CN1760633A - 位置检测装置和方法 - Google Patents

Abstract

一种位置检测装置，包括：入射单元，其用来从光源的光束形成平行光束，并以由光束分离器从平行光束获得的分离光束分别被以某一角度入射到基准面和测量目标表面的方式将平行光束提供给光束分离器；用来反射分离光束的反射单元，所述分离光束已经被基准面和测量目标表面反射并通过光束分离器结合到光路上，以作为沿着光路的平行光束提供给光束分离器，并通过干涉从所述反射单元提供、由光束分离器分离、由基准面和测量目标表面反射并被所述光束分离器再次结合到光路上的返回光束来产生相应于分离光束的相位差的信号。

Description

位置检测装置和方法

技术领域

本发明涉及一种通过使用干涉测量无需接触而检测物体位置变化的位置检测装置和方法。

背景技术

在需要毫微米测量的领域中普遍利用采用激光的迈克尔逊干涉仪。该类型的干涉仪需要从测量目标物体接收反射的光。为此，通常需要使用镜子。在使用镜子的方法中，由于必须以极高的精确度调整光学校准，所以通常使用立体角反射器来测量目标以便干涉测量不会被光学校准的偏差所中断。然而，由于立体角反射器是棱镜，所以它不能附着到极小的位置上。换句话说，如果测量目标对象极小，那么就不能执行采用干涉仪的位置测量。

考虑到该情况，本发明的申请人建议将光线聚焦在充当在图8所示的测量目标的镜子上以便防止由镜子校准偏差所引起的干涉状态的干扰(日本专利申请公开(KOKAI)No.2001-076325)。

参考图8，由光源LD输出的发散光束被转换成适度聚焦的光束BEAM，通过非偏振光光束分离器NBS发射，并被偏振光光束分离器PBS分离成P偏振成分和S偏振成分。更具体来说，当P偏振成分被透射通过PBS并被参考反射镜M2反射时，S偏振成分被PBS反射，并被测量目标表面M1反射。接着，这些反射的光束在偏振光光束分离器PBS组合并由非偏振光光束分离器NBS反射。由非偏振光光束分离器NBS反射的光束通过四分之一波片QWP并被转换成线性偏振光，其偏振方向根据基于在所分离的两个光束的路程长度差的变化的相位差的变化而进行旋转。该线性偏振光被分割设备GBS分割成四条光束。每条光束透射通过四个偏振设备PP1、PP2、PP3和PP4，这些偏振设备以每一个偏振方向移位45°的方式进行配置。在此方式中，四条光束被转换成四个信号波束，其干涉周期具有相互90°的相位差，并且通过各个感光设备PD1、PD2、PD3和PD4进行接收，然后输出四个周期性的信号。

在该传统例子中，由于光线被聚焦在测量目标上，既使产生校准偏差(角度偏差)，反射光的波面也不变化。注意，反射光的中心(光轴)偏离。由于波面不变化，所以在反射光和参考光之间的干涉状态是稳定的。

由于该方法不使用立体角反射器，所以它可以用作新的紧凑位移传感器，其通过使用半导体激光器作为光学感测头来测量在测量目标表面上的微小面外位移。

然而，由于该方法将光线聚焦在测量目标的表面，所以空间分辨率变得极高。因此，当测量目标表面的面外位移被测量时，如果在测量目标物体上发生水平偏差等，那么也可以检测测量目标物体的表面形状成分，并且测量可能变得不稳定。因此，根据本申请，在表面上水平偏差方向中具有低空间分辨率以实现稳定的面外位移测量是比较好的。因为这个原因，需要展宽在测量目标(镜子)上的光照射区域。

另外，在上述方法中，通过将光线聚焦在测量目标上来执行测量。然而，如果存在较大面外位移，那么就不满足光线聚焦条件，从而消弱了稳定干涉状态来处理校准偏差的功能。为此，通常将可测量区域限制到几十微米。因此，需要一种能够容易校准(扩大角度偏差的容限)并以毫米级扩大面外位移的可测量区域的方法。

发明内容

考虑到上述传统例子建议了本发明，并且本发明的目的在于提供一种采用新系统的位置检测装置和方法，其扩大在测量目标表面上的光照射区域，扩大面外位移测量区域，并且不会受到校准偏差的影响。

根据本发明，通过提供一种位置检测装置来实现前述的目的，所述装置包括：

被配置用来分离平行入射光束并分别将分离的光束提供给参考面和测量目标表面的光束分离器；

从光源的光束形成平行光束并将平行光束提供给光束分离器以便由该光束分离器分离的分离光束分别被以某一角度入射到基准面和测量目标表面的入射单元；

用来反射所分离的光束的反射单元，所述分离光束已经被基准面和测量目标表面反射并通过光束分离器结合到光路上，并被提供给光束分离器作为沿着光路的平行光束；和

用来通过干涉从所述反射单元提供、由光束分离器分离、由基准面和测量目标表面反射并被光束分离器再次结合到光路上的返回光束来产生相应于所分离光束的相位差的信号的产生装置。

根据下面结合附图的描述，本发明的其它特征和优点将变得明显，其中在所有附图中相同的参考字符指代相同或类似的部分。

附图说明

包含在说明书中并构成其一部分的附图显示了本发明的实施例，并与说明书一起用来解释本发明的原理。

图1A和1B是根据第一实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图；

图2A和2B是在图1A和1B所示的光学系统中在测量目标表面稍微倾斜的情况下光路的示例视图；

图3A和3B是在图1A和1B所示的光学系统中测量目标表面具有毫米级的平行面外位移情况下的光路的示例视图；

图4A和4B是根据第二实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图；

图5A和5B是根据第三实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图；

图6A和6B是根据第四实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图；

图7A和7B是根据第五实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图；和

图8是传统干涉测量方法的光学系统的示例视图，其中光线被聚焦在测量目标表面上。

具体实施方式

现在将根据附图详细描述本发明的优选实施例。

<第一实施例>

图1A和1B是根据第一实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图。在图1A和1B中，来自半导体激光器101的线性偏振光发散光被透镜111聚焦在透镜112的焦平面上的位置P1。从位置P1发散的线性偏振光被入射到透镜112上，并输出作为具有稍微成角度的光轴的平行光束。注意，在该实施例中，“具有稍微成角度的光轴”意味着平行光束的光轴方向以这样一种方式设置，即，光束分离器的透射光和反射光相对于测量目标对象121的表面和参考镜子122的表面的法向方向以轻微的角度入射(例如，大约1°到10°)。从透镜112射出的平行光束通过偏振光光束分离器113的偏振部分被分离成两个光束，即，反射光束(S偏振光)和透射光束(P偏振光)(下文全面称为分离光束)。在反射光束(S偏振光)照射参考镜子122的同时，透射光束(P偏振光)照射测量目标对象(镜子)121。各个镜子的反射光束通过偏振光光束分离器113，并被聚焦在透镜112的焦平面的位置P2上。注意，位置P2相对于位置P1稍微偏移。

在位置P2的邻近处，提供反射涂层114。聚焦在位置P2的光束被反射涂层114返回到原光路。由反射涂层114反射的光束从透镜112射出作为具有稍微成角度的光轴的平行光束(具有实际上平行于入射到透镜112上的平行光束的光轴方向的平行光束)。此后，平行光束被偏振光光束分离器113分离成两个光束，使反射光束(S偏振光)照射到参考镜子122和使透射光束(P偏振光)照射到测量目标物体121。然后，各个反射的光束通过偏振光光束分离器113再次被入射到透镜112作为具有相同光路的光束。入射到透镜112的光束被聚焦在焦平面的位置P1，并抽取到光源侧。以此方式，S偏振光束在参考镜子122的表面和光束分离器113之间往复两次，并且P偏振光束在测量目标物体121的表面和光束分离器113之间往复两次。

光束被非偏振光光束分离器102抽取到感光设备侧。所抽取的光束透射通过四分之一波片103，由此被转换成线性偏振光，该光的偏振方向根据相位差的变化而旋转，然后通过聚光透镜104和光圈构件105，到达光束分割设备106，在此光束被分割成三条光束。由于入射到感光设备108上的光束扩展，所以提供聚光透镜104以便该光束被适当地会聚并由感光设备108有效地接收。光圈构件105限制在将干涉光束分割成三条光束时光束的区域，以便确保三条均匀的光束。如果没有光圈构件105，那么当原光束扩展时，所分割的三条光束重叠。以前述方式分割的三条光束的每一个通过偏振设备阵列107被入射到三分感光设备108的各个光感受器，在所述阵列中，每个偏振轴偏移60°。因此，检测到三个干涉信号U、V和W，它们的相位被偏转120°，其基于测量目标物体121的面外位置。

由于通过采用利用两个往复光路的进行干涉测量的原理来获得三个干涉信号U、V和W，因此，它们是具有光源波长1/4周期的正弦波信号。例如，假设采用具有0.8μm波长的激光二极管，那么就获得具有0.2μm周期的正弦波信号。通过计算波数，并进一步，通过使用已知的电子分相器电分割该信号，可以使用毫微米级的分辨率检测相对位置偏差。

可选地，可以如此构造，不是产生具有120°相位差的三种类型的干涉信号，而是可以产生具有90°相位差的四种或两种类型的信号。

图2A和2B是在图1A和1B所示的光学系统中测量目标表面稍微倾斜的情况下光路的示例视图。由于测量目标物体121的倾斜，从测量目标物体121反射的光束(P偏振光)以不同于理想光路的角度射出。因此，入射到透镜112的平行光束进入到焦平面的位置P3，该位置相对于位置P2稍微偏移。入射到位置P3的P偏振光的光束通过在位置P2和P3邻近处提供的反射涂层114返回到原光路。换句话说，通过在由透镜112和反射涂层114组成的猫眼光学系统中往复光束的效果，光束被以与正常光路相同的方向进行反射，并从透镜112输出作为平行光束。在这些光束中，P偏振光的光束被透射通过偏振光光束分离器113，并由测量目标物体121反射。从而，光束再次被透射通过偏振光光束分离器113，并被聚焦在透镜112的焦平面上的位置P1，然后作为发散光输出到光源侧。

同时，来自参考镜子122的反射光束(S偏振光)遵循理想光路，并最终聚焦在透镜112的焦平面上的位置P1，然后作为发散光输出到光源侧。以此方式，通过测量目标物体121的表面的光束(P偏振光)和通过参考镜子122的光束(S偏振光)最终从透镜122的焦平面射出。如上所述，由于符合射出位置，两个光束的球面波的波面变得均匀，从而产生稳定干涉状态。该效应也将应用到下面的第二到第五实施例。

虽然测量目标物体121的表面存在两个不同的倾斜方向，但是唯一的不同在于在透镜112的焦平面上聚焦光反射位置(位置P3)的偏移方向。因此，基本上可以实现相同的效果。如上所述，由于可以实现不容易受到测量目标表面倾斜的影响的干涉光学系统，所以无需在测量目标上安装立体角反射器就可以执行位置检测，从而实现了光学系统的较小尺寸设计和容易操作。

图3A和3B是在图1A和1B的光学系统中测量目标表面具有毫米级的平行面外偏移情况下的光路的示例视图。由于来自测量目标物体121的反射光(P偏振光)的光轴中心平行地偏离理想光路，所以反射光束到达透镜112的焦平面的位置P2。位置P2是基于透镜的焦点距离和入射到透镜的平行光束的入射角确定的。在图3A和3B情况下，这些值不变。到达位置P2的P偏振光束被在位置P2的邻近处提供的反射涂层114反射，并且从透镜112输出的平行光束结束遵循具有相同方向但从原光路平行偏离的光路。P偏振光的平行光束透射通过偏振光光束分离器113，并由测量目标物体121的表面反射。在该阶段，平行光束(P偏振光)通过在由透镜112和反射涂层114构成的猫眼光学系统中往复光束的效果，被以与正常光路相同的方向反射。因此，由测量目标对象121反射的平行光束被透射通过偏振光光束分离器111，入射到透镜112上，并聚焦在位置P1，然后作为发散光输出到光源侧。注意，分离的光束，通过光束分离器113获得的S偏振光遵循图1A和1B所述的理想光路，并聚焦在位置P1，然后作为发散光输出到光源侧。如上所述，由于与射出位置一致，所以两个光束的球面波的波面变得一致，从而产生稳定的干涉状态。

注意，由于光束的光轴平行偏离，所以因为透镜112的光学有效直径，可能产生衰落。另外，当反射光与参考光干涉时，波平面的重叠区域由于光轴不匹配而变小。为此，面外位移变得越大，通过接收与感光设备阵列干涉的光束而获得的信号幅度减小越多。但是，例如，假设测量目标表面的光照射角θ为5°，并且面外位移为1mm，那么按如下来获得光轴偏差X：

X＝4mm×tanθ＝0.34mm

如果光束直径Φ是毫米级的，确保干涉光束的大约50％重叠。从而，既使产生大约1mm的面外位移，也可以执行测量(注意，上面的值是粗略标准)。

如上所述，第一实施例使用相干光源，相对于测量目标表面的法向稍微以一个角度辐射具有毫米级的光束直径的平行光束到测量目标表面。反射的光束通过猫眼光学系统接收，然后将来自猫眼的光学系统的反射光束再次照射回到测量目标表面，并获得在发射光和参考光之间的干涉。因此，本实施例具有这样的好处，即，面外位移的测量区域可以按毫米级扩大，并且其不容易受到光学校准的偏差的影响。

<第二实施例>

在第一实施例中，采用在透镜的焦平面上的透镜112和镜子114来构造猫眼光学系统。在第二实施例中，在其末端表面具有反射涂层的所谓的1/4间距渐变折射率杆透镜构成所述猫眼光学系统，从而实现与第一实施例相似的效果。

图4A和4B是根据第二实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图。来自半导体激光器101的线性偏振光发散光透射通过透镜211和楔形棱镜212(棱镜212是用来改变主光束的方向的设备)，并入射到所谓的1/4间距渐变折射率杆透镜213的末端表面的位置P21作为具有稍微成角度的光轴的聚焦光束。在采用渐变折射率杆透镜213作为猫眼设备的情况下，需要偏转光束在猫眼设备上的入射角度，并且需要从中心偏移光束的焦点位置，如图4A和4B所示的那样。由于这种配置，反射位置可以从入射位置偏移，并且来自渐变折射率杆透镜213的射出光线可以从入射到渐变折射率杆透镜213的光中被空间地分离。入射到渐变折射率杆透镜213的光束被输出作为来自透镜213的其它表面的平行光束，并被偏振光光束分离器214的偏振部分分离成两个光束。在由偏振光光束分离器214获得的反射光束(S偏振光)照射到参考镜子222上的同时，透射光束(P偏振光)照射测量目标物体221的表面(镜子)。各个反射的光束通过偏振光光束分离器214，并聚焦在渐变折射率杆透镜213的焦平面的位置P22上。

通过在位置P22邻近处提供的反射涂层215，聚焦光束被返回到原光路，然后作为平行光束从渐变折射率杆透镜213射出，并被偏振光光束分离器214再次分离成两个光束。然后，反射光束(S偏振光)照射参考镜子222，透射光束(P偏振光)照射测量目标物体221。各个反射光束再次通过偏振光光束分离器213入射到渐变折射率杆透镜213。从而，可以从渐变折射率杆透镜213末端表面的位置P21抽取发散光束。以此方式，S偏振光在参考镜子222的表面和偏振光光束分离器214之间往复两次，并且P偏振光束在测量目标物体221的表面和偏振光光束分离器214之间往复两次。

从由位置P21发散的光束中获得干涉信号的结构类似于第一实施例。更具体来说，从位置P21发散的光束被非偏振光光束分离器102抽取到感光设备侧。所抽取的光束透射通过四分之一波片103，从而被转换成线性偏振光，其偏振方向根据相位差的变化而旋转。该光束被光束分割设备106分割成三条光束。三条光束的每一个被通过偏振设备阵列107入射到三分感光设备108的各个光感受器上，在所述阵列中，每个偏振轴被偏移60°。因此，检测到三种干涉信号，它们的相位被偏移120°，其基于测量目标物体221的面外位移。

如上所述，由于采用渐变折射率杆透镜作为猫眼光学设备，所以第二实施例获得了实现小型和稳定光学系统的效果。

<第三实施例>

图5A和5B是根据第三实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图。

如图5A和5B所示，来自半导体激光器101的线性偏振光发散光透射通过准直透镜102，并且产生并输出具有稍微成角度的光轴的平行光束。该平行光束被偏振光光束分离器312的偏振部分分离成两个光束。在反射光束(S偏振光)照射参考镜子322的同时，透射光束(P偏振光)照射测量目标物体321的表面(镜子)。各个反射的光束通过偏振光光束分离器312入射到所谓的1/4间距渐变折射率杆透镜313。在渐变折射率杆透镜313中，入射光束被聚焦在末端表面上的位置P32，并通过在位置P32的邻近处提供的反射涂层314返回到原光路。以此方式，所述平行光束从渐变折射率杆透镜313射出，并被偏振光光束分离器312再次分离两个光束。然后，反射光束(S偏振光)照射参考镜子322，透射光束(P偏振光)照射测量目标物体321的表面。各个反射光束通过偏振光光束分离器312被抽取到光束分离器312。从而，所分离的S偏振光束在参考镜子322的表面和光束分离器312之间往复两次，并且所分离的P偏振光束在测量目标物体321的表面和光束分离器312之间往复两次。

从以上述方式在光源侧抽取的光束中，通过类似于第一实施例的结构获得干涉信号。更具体来说，所述光束是由非偏振光光束分离器102在感光设备侧抽取的。所抽取的光束透射通过四分之一波片103，从而被转换成线性偏振光，其偏振方向根据相位差的变化进行旋转。该光束被波束分割设备GBS 106分割成三条光束。三条光束的每一个通过偏振设备阵列107被入射到三分感光设备108的各个光感受器，在所述阵列中，每个偏振轴被偏移60°。以此方式，检测到三种干涉信号，它们的相位被偏移120°，其基于测量目标物体321的面外位移。

注意，在第三实施例中采用的渐变折射率杆透镜313和反射涂层314相当于猫眼的功能。它们可以由图1的棱镜和安装在透镜的焦平面上的反射涂层来替换。

<第四实施例>

图6A和6B是根据第四实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图。

在第四实施例中，来自半导体激光器101的线性偏振光发散光通过透镜411以光纤的偏振轴匹配光束的偏振面的方式被入射到保偏光纤402。光纤的另一末端面安排在透镜412的焦平面上的位置P41处用来输出发散光。该发散光被透镜412转换成平行光束，并输出作为具有稍微成角度的光轴的平行光束。该平行光束被偏振光光束分离器413分离成具有各自偏振成分的两条光束。在该两条光束中，反射光束(S偏振光)照射到参考镜子422，透射光束(P偏振光)照射到测量目标物体421的表面(镜子)。

各个反射的光束通过偏振光光束分离器413，聚焦在透镜412的焦平面上的位置P42，并通过在位置P42的邻近处提供的反射涂层414返回到原光路。以此方式，平行光束再次从透镜412射出。该平行光束被偏振光光束分离器413分离为两条光束。反射光束(S偏振光)照射参考镜子422，透射光束(P偏振光)照射测量目标物体421的表面(镜子)。各个反射的光束被通过偏振光光束分离器413入射到透镜412，并投向透镜412的焦平面上的位置P41。从而，S偏振光在参考镜子422的表面和光束分离器413之间往复两次，并且P偏振光束在测量目标物体421的表面和光束分离器413之间往复两次。

由非偏振光光束分离器102在感光设备侧抽取的光束被设置在存在保偏光纤402的末端面的位置P41之前。此后，通过类似于第一实施例的结构产生干涉信号。更具体来说，所抽取的光束透射通过四分之一波片103，从而被转换成线性偏振光，其偏振方向根据相位差的变化而旋转。线性偏振光的光束被光束分割设备106分割成三条光束。三条光束的每一个通过偏振设备阵列107被入射到三分感光设备108的各个光感受器上，在所述阵列中，每个偏振轴被偏转60°。结果，检测到三种干涉信号，它们的相位被偏转120°，其基于测量目标物体表面(测量目标物体421的表面)的面外位移。由于使用光纤将光源与检测头单元隔离开来，所以可以很容易地小型化检测头以进行位置检测，并且由于避免了光源热产生的影响，所以有效地稳定了干涉状态。

<第五实施例>

图7A和7B是根据第五实施例的激光干涉仪的光学系统的示例视图。通过改进第一或第四实施例，以这样一种方式构造第五实施例，即，来自光源侧的前向光路空间上与去向感光设备侧的返回光路隔离开。

来自半导体激光器101的线性偏振光发散光通过透镜411以光纤的偏振轴匹配光束的偏振面的方式被入射到保偏光纤402。光纤402的另一末端面稍微成一角度被安排在透镜412的焦平面上，以输出发散光束。该发散光束通过透镜412被转换成平行光束，并输出作为具有稍微成角度的光轴的平行光束。该平行光束被偏振光光束分离器413分离成具有各自偏振成分的两条光束。反射光束(S偏振光)照射参考镜子422的表面，并且透射光束(P偏振光)照射测量目标物体421的表面。各个反射光束通过偏振光光束分离器413入射到透镜412，被聚焦在透镜412的焦平面上的位置P52。聚焦在位置P52的光束通过在位置P52邻近处提供的反射涂层414返回到下一个区域的光路，并作为平行光束从透镜412再次射出。

所射出的平行光束被偏振光光束分离器413再次分离成两个光束。反射光束(S偏振光)照射参考镜子422的表面，透射光束(P偏振光)照射测量目标物体421的表面(镜子)。各个反射光束通过偏振光光束分离器413被入射到透镜412，聚焦在透镜412的焦平面上的位置P51，并输出到光纤侧。以此方式，S偏振光束在参考镜子422的表面和光束分离器413之间往复两次，并且P偏振光束在测量目标物体421的表面和光束分离器413之间往复两次。

在第五实施例中，在返回路径中的光束由部分反射光束分离器511空间地抽取，该分离器安置在于前向路径中存在保偏光纤的末端面的位置P51之前。所抽取的光束透射通过四分之一波片103，从而被转换成偏振方向根据相位差的变化而旋转的线性偏振光。该线性偏振光被光束分割设备106分割成三条光束。三条光束的每一条通过偏振设备阵列107被入射到三分感光设备108的各个光感受器，在所述阵列中，每个偏振轴被偏转60°。因而，检测到三个干涉信号，它们的相位被偏转120°，其基于测量目标物体421的表面的面外位移。注意，部分反射光束分离器511可以由微棱镜来代替。

面外位移的可测量区域只有在迈克尔逊干涉仪照射平行光束的情况下通过光源的相干性来确定。为了小型化设计，需要表面发射激光二极管作为光源(半导体激光器101)。但是，表面发射激光二极管可能会产生返回光的横模变化，这会产生偏振平面移动的现象。为此，需要一种防止光返回到表面发射激光二极管的措施。在第五实施例中，由于投向光源侧的光束可以由部分反射光束分离器511切断，所以在前述方面是有利的。注意，在实现第一到第四实施例的情况中，优选地提供隔离器等来消除返回光。

注意，在上述每个实施例中，第一到第四实施例采用非偏振光光束分离器102以及第五实施例采用部分反射光束分离器511作为抽取干涉光束到感光设备侧的设备，该干涉光束在参考镜子和偏振光光束分离器之间以及在测量目标镜子和偏振光光束分离器之间往复两次。然而，可以采用部分参考光束分离器511来代替非偏振光光束分离器102，或者可以使用非偏振光光束分离器102来代替部分反射光束分离器511。可选地，可以使用微棱镜来代替这些设备。

根据上述实施例，可以获得下面的效果。

(1)由于使用了毫米级的平行光照射，所以不容易受到测量目标表面上的表面形状或微小划痕的影响。

(2)通过结合具有极好相干性的光源而使用毫米级平行光照射，可以实现毫米级的测量区域。

(3)由于实现了采用猫眼设备的两次往复路径(两次往复干涉测量光学系统)，所以可以实现高分辨率(可以输出具有光源波长的1/4周期的正弦波信号)。

(4)由于采用猫眼设备的两次往复干涉测量光学系统，所以既使在测量目标表面存在校准偏差也可以实现稳定的测量。

(5)尤其根据第五实施例，由于前向光路空间上与返回光路隔离开，所以可以消除返回到光源的光；从而，无需使用隔离器等就可以进行更稳定的测量。

(6)由于避免了使用安装在测量目标部分的立体角反射器和用于参考光束的内部立体角反射器(第一到第五实施例)，并且还通过通常使用猫眼透镜和准直透镜(第三实施例)，所以可以实现小型设计的光学系统。

(7)由于减少了暴露在空气中的部分，所以可以实现稳定的测量(暴露在空气中的部分是从偏振光光束分离器到测量目标表面的光路，在此光束在空中通过。当在该部分的空气振动时，在干涉信号中会产生波动。因此，暴露部分越短，测量就越稳定)。

根据本发明，可以提供一种采用新系统的位置检测装置和方法，其扩大在测量目标表面上的光照射区域，扩大面外位移测量区域，并且不会受到校准偏差的影响。

本发明不局限于上述实施例，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种变化和修改。

Claims (9)

1、一种位置检测装置，包括：

光束分离器，其被配置用来分离平行入射光束并分别将分离的光束提供给参考面和测量目标表面；

入射单元，其从光源的光束形成平行光束并将平行光束提供给所述光束分离器，以便由所述光束分离器分离的分离光束分别被以某一角度入射到参考面和测量目标表面；

反射单元，其用来反射分离的光束，所述分离的光束已经被基准面和测量目标表面反射并通过所述光束分离器结合到光路，作为沿着光路的平行光束被提供给所述光束分离器；和

产生装置，其用来通过干涉从所述反射单元提供、由所述光束分离器分离、由基准面和测量目标表面反射并被所述光束分离器再次结合到光路上的返回光束来产生相应于分离光束的相位差的信号。

2、根据权利要求1的装置，其中，所述入射单元包括：

聚焦装置，其用来将来自所述光源的光束聚焦在第一位置；和

第一透镜，其被安置成具有作为焦点的第一位置，其用来将在第一位置发散的光束转换成平行光束，和

所述反射单元通过所述第一透镜将具有结合的光路的分离光束聚焦在作为所述第一透镜的焦点的第二位置，该第二位置不同于第一位置，并且所述反射单元包括用来在第二位置将分离光束反射朝向所述第一透镜的反射构件。

3、根据权利要求1的装置，其中，所述入射单元包括：

用来将来自光源的光束聚焦在第一位置的装置；和

用来接收入射到第一位置的光束并产生平行光束的渐变折射率透镜，和

所述反射单元通过所述渐变折射率透镜将具有结合的光路的分离光束聚焦在不同于第一位置的第二位置，并且所述反射单元包括用来在第二位置反射分离光束的反射构件。

4、根据权利要求1的装置，其中，所述入射单元包括将来自光源的光束转换成平行光束的准直透镜，和

所述反射单元包括：

用来将具有结合的光路的分离光束聚焦在焦平面上的渐变折射率透镜；和

在所述焦平面上提供的反射构件。

5、根据权利要求2的装置，其中，所述聚焦装置包括用来把来自光源的光束聚焦在第一位置上的第二透镜。

6、根据权利要求2的装置，其中，所述聚焦装置包括用来传播来自光源的光并具有在第一位置的输出末端的光纤。

7、根据权利要求3的装置，其中，所述第一位置是在所述渐变折射率透镜的末端面提供的透射部分，所述第二位置是在所述渐变折射率透镜的该末端面上提供的反射部分。

8、根据权利要求6的装置，其中，所述光纤相对于所述第一透镜以返回光束的光路在空间上与投向所述第一透镜的光路隔离开的方式、按预定的角度进行安置，和

所述产生装置从安置在返回光束的光路上的反射构件抽取光束并引起该光束的干涉。

9、一种采用光束分离器的位置检测方法，所述光束分离器被配置用来分离入射平行光束并将分离的光束分别提供给参考面和测量目标表面，所述方法包括步骤：

从光源的光束形成平行光束，并以由光束分离器从平行光束获得的分离光束分别以某一角度入射到基准面和测量目标表面的方式，将该平行光束提供给光束分离器；

反射已经由基准面和测量目标表面反射并由光束分离器结合到光路的分离光束，以作为沿着光路的平行光束提供给光束分离器；和

通过干涉已从所述反射单元提供、由光束分离器分离、由基准面和测量目标表面反射并被所述光束分离器再次结合到光路上的光束来产生相应于分离光束的相位差的信号。

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