CN1314978C - 偏振光束分离器 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一个偏振光束分离器，它包括两个由双折射材料制成的楔形棱镜，这两个棱镜构成了一个面平行板，在此，当入射光束从光束分离器中出来时，它被分离成与入射光束平行的两个分支光束，这两个分支光束具有可以连续变化的彼此间的横向距离。

Description

偏振光束分离器

技术领域

本发明通常涉及一些光束分离器。更具体地说，本发明涉及偏振光束分离器。更具体地说说，本发明涉及用于干涉测量系统中的光束分离器。

背景技术

偏振器是偏振光学中使用的、用以产生线性偏振状态的重要的光学部件。

现在，在工艺技术上，已知基于使用双折射材料的、用于入射光束的振幅分离的光束分离器。它们通常采用两种主要的结构形状。

根据Wollaston、Sernamont或Rochon设计的光束分离器棱镜，在光束以固定不变的分离角度进入到晶体中之后，光束分离器棱镜对光束进行分离。Wollaston棱镜由两个方解石棱镜组成，它们一起被粘结在一块底座上。它们的晶体光轴位于彼此垂直的位置上，而且垂直于入射光的传播方向。以直角投射到入射表面上的光束，在第一个棱镜中被折射成正常光束(o)和非常光束(eo)。然而，这两个光束继续在同样的方向上传播。由于第二棱镜的光轴垂直于第一棱镜的光轴，因此，在表面的边界上正常光束就变成为非常光束。其折射率也由n(o)变成为n(eo)。与此相反，非常光束就变成为正常光束。总之，因此，这两个分支光束都被折射到不同的方向上。在Matsui等人的美国专利US-A-4,732481中公开了一个使用Wollaston棱镜的偏振干涉计。

在使用一个所谓的光束位移棱镜(例如一个表面平行的、磨光了的方解石晶体)时，棱镜也按某个角度将入射光束分离，并且这两个分支光束在离开此晶体时是彼此平行的。

在上述的两种情况下，由于材料的几何形状和特性，将入射光束分离成为两个垂直偏振的偏振分支光束是固定的，并且不能继续加以改变。

用于生产和质量控制上的各种光学检查工具使用了这样的光束分离器。这种工具的一个例子是例如用于硬盘读/写头质量控制的所谓的MIPS(微型干涉测量相位传感器-Makosch的美国专利US-A-5,392,116)。在转动的硬盘上飞行的滑臂(slider)的特征是由它的流线形的底面，即所谓的ABS(空气轴承表面)决定的。利用各种表面处理技术来建立ABS的结构。

MIPS的测量原理是以相位移激光干涉量度学作为基础的。用Wollaston棱镜将激光二极管的光束分离成两个彼此垂直偏振的分支光束。使用了一个由各种光学元件组成的光学系统来将这两个激光束垂直聚焦在物体的表面上。用一个内部扫描器使这两个激光点横越该物体的表面而移动，以便能测量表面形状。上述的MIPS系统都是用来检测在不同的ABS垫片上的边缘(edges)。估计边缘的距离并且一定要将它与预设的参考值相比较。偏离参考值将会导致选择有缺陷的滑臂。这些检测保证了向外移动的(outgoing)读/写头的质量。

然而，在将MIPS系统用于其它问题时，例如，用于滑块的离子铣刀(ionmill edge)的切刻深度的干涉测量时，必须使测量光束和参考光束之间的距离相适配。在使用1°的Wollaston棱镜(即具有1°分离角的棱镜)时，由于所使用的光学系统，在物体表面上将会产生约为25μm的光束距离。然而，为了确定切刻深度，必须对所产生的测量信号进行再加工，这就是说，有差异的信号必须经过一个特别的评估程序，由此，MIPS系统的极好的可再生性至少会受到部分损失。

所述的特定评估算法的必要性和与之相关的误差是由在要探查的物体表面上的两个激光束之间的固定距离而引起的。参照滑块的离子铣刀的切刻深度的测量，这就表示在第一个光束离开刀口之前，第二个光束(参照光束)已射到此刀口上了。

使用导致光束距离约为50μm的2°的Wollaston棱镜，能够克服这个问题。然而，对于其它的测量问题而言，保持25μm的光束距离将是更为有利的。由于对系统调节的高要求，在不同的Wollaston棱镜之间的快速改变是不可能的，因此，这个解决办法或多或少是不可行的。必须提到的是，这个问题不仅与MIPS系统相关，也适合于使用这种棱镜的其它测量系统。

在工艺技术上，Soleil-Babinet补偿器(SBC)也是大家所熟知的。SBC是一个可变的零阶波板，它在类似于常规的纯零阶波板集的工作方式下工作。SBC使用如像石英、氟化镁、硫化镉或硒化镉之类的双折射材料，以便在两个透射的线性偏振部分(非常光束和正常光束)之间产生相对延迟。由此，材料的晶体光轴就与晶体的面平行表面形成了0°或90°的角。SBC可用于将一个所要求的椭圆度引入到偏振光束中，还可用于分析光的偏振状态、评估固定的延迟板(retardation plates)、测量在光窗和晶体中的双折射，等等。

内部的光学器件是由一对长的和短的光楔组成的，先将它们制成相同的角度，接着在SBC中将它们彼此平行地排列。然后加入一个平衡板，它的光轴垂直于光楔对的光轴。根据光束行进方向来平移与光束方向垂直的长光楔，取决于移动的方向，可以有效地增加或减少光楔对的净厚度，从而改变系统的延迟。要对面平行板的厚度加以选择，以使其与靠近长光楔的薄的一端的光楔对的净厚度相适配。将长光楔从纯零延迟的位置上进行任何平移，都会在正常光束和非常光束的光路长度中引入一个净失衡，并进而产生一个有限的(零阶)延迟。

然而，用SBC来对两个光束进行空间分离是不可能的，甚至是不想这样做的。将这个光楔的晶体光轴放在垂直于入射光束的方位上，以避免正常光束和非常光束的空间分离。这样，SBC就不是一个光束分离光学元件而是一个可变的相位推延板(phase retardation plate)。

因此，以前的工艺技术中并没有提供所产生的正常光束和非常光束的可变的横向分离。

发明内容

本发明的目的在于提供一种偏振光束分离器，它允许两个分支光束的可变的横向分离。

本发明的另一个目的在于提供一种偏振光束分离器，在此，光束分离对称地出现在系统光轴的周围。

本发明的另一个目的在于提供一种连续改变分支光束横向分离的方法。

本发明提供一个偏振光束分离器，它包括由双折射材料制成的两个楔形棱镜，所述的棱镜构成了一个面平行板，其中，入射光束被分离成两个分支光束，当它们从所述的光束分离器中出来时，平行于所述的入射光束，而且彼此间有一个横向间距，其中，通过改变分支光束在所述的光束分离器中必须穿过的光路长度可连续改变所述的横向间距。

本发明还提供连续改变由偏振光束分离器中出来的两个分支光束之间的距离的方法，其中，所述的偏振光束分离器包括由双折射材料制成的两个楔形棱镜，所述的光束在从偏振光束分离器中出来时，是与入射光束平行的，其中，含有改变所述的分支光束在所述的偏振光束分离器中必须通过的光路长度的步骤。

本发明还提供一种扫描一个物体的表面的方法，采用上述光束分离器进行扫描。

附图说明

下面将结合附图对本发明进行更加详细的描述，其中：

图1是一个示意图，该图根据本发明示出了一个光束分离器，并指示了晶体光楔的光轴。

图2是一个示意图，它表明了光楔彼此相对移动以产生材料厚度的变化。

图3是一个示意图，它表明了光楔之一平行于几何光轴而移动以产生可变的光束分离。

图4根据本发明示意性地示出了一种放置方式，以便在光束分离器的几何光轴的周围实现分支光束的对称分离。

图5示意性地示出了图4的放置方式的一个特定实施例。

图6是光束分离器的一个示意图，在此，两个折射光束相对于入射光束对称地分开了。

图7是光束分离器的一个示意图，在此，在旋转整个系统时，有对称的光束分离。

具体实施方式

本发明的主题内容是实现一个偏振光束分离器，在此，将分离的分支光束垂直偏振化，此偏振光束分离器具有下列的基本特征：

1)两个分支光束在离开光束分离器之后彼此平行地行进，并且与光束入射到光束分离器上的方向(整个系统的几何光轴)相平行。

2)两个出射的分支光束之间的距离是可以调节变换的，并且可以动态地改变。

根据本发明的系统包括两个由例如方解石、石英或类似材料制成的双折射棱镜或晶体光楔，它们彼此间可以直接接触或相距一个距离D。当两个棱镜彼此接触时，可以在两者之间施加“系数匹配液”。这样，就可以成少棱镜间的反射损耗。此外，这种液体可以按照所要求的方式改变光束的方向。

在原则上，可以使用各种双折射材料，尤其是光学上的单轴晶体，最好是方解石、刚玉、硝酸钠、电气石、绿柱石和类似的材料。

此外，这两个棱镜构成了一个面平行板，并且这两个棱镜的晶体光轴具有彼此相同的方向。

图1示出了由入射光束2衍生出来的两个分支光束4，6，它们在通过棱镜8和10传送的时候形成了一个角α，在离开棱镜10时平行前进，其间的横向距离用x表示。在图1中，光束4代表正常光束而光束6代表非常光束。图中也示出了器件的几何光轴16，在此情况下，所选用的光轴平行于入射光束2，并垂直于入射表面14。

由图1也可以看出，首先，将一个面平行的晶体(例如方解石)切成两个按照所要求的棱镜角γ的楔形棱镜8和10。图1中的切面用18表示。随后，将切面抛光。需要注意的是，，材料的晶体光轴12相对于晶体的面平行表面而言的夹角在角β的范围内，角β可以分别从0°变化到90°。在采用方解石时，范围在约为45°之内的角是特别有利的，这是由于在此情况下，将能实现两个光束的最大分离。光束分离取决于各种材料的正常的和非常的折射率。最大的分离角度是由方程(1)决定的。

$\mathrm{\Θ}\max =\arctan \frac{n_e}{n_o^{\′}}---\left(1\right)$

在此(在单轴材料中)，n_e和n₀是介电张量的两个不同分量。在双折射材料中，非常光束的角分离称之为“离散(walk-off)”，在使用双折射材料时必须对其加以考虑。对于Θ_max而言，离散角(walk-off angle)α是由下列的方程决定的：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{1}{2}\frac{({n_e}^2-{n_0}^2)\sin 2\mathrm{\Θ}}{{n_e}^2{\cos }^2\mathrm{\Θ}+{n_0}^2\sin 2\mathrm{\Θ}\′}---\left(2\right)$

或者，在使用n(Θ)时：

$\tan \mathrm{\α}=\frac{n^2\left(\mathrm{\Θ}\right)}{2}(\frac{1}{{n_0}^2}-\frac{1}{{n_e}^2})\sin 2\mathrm{\Θ}---\left(3\right)$

在用石英作为双折射材料时，Θ_max＝45.2°，使用此值计算得到的离散角α＝0.53°。在使用方解石时，离散角α约为6.2°。图1示出了在两个分支光束4和6之间的离散角α。

在使用方解石作为双折射晶体和图1所示的晶体光轴12的方位β时，入射在晶体上的光束被分离成为垂直偏振化的正常光束和非常光束。在非常光束投射到棱镜8的第一个晶体表面14上时，发生了一个角度α＝6.2°的偏斜(这是由于在使用633nm的波长时，偏斜角也取决于所用光的波长)；该光束在离开棱镜10时，由于朝着相反方向平行偏斜同样的值，于是又重新与入射光束相平行。

在照此方式偏斜的非常光束6和穿过棱镜时由于偏振而不偏斜的正常光束4之间的横向距离x取决于晶体长度L和偏斜角，偏斜角又进而取决于材料、晶体光轴12的方位β以及所用的波长。对于光束分离而言，可用下面的方程：

                  x＝L·tanα                   (4)

如图2所示，为了实现可变的光束分离，改变晶体的长度L。沿着图2中箭头所示的切面18彼此相对地平移棱镜8和10也能实现可变的光束分离。照此方式，能够改变光束在棱镜系统中必须穿行的距离L。由于双折射，正常光束被分离成为两个分支光束：正常光束4在0°角内穿过棱镜系统，而非常光束6在角α内穿过棱镜系统，如前所述，角α的大小取决于所用的材料、入射光束的波长以及晶体光轴12的方位β(图1)。

在光束离开棱镜系统时，可按下列方程来计算两个分支光束的横向间距：

               x+Δx＝(L+ΔL)·tanα               (5)

由于分支光束的平行性，在分支光束通过光束分离器之后，横向间距仍保持不变。

最小的横向间距x(Δx＝0)取决于晶体的尺寸。ΔL和Δx的可能的范围取决于棱镜角γ。必须对晶体的尺寸和棱镜角γ加以选择，以使可能的横向间距x+Δx的范围适合于给定问题的要求。

图3示出了本发明的第二个实施例。通过沿着系统的几何光轴16彼此相对地分开棱镜8和10(如图3中箭头所示)，在两个棱镜之间形成了面平行间隙D。这也导致两个分支光束之间有一个可变的横向间距x，而这两个分支光束在离开第二个棱镜10时是彼此平行的。与图2的实施例相比，也改变了正常光束4的位置，这是由于该光束在间隙D中也有偏移。

所述的、具有可变光束间距的可变光束分离器允许通过彼此相对地移动两个楔形棱镜来连续地改变非常光束的位置(图2)或者是非常光束与正常光束两者的位置(图3)，从而改变两个光束必须穿行的距离L。这样，这些系统就可以用来扫描离开棱镜系统的非常光束或两种光束(即正常光束和非常光束)。

在棱镜系统的几何光轴附近实现大体对称的光束分离也是有益的。如图4所示，这一点可借助于可绕轴转动的面平行板20来实现，该面平行板的厚度为P，并由折射率为n的材料制成。对于由面平行板引入的横向光束偏移d而言，下列的方程是有效的：

$d=P\·\sin \mathrm{\δ}[1-\sqrt{\frac{1-{\sin }^2\mathrm{\δ}}{n^2-{\sin }^2\mathrm{\δ}}}]---\left(6\right)$

对于面平行板的小旋转角δ而言，下列的方程是有效的：

$d=\frac{P\·\mathrm{\δ}\·(n-1)}{n}---\left(7\right)$

对于以光轴为基准的两个光束的对称方位而言，下列的方程是适用的：

                d＝x/2                      (8)

用图5所示推杆机构可以实现图4所示的解决办法中的光楔联动和面平行板20的绕轴转动的原理。利用移动设备，如千分丝杠22、压电促动器和类似的器件来移动第二个棱镜10。面平行板20是这样放置的，它可以围绕垂直于图5中的投射面的轴而旋转。利用推杆24或类似的机件，可以将千分丝杠22与安装在面平行板20上的螺杆26耦合起来。

对于一组特定的参数(双折射材料、有效长度L、面平行板的材料和厚度P)而言，通过选择耦合机构的各个齿轮速比，能够达到关于正常光束和非常光束的对称方位的要求(方程(8))。

图6示出了实现对称光束分离的另一个设备。在此特定的情况下，入射光束2不再垂直于入射表面14。选择入射光束2和表面法线28之间的夹角ε，以使正常光束4和非常光束6在棱镜材料中能够相对于入射光束的方向发生对称的折射。对于图1所示的、其晶体光轴12的方位为β的方解石光楔而言，此角ε大约为8°。

为了实现可变的光束分离，如图6所示那样，改变晶体的长度L。通过沿切面18按图6中箭头所示的方向彼此相对地平移棱镜8和10，也能够实现这一点。

角ε取决于所用的材料、入射光束的波长和晶体光轴的方位β(图1)。

为了保持光束2、4、6和系统的几何光轴16之间的平行性，通常宁可旋转光楔8和10，而不改变入射光束2的方向。图7示出了这样的配置。转动光楔所需的角度是ε′＝-ε(图6)。

本发明的光束分离器也可以用作为扫描设备。

与所谓的成像技术相比较，许多光学测量方法是以要探查的对象的扫描技术作为基础的。用光束(例如测量设备的激光束)进行的表面扫描可以通过以下的方式来完成：

(1)例如通过偏斜面平行玻璃板或旋转偏斜镜面来偏移光测量系统中的光束；

(2)利用例如压电机械(piezomechanical)设备或类似的设备移动在固定的测量系统下的探查对象。

此外，有几个测量系统使用了一个所谓的公共通道配置，在此，测量光束和参照光束两者都在系统中经过几乎相同的距离，并分别投射到物体表面上的一个横向偏移点上。然后，此测量系统确定这两个点之间的高度差。用两个分支光束来扫描物体的表面，就能够测量有表面形状的差异。

公共通道干涉仪的一大优点在于它们对来自外部的干扰(例如像折射率或环境温度的变化、振动等)具有稳定性。

然而，正如已经提到过的那样，这些系统的一个重大的缺点在于表面形状差异的扫描需要数据的再加工。

本发明的光束分离器利用以下事实提出了一个新的扫描概念，这就是将通过可变光束分离器而不发生任何偏移的光束(正常光束)用作为停留在物体表面上的参照光束。

通过移动光楔和增加正常光束和非常光束之问的距离，可以相时于参照光束来移动作为测量光束的非常光束，并在要探查的物体的表面上方移动此非常光束。

这个方法具有这样的优点，这就是参照光束是固定在一个不变的位置上，而只有测量光束在表面的上方移动。参照用MIPS来测量离子铣刀的切刻深度的例子，这就是说，只能用测量光束来完全扫描横向扩展的刀口。从而实现一个直接的、即无差异的表面外形。

在扫描技术中应用此可变光束分离器，一方面具有公共通道干涉度量法的优点(对环境空气的波动、所有种类的振动都具有稳定性)，另一方面，避免了各自的缺点(例如，表面外形的差异，数据的再加工等)。

Claims (27)

1.一个偏振光束分离器，它包括由双折射材料制成的两个楔形棱镜(8，10)，所述的棱镜构成了一个面平行板，其中，入射光束被分离成两个分支光束(4，6)，当它们从所述的光束分离器中出来时，平行于所述的入射光束，而且彼此间有一个横向间距，其特征在于，通过改变分支光束(4，6)在所述的光束分离器中必须穿过的光路长度可连续改变所述的横向间距。

2.根据权利要求1所述的偏振光束分离器，其中，所述的双折射材料是一种光学单轴材料。

3.根据权利要求1所述的偏振光束分离器，其中，所述的双折射材料是一种光学双轴材料。

4.根据权利要求2所述的偏振光束分离器，其中，所述的单轴光学材料是从由石英、方解石、刚玉、硝酸钠、电气石、绿柱石组成的一组材料中选出来的。

5.根据权利要求1所述的偏振光束分离器，其中，所述的两个楔形棱镜(8，10)是按照所要求的棱镜角通过分割面平行晶体而制成的。

6.根据权利要求5所述的偏振光束分离器，其中，所述的棱镜角大约是63°。

7.根据前述权利要求中的任何一项所述的偏振光束分离器，其中，所述棱镜(8，10)的晶体光轴(12)在两个楔形棱镜中有相同的方位，而且，相对于入射表面，所述的方位在0°到90°的范围内变化。

8.根据权利要求7所述的偏振光束分离器，其中，相对于入射表面，所述的方位大约为45°。

9.根据前述权利要求1到6中的任何一个所述的偏振光束分离器，其中，所述的光路长度可以通过彼此相对移动两个棱镜(8，10)而改变。

10.根据权利要求9所述的偏振光束分离器，其中，两个棱镜(8，10)可以沿着公共切面(18)彼此相对移动。

11.根据权利要求9所述的偏振光束分离器，其中，两个棱镜(8，10)可以按照在两个光楔间形成面平行间隙的方式彼此相对地移动。

12.根据权利要求11所述的偏振光束分离器，其中，两个棱镜(8，10)可以沿几何光轴(16)彼此相对地移动。

13.根据前述权利要求1到6中的任何一项所述的偏振光束分离器，其中，所述的横向距离是与入射光束(2)对称的。

14.连续改变由偏振光束分离器中出来的两个分支光束(4，6)之间的距离的方法，其中，所述的偏振光束分离器包括由双折射材料制成的两个楔形棱镜(8，10)，所述的光束在从偏振光束分离器中出来时，是与入射光束(2)平行的，其特征在于，含有改变所述的分支光束在所述的偏振光束分离器中必须通过的光路长度的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，通过彼此相对地移动两个棱镜来改变所述的光路长度。

16.根据权利要求15所述的方法，其中，沿着公共切面彼此相对地移动两个棱镜。

17.根据权利要求15所述的方法，其中，按照在两个光楔之间形成面平行间隙的方式彼此相对地移动两个棱镜(8，10)。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，沿着几何光轴彼此相对地移动两个棱镜。

19.根据权利要求14所述的方法，此方法还包括调整所述的横向距离，以使分支光束与入射光束(2)对称的步骤。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，通过使用放置在所述的光束分离器后面的面平行板来实现所述的调整。

21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述的面平行板是可以绕轴转动的。

22.根据权利要求20或21所述的方法，其中，所述的面平行板包括一个螺杆。

23.根据权利要求22所述的方法，其中，在所述的光束分离器中的所述的棱镜之一包括一个与所述的螺杆耦合的移动设备。

24.根据权利要求23所述的方法，其中，所述的移动设备是一个千分丝杠。

25.根据权利要求23所述的方法，其中，所述的移动设备是一个压电元件。

26.根据权利要求23所述的方法，其中，通过使用推杆机构来实现所述的耦合。

27.一种扫描一个物体的表面的方法，其特征在于使用权利要求1-13的任何一项所述的光束分离器进行扫描。

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