CN1957225B

CN1957225B - 消除或分离由偏振光泄漏导致的误差光束的偏振干涉计

Info

Publication number: CN1957225B
Application number: CN2005800166311A
Authority: CN
Inventors: 威廉·欧内斯特·李
Original assignee: Renishaw PLC
Current assignee: Renishaw PLC
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2010-05-05
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: GB0410430D0; CN1957225A

Abstract

一种偏振双通干涉计包括偏振分光器(16)，参考光束(14)的光路中的参考反射镜(20)，以及在测量光束(12)的光路中的移动的测量反射镜(26)。该参考和测量光束具有不同的偏振方向。成角度的光束偏射装置，诸如玻璃楔或棱镜(32)起到消除或分离出误差光束(30)的作用，该误差光束是由一个偏振方向的光泄漏到另一个偏振方向的光中引起的。

Description

消除或分离由偏振光泄漏导致的误差光束的偏振干涉计

技术领域

本发明涉及一种干涉计，诸如用于长度、距离或角度测量的干涉计。

背景技术

偏振平面镜干涉计在1972年2月/3月的《光学通讯》第6期第4卷中作者为SJ Bennett的“A Double-Passed Michelson Interferometer”一文中以及在美国专利4,784,490(Wayne)中是已知的。附图1示出了该已知的装置。

在图1中，来自激光光源10的相干光被偏振分光器16分成两个正交的偏振光束12、14。(为清楚起见，示出两个正交的偏振成分的时候如同它们在光源10与分光器16之间略微分开一样，但实际上它们是重合的。)

光束14是参考光束，被分光器16引导到参考镜面20。在分光器16与参考镜面20之间，有四分之一波片18，由于光束14通过两次，因此当其返回分光器16时其偏振状态旋转过90°。现在将其通过分光器直线透射到立体角回射器22，立体角回射器22将该光束返回，再次通过分光器16和四分之一波片18到达参考镜面20。当其再次返回分光器时，其偏振方向再次转过90°，从而被反射到检测器24。

另一个偏振成分12形成测量光束。以类似的方式，其两次到达移动反射镜26，移动反射镜固定在要测量位置或运动的物体上。当测量光束到达反射镜26并离开反射镜26时，其两次通过第二个四分之一波片28，从而其偏振面转过90°。同样的，这导致该光束到达立体角回射器22并第二次到达反射镜26，然后透射回检测器24。在检测器24中，测量光束与参考光束的干涉产生了条纹，可以以已知的方式数出这些条纹从而确定反射镜26的移动。

测量光束和参考光束两次到达每个反射镜并通过类似的光学元件，这使得该系统相对地不受反射镜20、26的不对正的影响，并且也不受在时间上的热不稳定性的影响。

还已知，在偏振干涉计中，使用单个的四分之一波片来提供两次到达测量镜片，而不是参考镜片。而且，外差干扰是已知的，其中测量和参考光束是正交地偏振的，并且还有略微不同的频率。参见例如美国专利4,688,940(Sommargren等人)。本发明也适用于这些不同类型的偏振干涉计。

本发明已经注意到实践中的该问题，因为一个偏振方向的光可能泄漏到另一个偏振方向的光的光路中。发生这种情况的原因是分光器和/或回射器的性能不完美。在实践中，偏振分光器具有有限的消光系数，因此当一个给定偏振方向的大部分光被反射时，小部分被透射，反之对于另一个偏振方向也一样。在回射器中，实际上其能够略微转动线偏振光的偏振面，并使得光束略微产生椭圆偏振。

在图2中示出了这种泄漏，其示出了与图1类似的装置(除了参考和测量反射镜20、26被掉换了位置以外)。为了清晰起见，仅示出测量光束12，未示出参考光束14。与图1中相同的元件用相同的附图标记标出。误差光束(error beam)30以虚线示出.该误差光束在从回射器22第二次到测量反射镜26的光路中由偏振光的泄漏产生.由于上述问题，该光的一小部分被分光器16错误地向参考反射镜20偏射.然后它在与输出光束相同的路径上被反射到检测器24.

错误偏振的光从干涉计的参考臂泄漏到测量臂(或反之)的结果是，得到的干涉条纹中产生破坏(degradation)。具体来说，其能够对得到条纹的正弦形状产生破坏，从而导致如果使用内插器来次级细分条纹数的话，将产生次级细分误差(SDE)，即该次级细分在一个波形周期中将不是等间距的。

还可能产生的一个问题在图8中示出，与在测量光束12中带有单一四分之一波片28的偏振平面镜干涉计有关。在平面参考反射镜20的位置上设置回射器21。其他元件与图2中所示的类似并且标以相同的附图标记。

在该平面镜干涉计中，偏振分光器和四分之一波片在理论上应该起到光频隔离器的作用，阻止光返回光源10(实际中是一个激光管腔)。但是，偏振分光器和波片性能的不完美导致光被泄漏回激光管腔，如图中虚线31所示的误差光束。

当搭建系统时，使用者通常回校准系统以使得信号强度最大化，校准测量反射镜26从而使其垂直于激光束。这使得泄漏的激光反向平行于输出光束而返回。因此，当反射镜被对齐以使得信号强度最大化时，漏出的光将直接返回到激光管腔中。这会破坏激光器的频率稳定性。

在某些系统中，光源10和检测器24可以通过光纤耦合于偏振分光器16。在这样的系统中，同样的，漏出的光将重新被耦合回到传输光纤中，回到激光器中，也会破坏频率稳定性。

对该问题的一个解决方案是在角度上使得测量反射镜26错位(即不对准)，从而当测量光束返回其余的干涉计光学元件时也在角度上被移位。回射器22的位置也可以错开，以对此进行部分补偿。但是，将反射镜角度错位就意味着信号强度将减小并在测量轴线上发生变化。轴线越长，信号强度变化发生得越多。因此，干涉计的测量范围(即能够测量的允许反射镜26运动的距离)减小了。

发明内容

本发明提供了一种干涉计，包括：

光源；

偏振分光器，其设置成从光源接收光并将光分为具有不同偏振方向的测量光束和参考光束，所述测量光束和参考光束分别经过测量臂和参考臂并然后返回到所述分光器；

设置在测量光束和参考光束的至少其中之一的光路中的四分之一波片；

检测器，从所述分光器接收经过测量臂和参考臂之后的所述测量光束和参考光束，以及响应于来自参考光束与测量光束的光的干涉；以及

用于消除或分离出误差光束的装置，该误差光束是由于光从所述测量光束和参考光束中的一个光束泄漏到所述测量光束和参考光束中的另一个光束中、或者泄漏回光源所引起的；

其特征在于，所述用于消除或分离出误差光束的装置设置在所述测量臂或参考臂中。

附图说明

以下将参考附图说明本发明的优选实施例，在附图中：

图1示出现有技术中的干涉计装置；

图2示出类似的装置，说明了漏光的问题；

图3示出根据本发明的第一实施例的干涉计装置；

图4是图3的实施例的修改方案的一些构件的示意性轴测图；

图5示出图3的实施例的另一个修改方案中使用的反射镜；

图6示出根据本发明的第二实施例的干涉计装置；

图7示出根据本发明的第三实施例的干涉计装置；

图8说明了另一个干涉计装置中的漏光问题；以及

图9示出示出根据本发明的第四实施例的干涉计装置。

具体实施方式

图3示出与图2类似的装置，并且还是用相同的附图标记代表类似的元件。尽管未示出，但光源和检测器都处在与图2中相同的位置，并且为了清晰起见参考光束也被省略。

为了将误差光束30从测量臂和参考臂回到检测器的主光束中分离出来，图3的实施例在四分之一波片18与参考反射镜20之间提供了玻璃楔32。这在角度上将参考光束在其到达并离开参考反射镜的两次通路的一次中偏射。因此，当使用者对准参考反射镜从而使检测器处的信号强度最优时，反射镜将不与光束垂直，而是略微在角度上错开，如图所示。这导致了当参考光束离开分光器18射向检测器时，它将与测量光束略微成一个角度。

如果检测目的需要，参考和测量光束将被双折射楔34再次变成平行的。但是，另外一种情况下，许多零差检测方案能够在内部补偿这种光束之间的角度偏差，例如在空间条纹图案横向于光束方向产生并被具有相应光栅结构的检测器检测的时候。即使在这种情况下，也可以包括双折射楔34，以辅助设定空间条纹的间距。

重要的是，与图2相比，玻璃楔或棱镜32还具有角度地偏射误差光束30的效果。该偏射比上述的参考和测量光束在检测器处的偏射要大很多，因为误差光束不会两次通过反射镜20。因此，误差光束能够设置成完全避开检测器。或者，可以将其设置成对测量与参考光束间的干涉产生的条纹图案不引起不希望的扰动。在横向空间条纹图案被光栅结构检测的情况下，可以通过使误差光束产生的条纹的间距平均地跨过检测器的光栅结构来保证这一点。

在图3中，参考反射镜20和楔32的取向使得它们将位于纸面的平面内的光束偏转一个角度。但是，它们两个中的任何一个或者两者都可以设置成产生在纸面之外的成角度的光束偏转，例如，垂直于纸面的方向。

双折射楔34可以设置成在与楔32产生的光束偏转所在的不同的平面内产生成角度的光束偏转，例如，垂直于楔32.在检测器检测横向空间条纹、双折射楔34决定间距的情况下，这将导致检测器平面内的条纹发生旋转，并且光栅结构也被转动以与其匹配.这在图4中示出了，其中，为了清晰起见忽略了反射镜和回射器，棱镜34垂直于棱镜32设置.检测器24被旋转以匹配由参考和测量光束干涉产生的条纹50.误差光束30产生的条纹52现在不仅具有与光栅结构不同的间距，而且还旋转到了相对于光栅结构不同的角度上，进一步减小了其影响.

实际上，楔34可以以一个角度设置，从而使得误差条纹产生这样的旋转，即使该楔34不是双折射楔。

该玻璃楔32在图3中示出，位于四分之一波片18与参考反射镜20之间。如果改为将其安放在四分之一波片18与分光器16之间，可以得到边缘改善的偏振控制。但是，这使得更加难以将元件16、18、22、28、32固定到单个的干涉计头上。

除了使用楔32以外，还可以改变参考反射镜20，如图5所示，从而使其具有在略微在角度上彼此错开的两个平面内的两个镜面20a、20b。

图6示出对应于图3的一个实施例，并且为清晰起见参考光束还是被省略。其与图3的不同之处在于，其在测量光束中仅使用了一个单个的四分之一波片28，在参考光束中没有使用四分之一波片。其使用参考回射器36代替了平面的参考反射镜20。这样的设计具有类似的偏振泄漏问题。漏出的光可能在两个回射器22、36之间形成空腔(cavity)，如虚线38所示。

为了避免这种影响，插入附加的偏振光学元件，例如偏振滤光器40，从而优先地削弱不需要的空腔光束38。或者，可以在相同的位置使用玻璃楔来消除该影响，如图3所示。在使用偏振滤光器的情况下，如果需要，可以在回射器36的整个宽度上布置该偏振滤光器，而不是仅仅如图所示地在其一部分上布置。

图7示出另一个实施例，其在“立柱基准”应用中使用，以测量在机器的刀床60上的反射镜26相对于在机器的相对静止的立柱62上的参考反射镜20的运动。分光器上方的翻转镜64提供了潜望镜式装置，以将光引导到反射镜20并离开反射镜20。该翻转镜64具有两个成角度错开的面64a、64b，类似于图5中的反射镜20，像从前一样，其起到分离误差光束的作用。当然，可以使用玻璃楔34和一个平面翻转镜来代替，或者参考反射镜20可以具有两个成角度错开的面，如图5所示。

因此，应该看到，在上述图3到7的实施例中，玻璃楔32或者偏振滤光器40或者反射镜面20a、20b或64a、64b都消除或者分离了由偏振漏光产生的误差光束。优选地，如上所述，将这些元件设置在参考光束的光路中，但也可以将它们设置在测量光束中。

本发明不限于上述的实施例，并且类似的用于消除这样的误差光束的设计可以用在在参考和测量光束中均使用回射器代替平面镜20、26的偏振干涉计中。还可以将其用在外差式干涉计中，其中不同偏振方向的测量光束和参考光束具有不同的频率。

图9示出了本发明的另一个实施例，其中改善了上述关于图8所述的问题。此处，玻璃楔或棱镜70放置在分光器16与四分之一波片28之间。这将在测量光束两次到达测量反射镜26中的一次中，成角度地偏射测量光束。当搭建系统时，使用者将反射镜26对准并带有轻微的角度偏差，从而补偿此点并优化信号强度。这样的结果是，反射镜将不会与测量光束非常地垂直。漏出的误差光束31不再与来自激光光源的输入光束平行，这可以通过比较图8和图9看到。

在非光纤耦合的干涉计中，漏出的误差光束31不会再回到激光管腔。在光纤耦合的系统中，漏出的光将不会耦合回光纤中。在两种情况下，泄漏的光都不会导致激光器的稳定性下降。

楔或棱镜70的副作用是使得测量和参考光束返回到彼此在角度上错开的两个检测器光学元件中.这可以以与上述实施例中相同的方式来补偿，例如，通过如图3、4中那样使用双折射楔34，或者仅仅通过外差检测器中的内部补偿机制来补偿.

在图9的装置中，当被校准以在远场中使信号强度最大化时，与图8所示的现有技术的装置相比，信号强度在反射镜26的大得多的移动范围内将几乎保持恒定。

Claims

1.一种干涉计，包括：

光源；

其特征在于：所述用于消除或分离出误差光束的装置设置在所述测量臂或参考臂中。

2.如权利要求1所述的干涉计，其中，所述泄漏是从所述测量光束和参考光束中的一个光束泄漏到所述测量光束和参考光束中的另一个光束中的光并且与其具有不同的偏振方向。

3.如权利要求1或2所述的干涉计，其中，所述四分之一波片包括四分之一波片，在光路中包括四分之一波片的光束两次通过该四分之一波片。

4.如权利要求1或者2所述的干涉计，其中，在测量光束和参考光束的光路中均包括四分之一波片。

5.如权利要求1所述的干涉计，其中，所述的用于消除或分离出误差光束的装置包括处在所述测量臂和参考臂的其中之一中的角度光束偏射装置，从而成角度地偏射所述误差光束。

6.如权利要求5所述的干涉计，其中，所述角度光束偏射装置包括楔或棱镜。

7.如权利要求5或6所述的干涉计，还包括处于所述测量光束和参考光束的合并光路中的、位于分光器与检测器之间的另一个角度光束偏射装置。

8.如权利要求7所述的干涉计，其中，所述另一个角度光束偏射装置是双折射性的。

9.如权利要求7所述的干涉计，其中，两个角度光束偏射装置在不同的平面内产生偏射，从而导致在检测器处产生的空间条纹发生旋转，并且误差光束导致的条纹被旋转到不同的角度上。

10.如权利要求1所述的干涉计，其中，用于消除或分离出误差光束的装置包括在所述测量臂和参考臂的其中之一中的附加的偏振光学元件。

11.如权利要求1所述的干涉计，其中，用于消除或分离出误差光束的装置包括在所述测量臂和参考臂的其中之一中的反射镜，该反射镜具有两个在角度上错开的镜面。