CN113701645A - 二自由度外差光栅干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种二自由度外差光栅干涉仪，包括：输入单模光纤(1)，用于将参考光和测量光传输至干涉仪镜组；干涉仪镜组，包括分光镜组、偏振分光棱镜(11)、楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)、偏振片组(8)，在梯形棱镜(4)的顶部设置有反射层，参考光和测量光经所述干涉仪镜组输出为测量干涉信号和参考干涉信号；输出多模光纤(9)，将测量干涉信号和参考干涉信号耦合输出为光信号，其中，输出多模光纤(9)的接收面、四分之一波片(5)、偏振片组中至少一个与光束传输平面具有锐角倾斜角。本发明通过偏振片、四分之一波片和输出光纤的接收面相对于光束传输平面倾斜，能抑制由鬼影反射光引起的周期非线性误差。

Description

二自由度外差光栅干涉仪

技术领域

本发明涉及光栅测量技术领域，具体地说，涉及一种二自由度外差光栅干涉仪。

背景技术

由于半导体加工技术的提高，对加工和测量系统的定位精度和测量精度也就相应的提高，特别是光刻机等高端超精密仪器产业中，对测量精度要求甚至已经达到了亚纳米级，这也使得外差干涉测量技术正在向高加速度、高测速、亚纳米精度的方向发展。影响亚纳米精度的因素众多，其中几纳米甚至十几纳米的周期非线性误差是限制亚纳米精度发展的关键因素之一。

在理想的外差干涉仪中，激光光源包含两个不同频率的正交线偏振光，且参考臂光路和测量臂光路中均只存在单一频率分量，干涉测量信号为理想的正弦信号，其相位变化与被测位移成线性关系。而在实际应用时，外差激光干涉仪中两个不同频率的光无法被完全分离，导致参考臂光路和测量臂光路出现光学混叠，使相位差与被测位移偏离线性关系，从而引入测量误差。该误差是周期性的非线性误差，称为周期非线性误差，其幅值一般为几纳米，有时甚至可达十几纳米，严重限制了外差激光干涉仪测量精度的进一步提高。周期非线性误差的根源是外差干涉仪中的光学混叠，而光学混叠的原因众多，如光源椭圆偏振化、光源偏振非正交化、PBS偏振泄露、PBS分光方向非正交、四分之一波片非理想、角锥棱镜退偏、鬼影反射、安装误差等。根据误差来源不同，周期非线性误差可以分为由于共光路的测量光、参考光无法完全分离引起的“混叠误差”和由于测量光的鬼影反射光引起的“鬼影反射误差”。

本发明主要针对由鬼影反射引起的周期非线性误差，其中，鬼影反射是指在干涉镜组内部透射面不希望出现而出现的反射。

1983年美国学者Quenelle首次提出了外差激光干涉测量中周期非线性误差的概念，并预测其误差约为5nm；美国ZYGO公司美国专利公开号US2011/0255096A1(公开日2011年10月20日)公开了一种应用于光刻机超精密工件台的光栅测量系统，该测量系统采用二维光栅配合特定的读数头实现位移测量，可同时进行水平向和垂向位移测量，但大尺寸的二维光栅造价极其昂贵。日本CANON公司美国专利公开号US2011/0096334A1(公开日12011年4月28日)公开了一种外差干涉仪，该干涉仪中采用光栅作为目标镜，但该干涉仪仅能实现一维测量。中国专利文献公开号CN103759657A(公开日2014年04月30日)及CN103759656A(公开日2014年04月30日)分別公开了一种外差光栅干涉仪测量系统，两种干涉仪测量系统中的读数头结构能够测量两个自由度的位移，但对周期非线性误差没有较好的抑制方法。

对于周期非线性误差的补偿方法，研究人员也已经进行了广泛而深入的研究。对于“混叠误差”的主要补偿方法有：通过调整光路来减小非线性误差；通过信号处理算法的改进来对包含有非线性误差的信号进行补偿。其中韩国标准与科学研究院提出了基于椭圆拟合的外差激光干涉仪周期非线性误差补偿方法；还有采用空间分离式外差激光干涉结构的方法，采用独立产生的不共光路双频光源，其测量光和参考光在进行外差干涉之前不共光路，从根本上避免了双频激光混叠的问题。

对“鬼影反射误差”的补偿方法有：镀增透膜以降低光学元件表面反射率来减弱鬼影反射；调节鬼影反射面的角度与空间滤波的方法来减小鬼影反射光对外差干涉测量的影响。

发明内容

为了解决由鬼影反射光引起的周期非线性误差，本发明提供了一种抑制周期非线性误差的二自由度外差光栅干涉仪结构，本发明特别适用于工业应用中鬼影反射较大、周期性非线性误差较高的场景，还能应用于精密机床、三坐标测量机、半导体检测设备等工件台位移精密测量等场合。

本发明所采用的技术方案为：

一种二自由度外差光栅干涉仪，包括：

输入单模光纤(1)，用于将参考光和测量光传输至干涉仪镜组；

干涉仪镜组，包括分光镜组、偏振分光棱镜(11)、楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)、偏振片组(8)，在所述梯形棱镜(4)的顶部设置有反射层，输出多模光纤(9)，

其中，所述输出多模光纤(9)的接收面、所述四分之一波片(5)、所述偏振片组中至少一个与光束传输平面具有锐角倾斜角。

可选地，其中，参考光通过对应的输入单模光纤(1)经分光镜组分成三路，通过偏振分光棱镜(11)反射后作为三路干涉信号的参考光，

测量光通过对应的输入单模光纤(1)经分光镜组分成三路，经偏振分光棱镜(11)反射后，依次穿过楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)入射至测量光栅方向，其中两路测量光被梯形棱镜(4)折射至测量光栅衍射后，返回并透过偏振分光棱镜(11)与所述三路干涉信号的参考光中的两路形成测量干涉信号，另一路测量光被所述反射层反射返回并透过偏振分光棱镜(11)与所述三路干涉信号的参考光中另一路形成参考干涉信号，测量干涉信号、参考干涉信号进入输出多模光纤(9)，

所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号经所述多模光纤(9)耦合接收并输出三路光信号。

可选地，所述输入单模光纤、所述分光镜组都为两个，所述楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)依次由近及远的设置在分光镜组的远离输出多模光纤的一侧，偏振片组(8)设置在分光镜组的靠向输出多模光纤(9)的一侧，

所述偏振分光棱镜(11)设置在两个分光镜组之间，且位于偏振片组(8)和楔形镜片(6)之间，每一分光镜组都包括依次布置的两个分光棱镜和一个反射镜。

可选地，所述四分之一波片(5)相对于光束传输平面具有5-10°范围内的锐角倾斜角。

可选地，所述偏振片组(8)包括向远离输出多模光纤方向由近及远设置的楔形镜片(83)、偏振片(81)，其中楔形镜片(83)相对于光束传输平面具有1-2.5°范围内的锐角倾斜角，偏振片(81)相对于楔形镜片(83)具有1-2.5°范围内锐角倾斜角，

偏振片(81)相对于光束传输平面的倾斜角为楔形镜片(83)相对于光束传输平面的倾斜角与偏振片(81)相对于楔形镜片的倾斜角之和。

可选地，所述输出多模光纤(9)的接收面相对于光束传输平面具有2-10°范围内的锐角倾斜角。

可选地，测量光栅与所述干涉仪镜组采用利特罗布置，使得测量光以利特罗角入射至测量光栅。

可选地，还包括准直器(2)、偏振片(3)，参考光和测量光经输入单模光纤后依次经过准直器(2)、偏振片(3)，然后再传输至干涉仪镜组。

可选地，还包括保护片(12)，所述保护片(12)设置在偏振片组(8)的靠向输出多模光纤的一侧，所述保护片的透光部位有孔，测量干涉信号、参考干涉信号经过孔传输至输出多模光纤(9)。

可选地，输出多模光纤的芯径小于参考光和测量光形成干涉条纹的宽度。

本发明采用不共光路双频光源，避免了双频激光无法完全分离的问题，从源头上消除混叠误差。针对鬼影反射误差，采用调节鬼影反射面的倾角的设计来抑制周期非线性误差。与现有技术相比，本发明所提供的二自由度外差光栅干涉仪具有以下有益效果：

(1)本发明能够较好地抑制由鬼影反射光引起的周期非线性误差，提高测量精度。

(2)本发明能够同时实现两个平动位移的二自由度测量，对环境的敏感度低。

(3)本发明的测量系统对比以往的二自由度干涉测量系统，在满足测量精度要求的基础上，可有效的避免由于干涉仪和测量光栅间存在安装转角误差和运动中存在的角度偏差对测量信号强度的影响。

(4)本发明干涉仪体积小，集成度高，有效地提高了空间利用率和系统的集成度。

附图说明

通过参考以下具体实施方式及权利要求书的内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。

图1为本发明实施例二自由度外差光栅干涉仪的立体示意图；

图2为本发明实施例二自由度外差光栅干涉仪的侧视图；

图3为本发明实施例入射光和鬼影反射光在干涉仪中的光路示意图。

图中，1—入射单模光纤，2—准直器，3—偏振片，4—梯形棱镜，5—四分之一波片，6—楔形镜片，7—反射镜，8—偏振片组，9—输出多模光纤，10—分光棱镜，11—偏振分光棱镜，12—保护片；81—偏振片，82—基底镜片，83—楔形镜片。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可是机械连接，也可以是电连接：可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明所述的二自由度外差光栅干涉仪的立体示意图，如图1所示，所述外差光栅干涉仪包括入射单模光纤1、准直器2、偏振片3、干涉仪镜组，输出多模光纤9。两路带有一定频差的正交偏振光，通过输入单模光纤1进入准直器2准直，其中一路作为参考光，一路作为测量光，经过偏振片3，然后传输至干涉仪镜组。

干涉仪镜组包括偏振片3、梯形棱镜4、四分之一波片5、楔形镜片6、分光镜组、偏振片组8、偏振分光棱镜11。其中，分光镜组包括两个依次布置的分光棱镜10和一个反射镜7，所述楔形镜片6、四分之一波片5、梯形棱镜4依次由近及远的设置在分光镜组的远离输出多模光纤的一侧，在所述梯形棱镜4的顶部设置有反射层，偏振片组8设置在分光镜组的靠近输出多模光纤9的一侧。干涉仪镜组还包括保护片12，所述保护片12设置在偏振片组8的靠向输出多模光纤的一侧，所述保护片的透光部位有孔。

其中，参考光通过对应的输入单模光纤1经分光棱镜10和反射镜7分成三路，通过偏振分光棱镜11反射后向输出多模光纤9方向作为三路干涉信号的参考光。

测量光经过分光棱镜10和反射镜7后同样得到三束激光向偏振分光棱镜11入射，经偏振分光棱镜11反射，依次穿过楔形镜片6、四分之一波片5、梯形棱镜4入射至光栅方向，两路测量光被梯形棱镜4折射至测量光栅。优选地，测量光以利特罗角度入射至测量光栅，使得衍射光路与入射光路重合，衍射光路经过梯形棱镜4形成与参考光平行的测量光，经测量光栅衍射后，±1级衍射光中包含光栅的转角和位移信息，测量光沿原光路返回，再次经过四分之一波片5，楔形镜片6透射后与参考光干涉，形成两路测量干涉信号；中间路的测量光被梯形棱镜4顶部的反射层反射，再次经过四分之一波片5，楔形镜片6透射后与参考光干涉，形成参考干涉信号。所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号穿过保护片12的孔进入输出多模光纤9，经所述多模光纤9耦合接收并输出三路光信号。

所述测量光栅(4)相对于所述干涉仪镜组做水平向和垂向两个自由度的线性运动，通过光电转换单元接收所述多模光纤9传输的光信号并转换为电信号，以输入至电子信号处理部件；所述电子信号处理部件接收所述电信号，用以解算所述测量光栅的线性位移，电子信号处理部件利用得到的相位信息，解算二自由度线性运动。

二自由度运动解算的表达式为

式中，x,z为光栅位移，φ₁和φ₂为两路测量干涉信号相对于参考干涉信号的相位变化，p为光栅的栅距，λ为激光波长，θ为利特罗角。

所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号，当测量光栅相对于理想测量位置存在转角误差时，测量光会偏离参考光，存在一定的夹角，无法实现共轴干涉，光电转换单元的探测器上参考光和测量光两个光斑会偏离，并形成干涉条纹。因此，本实施例采用输出多模光纤9的芯径小于干涉条纹的宽度的方式，利用输出多模光纤9直接接收干涉光斑的部分区域后再传输至探测器，以保持干涉信号在光栅转动的情况下信号的高交直流比，可有效抑制由于干涉仪和测量光栅间存在的转角安装误差和运动过程中存在的角度偏差对测量信号强度的影响。

图2为本发明实施例二自由度外差光栅干涉仪的侧视图，如图2所示，四分之一波片5、偏振片组8、输出多模光纤9的接收面相对于光束传输平面均具有一定的倾斜角。也就是说，所述四分之一波片5相对于光束传输平面具有锐角倾斜角。所述光束传输平面是指输入单模光纤1的参考光和测量光构成的平面。

所述偏振片组8包括偏振片81、基底镜片82、楔形镜片83，其中楔形镜片83相对于光束传输平面具有锐角倾斜角，偏振片81相对于楔形镜片83具有锐角倾斜角，偏振片81相对于光束传输平面的倾斜角为楔形镜片83相对于光束传输平面的倾斜角与偏振片81相对于楔形镜片的倾斜角之和。

所述输出多模光纤9的接收面相对于光束传输平面具有锐角倾斜角。

结合图3说明本发明能抑制由鬼影反射光引起的周期非线性误差，具体地：

所述四分之一波片5相对于光束传输平面具有5-10°的倾斜角，使得光束在向上穿过该四分之一波片时，发生的鬼影反射光20与入射光有一定的夹角，鬼影反射光20如图3中虚线所示传输，不会进入多模光纤对测量信号造成干扰，小于10°则保证不具有特别大的相位延迟。

所述偏振片组8由偏振片81、基底镜片82、楔形镜片83三部分组成，所述偏振片81和楔形镜片83位于基底镜片82之间。楔形镜片83相对于光束传输平面具有1-2.5°的倾斜角，偏振片81相对于楔形镜片83具有1-2.5°的倾斜角，即偏振片81相对于光束传输平面具有2-5°的倾斜角，光束在向下穿过该偏振片81时，发生的鬼影反射光30与入射光有一定的夹角，反射光不会进入输出多模光纤9对测量信号造成干扰。

所述输出多模光纤9的接收面相对于光束传输平面具有2-10°倾斜角，光束在向下穿过光纤接收面时，发生的鬼影反射光40与入射光有一定的夹角，反射光不会进入输出多模光纤9对测量信号造成干扰。

上述实施方式中给出的干涉仪结构方案能够实现两个线性自由度的同时测量，且系统测量光路短，受环境影响很小；采用多模光纤直接耦合的方式可有效的减少干涉仪的体积，提高系统的抗干扰能力和系统集成性，可有效的避免由于干涉仪和测量光栅间存在的转角安装误差和运动过程中存在的角度偏差对测量信号强度的影响；具有一定倾斜角布置的四分之一波片、偏振片和光纤接收面使得能够较好地消除由鬼影反射光引起的周期非线性误差；同时该光栅干涉仪测量系统还具有结构简单，体积小，质量轻，易于安装和布置，应用方便等优点。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。本发明的结构设计同样适用于激光干涉仪。本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员可根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，包括：

输入单模光纤(1)，用于将参考光和测量光传输至干涉仪镜组；

干涉仪镜组，包括分光镜组、偏振分光棱镜(11)、楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)、偏振片组(8)，在所述梯形棱镜(4)的顶部设置有反射层，所述参考光和测量光经所述干涉仪镜组输出为测量干涉信号和参考干涉信号；

输出多模光纤(9)，将测量干涉信号和参考干涉信号耦合输出为光信号，

其中，所述输出多模光纤(9)的接收面、所述四分之一波片(5)、所述偏振片组中至少一个与光束传输平面具有锐角倾斜角。

2.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，

其中，参考光通过对应的输入单模光纤(1)经分光镜组分成三路，通过偏振分光棱镜(11)反射后作为三路干涉信号的参考光，

测量光通过对应的输入单模光纤(1)经分光镜组分成三路，经偏振分光棱镜(11)反射后，依次穿过楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)入射至测量光栅方向，其中两路测量光被梯形棱镜(4)折射至测量光栅衍射后，返回并透过偏振分光棱镜(11)与所述三路干涉信号的参考光中的两路形成测量干涉信号，另一路测量光被所述反射层反射返回并透过偏振分光棱镜(11)与所述三路干涉信号的参考光中另一路形成参考干涉信号，测量干涉信号、参考干涉信号进入输出多模光纤(9)，

所述两路测量干涉信号和一路参考干涉信号经所述多模光纤(9)耦合接收并输出三路光信号。

3.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，所述输入单模光纤、所述分光镜组都为两个，所述楔形镜片(6)、四分之一波片(5)、梯形棱镜(4)依次由近及远的设置在分光镜组的远离输出多模光纤的一侧，偏振片组(8)设置在分光镜组的靠向输出多模光纤(9)的一侧，

所述偏振分光棱镜(11)设置在两个分光镜组之间，且位于偏振片组(8)和楔形镜片(6)之间，每一分光镜组都包括依次布置的两个分光棱镜和一个反射镜。

4.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，所述四分之一波片(5)相对于光束传输平面具有5-10°范围内的锐角倾斜角。

5.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，所述偏振片组(8)包括向远离输出多模光纤方向由近及远设置的楔形镜片(83)、偏振片(81)，其中楔形镜片(83)相对于光束传输平面具有1-2.5°范围内的锐角倾斜角，偏振片(81)相对于楔形镜片(83)具有1-2.5°范围内锐角倾斜角，

偏振片(81)相对于光束传输平面的倾斜角为楔形镜片(83)相对于光束传输平面的倾斜角与偏振片(81)相对于楔形镜片的倾斜角之和。

6.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，所述输出多模光纤(9)的接收面相对于光束传输平面具有2-10°范围内的锐角倾斜角。

7.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，测量光栅与所述干涉仪镜组采用利特罗布置，使得测量光以利特罗角入射至测量光栅。

8.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，还包括准直器(2)、偏振片(3)，参考光和测量光经输入单模光纤后依次经过准直器(2)、偏振片(3)，然后再传输至干涉仪镜组。

9.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，还包括保护片(12)，所述保护片(12)设置在偏振片组(8)的靠向输出多模光纤的一侧，所述保护片的透光部位有孔，测量干涉信号、参考干涉信号经过孔传输至输出多模光纤(9)。

10.根据权利要求1所述的二自由度外差光栅干涉仪，其特征在于，输出多模光纤的芯径小于参考光和测量光形成干涉条纹的宽度。

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