CN112484647A - 干涉仪位移测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种干涉仪位移测量系统及方法，其中的系统包括：测量光经第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。利用上述发明能够减小位移测量误差、提高测量精度和测量范围。

Description

干涉仪位移测量系统及方法
技术领域
本发明涉及精密位移测量技术领域，更为具体地，涉及一种干涉仪位移测量系统及方法。
背景技术
精密测量是精密加工的基础，尤其对于IC装备，纳米级甚至亚纳米级的分辨率成为精密测量的标准和要求，目前是激光干涉仪和光栅干涉仪作为精密测量的研究对象，对其分辨率的要求也越来越高。
但在实际位移测量过程中，由于物体运动等因素会引起光栅或者反射镜产生微小转角，由于在干涉光斑范围内出现了条纹，直接用光电探测器探测干涉的光斑，信号质量会比较差。目前，解决信号质量不好的问题的方法主要是利用光学元件将有夹角的光束变为平行光束，这样在干涉区域的条纹会被消除，但还是存在光斑分离的情况。由于光斑分离，在大行程测量的使用场景中，光斑的尺寸需要增大。相较于小光斑，大光斑不仅使得测量转角范围小，而且光束的波前质量因环境更差。由于测量信号的质量直接影响测量结果，同时光束的波前质量也影响着测量精度，这些问题在实际测量过程中亟需解决。
针对上述问题，专利US6020964A、专利US6980279B2均采用角锥棱镜回光，进入角锥棱镜的光与出射的光平行，保证最后返回的光与入射的光平行，避免了夹角干涉，但是这样使得干涉仪的结构大且当测量行程一定大的时候产生光斑分离。此外，专利US6897962B2发布了一种八倍细分的干涉仪，利用角锥棱镜回光和大光斑测量可以使得两光斑始终在测量行程中始终有重叠区域，但大光斑同时存在问题，光斑的波前更容易受空气扰动等因素的影响，导致测量精度低、适用范围小。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种干涉仪位移测量系统及方法，以解决目前的干涉仪所存在的体积大、检测质量差、准确度低、适用范围小等问题。
本发明提供的干涉仪位移测量系统，包括：用于发射测量光的第一激光光源、依次设置在第一激光光源一侧的第一偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置，待检测物体固定在反射装置上；以及，用于发射参考光的第二激光光源、依次设置在第二激光光源一侧的第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二1/4波片、第二分光棱镜以及贴设在第二分光棱镜侧的反射镜；测量光经第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。
此外，优选的技术方案是，光波导组件包括透镜固定元件、设置在透镜固定元件内的第一平凸透镜和第二平凸透镜、位于第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的波导光纤和反射膜层；其中，透镜固定元件为玻璃件，反射膜层贴设在透镜固定元件的靠近反射装置一侧的右端面上。
此外，优选的技术方案是，第一平凸透镜距离透镜固定元件的左端面的距离为第一焦距，第二平凸透镜距离透镜固定元件的右端面的距离为第二焦距；第一焦距和第二焦距相等。
此外，优选的技术方案是，测量光依次经第一偏振分光棱镜透射和第一1/4波片后，由第一分光棱镜分为第一透射光和第一反射光；其中，第一透射光经第一平凸透镜后耦合至波导光纤上，再经过第二平凸透镜，到达反射装置；经反射装置反射回的光经第二平凸透镜到达反射膜层，反射膜层将光再次反射至反射装置，反射装置反射的光再次经过第二平凸透镜耦合至波导光纤上，并依次经过第一平凸透镜、第一分光棱镜、第一1/4波片后，变为第一s偏振光；第一s偏振光经第一偏振分光棱镜反射至第一光电探测器。
此外，优选的技术方案是，第一分光棱镜的第一反射光经第二分光棱镜反射，反射后的光经第二1/4波片后，变为第二s偏振光；第二s偏振光经第二偏振分光棱镜反射至第二光电探测器。
此外，优选的技术方案是，参考光经第二偏振分光棱镜透射后，经第二1/4波片和第二分光棱镜分光，形成第二透射光和第二反射光；其中，第二透射光经反射镜后返回，并经第二分光棱镜和第二1/4波片后，变为第三s偏振光；第三s偏振光经第二偏振分光棱镜反射至第二光电探测器；第二反射光经第一偏振分光棱镜后经第一1/4波片，变为第四s偏振光；第四s偏振光经第二偏振分光棱镜反射至第一光电探测器。
此外，优选的技术方案是，第一光电探测器根据第一s偏振光和第四s偏振光的光束干涉及光电转换，形成测量信号；第二光电探测器根据第二s偏振光和第三s偏振光的光束干涉及光电转换，形成参考信号。
此外，优选的技术方案是，测量光和参考光均为p偏振光；反射装置为反射镜或者光栅。
此外，优选的技术方案是，反射装置的位移信息的表示公式如下：
Figure BDA0002784782670000031
其中，Δz表示位移信息，λ表示光束在空气中的波长，
Figure BDA0002784782670000032
表示测量信号鉴相后的相位，
Figure BDA0002784782670000033
表示参考信号鉴相后的相位，θ为反射装置相对y轴方向的安装角。
根据本发明的另一方面，提供一种干涉仪位移测量方法，利用上述干涉仪位移测量系统对待测物体进行位移测量；方法包括：通过第一激光光源发射测量光，通过第二激光光源发射参考光；测量光依次经过第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号；同时，参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。
利用上述干涉仪位移测量系统及方法，能够实现纳米级的分辨率，且能有效消除待测转角对条纹对比度的影响，能适应存在大转角安装的实际使用情况；此外，该测量系统还能有效补偿空气扰动误差，不需要大尺寸光斑来适应转角引起的光斑分离，相比已有的干涉仪具有更小的光斑尺寸测量能力，能够减小空气对测量的影响。
为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的干涉仪位移测量系统的结构示意图；
图2为根据本发明实施例的光波导组件结构示意图；
图3为根据本发明实施例的测量光的光路示意图；
图4为根据本发明实施例的参考光的光路示意图；
图5为根据本发明实施例的光栅结构示意图；
图6为根据本发明实施例的零差干涉仪结构示意图；
图7为根据本发明实施例的干涉仪位移测量方法的流程图。
其中的附图标记包括：第一激光光源10、第二激光光源11、第一偏振分光棱镜20、第二偏振分光棱镜21、第一光电探测器30、第二光电探测器31、第一1/4波片40、第二1/4波片41、第一分光棱镜50、第二分光棱镜51、光波导组件60、第一平凸透镜60.1、透镜固定元件60.2、波导光纤60.3、反射膜层60.4、第二平凸透镜60.5、反射装置70、反射镜80、反射镜81、光栅90、光电探测器组100。
在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。在其它例子中，为了便于描述一个或多个实施例，公知的结构和设备以方框图的形式示出。
为详细描述本发明的干涉仪位移测量系统及方法，以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。
图1示出了根据本发明实施例的干涉仪位移测量系统的示意结构。
如图1所示，本发明实施例的干涉仪位移测量系统，包括用于发射测量光的第一激光光源10、依次设置在第一激光光源10一侧的第一偏振分光棱镜20、第一光电探测器30、第一1/4波片40、第一分光棱镜50、光波导组件60以及反射装置70，待检测物体固定在反射装置70上；以及，用于发射参考光的第二激光光源11、依次设置在第二激光光源11一侧的第二偏振分光棱镜21、第二光电探测器31、第二1/4波片41、第二分光棱镜51以及贴设在第二分光棱镜51侧的反射镜80。
其中，测量光经第一偏振分光棱镜20、第一1/4波片40、第一分光棱镜50、光波导组件60以及反射装置70的处理后，返回第一光电探测器30和第二光电探测器31中；参考光经第二偏振分光棱镜21、第二1/4波片41、第二分光棱镜51以及反射镜80的处理后，返回至第一光电探测器30和第二光电探测器31中；第一光电探测器30根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，第二光电探测器31根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；最后，根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。
图2示出了根据本发明实施例的光波导组件的示意结构。
如图1和图2共同所示，本发明实施例的光波导组件60包括透镜固定元件60.2、设置在透镜固定元件60.2内的第一平凸透镜60.1和第二平凸透镜60.5、位于第一平凸透镜60.1和第二平凸透镜60.5之间的波导光纤60.3和反射膜层60.4；其中，沿A方向，光波导组件呈圆形结构，透镜固定元件60.2为玻璃件，反射膜层60.4贴设在透镜固定元件60.2的靠近反射装置70一侧的右端面上。
其中，第一平凸透镜60.1距离透镜固定元件60.2的左端面的距离为第一焦距f，第二平凸透镜60.5距离透镜固定元件60.2的右端面的距离为第二焦距f；第一焦距和第二焦距相等。
在本发明提供的干涉仪位移测量系统中，反射镜70需倾斜一定角度θ安装，进而实现四细分测量。通过设置光波导组件60，能够使得该干涉仪位移测量系统允许反射镜70由于运动、安装等因素产生的转角，且不会出现光斑分离的现象。其中，进光波导组件60的入射光束经过第一平凸透镜60.1后耦合至波导光纤60.3，再经由第二平凸透镜60.5准直为光束1.1，光束1.1经反第一射镜反射为光束1.2，光束1.2再经由第二平凸透镜60.5至焦平面上一点，即反射膜层60.4上一点，然后反射后的光束再经由第二平凸透镜60.5形成为光束1.3，由于平凸透镜具有的特性，光束1.2与光束1.3平行，所以光束1.4与光束1.1平行，从而汇聚至波导光纤60.3的纤芯。即使反射装置70存在一定的转角变化，光束1.4始终能汇聚到波导光纤60.3的光纤纤芯中，而光纤波导60.3具有很小的纤芯半径，光束经过其传输后再经过第一平凸透镜60.1后与入射的光平行，且光斑分离的现象基本不会出现。
具体地，图3示出了根据本发明实施例的测量光的光路结构。
如图1至图3所示，在本发明实施例的干涉仪位移测量系统中，测量光p偏振光，测量光依次经第一偏振分光棱镜20透射和第一1/4波片40后，由第一分光棱镜50分为第一透射光和第一反射光；其中，第一透射光经第一平凸透镜60.1后耦合至波导光纤60.3上，再经过第二平凸透镜60.5，到达反射装置70；经反射装置70反射回的光经第二平凸透镜60.5到达反射膜层60.4，反射膜层60.4将光再次反射至反射装置70，反射装置70反射的光再次经过第二平凸透镜60.5耦合至波导光纤60.3上，并依次经过第一平凸透镜60.1、第一分光棱镜50、第一1/4波片40后，变为第一s偏振光；第一s偏振光经第一偏振分光棱镜20反射至第一光电探测器30。
进一步地，第一分光棱镜50的第一反射光经第二分光棱镜51反射，反射后的光经第二1/4波片41后，变为第二s偏振光；第二s偏振光经第二偏振分光棱镜21反射至第二光电探测器31。
图4示出了根据本发明实施例的参考光的光路结构。
如图1至图4所示，在本发明实施例的干涉仪位移测量系统中，参考光为p偏振光，参考光经第二偏振分光棱镜21透射后，经第二1/4波片41和第二分光棱镜51分光，形成第二透射光和第二反射光；其中，第二透射光经反射镜80后返回，并经第二分光棱镜51和第二1/4波片41后，变为第三s偏振光；第三s偏振光经第二偏振分光棱镜21反射至第二光电探测器31；第二反射光经第一偏振分光棱镜20后经第一1/4波片40，变为第四s偏振光；第四s偏振光经第二偏振分光棱镜21反射至第一光电探测器30。
进一步地，第一光电探测器30根据第一s偏振光和第四s偏振光的光束干涉及光电转换，形成测量信号；第二光电探测器31根据第二s偏振光和第三s偏振光的光束干涉及光电转换，形成参考信号。
如图1至图4共同所示，在本发明实施例的干涉仪位移测量系统中，反射装置70随待测物体做一维运动，且反射装置70的安装保持一个固定的角度θ。当待测物体运动带动反射装置70运动时，根据多普勒效应，光束1.4中引入与位移相关的相移α1，由于第一激光光源10扰动等会引入误差相移α2，第二激光光源11扰动等引入误差相移α3。
可知，进入第一光电探测器30的测量光和参考光发生干涉，通过光电转换形成测量信号，进入第二光电探测器31的测量光和参考光发生干涉，通过光电转换形成参考信号。测量信号鉴相的结果为
Figure BDA0002784782670000071
参考信号鉴相的结果为
Figure BDA0002784782670000072
由此，最后反射装置70的位移的表示公式为：
Figure BDA0002784782670000073
其中，Δz表示位移信息，λ表示光束在空气中的波长，在该发明中λ为激光在空气中的波长，
Figure BDA0002784782670000074
是测量信号鉴相后的相位，
Figure BDA0002784782670000075
是参考信号鉴相后的相位，θ为反射装置70相对y轴的转角。
可知，本发明的干涉仪位移测量系统能够解决待测物体转角引入的光斑分离和条纹对比度衰减的问题，也不存在光斑分离的情况，从而测量光斑尺寸可以更小，空气扰动引入的误差也就更小。
需要说明的是，本发明的测量系统需要反射装置70的安装保持一个固定的角度θ，以保证光束1.2能打在反射膜层60.4上。
需要说明的是，上述反射装置70可采用反射镜或者光栅；具体地，图5示出了根据本发明实施例的光栅结构。
如图5所示，将反射装置设置成光栅90来衍射回光，不影响系统的测量结果。对光栅而言，当入射光垂直光栅90平面时，0级衍射光原路返回，当入射光以利特罗角β入射光栅90，+1或者-1衍射光会原路返回。其中的利特罗角β＝arcsin(λ/2p)，λ是激光波长，p是光栅的栅距。第一种形式，将光栅90转一定角度θ，光束1.5入射到光栅后，0级衍射光束1.6返回。第二种形式，将光栅90转一定角度θ+β，光束1.7入射到光栅后，+1级或者-1级衍射光束1.8返回。可知，采用光栅的干涉仪位移测量系统适用于光栅干涉仪。
与上述干涉仪位移测量相似，本发明还提供一种零差干涉仪。具体地，图6示出了根据本发明实施例的零差干涉仪的示意结构。
如图6所示，去除现有参考光的结构部分，并增加一块反射镜81，同时将第一光电探测器替换为光电探测器组100，即可用于实现零差干涉信号鉴相，此时该测量系统即为零差干涉仪测量系统。
与上述干涉仪位移测量系统相对应，本发明还提供一种干涉仪位移测量方法。具体地，图7示出了根据本发明实施例的干涉仪位移测量方法的流程。
如图7所示，本发明实施例的干涉仪位移测量方法，包括以下步骤：
通过第一激光光源发射测量光，通过第二激光光源发射参考光；
测量光依次经过第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号；
参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；
根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。
需要说明的是，本发明的干涉仪位移测量方法的实施例可参考干涉仪位移测量系统实施例中的描述，此处不再一一赘述。
本发明提供的干涉仪位移测量系统及方法，利用特殊加工的光波导组件，消除待测物体转动引起的光斑分离对测量的影响，光波导组件利用平凸透镜的聚光特性以及特殊加工的光纤传光，能够保证入光和出光的无光束分离，消除光斑分离后可以减小光斑的尺寸，从而在测量中具有更广的转角测量范围和位移测量行程。同时，小光斑相较于大光斑更不易受环境影响，可知本发明的无光斑分离的干涉仪位移测量系统具有测量精度高、转角测量范围大，测量行程大，空气扰动误差小等优点。
如上参照附图以示例的方式描述根据本发明的干涉仪位移测量系统及方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的干涉仪位移测量系统及方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (10)

1.一种干涉仪位移测量系统，其特征在于，包括：用于发射测量光的第一激光光源、依次设置在所述第一激光光源一侧的第一偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置，待检测物体固定在所述反射装置上；以及，用于发射参考光的第二激光光源、依次设置在所述第二激光光源一侧的第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二1/4波片、第二分光棱镜以及贴设在所述第二分光棱镜侧的反射镜；
所述测量光经所述第一偏振分光棱镜、所述第一1/4波片、所述第一分光棱镜、所述光波导组件以及所述反射装置的处理后，返回所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中；
所述参考光经所述第二偏振分光棱镜、所述第二1/4波片、所述第二分光棱镜以及所述反射镜的处理后，返回至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中；
所述第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，所述第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；
根据所述测量信号和所述参考信号确定所述待检测物体的位移信息。
2.如权利要求1所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述光波导组件包括透镜固定元件、设置在所述透镜固定元件内的第一平凸透镜和第二平凸透镜、位于所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜之间的波导光纤和反射膜层；其中，
所述透镜固定元件为玻璃件，所述反射膜层贴设在所述透镜固定元件的靠近所述反射装置一侧的右端面上。
3.如权利要求2所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述第一平凸透镜距离所述透镜固定元件的左端面的距离为第一焦距，所述第二平凸透镜距离所述透镜固定元件的右端面的距离为第二焦距；
所述第一焦距和所述第二焦距相等。
4.如权利要求2所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述测量光依次经所述第一偏振分光棱镜透射和所述第一1/4波片后，由所述第一分光棱镜分为第一透射光和第一反射光；其中，所述第一透射光经所述第一平凸透镜后耦合至所述波导光纤上，再经过所述第二平凸透镜，到达所述反射装置；
经所述反射装置反射回的光经所述第二平凸透镜到达所述反射膜层，所述反射膜层将光再次反射至所述反射装置，所述反射装置反射的光再次经过所述第二平凸透镜耦合至所述波导光纤上，并依次经过所述第一平凸透镜、所述第一分光棱镜、所述第一1/4波片后，变为第一s偏振光；
所述第一s偏振光经所述第一偏振分光棱镜反射至所述第一光电探测器。
5.如权利要求4所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述第一分光棱镜的第一反射光经所述第二分光棱镜反射，反射后的光经所述第二1/4波片后，变为第二s偏振光；
所述第二s偏振光经所述第二偏振分光棱镜反射至所述第二光电探测器。
6.如权利要求5所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述参考光经所述第二偏振分光棱镜透射后，经所述第二1/4波片和所述第二分光棱镜分光，形成第二透射光和第二反射光；其中，所述第二透射光经所述反射镜后返回，并经所述第二分光棱镜和所述第二1/4波片后，变为第三s偏振光；
所述第三s偏振光经所述第二偏振分光棱镜反射至所述第二光电探测器；
所述第二反射光经所述第一偏振分光棱镜后经所述第一1/4波片，变为第四s偏振光；
所述第四s偏振光经所述第二偏振分光棱镜反射至所述第一光电探测器。
7.如权利要求6所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述第一光电探测器根据所述第一s偏振光和所述第四s偏振光的光束干涉及光电转换，形成所述测量信号；
所述第二光电探测器根据所述第二s偏振光和所述第三s偏振光的光束干涉及光电转换，形成所述参考信号。
8.如权利要求1或7所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述测量光和所述参考光均为p偏振光；
所述反射装置为反射镜或者光栅。
9.如权利要求1所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述反射装置的位移信息的表示公式如下：
Figure FDA0002784782660000031
其中，Δz表示所述位移信息，λ表示光束在空气中的波长，
Figure FDA0002784782660000032
表示所述测量信号鉴相后的相位，
Figure FDA0002784782660000033
表示所述参考信号鉴相后的相位，θ为所述反射装置相对y轴方向的安装角。
10.一种干涉仪位移测量方法，其特征在于，利用如权利要求1至9任一项所述的干涉仪位移测量系统对待测物体进行位移测量；所述方法包括：
通过第一激光光源发射测量光，通过第二激光光源发射参考光；
所述测量光依次经过第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中，所述第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号；
同时，所述参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中，第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；
根据所述测量信号和所述参考信号确定所述待检测物体的位移信息。
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