述分束面(10)和反射面(2、7、8)中，至少有两对面相互平行，入射光垂直于所述入射面(11)入射，其特征在于，

该分束器是由第一棱镜(1)、第二棱镜(9)、第三棱镜(4)、第四棱镜(6)所结合成的单片式一体化结构；其中，

第一棱镜(1)，其剖面为平行四边形，第一棱镜(1)的顶面形成分束器的入射面(11)，第一棱镜(1)的左侧面为第一反射面(2)，第一棱镜(1)的右侧面为分束面(10)；

第二棱镜(9)，与所述第一棱镜(1)通过分束面(10)相互连接；

第三棱镜(4)，与所述第一棱镜(1)通过第一棱镜(1)的底面相互连接；

第四棱镜(6)，其剖面为平行四边形，第四棱镜(6)的左侧面为第二反射面(8)，其右侧面为第三反射面(7)，第四棱镜(6)与所述第三棱镜(4)通过第二反射面(8)相互连接，第四棱镜(6)与所述第二棱镜(9)通过第四棱镜(6)的顶面相互连接，第四棱镜(6)的顶面与第一棱镜(1)的底面重合为中间面(3)；

第三棱镜(4)的底面与第四棱镜(6)的底面重合形成分束器的出射面(5)；

光线从所述第一棱镜(1)的入射面(11)垂直入射后经由上述棱镜，并从第三、第四棱镜的出射面(5)平行分束出射。

2.如权利要求1所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述棱镜的结合方式是胶合连接或机械连接方式。

3.如权利要求1所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述反射面镀有对入射光全反的膜层。

4.如权利要求1所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述反射面符合全反射定律。

5.如权利要求1所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述分束面镀有比例分光膜。

6.如权利要求1所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述入射面和出射面镀有增透膜。

7.一种定偏移平行输出分束器，至少包括一个入射面、一个出射面、一个分束面和三个反射面，所述分束面和反射面中，至少有两对面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射，其特征在于，

该分束器是由第一棱镜(12)、第二棱镜(13)、第三棱镜(14)所结合成的单片式一体化结构；其中

第一棱镜(12)，其剖面为平行四边形，其右侧面为分束面，其左侧面为第一反射面，其顶面为入射面；

第二棱镜(13)，与所述第一棱镜(12)通过第一棱镜(12)的底面相互连接；

第三棱镜(14)，其左侧面为第二反射面，其右侧面为第三反射面，与所述第二棱镜(13)通过第二反射面相互连接，与所述的第一棱镜(12)通过分束面相互连接，第三棱镜的第二反射面与第三反射面相互平行；

第二棱镜(13)的底面与第三棱镜(14)的底面重合，形成分束器的出射面；

光线从所述第一棱镜的入射面垂直入射后经由上述棱镜，并从第二、第三棱镜的出射面平行分束出射。

8.如权利要求7所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述棱镜的结合方式是胶合连接或机械连接方式。

9.如权利要求7所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述反射面镀有对入射光全反的膜层。

10.如权利要求7所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述反射面符合全反射定律。

11.如权利要求7所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述分束面镀有比例分光膜。

12.如权利要求7所述的定偏移平行输出分束器，其特征在于：所述入射面和出射面镀有增透膜。