CN1766519A - 单块正交探测器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种从包括由干涉仪提供的正交偏振物光束和参考光束部分的输入光束中产生四种信号的小型单块正交探测器。使用两个棱镜之间的第一分束界面，在棱镜的两个空气界面表面反射，及使用第二分束元件，单个输入光束可以分成四个输出光束。通过在分束表面上涂有对相对反射光束的透射光束的部分产生不同相移的涂层，相应不同的预定相移可以施加在相应的输出光束上。四个相对相移输出光束通过偏振器射向相应的探测器以提供用来消除许多常用模式误差的四个信号且非常精确地确定原始输入光束的部分之间的相位差。

Description

单块正交探测器

技术领域

本发明涉及用于干涉距离测量和表面成形设备的探测器。

背景技术

激光干涉仪广泛用于测量到试样表面的距离和测定表面轮廓。通过将相干辐射光源分成两束光-物光束和参考光束使激光干涉仪工作，使用例如分束器。参考光束射向位于距离分束器为一固定距离的参考反射镜。物光束射向位于距离分束器为另一距离的试样表面。物光束从试样表面反射并在分束器处与参考光束从新结合。可使物光束和参考光束相长干涉和相消干涉，取决于物光束与参考光束相比的相对相位。探测器测量干涉光的强度，干涉光的强度与物光束和参考光束之间的相位差有关，而相位差本身与从分束器到试样表面的物光路长度和从分束器到参考反射镜的参考光路长度之间的差异有关。

发明内容

激光干涉仪的分辨率和精度受限于相位差探测器(在此简称为探测器)产生与物光束和参考光束之间的相位差异确实有关的信号的能力。在各种干涉仪的设计中，物光束和参考光束正交偏振，然后使用偏振器结合在一起以提供具有表示光束间相移的强度的干涉光束。根据这种干涉物光束和参考光束的强度，测量相位差时，为了去除普通模式误差，和确定及补偿一定的其它误差等等，通过提供来自相应的干涉光束(光束在偏振器结合之前已经加入了已知的，有意导入的相位差)的多个相应的信号和处理多个相应的干涉光束，可以去除一定的相位模糊和各种潜在的相位差测量误差。可采用分立的探测器以产生使用独立操作每个光束的分立光学器件的不同光路引起的不同干涉光束的多个这样的信号。但是，尽管能够消除一些误差时，但此类方法仍然易于有系统误差，诸如由于每个探测器增益系数的变化和不稳定性，在到达探测器之前每个光束强度的变化和不稳定性，由分立的光学器件透射的每一个不同光束的光路长度的变化和不稳定性引起的误差。

描述了小型的单块偏振型正交探测器，它可以对干涉仪中正交偏振的物光束和参考光束之间的相位差产生更精确的测量。小型探测器从一对正交偏振的输入物光束和输入参考光束中产生多个相应的干涉信号。在一种设计结构中多个相应的干涉信号包括四个彼此相对相移已知量已知的四个输出信号。在各种设计结构中，通过在每个相应输出处使用偏振器混合相应相移的物光束和参考光束对可以提供相应的干涉信号，以在每个相应输出处提供具有表示物光束和参考干涉之间相位差的强度的干涉信号。

小型正交探测器具有彼此相邻且与分束元件相邻的第一对棱镜。第一对棱镜在第一分束器表面或两个棱镜间的界面将含有正交偏振物光束和参考干涉部分的输入光束分成两个光束。这两个光束可在第一对棱镜相应的空气-棱镜界面内全反射，然后射向分束元件。第一对棱镜的相应空气-棱镜界面相对第一分束器界面可以对称分布。分束元件在第二二分束表面或界面将两个光束分成四个输出光束。

因此，四个光束中的每一个，是由单个公共的或共享的光束产生，且在某一点从公共或共享光束中分开以取得穿过探测器的剩余部分的独立光路。在一种设计结构中，第一光束在第一分束器界面透射和在第二分束器界面透射，在入射到第一探测器之前穿过第一偏振器。第二光束在第一分束器界面反射和在第二分束器界面透射，在入射到第二探测器之前穿过第一偏振器。第三光束在第一分束器界面反射和在第二分束器界面反射，在入射到第三探测器之前穿过第二偏振器。第四光束在第一分束器界面透射和在第二分束器界面反射，在入射到第四探测器之前穿过第二偏振器。

在一种设计结构中，四个相应输出光束中的至少一个穿过相应的延迟板，例如，1/4波片或1/2波片，等等，延迟板在相应输出光束的正交偏振部分之间产生受控的预定量的相对相移。当然，将可以理解，由特定设计中的实践部分提供的受控的预定量的相对相移，实际上将被定义成相对控制的或预定的标称相对相移在合理的制造和/或校正容许误差内的某些相对相移。一些相应的输出光束可穿过增加标称光路长度的相应光路元件以匹配被单个或多个延迟元件增加的标称光路长度。

通常，第一和第二分束器界面的每一个可在光束的两个正交偏振部分上产生不同的相移，这两个部分在下面定义，S和P部分，取决于光束是反射或是透射。因此，第一，第二，第三和第四光束中的每一个以正交部分间的不同相对相移到达相应的偏振器和探测器，其中每个相对相移包括在第一和/或第二界面处起作用的部分。在一种设计结构中，可以制造第一和/或第二分束器界面以在光束的两个正交偏振部分之间产生不同的相移，S和P部分，取决于光束是反射或是透射。因此，在这样的设计结构中，第一和/或第二分束器界面可提供一个或更多前面所述的延迟板，以及提供分束功能。

不管在每个相应输出光束中的正交偏振部分之间产生受控的和预定量相对相移的方法，相应的偏振器混合了正交偏振部分以致每个探测器产生对与之相关联的正交偏振输出光束部分间的相位差起反应的干涉信号。

通过对由第一、第二、第三和第四探测器输出的信号值的适当操作，它可以包括，例如，下述的合适的减法和除法运算，各种潜在误差影响可以消除或在很大程度上得到补偿。因此，输入物光束和参考光束间的相位差可以通过使用提供极高水平稳定性和小尺寸的探测器以非常高水平的精度和分辨率确定。包括可以被消除各种潜在误差影响，但是不限于各种探测器中的DC偏移，激光强度波动，以及上面概述的其它误差源。所以，根据本发明的小型正交探测器可用于提供小型及高精度的干涉距离测量设备和表面成形设备等等。

本发明的这些特征和优点将在下面的详细说明中描述并变得更加清楚。

附图说明

参照下面的附图以下将对细节逐一描述，其中：

图1示出了激光干涉仪装置；

图2示出了示例性的小型单块正交探测器；

图3示出了另一种小型单块正交探测器；

图4示出了另一种小型单块正交探测器；

图5示出了另一种小型单块正交探测器的正视图；

图6示出了图5所示的示例性小型单块正交探测器的侧视图；

图7示出了使用小型单块正交探测器的示例性系统；

图8示出了使用小型单块正交探测器的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出了使用小型正交探测器的示例性的激光干涉仪装置1。激光源10用来产生相干光，它被输入到光纤11。光纤11传送光到准直透镜14，准直透镜准直从光纤11输出的光，如果需要保证足够的距离和位移测量精度，光纤11传送光到任意的波长测量设备12，测量设备12测量光的波长。从准直透镜14出来的光入射在偏振分束器上20，偏振分束器透射了“P”偏振的光的部分(电场矢量在纸的平面上)和反射了“S”偏振的光的部分(电场矢量垂直于纸平面)。透射过偏振分束器的的光的偏振部分成为参考光束40。参考光束40入射在1/4波片22上，产生圆偏振。然后参考光束40入射在参考反射镜24上，参考反射镜将光反射回偏振分束器20。由于在反射时有180°相移并第二次穿过1/4波片22，参考光束40的偏振方向现在相对入射的参考光束旋转了90°。此光束现在是S偏振(电场矢量垂直于纸平面)以致返回的参考光束被偏振分束器20反射形成了探测器输入光束60的一个正交偏振部分。

由偏振分束器20反射的入射光束的S偏振部分成为物光束50。物光束50入射至另一个1/4波片23上，产生圆偏振。物光束50然后通过聚焦设备27聚焦在试样26上，聚焦设备包括发散透镜27a和聚焦透镜27b。物光束50从试样26的表面反射然后通过1/4波片和偏振分束器20射回。由于反射时有相移并第二次穿过1/4波片22，返回的物光束50的偏振方向现在相对输入的物光束旋转了90°，形成了探测器输入光束60的另一个正交偏振部分。通过用偏振器分析重新结合的光束和测量探测器输入光束60的干涉部分的强度，探测器设备100提供了适用于确定物光束50和参考光束40之间的相位差的信号。物光束50和参考光束40之间的相位差表现了物光束和参考光束之间的光路长度差，基于光的波长及物光束50和参考光束40之间相位差的相关变化可以测出到试样26表面的距离的变化。

应当理解虽然图1中示出的结构主要用于在表面的单一点检测试样表面的位移，这种结构可包括一种在试样26的表面上扫描物光束50焦点的布局以提供表面轮廓。此外，用适当的聚焦设备27和包含适当的1D或2D光电探测器阵列线性正交探测器设备100，类似图1的所示的结构能够将物光束投射在试样表面的线性带上，并使用线性正交探测器设备100在沿着线性带的不同点探测到表面距离的差异。而且物光束可在试样表面26上被扫描以提供表面的2D轮廓。或者，如果用准直设备代替聚焦设备27并且“2D”正交探测器设备100包含合适的2D光电探测器阵列，类似图1的所示的结构能够将物光束投射在试样26表面的2-D斑点上，并使用2D正交探测器设备100在沿着斑点的各个点探测到表面距离的差异，以提供表面的2D轮廓。从本公开获益的本领域一位技术人员将理解，在此公开的各种小型单块正交探测器可以上述的任何一种变化方式使用，只要用于不同设备中的光电探测器包含合适的光电探测器配置和/或光电探测器元件阵列。

如图1所示的正交探测器设备100可以是如图2-6中以更详细的细节示出的任何一种设计，或者是这里讲述的其它方式。如图2所示的小型单块正交探测器100’产生四种信号：同相信号A；同相正交信号C；异相信号B；和异相正交信号D，每种信号被相应的探测器测量，例如。每种信号与物光束50相对于参考光束40的相位Φ有关，依据：

A＝V_AsinΦ+DC_A                               (1)

B＝V_Bsin(Φ+180)+DC_B                         (2)

C＝V_Csin(Φ+90)+DC_C                          (3)

D＝V_Dsin(Φ+270)+DC_D                         (4)

式中，V_A，V_B，V_C，V_D是A，B，C，D的信号幅度，D，DC_A，DC_B，DC_C和DC_D是A，B，C，和D的DC偏移。假设探测器预先被校准，DC_A＝DC_B，DC_C＝DC_D。此外，因为激光强度在测量期间近似为常量，或者是V_A＝V_B＝V_C＝V_D否则就是能够对信号作V_A，V_B，V_C，V_D的系统差异的校正。例如，分束器表面透射系数和反射系数的变化性会引起V_A，V_B，V_C，V_D变化，这种变化可以被测量和校正。最后，因为sin(Φ+90)＝cosΦ，sin(Φ+180)＝-sinΦ，根据以下公式，这些信号能够组合求出相位差Φ，以形成干涉仪1两臂之间的相位差量值：

$\mathrm{\Φ}={\tan }^{-1}\left[\frac{A-B}{C-D}\right]---\left(5\right)$

正交探测器设备100’的特征是每个信号A，B，C，和D基本上从探测器输入光束取出。这意味着输入光束的光束强度分布的任何变化将同样地影响A、B、C、D中每一个的测量，这消除了在缺乏该特征时将会发生的偏移误差。根据方程式5，通过取差分信号A-B和C-D，可以减少甚至消除大部分通用模式DC偏移误差DC_A，DC_B，DC_C和DC_D。此外，取比率(A-B)/(C-D)也可减少或消除由于信号幅度V_A，V_B，V_C，V_D的变化带来的诸如由激光强度变化所产生的影响。最后，如下面进一步所阐述的，正交误差(相位误差)也可以得到补偿或校正。

另一方面，对上面的方程式5示出的反正切函数，取A-B＝arg1和C-D＝arg2，可以使用四象限反正切函数atan2(arg1，arg2)，这通常能在市场上可获得的数学软件中找到。Atan2函数的优点是求出基于两个自变量信号的合成角的象限，以使得回到在-π和+π之间的数值而不是-π/2和+π/2之间的数值。这消除了解决方程式(5)中固有的潜在的模糊而进行的特殊运算的需求。

正交探测器设备100’可以提供产生四个被测量信号的独特分束装置。如图2所示，在正交探测器设备100’的顶部是两个30-90-60棱镜104a和104b，它们构成了第一分束器104。两个30-90-60棱镜可以设置在分束元件上，如图2所示的结构中分束元件是50/50非偏振分束立方体110，它包括两个45-90-45棱镜110a和110b。如图2所示，两个30-90-60棱镜104a和104b在两个棱镜的界面将输入光束102分成两束106和108。

30-90-60棱镜104a和104b可布置成一个棱镜的30度角与另一棱镜的相应30度角位置相邻，一个棱镜的90度角与另一棱镜的相应90度角位置相邻。当光以30度入射角入射于棱镜104a和104b之间的界面上时，界面以50/50的比率将光束分开，一个子光束被反射，另一个子光束透过界面107。因此，垂直射入入射表面103的输入光束102以30度入射角入射于界面，然后以50/50的比率将光束分成光束106和108。

从两个30-90-60棱镜104a和104b之间的界面107反射的光束106然后以超过界面临界角的角度入射在空气-棱镜界面，例如，对折射系数为1.5的棱镜，其界面临界角可以为41.8°数量级。所以，光束106通过被全部内反射而反射并射向分束立方体110。类似地，从两个30-90-60棱镜104a和104b的界面107透射的波束108也以超过界面临界角的角度入射在空气-棱镜界面。因此，光束108也被全部内反射和射向分束立方体110。

光束106和光束108在玻璃-空气界面的全内反射在每一光束106和108束光的P和S部分产生了相移，由下式给出：

${\mathrm{\Δ}}^{\left(\mathrm{TIR}\right)}={\mathrm{\δ}}_P-{\mathrm{\δ}}_S=-2\arctan \left[\frac{\cos \mathrm{\θ}\sqrt{{\sin }^2\mathrm{\θ}{\left[\frac{n_A}{n_G}\right]}^2}}{{\sin }^2\mathrm{\θ}}\right]---\left(6\right)$

式中，δ_P和δ_S分别是光束102的P和S部分的相移，θ是入射角，n_A是空气的折射系数，n_G是棱镜玻璃的折射系数。虽然光束102的S和P部分彼此相对有移相，但只要入射角和折射角系数不变，相移为常量，以致相移仅作为相位偏移基值进入方程式(1)-(4)，所以对由方程式(5)给出的相位差Φ计算提供了固定偏移量，作为物光路和参考光路长度之间的初始的或固有的光路长度差值它也将起到同样的效果，并且，当确定试样26表面的位移和轮廓，或在诸如那些在此描述的干涉仪的许多其它典型应用，它在本质上是不重要的。

如图2所示，在分束立方体110的界面112分束立方体110于是将光束106和108分成四个输出光束。两个输出光束114和116可在分束立方体110的表面112反射，两个输出光束118和120可由表面112透射。然后探测器130和132探测出光束114和118，探测器134和136探测出光束118和120。探测器130和132可以是两个独立的探测器，或探测器130和132可以是同一探测器的两个半个，例如，电荷耦合器件(CCD)探测器阵列的一半。类似的，探测器134和136可以是两个独立的探测器，或探测器134和136可以是同一探测器的两个半个。

使用图2所示的棱镜装置，第一分束器104中的分束界面107和第二分束立方体110中的分束界面112可以涂有，例如多层薄膜，以产生反射光束相对透射光束的S和P偏振部分之间的不同相移。例如，分束表面107可以涂上涂层以在透射光束108上产生0度相移，在反射光束106上产生180度相移。因此，

${\mathrm{\Δ}}_{T1}\≡{\mathrm{\δ}}_P^{\left(T1\right)}-{\mathrm{\δ}}_S^{\left(T1\right)}=0---\left(7\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{R1}\≡{\mathrm{\δ}}_P^{\left(R1\right)}-{\mathrm{\δ}}_S^{\left(R1\right)}=180---\left(8\right)$

式中δ_S ^(T1)，δ_S ^(R1)分别是在分束表面107透射的和反射的S偏振部分的相移；其中δ_P ^(T1)，δ_P ^(R1)分别是在分束表面107透射的和反射的P偏振部分的相移；Δ_T1和Δ_R1分别是在分束表面107被透射波和被反射波的S和P偏振部分的相移之间的差值。然后分束界面112可以涂上涂层以在反射光束114和116上产生90度相移，在透射光束118和120上产生0度相移。

${\mathrm{\Δ}}_{T2}\≡{\mathrm{\δ}}_P^{\left(T2\right)}-{\mathrm{\δ}}_S^{\left(T2\right)}=0---\left(9\right)$

${\mathrm{\Δ}}_{R2}\≡{\mathrm{\δ}}_P^{\left(R2\right)}-{\mathrm{\δ}}_S^{\left(R2\right)}=90---\left(10\right)$

式中，Δ_T2和Δ_R2分别是在分束表面112的被透射波和被反射波的P和S偏振部分的相移之间的差值。

在这个实施中，光束118根据方程式(1)产生信号A，因为光束118通过在分束界面107被透射累积了0度相移且通过在分束界面112被透射也累积了0度相移。光束120根据方程式(2)将产生信号B，因为光束120通过在分束界面107被反射累积了180度相移且通过在分束界面112被透射累积了0度相移。光束114根据方程式(3)将产生信号C，因为光束114通过在分束界面107被透射累积了0度相移且通过在分束界面112被反射累积了90度相移。光束116根据方程式(4)将产生信号D，因为光束116通过在分束界面107被反射累积了180度相移且通过在分束界面112被反射累积了90度相移。

一对偏振器122可限定偏振方向，在此方向上，光束114，116，118，120发生混合和干涉。最好是，偏振器122的透射光轴取向成S和P的偏振方向一致，后者通过察看即将来临的光束的方向来定义。理想地，偏振器122的透射光轴取向成与S和P光轴方向为45度或-45度。

偏振器122可直接设置于探测器130，132，134，和136的上游。因此，探测器134输出信号A，探测器136将输出信号B，探测器130将输出信号C，探测器132将输出信号D。信号A，B，C，D根据方程式(5)可组合在一起以产生S和P偏振之间的相差，它表现出干涉仪1的臂40和50之间的光路长度的差异(所使用的光的波长的模)。基于此光的波长及臂40和50之间的相位差(如需要经过多个相位周期累积的相位差)的相关变化可测量到试样26表面的距离的变化。

从上述讨论和图2验证，可清楚的知道可以有许多其它实施方式根据方程式(1)-(4)产生四个信号A、B、C、和D。这些可选的实施方式中的一部分列于下表。

30°分束器		45°分束器		输出通道相移Δ(1)
								ΔT1	ΔR1	ΔT2	ΔR2	ΔT1+ΔT2	ΔT1+ΔR2	ΔR1+ΔT2	ΔR1+ΔR2
0	180	0	90	0	90	180	270
								90	0	90	0	270	180
		180	0	0	90	180	270							0	90
90	0							270	180	90	0
				0	90	0	180					0	180	90	270
180	0	180	0					270	90
						90	0			0	180	90	270	0	180
180	0	270	90	180	0

                               表1

表1中标示Δ_T1+Δ_T2的列与光束118相应，光束118在第一界面107透射(Δ_T1)及在第二界面112透射(Δ_T2)。表1中标示Δ_T1+Δ_R2的列与光束114相应，光束114在第一界面107透射(Δ_T1)及在第二界面112反射(Δ_R2)。表1中标示Δ_R1+Δ_T2的列与光束120相应，光束120在第一界面107反射(Δ_R1)及在第二界面112透射(Δ_T2)。表1中标示Δ_R1+Δ_R2的列与光束116相应，光束116在第一界面107反射(Δ_R1)及在第二界面112反射(Δ_R2)。列于每个输出通道列中的数值是使用由表1前四列中相移所描述的涂层给予光束的不同相对相移，所有数值以度为单位。

表1的第一行对应于上述的第一种实施方式，而第一分束器107对透射光束产生0度相移，对反射光束产生180度相移，及分束器界面112对透射光束产生0度相移，对反射光束产生90度相移。其余行是替换实施方式。可以从图2的验证中看出，替换的实施方式将会改变产生A，B，C，和D信号的光束。例如，表1中的第二行，第二分束器界面112对透射光束产生90度相移而不是对反射光束。在这种情况下，光束114将产生A信号，光束116将产生B信号，光束118将产生C信号，光束120将产生D信号。

产生相移的涂层是众所周知，通常包含诸如MgF1，Al2O3，TiO2，SiO2和SiN之类的材料。此类涂层可以由为客户提供光学涂层设计和制造服务的不同公司提供，如美国科罗拉达州的Rocky Mountain Instrument Company of Lafayette。此外可以使用用于光学涂层设计的市场上可获得的软件包，诸如从美国亚利桑那州Tuscon市的薄膜中心有限公司可获得的“The Essential Macleod”软件和从美国俄勒冈州波特兰的Software Spectra，Inc.，可获得的“TFCalc”软件。涂层典型地为多层，每层有不同的折射系数，厚度可选择为产生期望相移。一般的，可以规定这些涂层在透射和反射中具有相等的幅度输出大约+/-3％的幅度。反射和折射中S和P偏振之间的相移可被规定为大约+/-10度，甚至+/-5度。因此，对两个涂层，在S和P偏振之间的输出相位的误差可被期望在10-20％的范围中。在700nm工作波长时，这对应于大约为70-140nm测量距离或位移误差。

但是，即使在分束界面107和112处产生的相移不能被控制以达到具有理想可靠性的期望标称值，使用一种或多种技术，单块正交探测器能够被校正以忽略偏离期望标称值的各种相移的偏差。例如，可将单块正交探测器100’安于物光路长度40和参考光路长度50已知的干涉仪1上，根据已知方法可以求出和/或校正单块正交探测器产生的实际相移。或者，单块正交探测器100’可以安装于具有至少能提供两种已知或独立测出的波长的光源的干涉仪上。通过分析在不同已知或独立测出的波长处获得的单块正交探测器100’的输出，借助已知方法能够求出和/或校正单块正交探测器100’产生的实际相移。

每一探测器130、132、134和136可以是电荷耦合器件(CCD)，或是其它多像素阵列探测器。或者，每一探测器130、132、134和136可以是输出与在整个探测器表面集成光强成比例的单一信号的简单的单片光电二极管。

图3示出了另一个示例性的小型单块正交探测器200。单块正交探测器200除了包含有时被称作延迟板的相位调节板，与图2所示的示例性单块正交探测器100’相似。类似于探测器100’，单块正交探测器200也具有两个非偏振分束器204和210，它们在两个分束界面207和212处将输入光束分成四个输出光束214、216、218和220。

光束214和218可以横穿两块相位调节板，例如，1/4波片240和280。在横穿1/4波片240和280之后，光束214和218入射在偏振器222和探测器230和234上。除分束表面207和212产生相移之外，1/4波片240和280将产生S和P偏振之间的附加相移。1/4波片240和280可用来调节和移位S和P偏振之间的相对相位一个期望值。如示那样，可以加上示出的玻璃定距片250和260，以为其它光束216和220补偿光路长度。应当理解可以预想其它实施方式，例如，使用更少或更多的具有不同相位调节量的相位调节板来达到相似目的。相位调节板的添加可以在上述关于示例性探测器100’的校正过程之后，例如，为了调节分束表面217和212产生的相移之间的测量偏移。在一个示例性的设计中，除了分束面207和212产生的标称相移外，波片240和280在S和P偏振之间产生除了1/4波外可选择的标称相移，使得在单块正交探测器200的相应的探测器处提供名义上的期望净相对相移。在另一个示例性实施例设计中，分束面207和212给予的标称相移被设计成不重要的，1/4波片240和280在S和P偏振之间产生的相应相移，使得1/4波片240和280完全提供相应的探测器处探出的各种相应干涉束之间的期望净相对相移。在另一个示例性设计中，波片240和280为校正或补偿从可获得的各种波片中选择出的波片240和280，以在S和P偏振之间提供除了1/4波外的特定相移，使得当特定相移添加到由“如同建立”分束面207和212产生的相移上，可在单块正交探测器200的相应的探测器处提供期望的容许范围内的期望净相对相移。

图4示出了另一个示例性单块正交探测器300。在单块正交探测器300中，一个45-90-45分束立方体被分成两个子立方体310和320。每个子立方体310和320由一对棱镜310a，310b，320a和320b构成。因此，两个分束面312和322如图4布置。分束面312和322通过相应的偏振器330’、332’、334’和336’将相应的光束射入相应的探测器330、332、334和336。也应当理解的是探测器332和336可以是能够提供独立输出信号的同一探测器或探测器阵列的两部分。

因为分束立方体被分成两个子立方体310和320，单块正交探测器具有更加小巧以及更易于装配的优点。从单块正交探测器300只要求一次粘结两个表面的事实可以得出它易于装配的优点，例如，从棱镜310a的上表面到棱镜304a的下表面，接着是表面320a粘结到到表面304b。相反，单块正交探测器100’和200要求棱镜104a和104b二者都粘结到分束立方体110的粘结。这存在一些装配困难，因为棱镜104a和104b已经被它们彼此之间的接合所限制。通常，与粘结两个彼此可以相对自由移动的表面相比，精密地粘结两个已经被限制在一个特定方向的两个表面在一起是相对困难的过。因此，虽然单块正交探测器300与单块正交探测器100’或200相比有更多数量的部件，但是它在小型化和易于装配方面仍具有优势。

因为子立方体310和320的体积仅有分束立方体110的体积的四分之一，单块正交探测器300比单块正交探测器100’要小的多。子立方体的典型尺寸是10mm×10mm，这为舒适地处理4mm的输入光束提供了足够的间隔距离。30-90-60度棱镜304a和304b的三角形横截面的长边(斜边)为20mm及短边为10mm，以使得短边分别适合子立方体310和320的匹配面。

单块正交探测器300的特征是具有两个分开的、涂有不同的涂层的分束界面312和322，再从每一个界面透射和反射的光束上产生明晰的相移。这个特征根据覆盖分束界面307、312、和322的光学涂层的设计可提供更大的灵活性。对三个分束界面来说，可以选择任何分束涂层的组合，只要以任何顺序到达探测器330、332、334、336的四个光束的S和P部分之间的总的累积相对相移大约为0、90、180和270度。

图5示出了另一种示例性的单块正交探测器400。单块正交探测器400与单块正交探测器300类似，在其中，45-90-45分束立方体被分成两个子立方体410和420。在一种设计中，如图6所示，子立方体410由一对棱镜410a和410b构成且子立方体420由类似地排列的一对棱镜420a和420b构成。在单块正交探测器400中，子立方体410和420与图4示出的单块正交探测器300中的对应部件相比可以分别顺时针和逆时针旋转90度。因此，图5中的分束表面412和422不明显。子立方体410和420和分束表面412及422的旋转意味着图5中示出的探测器430和434位于平行于纸面的平面。

图6是单块正交探测器400的侧视图。分束表面412和422连同相应的探测器430和434在侧视图中是明显的。通过定位图5和图6所示的分束表面的方向，具有能够提供分开输出信号的两个部分的单个照相机可以作为探测器430和434使用。特别是，探测器430和434可以是单个电荷耦合器件阵列的两个相邻部分。所以，图5和图6示出的单块正交探测器400与图4示出的单块正交探测器300一样小巧。但是，单块正交探测器400只能使用两个探测器，而正交探测器300至少使用3个。此外，子立方体410和420的分束表面可以排列在同一个平面上。因此，在另一设计中，可以把等同于沿共同界面合并410a和420a的一块构件和等同于沿共同界面合并410b和420b的一块构件组装起来，以提供等效于沿共同界面合并两个子立方体410和420的较长的单个分束器，从而减少了必须组装在检测器400中的分立部件的数量。

图7示出了可用于计算使用单块正交探测器1200时物光束和参考光束之间的相位差的示例性系统1000。系统1000包括控制器1300，存储器1400，减法器1500，除法器1600，反正切器1700和输出器1800。上述的1300-1700可以耦合在总线1900上，或集成在专用集成电路(ASIC)上，例如，器件1500-1700可以以软件形式存储在存储器1400中并在控制器1300上执行来实施，或它们也可以以硬件电路的形式，例如，放在专用集成电路中(ASIC)实施。执行器件1300-1800的功能的任何软件或硬件实施可用于实现这些系统和方法。

控制器1300被耦合以接收来自单块正交探测器1200时的输出信号，例如，通过总线或电缆1350连接。单块正交探测器1200时可以是单块正交探测器100’-400中的任何一种。控制器1300收集上述的与图2有关的信号A、B、C和D，并在存储器1400中存储数值。减法器1500然后从存储器检索信号A和B并计算信号A和B之间的第一差值。然后减法器1500将第一差值存入存储器1400。减法器1500然后从存储器取出信号C和D并计算信号C和D之间的第二差值。然后减法器1500将第二差值存入存储器1400。然后除法器1600检索由减法器1500存入存储器1400的第一差值和第二差值并计算第一差值和第二差值的比率，在将这个比率存入存储器。反正切器1700然后从存储器1700中取出这个第一和第二差值的比率和符号，并计算与比率和符号的反正切相应的相角，并将这个相角输出到输出器1800。例如，输出器1800可以是显示器，另外的控制器，或另外的存储器。应当理解的是系统1000中可以包括附加的校正或补偿确定和/或应用器件，以确定和补偿或校正上述操作未解决的与信号A、B、C和D有关联的各种误差，例如，正交误差(即对不同的光干涉信号产生的期望相对相移的误差)，和/或各种幅度误差，误差可以由提供各种运算的装置来解决，这些运算等同于基于从干涉仪，光编码器等等中类似正交信号中得到的利萨如图案校正方法而进行的校正和/或补偿的众所周知的方法。

图8的流程图示出了一种使用一种单块正交探测器结构获得干涉仪中物光束和参考光束之间的相移的方法。该方法始于步骤S100进入到步骤S200，步骤200中具有正交偏振物部分和参考部分的输入光束输入到单块正交探测器上。在步骤S300中，输入光束分成两束，光束的两个部分的正交偏振部分之间的相位差产生相对相移。例如，输入光束在包含产生相对相移的涂层的第一分束界面被分成两束。在步骤S400中，两个光束分别分成分别具有四种不同相对相移0、90、180、270的四个光束A、B、C和D。光束在也包含对光束正交偏振部分之间的相位差产生附加相移的涂层的第二分束界面被分开。在步骤S500中，光束A、B、C和D通过偏振器射到探测器上。在步骤600，测量光束A、B、C和D的强度。在步骤S700中，求出第一差值A-B和第二差值C-D。在步骤S800中，获得了A-B对于C-D的比率。在步骤900中，分析比率A-B/C-D的反正切及A-B和C-D的差值的符号以确定正交偏振物光束和参考光束之间的相位差。在步骤1000，输出该相位差值。处理在步骤S1100结束。

虽然结合上面概述的示例性实施方式已描述了各种细节，但显而易见的是各种替换、修改和变化是可能的。例如，为实现特定用途，单块正交探测器可以包括其它的光学元件，如附加的1/4波片或1/2波片，透镜和滤光器。此外，包含在单块正交探测器中的延迟板不需要邻近偏振器元件放置，但可以放在沿着偏振器上游光路的任何位置，只要其处于位置使它的延迟效应在到达偏振器的光束的部分之间产生期望相对相移即可。此外，为提供光束部分之间期望的相移，如果需要在沿着光路的不同位置，可使用多个延迟板来代替单个延迟板。此外，可以连同辅助的信号处理一起使用不同于0°、90°、180°和270°的相移值。例如，在此公开的原理可用于适应不同的设计结构以提供具有0、120和240度相对相移的输出，用以提供3相探测器。因此，上面提出的示例性实施方式旨在为例示性而不是限制。

Claims (33)

1.一种提供表示输入光束的正交偏振部分之间的相位差的信号的单块正交探测器，包括：

限定将输入光束分成两束光束的第一界面的第一对棱镜；

限定将两束光束分成四束光束的第二界面的分束元件；

设置在第一探测器上游的第一偏振器；

和设置在第二探测器上游的第二偏振器，其中第一和第二探测器输出两个能够被分析的信号以确定输入光束部分之间的相位差。

2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：还包括：在第一界面上的第一相移涂层，其中第一相移涂层根据来自第一界面的透射比和反射比在光束部分之间产生相对相移。

3.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：还包括：在第二界面上的第二相移涂层，第二相移涂层根据来自第二界面的透射比和反射比在光束部分之间产生相对相移。

4.如权利要求3所述的探测器，其特征在于：四个光束中的第一光束在第一界面反射，在第二界面反射且入射在第一探测器上，四个光束中的第二光束在第一界面反射，在第二界面透射且入射在第二探测器上，四个光束中的第三光束在第一界面透射，在第二界面反射且入射在第三探测器上，四个光束中的第四光束在第一界面透射，在第二界面透射且入射在第四探测器上。

5.如权利要求4所述的探测器，其特征在于：第一相移涂层对透射光束产生第一相移和对反射光束产生第二相移，第二相移涂层对透射光束产生第三相移和对反射光束产生第四相移。

6.如权利要求5所述的探测器，其特征在于：第一相移和第二相移中的一个，和第三相移和第四相移中的一个大约为0度，第一，第二，第三和第四相移中的其它两个分别为大约90度和大约180度。

7.如权利要求5所述的探测器，其特征在于：还包括除掉第一或第二涂层中的至少一个产生四个光束中至少一个的光束部分之间的相对相移之外，至少一个增加相移的相位调节板。

8.如权利要求7所述的探测器，其特征在于：限定第二界面的分束元件包含限定第二界面的第二对棱镜，且第一对棱镜与第二对棱镜相邻。

9.如权利要求8所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜紧靠在第二对棱镜。

10.如权利要求8所述的探测器，其特征在于：第二对棱镜中的每一个包括45-90-45棱镜，第二界面包括50/50分束器。

10.如权利要求10所述的探测器，其特征在于：第二对棱镜排列成棱镜沿它们的斜边紧靠。

12.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜中的每一个包括30-90-60棱镜，第一界面包括50/50分束器。

13.如权利要求12所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜被排列成一个棱镜的30度角与另一个棱镜相应的30度角相邻，以及一个棱镜的90度角与另一个棱镜相应的90度角相邻。

14.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：第一和第二探测器包括电荷耦合器件(CCD)阵列，电荷耦合器件(CCD)阵列的部分，光电二极管，和分束光电二极管中至少一种。

15.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜紧靠分束元件，第一偏振器和第二偏振器紧靠分束元件，第一探测器和第二探测器分别紧靠第一和第二偏振器。

16.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：第一对邻棱镜中的每一个具有最多为10mm长的短边。

17.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：探测器的组装部分包括至少一对棱镜和分束元件，安装在具有相应尺寸分别最多为28mm、10mm和20mm的体积中。

18.如权利要求1所述的探测器，其特征在于：还包括：至少一个相位调节板，位于第一和第二偏振器中相应一个的上游和第一界面下游，其中：

包含两个光束和4个光束的组中的至少一个光束穿过至少一个相应的相位调节板；

至少一个相应的相位调节板在至少一个光束的正交偏振部分之间增加了相对相移基值，使得四个光束中的第一个光束，除在第一界面和第二界面处的正交偏振光束部分之间产生任何相对相移之外，包括相对相移基值；

由第一界面，第二界面和至少一个相应的相位调节板在四个光束中的第一个光束的正交偏振部分之间产生相对相移相加，以提供预定的相对相移值。

19.一种单块正交探测器，包括：

限定将输入光束分成第一光束和第二光束的的第一界面的第一对棱镜；

分别限定第二界面和第三界面的第二分束元件和第三分束元件，第二界面将第一光束分成第三光束和第四光束，第三界面将第二光束分成第五光束和第六光束；

以及设置在第一探测器的下游的第一偏振器接收第三，第四，第五，第六光束中的一个，设置在第二探测器的上游的第二偏振器接收第三，第四，第五，第六光束中的另一个，其中第一和第二探测器输出能够被分析的两个信号，以确定输入光束正交部分之间的相位差。

20.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：还包括：在第一界面上的第一相移涂层，其中第一相移涂层根据来自第一界面的透射比和反射比在光束部分之间产生预期相对相移。

21.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：还包括：在第二界面上的第二相移涂层，其中第二相移涂层根据来自第二界面的透射比和反射比在光束部分之间产生预期相对相移。

22.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：还包括：在第三界面上的第三相移涂层，其中第三相移涂层根据来自第三界面的透射比和反射比在光束部分之间产生预期相对相移。

23.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜和第二及第三分束元件相邻。

24.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜中的每一个包括30-90-60度棱镜，第一界面包括50/50分束器。

25.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：第一对棱镜排列成一个棱镜的30度角与另一个棱镜相应的30度角相邻，且一个棱镜的90度角与另一个棱镜相应的90度角相邻。

26.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：第二分束器元件包括一对45-90-45度棱镜，第二界面包括50/50分束器。

27.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：第三分束器元件包括一对45-90-45棱镜，第三界面包括50/50分束器。

28.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：第二对和第三对棱镜排列成相应棱镜沿它们的斜边紧靠。

29.如权利要求19所述的探测器，其特征在于：还包括位于第一和第二偏振器中相应一个的上游和第一界面下游的至少一个相位调节板，其中：

包含第一、第二、第三、第四、第五和第六光束的组中的至少一个光束穿过至少一个相应的相位调节板；

至少一个相应的相位调节板，在所述光束中至少一个光束的正交偏振部分之间增加了相对相移基值，使得第三、第四、第五和第六光束中的第一个，除在第一界面和第二界面及第三界面中的一个处的正交偏振部分之间产生任何相对相移之外，包括相对相移基值；

第一界面，第二界面和第三界面中的一个和至少一个相应的相位调节板在第三，第四，第五和第六光束中的第一个的正交偏振部分之间产生相对相移相加，以提供预定的相对相移量。

30.一种测量光束的正交偏振部分之间的相移的方法，包括：

输入光束到单块正交偏振器；

将光束分成四个子光束；

在四个相应的子光束的偏振部分之间产生0、90、180和270度相应相对相移；

将第一子光束透过第一偏振器射到第一探测器上；

将第二子光束透过第一偏振器射到第二探测器上；

将第三子光束透过第二偏振器射到第三探测器上；

将第四子光束透过第二偏振器射到第四探测器上；

基于来自于第一、第二、第三和第四探测器的信号，确定输入光束的正交偏振部分之间的相位差。

31.如权利要求30所述的方法，其特征在于：还包括：

获得相对于第三探测器由第一探测器输出的信号电平的第一差值；

和获得相对于第四探测器有第二探测器输出的信号电平的第二差值。

32.如权利要求30所述的方法，其特征在于：

还包括：用第二差值除第一差值以获得商数；

和获得该商反正切。

33.一种用于确定光束的正交偏振部分之间的相位差的装置，包括：

输入光束到单块正交探测器的装置，所述单块探测器包括：

将光束分成四个子光束的装置；

在四个相应子光束的偏振部分之间产生0、90、180和270度的相应相对相移；

将第一子光束穿过第一偏振器和射向第一探测器的装置；

将第二子光束穿过第一偏振器和射向第二探测器的装置；

将第三子光束穿过第二偏振器和射向第三探测器的装置；

将第四子光束穿过第二偏振器和射向第四探测器的装置；

基于来自第一，第二，第三和第四探测器的信号，确定光束的正交偏振部分之间的相位差的装置。

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