CN100460826C - 位移探测装置、位移测量装置以及定点探测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及位移探测装置、位移测量装置以及定点探测装置。通过将由光纤的弯曲和/或应力引起的偏振的单模光纤影响降至最低，位移探测装置、位移测量装置以及定点探测装置能够高精度地探测定点或位移，光纤用来将从光源发出的光传输到探测器。本发明提供一种位移探测装置，包括发出光的光源，聚集从光源发出的光的聚光透镜，传输由聚光透镜聚集的光的光纤，消散由聚光透镜聚集的光的偏振的偏振消散元件，安装在测量目标上用来接收和衍射由光纤传输的光的衍射光栅，以及接收由衍射光栅衍射的光的光接收部，所测量目标的位移用光接收部接收到的衍射光的量来探测。

Description

位移探测装置、位移测量装置以及定点探测装置
对相关申请的引用
本发明包含于2005年3月28日向日本专利局提交的日本专利申请JP2005-092938的主题，该申请的全部内容通过引用被结合在本申请中。
技术领域
本发明涉及通过探测衍射光栅产生的衍射光来探测位移的位移探测装置，通过利用衍射光栅产生的衍射光的干涉来测量位移的位移测量装置，以及用这种衍射光对定点进行定位的定点探测装置。
背景技术
通过利用光的干涉来探测安装在活动度盘(moving scale)上的衍射光栅的位置位移的光栅干涉仪是已知的。现在，参看附图1说明已知的位移探测装置。图1示出采用透射型衍射光栅的位移探测装置。
参看图1，这种位移探测装置包括相干光源部90，第一透镜91，第一偏振光分束器(PBS)92，第一1/4波片93，反射棱镜94，第二1/4波片95，第二透镜96，分束器(BS)97，第二PBS 98，第一光电变换器99，第二光电变换器100，第三1/4波片101，第三PBS 102，第三光电变换器103，第四光电变换器104，第一差分放大器105，第二差分放大器106以及增量信号产生器107。这种位移探测装置适合于对设在度盘上的透射型衍射光栅读数。
相干光源90向第一透镜90发出光。第一透镜90会聚入射光，生成合适的光束，并将光束发出到第一PBS 92。第一PBS 92将入射光分成两束光，一束具有S偏振光分量，一束具有P偏振光分量。S偏振光是相对于由到达光的界面的光线和由光的界面反射的光线形成的入射面垂直振动的偏振光分量。P偏振光是相对于入射面水平振动的偏振光分量。具有S偏振光分量的光被第一PBS 92反射，而具有P偏振光分量的光透过第一PBS 92。若来自相干光源90的光是线性偏振的，则在光进入第一PBS 92之前，偏振方向被倾斜45度。这样，可以使具有S偏振光分量的光的强度与具有P偏振光分量的光的强度彼此相等。
被第一PBS 92反射的具有S偏振光分量的光随后入射到记录在度盘108上的衍射光栅的P点，而被第一PBS 92透射的具有P偏振分量的光入射到衍射光栅的Q点，这两个光分量沿着下式确定的各个方向衍射：
sinθ1+sinθ2＝n·λ/Λ
其中θ1表示入射到度盘108的角度，θ2表示从度盘108衍射的角度，而Λ表示光栅的栅距(宽度)，λ和n分别表示光的波长和衍射级。
若P点处的入射角为θ1p，P点处的衍射角为θ2p，而Q点处的入射角为θ1q，Q点处的衍射角为θ2q，则可以调节图1所示的已知位置探测装置，以实现θ1p＝θ2p＝θ1q＝θ2q。在P点和Q点，衍射级相同。
在P点衍射的光(具有S偏振光分量)透射穿过第一1/4波片93，并被反射棱镜94垂直反射返回到P点，从而被衍射光栅衍射。此时，由于第一1/4波片93的光轴相对于入射光的偏振方向倾斜45度，因此，返回到P点的光被转换成具有P偏振光分量的光。
另一方面，在Q点衍射的光(具有P偏振光分量)透射穿过第二1/4波片95，并被反射棱镜94垂直反射返回到Q点，从而被衍射光栅衍射。此时，由于第二1/4波片95的光轴相对于入射光的偏振方向倾斜45度，因此，返回到Q点的光被转换成具有S偏振光分量的光。
从而，在P点衍射的光和在Q点衍射的光随后返回到第一PBS92。由于从P点返回的光具有P偏振光分量，因此它透射穿过第一PBS 92。另一方面，由于从Q点返回的光具有S偏振光分量，因此它被第一PBS 92反射。因此，从P点返回的光和从Q点返回的光被第一PBS 92合并到一起，被第二透镜96会聚生成合适的光束，然后进入BS 97。
BS 97将进入的光束分成两束光，分别进入第二PBS 98和第三1/4波片101。第二PBS 98和第三1/4波片101相对于入射光的偏振方向倾斜45度。
进入第二PBS 98的光被分成两束光，一束具有S偏振光分量，一束具有P偏振光分量。使具有S偏振光分量的光进入第一光电变换器99，使具有P偏振光分量的光进入第二光电变换器100。在第一光电变换器99处以及在第二光电变换器100处获得干涉信号Acos(4Kx+δ)，其中K表示2π/Λ，x表示位移量，δ表示初相。在第一光电变换器99处获得的信号和在第二光电变换器100处获得的信号产生180度的相位差。
进入第三1/4波片101的具有P偏振光分量的光和具有S偏振光分量的光沿相反方向被圆偏振，当合并在一起时产生线性偏振光，该线性偏振光然后进入第三PBS 102。进入第三PBS 102的光被分成具有S偏振光分量的光和具有P偏振光分量的光，具有S偏振光分量的光进入第三光电变换器103，而具有P偏振光分量的光进入第四光电变换器104。当衍射光栅沿x方向移动Λ/2时，进入第三PBS 102的线性偏振光的偏振方向旋转一整圈。因此，在第三光电变换器103以及在第四光电变换器104处获得干涉信号Acos(4Kx+δ’)，就像在第一光电变换器99处以及在第二光电变换器100处获得的一样。在第三光电变换器103获得的信号和在第四光电变换器104获得的信号产生180度的相位差。
第三PBS 102相对于第二PBS 98倾斜45度。因而，在第三光电变换器103以及在第四光电变换器104处获得的信号与第一光电变换器99以及在第二光电变换器100处获得的信号显示出90度的相位差。
第一差分放大器105差分放大从第一光电变换器99和第二光电变换器100输入的电信号，并将通过消除干涉信号的DC(直流)分量而获得的信号输出到增量信号产生器107。类似地，第二差分放大器106差分放大从第三光电变换器103和第四光电变换器104输入的电信号，并将通过消除干涉信号的DC(直流)分量而获得的信号输出到增量信号产生器107。
图2示出在本专利申请的申请人所申请的日本专利申请公开第4-324316号中披露的已知定点探测装置。这种定点探测装置包括固定部110和可以沿测量方向(X方向)移动的移动部130，其中固定部110包括光学系统111和探测系统121，而移动部130包括基板131和设置在基板131顶面上的两个立体全息衍射光栅132。
光学系统111包括光源112(例如发射激光束的半导体激光器)，准直透镜113和聚焦透镜114。探测系统121包括一对光接收元件122和123，以及电学处理电路129。
图3示意性示出上述定点探测装置包括的全息衍射光栅132、133。全息衍射光栅132、133采用透射型/立体全息图形成。以下，全息衍射光栅132、133将被简称为全息图。如图3所示，每个全息图132、133的间距或节距d沿定点探测装置的测量方向顺序地并连续地变化。产生全息图132、133的光栅间距或光栅节距d的分布面142、143分别相对于全息图132、133的顶面倾斜，倾斜角沿定点探测装置的测量方向也顺序地并连续地变化。当入射光被全息图132、133衍射时，衍射效率沿着定点探测装置的测量方向连续变化。
图4示意性示出图2的定点探测装置的主要部分。如图4所示，两个全息图132、133横向并列地设置在基板131的顶面131A上。这两个全息图132、133相对于中心面135对称设置。换句话说，全息图132、133的顺序并连续变化的分配面142、143的倾斜角相对于中心面135对称设置，而且全息图的光栅间距或光栅节距d相对于中心面135也对称地顺序和连续变化。这两个全息图132、133被设置成使它们各自的衍射效率沿测量方向以不同方式达到最大。
当移动部130相对于固定部110移动，从而移动部130相对于固定的光接收元件122、123和光源112移动时，被第一全息图132衍射的光由第一光接收元件122探测，而被第二全息图133衍射的光由第二光接收元件123探测。
由于两个全息图132、133的衍射效率以不同方式最大化，因此由第一光接收元件122探测到的衍射光的强度曲线的峰值的位置和由第二光接收元件123探测到的衍射光的强度曲线的峰值的位置彼此不同。因此，存在着两个衍射光的强度曲线彼此相交从而两个强度值彼此相等的点。该点就是定点探测装置所要探测的点。
发明内容
同时，近年来用发光二极管和激光器形成的定点探测装置和位移测量装置显示出更高水平的分辨率，可以提供低于1nm的测量精度水平。另一方面，对于这种精确测量，不允许传感器发热，从而经常采用将传感器与光源分开并借助于光纤传输激光束的技术。
图5示意性示出一种适合于借助保偏光纤163将由光源161发出的光束传输到探测部164从而探测定点的定点探测装置160。参看图5，从光源161发出的光束借助于保偏光纤163传输到聚光透镜165，然后照射到并列设置在测量目标169上的一对衍射光栅166和167。然后，两个光接收元件170和171接收在该两个衍射光栅166和167的相邻设置的边缘168处衍射的光束，比较器172比较由这两个光接收元件170和171接收的光的数量。在比较结果产生的信号显示出给定大小处的点被确定为是定点。
因此，图5的定点探测装置160利用上述的保偏光纤163，以在保持偏振分量的情形下传输从光源161发出的光束。然而，偏振可能会被单模光纤，从而当光纤的微小应力和/或弯曲变得有影响时，这些单模光纤又会影响探测部164，使之不可能稳定地对定点进行定位。
这一问题将在下面更加详细地讨论。当从光纤163出射的光束的偏振轴被光纤163的弯曲和/或应力稍微改变时，就意味着进入衍射光栅166和167的光束的偏振分量发生变化。通常，衍射光栅的衍射效率不仅依赖于入射光束的偏振分量，而且依赖于各个衍射光栅，从而，进入光接收单元170的光量和进入光接收单元171的光量随之变化。这样，定点探测装置就错误地认为定点发生了位移。
因此，对要稳定地探测定点的定点探测装置160而言，需要尽可能多地消散(dissolve)从光纤163出射的光束的偏振轴。
图6示意性示出适合于借助保偏光纤183将由光源181发出的光束传输到探测部184，并用探测部184观察测量目标的位移的位移测量装置180。从光源181发出的光束借助于保偏光纤183传输到聚光透镜185，随后进入偏振光分束器186。偏振光分束器186将入射光束分成两束光，然后进入衍射光栅度盘187。在衍射光栅度盘187获得的衍射光透射穿过λ/4波片188和189，并被镜面191和192反射，以相反方向沿着相同的光路返回到偏振光分束器186。这两束光然后在偏振光分束器186内重新组合，并被导引到偏振元件193。借助光接收元件194，从穿过偏振元件193之后的两个光束获得的干涉信号可被转换成电信号，从而可以测量衍射光栅移动的量。
然而，就这种位移测量装置180来说，当在光纤183的应力和/或弯曲的影响下偏振受到单模光纤时，由偏振光分束器186生成的两个光束的光量之比会发生变化。当这两个光束被偏振光分束器186重新组合，从而生成干涉信号时，这两个光束的光量之比的变化表现为调制率的变化，从而可能引起输出信号的波动。由于这种波动会不利地影响位移测量的精确度，因此需要尽可能多地消散从光传输单元发出的光束的偏振轴。
鉴于上述情形，从而期望提供一种能够通过将由光纤的弯曲和/或应力引起的偏振的单模光纤影响降至最低，高精度地探测定点或位移的位移探测装置，位移测量装置以及定点探测装置，其中光纤用来将从光源发出的光传输到探测器。
依照本发明，提供一种位移探测装置，包括：发出光的光源；聚集从光源发出的光的聚光透镜；传输由聚光透镜聚集的光的光纤；消散偏振的偏振消散元件；安装在测量目标上用来接收和衍射由光纤传输的光的衍射光栅；以及用于接收由衍射光栅衍射的光的光接收部件，所测量目标的位移用光接收部件接收到的衍射光的量来探测。
从而，依照本发明的位移探测装置通过借助于偏振消散元件消除光的偏振，可以将由光纤的弯曲和/或应力而引起的偏振的单模光纤影响降至最低。
依照本发明，提供一种位移测量装置，包括：发出光的光源；聚集从光源发出的光的聚光透镜；传输由聚光透镜聚集的光的光纤；消散偏振的偏振消散元件；将由光纤传输的光分成两个光束的偏振光分束器；接收由偏振光分束器产生的两个光束，并且产生衍射光束的衍射光栅；改变由衍射光栅产生的两个衍射光束的偏振的相位片；两个反射镜，反射各自的偏振已被相位片改变了的两个衍射光束，以借助于相位片将该两个衍射光束引导到衍射光栅；偏振元件，使被两个反射镜引导到衍射光栅、被衍射光栅衍射、进入偏振光分束器并被偏振光分束器反射或透射穿过偏振光分束器的两个衍射光束彼此干涉；以及接收由偏振元件获得的干涉信号的光接收元件，所测量目标的位移用光接收元件接收的干涉光的量来探测。
从而，依照本发明的位移测量装置通过借助偏振消散元件消除光的偏振，可以将由于光纤的弯曲和/或应力而引起的偏振的单模光纤影响降至最低。
依照本发明，提供一种定点探测装置，包括：发出光的光源；聚集从光源发出的光的聚光透镜；传输由聚光透镜聚集的光的光纤；消散偏振的偏振消散元件；并列设置用来接收和衍射借助于光纤传输的光的两个衍射光栅；用于接收由两个衍射光栅衍射的光束的两个光接收部件；用于比较由两个光接收部件接收的光的数量的比较部件，根据两个光接收部件接收到的光的数量的比较结果，确定定点。
从而，依照本发明的定点探测装置通过借助于偏振消散元件消除光的偏振，可以将由于光纤的弯曲和/或应力而引起的偏振的单模光纤影响降至最低。
如上面指出的，依照本发明的位移探测装置通过借助偏振消散元件消除光的偏振，可以将由于光纤的弯曲和/或应力而引起的偏振的单模光纤影响降至最低，从而可以高精度地探测位移。可以用于本发明目的的光纤的例子不仅包括保偏光纤，而且包括低成本的单模光纤。由于单模光纤可用于本发明的目的，因此不再需要进行偏振轴对准这种很难的操作。另外，可以用于本发明目的的光源的例子不仅包括发光二极管，而且包括超发光二极管、多模激光器和单模激光器。换句话说，可充分利用任何这些光源的优点，而不考虑光源的相干长度。
如上面指出的，依照本发明的位移探测装置通过借助偏振消散元件消除光的偏振，可以将由于光纤的弯曲和/或应力而引起的偏振的单模光纤影响降至最低，从而可以高精度地测量位移。
依照本发明的定点探测装置借助消光比变化部件将消光比提高到不低于20dB，并使由聚光透镜聚集的光进入光纤，然后将光的偏振轴和光纤的光轴或者垂直于光纤光轴的轴相对准，从而可以将由于光纤的弯曲和/或应力而引起的偏振的单模光纤影响降至最低，由此高精度地探测定点。
附图说明
图1是表示已知的位移探测装置的的结构的示意图；
图2是表示在专利文献1中描述的已知定点探测装置的结构的示意图；
图3是表示图2所示定点探测装置的全息衍射光栅的结构的示意图；
图4是图2中所示的定点探测装置的主要部分的示意图；
图5是表示适合借助光纤来探测定点的已知定点探测装置的结构的示意图；
图6是表示适合借助光纤来测量位移的已知位移测量装置的结构的示意图；
图7是表示依照本发明的位移测量装置的结构的示意图；
图8是图7的位移测量装置的偏振消散元件的示意性横截面图；
图9是用于本发明目的的保偏光纤的示意性横截面图；
图10是表示通过改变图7的装置而实现的位移测量装置的结构的示意图；
图11是表示通过改变图7的装置而实现的另一位移测量装置的结构的示意图；
图12是适合于衍射次数增加的位移测量装置的示意图；
图13是适合于衍射次数增加的，并通过改变图12的装置而得到的位移测量装置的示意图；
图14是适合于衍射次数增加的，并通过改变图12的装置而得到的另一位移测量装置的示意图；
图15是表示依照本发明的定点探测装置的结构的示意图；
图16是说明S偏振光分量与P偏振光分量之间显著不同的衍射效率的定点探测装置的特性曲线图；
图17是通过改变图15的装置而实现的定点探测装置的示意图；
图18是通过改变图15的装置而实现的另一定点探测装置的示意图。
具体实施方式
现在，参看示出位移测量装置和定点探测装置的优选实施方式的附图，详细说明本发明。
图7是表示依照本发明的位移测量装置10的结构的示意图。这种位移测量装置10通常应用于制造要求测量不大于纳米(nm)级的移动量的半导体的领域，和应用于制造液晶的领域。因而，在这种位移测量装置10中，从光源部发出的热可能会影响探测部的传感器，使其不可能稳定地测量移动量。为此，需要避免热传导到探测部16。因此，把光源12与探测部16分开，而从光源12发出的光束借助于光纤15传输到探测部16。
这样，位移测量装置10包括用于发出光束的光源12，用于聚集从光源发出的光束的聚光透镜14，用于传输由聚光透镜14聚集的光束的光纤15，以及用于消除(nullify)借助于光纤15传输的光束的偏振的偏振消散(dissolving)元件13。
位移测量装置10还包括用于聚集其偏振已被偏振消散元件13消除的光束的聚光透镜17，用于将聚光透镜17聚集的线性偏振光束分成两个光束的偏振光分束器18，以及安装在偏振光分束器18分束产生的两个光束到达的测量目标上的衍射光栅19。
位移测量装置10另外还包括：两个设置形成90°角度的相位片20和21，用以偏移衍射光栅19产生的两个衍射光束的偏振方向；具有两个镜面22和23的反射棱镜24，两个相位片20和21分别布置在这两个镜面22和23上，形成90°的角度，以使衍射光栅19产生的衍射光束在两个相位片上往复移动；偏振元件25，使由偏振光分束器18重新组合并进入其内的光束彼此干涉；以及光接收元件26，接收两光束的干涉光并将接收光量转换成电信号。
光源12、聚光透镜14和光纤15以下统称为光传输单元11，因为这些元件起着将从光源12发出的光束传输到探测部16的作用。探测部16包括偏振消散元件13、聚光透镜17、偏振光分束器18、衍射光栅19、两个相位片20和21、两个反射镜22和23、偏振元件25以及光接收元件26。
现在，详细说明位移测量装置10的每一个部件。首先，光源12发出相干光束，然而，光源12可以是发出低相干光的发光二极管。光束可以具有偏振性质也可以不具有偏振性质。可以用作光源12的具体例子不仅包括发光二极管，而且包括超发光(super luminescence)二极管、多模激光器、单模激光器以及其它光源，而不考虑相干长度。这是因为光的偏振被位移测量装置10内的偏振消散元件13消除。
光纤15可以是不能保持偏振的低成本单模光纤。当用不保持偏振的单模光纤时，不需要调节从光源12发出的光束的偏振轴。
偏振消散元件13消除从光源12发出并借助于光纤15传输的光束的偏振。它通常由无色水晶、云母或有机树脂制成。现在，参看图8说明可以用于本发明目的的一种典型的偏振消散元件13。图8是偏振消散元件13的示意性横截面图。参看图8，偏振消散元件13这样形成，即切割无色水晶13a和石英玻璃13b以形成斜面，并用透明粘合剂沿着斜面(用斜线13c表示)粘合在一起。或者，云母或有机树脂可以用作偏振消散元件13。若入射光是线性偏振光131，则无色水晶13a和石英玻璃13b各自显示出沿斜线13c变化的厚度，从而依据在斜线13c上的位置，无色水晶13a和石英玻璃13b可以显示出λ/4，2λ/4和3λ/4的厚度。因此，若光通量具有约1mm的宽度，则从偏振消散元件13出射、被石英玻璃13b衍射的光是非偏振随机光132。基于这一理论，对偏振消散元件13而言，可以将显示出给定偏振方向的激光束转换为非偏振随机光，如自然光。
聚光透镜17聚集其偏振已被偏振消散元件13消除的光束，并使之进入偏振光分束器18。
偏振光分束器18将聚光透镜17聚集的光束分成具有S偏振光分量的光束和具有P偏振光分量的光束。由于进入偏振分束器18的光束的偏振被消除，因此从偏振分束器18出射的、具有S偏振光分量的光束与具有P偏振光分量的光束的能量大体相等。
S偏振光束是相对于由到达光的界面的光线与由光的界面反射的光线形成的入射面垂直振动的偏振分量。P偏振光束是相对于入射面水平振动的偏振分量。具有S偏振光分量的光束被偏振光分束器18反射，而具有P偏振光分量的光束透射穿过偏振光分束器18。衍射光栅19可以是立体全息图。衍射光栅19安装到测量目标上。衍射光栅19可以沿图7所示箭头A的方向移动。衍射光栅19的节距通常为0.55μm。透射穿过偏振光分束器18的P偏振光分量进入衍射光栅19的位置(Q点)不同于被偏振光分束器18反射的S偏振光分量进入衍射光栅19的位置(P点)。
安装在反射棱镜24的第一镜面22上的第一1/4波片20的光轴相对于入射光的偏振方向倾斜45°。类似地，安装在反射棱镜24的第二镜面23上的第二1/4波片21的光轴相对于入射光的偏振方向也倾斜45°。
设在光接收元件26一侧的偏振元件25相对于入射光的偏振方向倾斜45°。因此，从偏振光分束器18而来的两个光束在穿过偏振元件25之后产生干涉波。光接收元件26将干涉波的光量转换成电信号。
现在，说明包括上述部件的位移测量装置10的操作。从光源12发出的相干光或低相干光被聚光透镜14聚集。被聚光透镜14聚集的光束进入廉价的单模光纤15。
光纤15传输经由其入口端15a进入其内的光束而不调制该光束的偏振，并从其出口端15b发出该光束。由光纤15传输并从出口端15b输出的光束然后进入探测部16的偏振消散元件13。
偏振消散元件13消除并分解从光纤15的出口端15b发出的光束的偏振，以将其转换为非偏振光束。因此，如果光纤15被施加在其上的外力和/或应力弯曲而扰乱传输光束的偏振，则偏振消散元件13消除并消散从出口端15b出射的传输光束的偏振。换句话说，位移测量装置10可以减少由光纤15的弯曲和/或应力(如果存在的话)引起的对偏振的扰乱。
其偏振已被偏振消散元件13消除的光束被聚光透镜17聚集，随后进入偏振光分束器18。偏振光分束器18将入射的光束分成两个光束，一个具有S偏振光分量，一个具有P偏振光分量。具有S偏振光分量的光束被偏振光分束器18反射，在P点处进入衍射光栅19。具有P偏振光分量的光束透射穿过偏振光分束器18，并在Q点处进入衍射光栅19。
分别在P点和Q点进入衍射光栅19的光束沿下列公式确定的相应方向衍射：
sinθ1+sinθ2＝n·λ/Λ
其中θ1表示对衍射光栅的入射角，θ2表示从衍射光栅衍射的角度，Λ表示光栅的节距(宽度)，λ和n分别表示光的波长和衍射级。
在衍射光栅的P点衍射的光束(S偏振光分量)穿过安装在反射棱镜24的第一镜面22上的第一1/4波片20，并被第一镜面22垂直反射，以致随后返回到P点，被衍射光栅19衍射。由于第一1/4波片20的光轴相对于入射光束的偏振方向倾斜45°，因此返回到P点的光束具有P偏振光分量。换句话说，当在衍射光栅19的P点衍射的S偏振光分量穿过第一1/4波片20，并且随后被反射棱镜24的第一镜面22反射，从而再次穿过第一1/4波片20时，返回的光束的偏振轴就正交于向前移动的光束的偏振轴。
类似地，在衍射光栅的Q点衍射的光束(P偏振光分量)穿过安装于反射棱镜24的第二镜面23上的第二1/4波片21，并被反射棱镜24垂直反射，从而随后返回到Q点，被衍射光栅19衍射。由于第二1/4波片21的光轴相对于入射光束的偏振方向倾斜45°，因此，返回到Q点的光束具有S偏振光分量。换句话说，当在衍射光栅19的Q点衍射的P偏振光分量穿过第二1/4波片波片21，并且随后被反射棱镜24的第二镜面23反射，从而再次穿过第二1/4波片21时，返回的光束的偏振轴就正交于向前移动的光束的偏振轴。
分别以这种方式在P点和在Q点再次衍射的光束随后返回到偏振光分束器18。由于从P点回来的光束具有P偏振光分量，因此该光束透射穿过偏振光分束器18。同而，由于从Q点回来的光束具有S偏振光分量，因此该光束被偏振光分束器18反射。这样，分别从P点和Q点回来的光束又被偏振光分束器18合并在一起，然后进入偏振元件25。
偏振元件25使被偏振光分束器18合并在一起的两个光束相互干涉。光接收元件26转换在偏振元件25处干涉产生的干涉光的光量，获得干涉信号。接着，位移测量装置10依照该干涉信号，测量沿箭头A的方向移动的衍射光栅19的不大于纳米(nm)级的移动量。
干涉信号可以用Acos(4Kx+δ)表示，其中K代表2π/Λ，x代表位移量，δ代表初始相位。例如，如果以0.55μm的节距Λ形成衍射光栅19，则干涉波的一个周期(cycle)对应于衍射光栅19的0.1375μm的位移量，从而这样小的移动可以用位移测量装置10测量。然而，由于干涉波被转换成电信号，而且通常借助于A/D转换引入200的插值(interpolation)，因此可以实现大约0.6895nm的极高分辨率。无需说明的是，信号输出需要非常稳定，尤其是在以低于10nm的高分辨率进行位移测量的情况下。另外，还可以借助消除从光传输单元11发出的光束的偏振，以使光传输引起的偏振波动的影响降至最低的偏振消散元件13，稳定通过使两个光束穿过偏振元件25而获得的干涉波的改变百分率。因而，可以以很高的分辨率水平稳定地测量位移。
如上所述，位移测量装置10包括设置在光纤15的出口端15b与聚光透镜17之间的偏振消散元件13，以便可以将由光纤15的弯曲和/或应力(如果存在)引起的偏振波动降至最低。另外，它能够高精度地探测位移。此外，由于单模光纤可以用作光纤15，因此不再像使用保偏光纤的情形那样，需要对准偏振轴这样很难的操作。而且，本发明的优点在于，可用于位移测量装置10的光源不仅包括发光二极管，而且包括超发光二极管、多模激光器、单模激光器以及其它光源，而不用考虑相干长度。
然而，对本发明来说，也可以替代地将保偏光纤用作光纤15。保偏光纤具有如图9中所示的结构，截面直径为3μm的纤芯30由包层31环绕，显示出直径为100μm的同轴剖面。纤芯30和包层31通常都由石英玻璃制成，但各自的折射率彼此不同。纤芯30的折射率高于包层31的折射率。当波长λ为600至700nm的光注入纤芯30内时，由于光会被纤芯30与折射率较低的包层31之间的界面反射，因此光穿过纤芯传输。两个具有圆形截面的玻璃棒32和32设置在纤芯30的相对两侧，以将纤芯30夹在中间。该两个玻璃棒32和33显示出相同的热膨胀系数，起收缩整个包层31的作用。这些玻璃棒起冷却整个包层31，并将施加在纤芯30上的应力保持在恒定水平的作用。连接两个玻璃棒32和33的中心与纤芯30和包层31的中心的连线用作光轴34。在使光源12发出的光束进入光纤15之前，借助偏振片13和聚光透镜14将其偏振轴对准保偏光纤15的光轴34。替代地，对本发明来说，也可以使用纤芯截面为椭圆形的椭圆纤芯保偏光纤。
当使用保偏光纤15时，重要的是要在从光源42发出的光束进入光纤15之前，借助偏振片43和聚光透镜44将光束的偏振轴与光轴34或轴35对准。然而，即使当使用保偏光纤时，也不需要非常严格地进行对准入射光的偏振轴与光纤轴的调节操作，这是因为在光纤15的出口端15b一侧设有偏振消散元件13。
如图10所示，在位移测量装置10内，偏振消散元件13或者可以设置在聚光透镜14与光纤15的入口端15a之间，换句话说，设置在光纤15的入口端15a一侧。在这种布置下，其偏振被偏振消散元件13消除的光束进入例如单模光纤15内。然而，当由于光纤15被施加在其上的外力和/或应力弯曲而使传输光束的偏振受到单模光纤时，传输到探测系统16的光束也并不会被该弯曲和/或应力影响，这是因为穿过光纤15的光束是非偏振的。
如图11所示，可以在光纤15的相对端设置两个偏振消散元件13-1、13-2。偏振消散元件13-1设置在聚光透镜14与入口端15a之间，而偏振消散元件13-2设置在出口端15b与聚光透镜17之间。在这种布置下，偏振光束的偏振在光纤15的入口端被消除，另外，通过光纤15传输的光束的偏振在出口端被进一步消除，从而可以消除由光纤15的弯曲和/或应力(如果存在的话)引起的对传输光束的偏振的任何单模光纤，只要对所传输光束的偏振的单模光纤是由于光纤15受到施加在其上的外力和/或应力弯曲引起的。
在上述图7、图10和图11所示的任何一种位移测量装置10中，偏振消散元件13可以与光纤15的端面整体形成。
当探测光学系统被修改为通过增加衍射的次数来使用Acos(8Kx+δ)的干涉信号，而且这种探测光学系统被用于本发明的位移测量系统时，可以提供相同的优点。图12示意性示出适合于衍射次数增加的位移测量装置200(本发明应用的一个例子)。图12的位移测量装置200与本发明上述位移测量装置的不同在于在该位移测量装置200内，使当一束光被偏振光分束器18分成两个光束，然后被衍射光栅19衍射时产生的两个衍射光束分别进入反射棱镜201和202，随后被反射棱镜201和202的反射面201b和202b与反射面201c和202c反射，进入衍射光栅19，并进一步被衍射光栅19衍射，从而到达两个波片20和21以及反射棱镜24。在该位移测量装置200内，使被反射棱镜24反射的光束再次分别穿过两个波片20和21，并再次被衍射光栅19衍射，被反射棱镜201和202反射，以及被衍射光栅19进一步衍射，从而到达偏振光分束器18。
偏振光分束器18在将入射的偏振分量传输到偏振元件25之前，将它们合并在一起。偏振元件25使被偏振光分束器18合并的两个光束相互干涉，之后把它们传输到分束器203。分束器203将入射光束分成两个光束，并使其中一个光束进入偏振光分束器204，另一个进入另一偏振光分束器207。
进入偏振光分束器204的光束被分成具有S偏振光分量的光束和具有P偏振光分量的光束，使具有S偏振光分量的光束进入光电变换器205，而使具有P偏振光分量的光束进入光电变换器206。另一方面，进入偏振光分束器207的光束也被分成具有S偏振光分量的光束和具有P偏振光分量的光束，使具有S偏振光分量的光束进入光电变换器208，而使具有P偏振光分量的光束进入光电变换器209。
这样，光电变换器205、206和光电变换器208、209可以获得Acos(8Kx+δ)的干涉信号。
在这种位移测量装置200内，由于偏振消散元件13设置在光纤15的出口端与聚光透镜17之间，因此偏振消散元件13可以消除从光纤15进入的光束的偏振。这样，偏振消散元件13消除了从出口端发出的光束的偏振，从而消除偏振，只要所传输光束的偏振单模光纤是由于光纤15受到施加在其上的外力和/或应力弯曲引起的。换句话说，位移测量装置200可以减少由光纤15的任何弯曲和/或应力(如果存在的话)引起的偏振单模光纤。
如图13所示，在位移测量装置200内，偏振消散元件13或者可以设置在聚光透镜14和光纤15的入口端15a之间，换句话说，设置在光纤15的入口端15a一侧。在这种布置下，其偏振被偏振消散元件13消除的光束进入例如单模光纤15内。这样，当由于光纤15被施加在其上的外力和/或应力弯曲而使传输光束的偏振受到单模光纤时，传输到探测系统16的光束也并不会被该弯曲和/或应力影响，这是因为穿过光纤15的光束是非偏振的。
如图14所示，可以在光纤15的相对两端设置两个偏振消散元件13-1、13-2。偏振消散元件13-1设置在聚光透镜14与入口端15a之间，而偏振消散元件13-2设置在出口端15b与聚光透镜17之间。在这种布置下，偏振光束的偏振在光纤15的入口端被消除，另外，通过光纤15传输的光束的偏振在出口端被进一步消除，从而可以消解所传输的光束由于光纤15的弯曲和/或应力(如果存在的话)而引起的对偏振的单模光纤，只要对所传输光束的偏振的单模光纤是由于光纤15受到施加在其上的外力和/或应力弯曲引起的。
图15是依照本发明的定点探测装置40的示意图，示出定点探测装置40的结构。这种定点探测装置40通常应用于要求测量不大于纳米(nm)级的移动量的半导体制造领域，以及应用于制造液晶的领域。因而，这种定点测量装置40的传感器不允许发热，从而光源42与探测部46分开，而且从光源42发出的光束借助于光纤45传输到探测部46。
定点探测装置40以探测位移测量装置10的衍射光栅19上的定点的绝对位置的方式与上述的位移测量装置10一起使用。如上所述，位移测量装置10利用的是非常小节距(Λ为0.55μm)的衍射光栅19。如果在衍射光栅19上进行测量操作时，偶然出现电源故障或者出现正在进行的进程(ongoing process)的故障，那么在故障消除后不可能继续进行测量操作以及定位在衍射光栅上实施该测量操作的点。研制定点探测装置40的目的在于能够稳定地探测衍射光栅上点的绝对位置。分别具有不同节距的两个全息图被用作两个衍射光栅48和49，通过探测这两个光栅的相邻设置的边缘50来探测定点。
如图15所示，定点探测装置40包括用于发出光束的光源42，用于聚集来自光源42的光束的聚光透镜44，以及用于传输由聚光透镜44聚集的线性偏振光的光纤45。
定点探测装置40另外还包括用于消除通过光纤45传输的光束的偏振分量的偏振消散元件43，用于聚集其偏振被偏振消散元件43消除的光束的聚光透镜47，适合于将由聚光透镜47聚集的光束会聚在边界部(边缘)50或其附近、而且并列设置的两个衍射光栅48和49，用于接收分别由两个衍射光栅48和49衍射的衍射光束的两个光接收元件52和53，以及用于比较由两个光接收元件52和53接收到的光量的比较器54。根据作为比较结果而得到的信号，定点就得以定位。
现在，详细说明这种定点探测装置的每个部件。首先，光源42发出相干光束或非相干光束。该光束可以具有偏振性质也可以不具有偏振性质。
光纤45可以是不能保持偏振的低成本单模光纤。当用不保持偏振的单模光纤时，不需要调节从光源42发出的光束的偏振轴。
偏振消散元件43消除从光源42发出并借助光纤45传输的光束的偏振。它通常由无色水晶、云母或有机树脂制成。由于该偏振元件43类似于图8所示以及如上所述的偏振消散元件13，因此，此处不再进行说明。
两个衍射光栅48和49以这种方式并列设置，即使得由聚光透镜47聚集的线性偏振光束聚焦在其边界部(边缘)50或附近。该两个衍射光栅48和49可以显示出彼此不同的相应光栅矢量或者彼此不同的相应光栅节距。衍射光栅48和49可以选自反射型全息图或闪耀型衍射光栅。在图10所示的布置中，两个衍射光栅48和49是反射型，各自从其接收入射光束的一侧发出+1阶的衍射光束。或者，也可以使用透射型的衍射光栅。
两个光接收元件52和53分别将来自于两个衍射光栅48和49的衍射光束的强度转换成电信号。该两个光接收元件52和53设置在两个衍射光栅48和49的一侧，与光纤45其出口端45b所位于的一侧相同。
比较器54比较来自于两个光接收元件52和53的电信号。比较器54比较的结果被提供给控制部(未示出)。该控制部根据比较器54比较的结果，将两个信号显示出预定大小的点确定为定点。使两个信号显示出相同输出电平的点可以被确定为定点。
因此，包括光源42、偏振片43、聚光透镜44和光纤45的光传输单元41通过消除从光纤45出口端45b发出的偏振光束的偏振，可以将由光纤45的弯曲和/或应力(如果存在的话)引起的偏振的波动的影响降至最低。
从光传输单元41的光纤45发出的光束被探测部46的聚光透镜47聚集，并被聚焦在可沿箭头A方向移动的两个衍射光栅48和49的边界部(边缘50)或附近。
从两个衍射光栅48和49获得的衍射光束的强度分别被光接收元件52和53转换成电信号。然后，根据比较器54比较两个信号的结果，将两个信号显示出预定大小的点确定为定点。如上面指出的，使两个信号显示出相同输出电平的点可以被确定为定点。可以理解，当两个信号彼此一致时，比较器54的比较输出变成等于0。然而，当不存在衍射光时，比较器54的输出也变成等于0，从而光接收元件的输出等于0。因此，从避免出现识别误差的角度看，最好使定点探测装置显示出偏差。从而，最好选择一个可以很容易与0区分开的任选大小的数值。
因此，本实施例的定点探测装置40探测安装在测量目标51上的衍射光栅48和49的绝对位置。一般地，衍射光栅所衍射的光量依据入射光的衍射分量而改变。换句话说，S偏振光分量和P偏振光分量各自显示出彼此不同的衍射效率。举例来说，当利用从波长为780nm的光源发出的光束观察光栅节距为0.55μm的反射型全息图的衍射效率时，可以证实的是，S偏振光分量与P偏振光分量之间的衍射效率差别变化很大，如图16所示。参看图16，当入射角介于35°与55°之间时，S偏振光分量的衍射效率介于46％与41％之间，而P偏振光分量的衍射效率介于91％与92％之间，这证明P偏振光分量的衍射效率非常高。另外，由于在制造过程中在衍射光栅中观察到的个体的差异，衍射效率的差别在一定的程度上被分散。
因此，通过消除入射到衍射光栅的光束的偏振分量，目前总是可以稳定地探测定点，而不会受到前述因素的影响。
由于如图15所示的定点探测装置40在光纤45的出口端45b一侧包括偏振消散元件43，因此它消除了出自光纤45的光束的偏振。从而，当光纤45受到施加在其上的外力和/或应力而被弯曲，从而单模光纤所传输光束的偏振时，偏振消散元件43就消除并消解从出口端45b出射的传输光束的偏振。换句话说，定点探测装置40可以减少由于光纤45的任何弯曲和/或应力(如果存在的话)而引起的偏振的单模光纤。
如图17所示，在定点探测装置40内，偏振消散元件43或者可以设置在聚光透镜44与光纤45的入口端45a之间，即设置在光纤45的入口端45a一侧。在这种布置下，其偏振被偏振消散元件43消除的光束进入例如单模光纤15内。然而，当由于光纤45被施加在其上的外力和/或应力弯曲而使传输光束的偏振受到扰动时，传输到探测系统46的光束也并不会被该弯曲和/或应力影响，这是因为穿过光纤45的光束是非偏振的。
如图18所示，可以在光纤45的相对两端设置两个偏振消散元件43-1、43-2。偏振消散元件43-1设置在聚光透镜44与入口端45a之间，而偏振消散元件43-2设置在出口端45b与聚光透镜47之间。在这种布置下，偏振光束的偏振在光纤45的入口端被消除，另外，通过光纤45传输的光束的偏振在出口端被进一步消除，从而可以消散由光纤45的弯曲和/或应力引起的传输光束的偏振的任何扰动(如果存在的话)，只要所传输光束的扰动是由于光纤45受到施加在其上的外力和/或应力而弯曲所引起的。
在上述图15、图17和图18所示的任何一种定点探测装置40中，偏振消散元件43可以与光纤45整体形成。
具有如图9所示结构的保偏光纤也可以替代地用作光纤45。尽管此处并未详细说明，然而，当使用保偏光纤45时，重要的是要在从光源42发出的光束进入光纤15之前，借助偏振片43和聚光透镜44将光束的偏振轴与光轴34或轴35对准。然而，即使当使用的是保偏光纤时，也不需要非常严格地进行对准入射光的偏振轴与光纤轴的调节操作，这是因为在入口端、出口端或者两端都设有偏振消散元件43。
本领域的熟练技术人员应当理解，只要不脱离所附权利要求书及其等效方案的范围，根据设计需要以及其他因素可以对本发明做出各种改变、组合、局部组合或修改。

Claims (11)

1.位移探测装置，包括：
发出光的光源；
聚集从光源发出的光的聚光透镜；
传输由聚光透镜聚集的光的光纤；
消散由聚光透镜聚集的光的偏振的偏振消散元件；
安装在测量目标上用来接收和衍射由光纤传输的光的衍射光栅；以及
用于接收由衍射光栅衍射的光的光接收部件；
所述测量目标的位移用光接收部件接收到的衍射光的量来探测。
2.依照权利要求1所述的装置，其中偏振消散元件由无色水晶、云母或有机树脂制成。
3.依照权利要求1所述的装置，其中偏振消散元件设置在光纤的入口端。
4.依照权利要求1所述的装置，其中偏振消散元件设置在光纤的出口端。
5.依照权利要求1所述的装置，其中偏振消散元件设置在光纤的每个相对端。
6.依照权利要求3、4或5所述的装置，其中偏振消散元件与光纤的相应端面整体形成。
7.依照权利要求1所述的装置，其中单模光纤用作该光纤。
8.依照权利要求1所述的装置，其中保偏光纤用作该光纤。
9.位移测量装置，包括：
发出光的光源；
聚集从光源发出的光的聚光透镜；
传输由聚光透镜聚集的光的光纤；
消散从光纤发出的光的偏振的偏振消散元件；
将由光纤传输的光分成两个光束的偏振光分束器；
安装在测量目标上的衍射光栅，接收由偏振光分束器产生的两个光束，并且产生衍射光束；
改变由衍射光栅产生的两个衍射光束的偏振的相位片；
两个反射镜，反射各自的偏振已被相位片改变了的两个衍射光束，以借助于相位片将该两个衍射光束引导到衍射光栅；
偏振元件，使被两个反射镜引导到衍射光栅、被衍射光栅衍射、进入偏振光分束器并被偏振光分束器反射或透射穿过偏振光分束器的两个衍射光束彼此干涉；以及
接收由偏振元件获得的干涉光的光接收元件；
测量目标的位移用光接收元件接收的干涉光的量来探测。
10.定点探测装置，包括：
发出光的光源；
聚集从光源发出的光的聚光透镜；
传输由聚光透镜聚集的光的光纤；
消散从光纤发出的光的偏振的偏振消散元件；
聚集从光纤发出的光的聚光透镜；
并列设置的用来接收和衍射借助光纤传输的光的两个衍射光栅；
用于接收由两个衍射光栅衍射的光束的两个光接收部件；
用于比较由两个光接收部件接收的光的量的比较部件；
根据由两个光接收部件接收到的光的量的比较结果，确定定点。
11.依照权利要求10的定点探测装置，其中，在通过比较两个光接收部件接收到的光的量而获得的信号表现出一任选大小处的点，被确定为定点。
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