CN102128588B - 一种一体式双频激光干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一体式双频激光干涉仪，其主要包括：主偏振分光体，入射偏振分光体，出射偏振分光体。还进一步包括光程补偿板、二分之一波片、第一角锥棱镜、四分之一波片、第二角锥棱镜以及反射四分之一波片结构。本发明的参考光路和测量光路完全分离，理论上由干涉仪分光不彻底导致的非线性误差为零，本发明的参考光路和测量光路完全相等，理论上讲，其温度漂移为零，其有单光束输入，单光束输出，具备比较高的有效光学效率，并且适应目前的通用的激光干涉测量系统，其为一体式，相较于传统的分离式干涉仪，其具备很强的抗环境干扰能力，以及良好的工业现场适应能力。
Description
技术领域
本发明涉及高精密位移测量，特别是涉及一种一体式双频激光干涉仪。
背景技术
激光干涉仪系统作为一种超精密的非接触式测量设备，可以进行高速高精密的位移测量，如果与不同的附件组合，还可以进行长度、速度、角度、平面度、直线度等测量，具有测量范围大、分辨率高、精度高等优势。在半导体制造、精密机床加工、军事、航天、汽车制造、坐标测量等领域都具有非常广泛的应用。然而由于环境的变化，比如空气温度，压力，湿度变化引起光程变化也会导致很大的测量误差，干涉仪内在的缺陷也会导致非线性误差。目前低端的商业化的双频激光干涉仪非线性误差大约在5-20nm，温度漂移大约在150nm/℃，高端的商业化双频激光干涉仪其非线性误差也大约在2nm左右，温度漂移大约在40nm/℃。干涉仪的非线性误差和温度漂移对于普通的微米级或者亚微米精密测量，不是主要问题。然而对于纳米级测量，比如高端的浸没式光刻机，其套刻精度要求达到5nm。在这种极端苛刻的应用背景下，干涉仪非线性误差和温度漂移将变得无法容忍，其抗环境干扰能力也需远远超出目前商品化的标准干涉仪。因此随着激光干涉仪分辨率和测量精度的不断提高，非线性误差和热漂移误差越来越引起人们的重视。
非线性误差的产生主要根源由于光学器件性能缺陷导致参考光和测量光的不完全分离，从而产生光学混频，另一个原因，就是光束的衍射效益。减少非线性误差的一种方法是用电子技术进行补偿。比如专利“用于干涉仪非线性误差补偿的系统和方法”(参见中国发明专利，申请号200610057744.2)，但是这会极大的增加电子系统的复杂度，带来系统可靠性降低。另一种方法就是大幅提高光学器件的分光性能，目前主流的双频激光干涉仪都采用这种方式。比如Agilent(原Hewlett-Packard公司)公司的产品10706A/B。如图1为Agilent公司的10706A平面镜干涉仪的结构示意图。图2所示为一种应用图1所示的结构的已知的双频激光干涉仪系统的结构示意图。其中主要包括由偏振分光棱镜1，角锥棱镜2，四分之一波片3和角锥棱镜4组成的双频激光干涉仪结构10以及测量反射镜9。该结构就是利用高性能光学器件达到比较低的非线性误差。还有一种方法就是设计恰当的干涉仪结构，比如专利“低非线性误差的位移测量干涉仪”(参见中国发明专利，申请号200610066827.8)，但是，明显的参考光路和测量光路光程不对称其牺牲了温度漂移性能。再如专利“单块式位移测量用干涉仪”(参见中国发明专利，申请号200610090202.5)也可以从结构上降低非线性误差，但是其双光束输出产生了极大的光能量损失，而且其双光束输入，还需要在前面加装专门的光学分光系统。
热漂移误差是由于测量臂和参考臂的在干涉仪内部的光程不对称所造成的，例如10706A的透射光是4倍光程而反射光是2倍光程，两光束所经过的玻璃厚度明显不同，因此10706A由于结构上的不对称存在很大的热漂移误差。因此为了获得足够小的热漂移误差，必须尽量使反射臂和透射臂的光束在干涉仪内部的光程相等。目前高端的商业化的干涉仪已经能够进行温度补偿，比如Agilent公司的10706B，但是对于高端光刻机的苛刻应用，其非线性误差还是比较大。并且抗环境影响能力也比较差。此外专利“低非线性误差的位移测量干涉仪”(参见中国发明专利，申请号200610066827.8)的参考光路和测量光路并不完全对称，可以推测，其可以产生很严重的温度漂移。
另外，目前商业化的干涉仪，各个光学器件都是相互分离的。由于存在空气间隙，其抗环境干扰能力一般比较差。所以目前干涉仪的测量精度离其理论极限还有比较大的距离。
发明内容
有鉴于上述的问题，本发明的目的在于提供一种一体式双频激光干涉仪，用以降低非线性误差以及热漂移误差。
本发明提出了一种一体式双频激光干涉仪，其包括主偏振分光体，入射偏振分光体，位于主偏振分光体外围，且与主偏振分光体相交于主偏振分光体的第一侧和第二侧，以及出射偏振分光体，位于入射偏振分光体外围并与入射偏振分光体相交，其中，在主偏振分光体与入射偏振分光体相交的第一侧上还设置有光程补偿板，在主偏振分光体与入射偏振分光体相交的第二侧还设置有二分之一波片，光程补偿板与二分之一波片光程相等，在主偏振分光体的第三侧上设置有第一角锥棱镜以及四分之一波片，主偏振分光体的第三侧是在入射偏振分光体的透射光方向上，在主偏振分光体的第四侧上设置有第二角锥棱镜以及反射四分之一波片结构，主偏振分光体的第四侧是在入射偏振分光体的反射光方向上。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中第一侧、第二侧、第三侧以及第四侧是主偏振分光体的四个侧面。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中主偏振分光体还包括至少两个光学三角体，至少一个偏振分光膜设置于两个光学三角体之间，至少四个入射面AR抗反膜设置于主偏振分光体的有光束透射的其他侧面上。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中入射偏振分光体还包括至少两个平行四边体，至少两个梯形体，至少一个偏振分光膜设置于两个平行四边体之间，至少两个高反射膜设置于两个平行四边体与两个梯形体之间，以及至少七个入射面AR抗反膜设置于入射偏振分光体有光束透射的其他侧面上。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中入射偏振分光体中的高反射膜还可为偏振分光膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中出射偏振分光体还包括至少两个平行四边体，至少一个偏振分光膜设置于两个平行四边体之间，至少两个高反射膜设置于两个平行四边体的两侧面，以及至少三个入射面AR抗反膜设置于出射偏振分光体有光束透射的其他侧面上。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中出射偏振分光体中的高反射膜还可为偏振分光膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中出射偏振分光体在这些高反射膜外面还设置两个三角体。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中光程补偿板的工作面上包括至少两个AR抗反膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中二分之一波片的工作面上包括至少两个AR抗反膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中四分之一波片的工作面上包括至少两个AR抗反膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中反射四分之一波片是背部镀高反射膜四分之一波片。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中反射四分之一波片是一个至少包括两个AR抗反膜工作面的四分之一波片和高反镜的组合结构。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中第一角锥棱镜背部的三个面镀消偏振高反射膜，入射面镀AR抗反膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中第二角锥棱镜背部的三个面镀消偏振高反射膜，入射面镀AR抗反膜。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中主偏振分光体、入射偏振分光体以及出射偏振分光体均用光学胶胶合。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中放大第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的几何尺寸应用于两轴光束的测量。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中使用两个第一角锥棱镜与第二角锥棱镜应用于两轴光束的测量。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中放大第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的几何尺寸，同时使用两个第一角锥棱镜与第二角锥棱镜应用于两轴光束的测量。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中放大第一角锥棱镜与第二角锥棱镜的几何尺寸，用以多轴光束的测量。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其中使用多个第一角锥棱镜与第二角锥棱镜，用以多轴光束的测量。
本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其参考光路和测量光路完全分离，理论上由干涉仪导致的非线性误差为零，其参考光路和测量光路完全相等，理论上讲，其温度漂移为零，其有单光束输入，单光束输出，具备比较高的有效光学效率，并且适应目前的通用的激光干涉测量系统，其为一体式，相对传统的分离式干涉仪，其具备很强的抗环境干扰能力，以及良好的工业现场适应能力。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为一种已知的四倍光学细分双频激光干涉仪的结构示意图。
图2所示为一种应用图1所示的结构的已知的双频激光干涉仪系统的结构示意图。
图3所示为根据本发明第一实施例的一体式双频激光干涉仪的结构示意图。
图4所示为根据本发明第二实施例的一体式双频激光干涉仪的结构示意图。
具体实施方式
为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
请参照图3，图3所示为根据本发明第一实施例的一体式双频激光干涉仪的结构示意图。
图3所示的一体式双频激光干涉仪结构中，主要包括主偏振分光体100，入射偏振分光体200，出射偏振分光体300以及测量反射镜24。入射偏振分光体200位于主偏振分光体100外围，且与主偏振分光体100相交于主偏振分光体100的第一侧和第二侧。出射偏振分光体300位于入射偏振分光体200的外围并与入射偏振分光体200相交。测量反射镜24则位于入射偏振分光体200的透射光方向上，且在主偏振分光体100、入射偏振分光体200和出射偏振分光体300之外。在主偏振分光体100与入射偏振分光体200相交的第一侧上还设置有光程补偿板13，在主偏振分光体100与入射偏振分光体200相交的第二侧还设置有二分之一波片21，光程补偿板13与二分之一波片21光程相等，在主偏振分光体100的第三侧上设置有第一角锥棱镜16以及四分之一波片19，主偏振分光体100的第三侧是在入射偏振分光体200的透射光方向上，在主偏振分光体100的第四侧上设置有第二角锥棱镜20以及反射四分之一波片结构15，主偏振分光体100的第四侧是在入射偏振分光体200的反射光方向上。
在本实施例中，主偏振分光体100包括偏振分光膜14，光学三角体A1、A2，以及四个入射面AR抗反膜设置于有光束透射的其他侧面上，偏振分光膜14设置于光学三角体A1、A2之间。入射偏振分光体200包括偏振分光膜11，高反射膜12、18，平行四边体B1、B2，梯形体C1、C2，以及七个入射面AR抗反膜，偏振分光膜11设置于平行四边体B1、B2之间，高反射膜12、18分别设置于平行四边体B1与梯形体C1以及平行四边体B2与梯形体C2之间，七个入射面AR抗反膜设置于有光束透射的其他侧面上。出射偏振分光体300包括偏振分光膜23，高反射膜17、22，平行四边体D1、D2，以及三个入射面AR抗反膜，偏振分光膜23设置于平行四边体D1、D2之间，高反射膜17、22分别设置于平行四边体D1、D2的两侧面，三个入射面AR抗反膜设置于有光束透射的其他侧面上。
在本实施例中，反射四分之一波片结构15为背部镀高反射膜四分之一波片，在其他实施例中，其也可以为可达到等同效果的一个至少包括一个AR抗反膜工作面的四分之一波片和高反镜的组合结构，本发明不限于此。
在本实施例中，激光器输出激光入射到偏振分光膜11，被分为两束，f1透射形成参考光路(由虚线表示)，f2被反射形成测量光路(由实线表示)。f1透过偏振分光膜11后，然后被高反射膜12反射，经过光程补偿板13，到达偏振分光膜14，在这里发生透射，接着f1经过背部镀高反射膜的四分之一波片15，背部镀高反射膜的四分之一波片15的光轴与水平成45°，当f1再次被背部镀高反射膜四分之一波片15时，由于两次经过背部镀高反射膜四分之一波片15，f1的偏振方向旋转90°，然后f1经过偏振分光膜14发生反射，经过角锥棱镜16被返回，但是与原先分开了一段距离。f1然后经过偏振分光膜14发生反射，再次经过背部镀高反射膜四分之一波片15并被反射回来，这时f1的偏振方向旋转了90°，接着f1再次经过偏振分光膜14，这时发生透射，经过补偿板13被高反射膜17反射，再经过偏振分光膜23发生透射，最后被反射到检偏器(图未示)上，此时参考光f1完成参考光路传输。
同样，激光器输出激光入射到偏振分光膜11，其中f2反射形成测量光路(由实线表示)。f2经由偏振分光膜11反射后，被高反射膜18反射，然后f2经过二分之一波片21，偏振方向旋转了90°，到达偏振分光膜14在这里发生透射，接着经过四分之一波片19，同样四分之一波片19的光轴与水平成45°，这时f2变为圆偏振光，然后f2经过测量反射镜24被原路反射，当f2再次四分之一波片19时，由于两次经过四分之一波片19，f2变为线偏振光，并且偏振方向旋转90°，然后f2经过偏振分光膜14，这时发生反射，再经过角锥棱镜20然后返回，但是与原先分开了一段距离。f2然后经过偏振分光膜14发生反射，当再次经过四分之一波片19变为圆偏振光，然后经过测量反射镜24，并被反射回来，接着f2再次经过四分之一波片19，这时f2的偏振方向旋转了90°，f2再次经过偏振分光膜14发生透射，然后f2经过二分之一波片21，偏振方向旋转了90°，f2被高反射膜22反射后，经过偏振分光膜23发生反射，最后反射到检偏器(图未示)，当f1和f2经过检偏器后汇聚在一起发生干涉，该干涉信号被后续系统处理，提取出位移信息并可视化显示出来。
在本实施例中，值得一提的是，出射偏振分光体300还可在高反射膜17、22外面再设置两个三角体以保护高反射膜17、22。光程补偿板13、二分之一波片21、四分之一波片15、19的工作面上均可包括AR抗反膜。第一角锥棱镜16和第二角锥棱镜20背部的三个面可镀上消偏振高反射膜，入射面可镀上AR抗反膜。另外，主偏振分光体100、入射偏振分光体200以及出射偏振分光体300均用光学胶胶合，目的是将光路完全约束在光学玻璃之内，其也可以为可达到等同效果的手段所替换，本发明不限于此。
根据本发明提供的干涉仪，它还可以应用于任意数目的光束。为了更清楚的说明这一点，请参照图4，图4所示为根据本发明第二实施例的一体式双频激光干涉仪的结构示意图。图4以两轴为例，与图3相同的部件采用相同了编号。光束在双频激光两轴干涉仪中的光路情况与图3中类似，在此不在赘述。其仅是放大第一角锥棱镜16与第二角锥棱镜20的几何尺寸，在其他实施例中或者可以使用两个第一角锥棱镜和两个第二角锥棱镜，即可应用于两轴光束。显而易见，如果继续放大第一角锥棱镜16与第二角锥棱镜20的几何尺寸，在其他实施例中或者可以使用多个第一角锥棱镜和相同数目的第二角锥棱镜，即可应用于多轴光束。另外入射偏振分光体200中的高反射膜12、18可选择性的替换为偏振分光膜，出射偏振分光体300中的高反射膜17、22也可选择性的替换为偏振分光膜。
综上所述，本发明所提出的一体式双频激光干涉仪，其参考光路和测量光路完全分离，理论上由干涉仪导致的非线性误差为零，其参考光路和测量光路完全相等，理论上讲，其温度漂移为零，其有单光束输入，单光束输出，具备比较高的有效光学效率，并且适应目前的通用的激光干涉测量系统，其为一体式，相对传统的分离式干涉仪，其具备很强的抗环境干扰能力，以及良好的工业现场适应能力。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (20)
1.一种一体式双频激光干涉仪，其特征在于，包括：
主偏振分光体；
入射偏振分光体，位于所述主偏振分光体外围，且与所述主偏振分光体相交于所述主偏振分光体的第一侧和第二侧；以及
出射偏振分光体，位于所述入射偏振分光体外围并与所述入射偏振分光体相交；
其中，在所述主偏振分光体与所述入射偏振分光体相交的所述第一侧上还设置有光程补偿板，在所述主偏振分光体与所述入射偏振分光体相交的所述第二侧还设置有二分之一波片，所述光程补偿板与所述二分之一波片光程相等，
在所述主偏振分光体的第三侧上设置有第一角锥棱镜以及四分之一波片，所述主偏振分光体的所述第三侧是在所述入射偏振分光体的透射光方向上，
在所述主偏振分光体的第四侧上设置有第二角锥棱镜以及反射四分之一波片结构，所述主偏振分光体的所述第四侧是在所述入射偏振分光体的反射光方向上，其中所述第一侧、第二侧、第三侧以及第四侧是所述主偏振分光体的四个侧面。
2.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述主偏振分光体还包括两个光学三角体，一个偏振分光膜设置于上述两个光学三角体之间，四个入射面AR抗反膜设置于所述主偏振分光体的有光束透射的其他侧面上。
3.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述入射偏振分光体还包括两个平行四边体，两个梯形体，一个偏振分光膜设置于上述两个平行四边体之间，两个高反射膜，一个高反射膜设置于一个上述平行四边体与一个上述梯形体之间，另一个高反射膜设置于另一个上述平行四边体与另一个上述梯形体之间，以及七个入射面AR抗反膜设置于所述入射偏振分光体有光束透射的其他侧面上。
4.根据权利要求3所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述入射偏振分光体中的上述这些高反射膜是偏振分光膜。
5.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述出射偏振分光体还包括两个平行四边体，一个偏振分光膜设置于上述两个平行四边体之间，两个高反射膜设置于上述两个平行四边体的两侧面，以及三个入射面AR抗反膜设置于所述出射偏振分光体有光束透射的其他侧面上。
6.根据权利要求5所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述出射偏振分光体中的上述这些高反射膜是偏振分光膜。
7.根据权利要求5所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述出射偏振分光体在所述这些高反射膜外面设置两个三角体。
8.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述光程补偿板的工作面上包括至少两个AR抗反膜。
9.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述二分之一波片的工作面上包括至少两个AR抗反膜。
10.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述四分之一波片的工作面上包括至少两个AR抗反膜。
11.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述反射四分之一波片是背部镀高反射膜四分之一波片。
12.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述反射四分之一波片是一个至少包括两个AR抗反膜工作面的四分之一波片和高反镜的组合结构。
13.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述第一角锥棱镜背部的三个面镀消偏振高反射膜，入射面镀AR抗反膜。
14.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述第二角锥棱镜背部的三个面镀消偏振高反射膜，入射面镀AR抗反膜。
15.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中所述主偏振分光体、所述入射偏振分光体以及所述出射偏振分光体均用光学胶胶合。
16.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中放大所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜的几何尺寸应用于两轴光束。
17.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中使用两个所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜应用于两轴光束。
18.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中放大所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜的几何尺寸，同时使用两个所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜应用于两轴光束。
19.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中放大所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜的几何尺寸，应用于多轴光束。
20.根据权利要求1所述的一体式双频激光干涉仪，其特征在于，其中使用多个所述第一角锥棱镜与所述第二角锥棱镜，应用于多轴光束。
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