CN1959336A - 光学干涉仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光学干涉仪,包括单件式光学元件,所述单件式光学元件具有偏振分束器和至少一个基本平行所述偏振分束器的反射表面。本发明的光学干涉仪,不再受到介质折射率会随温度、压力、湿度和介质的含量而变化从而使OPL发生变化的影响,因此,能够提供精密的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学干涉仪。
背景技术
光学干涉仪适用于要求很严的精密测量。例如,光学干涉仪用来确定在半导体晶片的光刻处理中使用的光学元件的移动,其需要纳米(10-9m)数量级和更高的精度。
光学干涉仪包括两个(或两个以上)光束。一个光束理想地沿固定的光学路径(称为参考路径)导向。该光束被称为参考束。另一个光束沿着一个光路被导向连接至可移动元件的测量反射器。该光束称为测量束,其穿行的路径称为测量路径。
在许多已知的光学干涉仪中,参考束和测量束具有互相正交的线性偏振态(正交方向矢量)。而且,有意地使正交偏振态的频率不同。偏振态的正交性允许将来自光源(例如,激光头)的光分成穿行不同的光学路径的测量束和参考束。线性偏振态的正交性还允许在参考束和测量束穿过其各个光学路径之后参考束和测量束的重新合并。
一旦重新合并,可以测得任何相位差(通常称为拍频)。有目的地使来自光源的束的频率不同能提供基线拍频或差。使用已知的信号处理技术,可以确定测量路径和参考路径(OPL,光程)的差,并且能够测量测量反射器的位置变化。
如已知,OPL取决于光传播通过的介质的折射率。为了在干涉仪测量系统中提供精确的位移测量,测量束和参考束的整个路径必须在折射率基本稳定的介质(例如,空气)中。因为介质的折射率会随温度、压力、湿度和介质的含量而变化,所以难以提供具有基本稳定的折射率的介质。
因而,需要一种克服至少上述缺点的干涉仪。
发明内容
相应地,本发明提供了一种光学干涉仪,包括单件式光学元件,所述单件式光学元件具有偏振分束器和至少一个基本平行所述偏振分束器的反射表面。
优选地,所述单件式光学元件进一步包括回射元件,所述回射元件适于以基本平行于入射路径并且与入射路径偏开的方式反射入射光。所述回射元件可以是立方隅角镜。
优选地,所述单件式光学元件进一步包括第一部分和第二部分,所述偏振分束器设置在所述第一部分和所述第二部分之间。所述第一部分可是长斜方体。或者,所述第一部分可是长斜方体,所述第二部分可是长斜方体。光学干涉仪进一步包括设置在所述单件式光学元件和一测量反射元件之间的四分之一波长延迟器。其中,所述测量反射元件包括至少一个适于以基本平行于入射路径的方式反射入射光的回射元件。
优选地,光学干涉仪进一步包括至少一个基本平行于所述偏振分束器的其它反射表面。所述偏振分束器可设置在这些反射表面之间。
优选地,光学干涉仪进一步包括设置在所述单件式光学元件上方的参考反射元件。还可进一步包括设置在所述单件式光学元件和所述参考反射元件之间的四分之一波长延迟器。
本发明还提供了一种光学干涉仪,包括单件式光学元件,所述单件式光学元件具有第一表面和第二表面,其中,所述第一表面不平行于所述第二表面。
优选地,所述单件式光学元件进一步包括回射元件,所述回射元件适于以基本平行于入射路径并且与入射路径偏开的方式反射入射光。
优选地,所述单件式光学元件进一步包括设置在所述第一表面和所述第二表面之间的偏振分束器。其中,所述单件式光学元件可进一步包括第一部分和第二部分,所述偏振分束器设置在所述第一部分和所述第二部分之间。所述第一部分可包括长斜方体,所述第二部分可包括棱镜。
优选地,光学干涉仪进一步包括设置在所述单件式光学元件上方的测量反射元件。所述的光学干涉仪可进一步包括设置在所述单件式光学元件和所述测量反射元件之间的四分之一波长延迟器。
优选地,所述的光学干涉仪可进一步包括设置在单件式光学元件上方的参考反射元件。
技术术语定义
如此处所使用,术语“单件式”意思是包括两个以上的零件,这些零件紧固在一起以形成单个的部件;或包括一个整体式的零件。例如,单件使元件可以具有多个紧固在一起的零件,或可以用一种(或者几种)材料模制而成,材料里嵌有或者不嵌有元件。
附图说明
当结合附图阅读下面详细的描述时,从其中可以最佳了解示例性实施例。要强调的是,各种特征不必按照比例绘制。事实上,为了论述清楚,尺寸可以任意增加或减少。无论可以适用在什么地方以及用在什么地方,相同的标号表示相同的元件。
图1是根据一个示例性实施例的干涉仪的侧视图;
图2A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图2B是根据图2A的示例性实施例的干涉仪的另一个透视图;
图2C是根据图2A的示例性实施例的干涉仪的另一个透视图;
图2D是图2B的干涉仪的侧视图;
图3A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图3B是图3A的干涉仪的侧视图;
图4是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图5是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图6是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图7是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图8A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图8B是图8A的干涉仪的侧视图;
图9A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图9B是图9A的干涉仪的侧视图;
图10A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图10B是图10A的干涉仪的侧视图;
图11A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图11B是图11A的干涉仪的侧视图;
图12A是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图12B是图12A的干涉仪的端视图;
图12C是图12A的干涉仪的侧视图;
图13是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图14是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图15是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图16是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图17是根据一个示例性实施例的干涉仪的透视图;
图17B是图17A的干涉仪的侧视图。
具体实施方式
在下面详细的描述中,出于解释而非限制的目的,对公开了具体细节的示例性实施例进行阐述,以根据本技术教导完全地理解这些实施例。然而,对于已经从本公开中受益的本领域技术人员而言,显而易见的是,根据本技术教导的与此处公开的具体细节不同的其它实施例仍落在权利要求的范围内。而且,可以忽略对众所周知的装置和方法的描述,以致不会使示例性的实施例的描述变得不清楚。这些方法和装置显然是在本技术教导的范围内。
图1是根据一个示例性实施例的测量系统100的侧视图。来自激光器(未示出)的输入束101入射在适于基本透射该束101且反射最小的光学元件102上。有用地,光学元件102具有抗反射(AR)涂层以减少入射光的反射。输入束101从表面103反射,被旋转约90°,类似于潜望镜的方式,以避开障碍物104(可以是测量系统100的结构元件)。
输入束101入射在干涉仪105上。光101的一部分被作为测量束106输出,并且入射在连接至一结构(未示出)的测量反射器107上。如此处详细地描述,光106可用于精确测量该结构相对于标称位置的任何位移。
在干涉仪105和测量反射器107之间的区域108中,对介质加以控制以提供基本稳定的折射率。对在干涉仪105和测量反射器107之间的介质加以控制基本消除了区域108的折射率的变化。能够理解,这样做可用于防止由于该结构移动以外的因素所引起的OPL的变化。然而,如之前提及,难以完全控制介质的折射率。例如,在结构104附近的区域中,难以稳定介质的折射率。在已知的测量系统中,由于光的OPL变化,这种不稳定性能够导致测量误差。相比之下,对于测量光束所传播通过的该结构附近区域的介质折射率变化而引起的OPL变化,本发明示例性实施例的干涉仪105即使没有消除也是显著减小了这种OPL变化。
本测量系统的功能依赖于已知的电子设备(未示出),该电子设备包括而不限定于激光头、调谐电路、光电探测器和用于将信号发送进出测量系统的光学元件。然后测量和参考束合并,并且以所合并的光束的拍频为基础;从而进行该结构位移的测量。
如此处详细描述,示例性实施例的干涉仪允许干涉仪外部所有光束位于折射率基本稳定的的空间中。
图2A是根据一个示例性实施例的干涉仪105的透视图。干涉仪105包括接收来自激光头(未示出)的输入光束202的单件式光学元件201。输入光束202穿过包括抗反射涂层的光学元件203,然后从第一反射表面210反射。光202相对于表面210的入射角度示例性为约45°,使得光202基本向内反射,并且所反射的光上与光202基本正交。此外,反射表面210可以包括已知的涂层或层以改进反射。
干涉仪105还包括偏振分束器(PBS)204和回射器205。PBS 204基本平行于第一反射表面210。穿行于单件式光学元件201的光入射在使光以约45°入射定向的第二反射表面211上。利用这种布置,入射在表面211的光基本全部向内反射为光207,该光与入射在表面211上的光基本正交。可以想到,第一反射表面210和第二反射表面211的定向可以不是45°。然而,在一些具体的实施例中,第一反射表面210和第二反射表面211基本平行。
光207穿过延迟器206,该延迟器206为四分之一波长延迟器,适于在光207穿过该延迟器206时,使真空波长为λ的光207延迟为nλ+λ/4(n=整数)。有益的是,延迟器在相对侧上包括AR涂层,使得入射在其上的光基本透射。光207被测量反射器107反射,第二次穿过延迟器206,因此经历了λ/2的相对相移。因而,光207经历半波(λ/2)偏振转换。这样,从单件式光学元件201出射的沿着一个轴线性偏振的光将以沿第二垂直轴偏振的方式重新进入元件201。
光208也穿过元件206,被测量反射器107反射,并且再次穿过元件206。因而,光208进入单件式光学元件201,其偏振态被转过π/2。
干涉仪105包括另一个延迟器209,布置在单件式光学元件201上方,具体是在PBS 204的上方。象延迟器206一样,延迟器209是四分之一波长延迟器,适于将穿过其宽度的光延迟为(nλ+λ/4)。然而,与延迟器206不同的是,延迟器209具有反射性的顶表面,使得光穿过延迟器209,被顶表面反射,并且第二次穿过延迟器209。因而,进入单件式光学元件201的光所具有的偏振态与离开单件式光学元件201时的偏振态正交。
根据一个示例性实施例,单件式光学元件201是长斜方体,可以使用在共同转让的授予Bockman的美国专利6,542,247中公开的材料并根据其技术教导进行制造。该专利的公开内容具体地通过引用而包含于此。
在一个具体的实施例中,延迟器206、209是多层电介质堆叠式延迟器或者诸如石英、云母或有机聚合物等的双折射元件,其OPL能够提供nλ+λ/4的延迟,使得借助于两次通过延迟器而实现半波相对相移。在一个具体的实施例中,延迟器206、209光学接触单件式光学元件,回射器205和元件203固定至单件式光学元件201,它们通过使用折射率匹配的粘接材料粘接。因而,在延迟器206、209、回射器205、光学元件203和单件式光学元件201之间形成光学界面。注意,在随后描述的示例性实施例中,许多光学部件可以类似地光耦合至单件式光学元件201上。
图2B是一个示例性实施例的干涉仪105的透视图。干涉仪105与图2A所示的干涉仪基本相同,只是淡淡地绘制单件式光学元件210以示出各种部件的功能和光学路径。
光202入射在第一表面210上,并且以所示正交的方向反射。光202包括两个正交线性偏振光分量,每一个分量具有特定的频率。特别地,这两个光分量具有在约2.0MHz至约6.0MHz的范围内的频率差和约633nm的平均波长。光202可以来自氦氖(He-Ne)激光器,磁场沿轴向施加至激光器的谐振腔(这会导致塞曼分裂)。作为示例,激光器可以是诸如可购自Agilent Technologies,Inc.(Palo Alto,CA USA)的5517系列激光头的一个部件。
当从第一表面反射之后,光202入射在PBS 204上。该PBS 204透射第一线性偏振态(例如,P-偏振)的光213,而反射第二线性偏振态(例如,S-偏振)的光214。透射光213入射在第二表面211上,第二表面211将该光反射通过延迟器206。光213以圆偏振光207出射,并且被测量反射器107往回反射通过元件206。因而,光213转换成具有与光213的偏振态正交的偏振态(例如,S-偏振)的光213′。光213′从第二表面211反射并且入射在PBS 204上,在PBS 204上其被作为光215反射至回射器205上。回射器205反射光215,并且使光215发生位移。当从回射器反射之后,光215入射在PBS 204上,该光在PBS 204上以正交的方向被反射。光215入射在第二反射表面211上,并且通过测量反射器107的反射,两次穿过延迟器206。因为由两次穿过元件206而引起的偏振转换,所以光215′具有相对于光215旋转π/2的偏振态。这样,光215′具有透射PBS 204的偏振态(在示例中为P-偏振)。输出光212的这个分量称为测量路径光,这是因为其穿过(可变化的)测量光路。
光214从PBS 204反射,并且在反射之后两次穿过延迟器209。在两次穿过元件209时,光214的偏振态被旋转π/2而以光214′出射。与示例的惯例一致,现在光214′是P-偏振,因而穿过PBS 204,接着被回射器205反射和移位。光214′接着穿过PBS 204和两次穿过延迟器209。在重新进入单件式光学元件201时,光214′转换至正交的偏振态(例如,S-偏振)。这种正交的偏振光被PBS 204反射为所示的光216。因为由延迟器209提供的偏振转换,所以光216被PBS反射并与光215′合并形成输出光212。光216、214′的路径基本恒定,被称为参考路径。
图2C是干涉仪105另一个透视图。干涉仪与图2A和图2B所示的干涉仪基本相同,但是以反向的方式定向。没有提供共同的细节以避免使此处所描述的示例性实施例不清楚。
干涉仪105包括反射元件205。反射元件205示例性地表示为回射元件的。其特点是,以一入射角(相对于回射元件的法线)入射在回射元件上的光以相对于法线基本相同的角度从该元件反射。在一个具体的实施例中,反射元件是立方隅角镜(cube corner),在共同转让的授给Belt等人的美国专利6,736,518中详细地进行了描述。该专利的公开内容具体地通过引用而包含于此。立方隅角镜不仅以基本等于入射角的角度反射光,而且使光移位一有限的距离。因此,光214′、215以特定的角度(示例性为0°)入射,并且以基本相同的角度反射,但是在立方隅角镜内反射之后如所示地被移位。要强调的是,立方隅角镜的使用仅仅是示例性的,可以使用为本技术领域的技术人员已知的其它光学部件以实现相同的效果。
如上所限定,单件式光学元件201可以包括两个以上的零件,这些零件紧固在一起以形成单个部件;或者包括一个不可分零件。单件式光学元件201可以是两个基本相同的具有约45°端面的长斜方体。如所提及,长斜方体可以利用和根据美国专利6,542,247的教导制造。PBS 204可以是用折射率匹配/抗反射粘接剂固定在两个端面之间的单独部件;或可以是在其中一个长斜方体的一个端面上的一层涂层或多层已知的涂层。在后者的实施例中,在涂敷(多层)涂层之后,端面使用之前谈到的折射率匹配/抗反射粘接剂粘合。在另一个实施例中,单件式光学元件201是模制的,PBS204嵌入在模制件中。
图2D是图2A和图2B中所示的干涉仪105的侧视图。没有提供共同的细节,以避免使此处的描述不清楚。干涉仪105提供测量路径和参考路径。测量路径包括从PBS 204至测量反射器107的OPL。因而,测量路径包括从PBS 204通过元件201的第二部分217的OPL。此外,测量路径包括从第二表面211通过延迟器206的OPL和通过延迟器206和测量反射器107之间介质的OPL。最后,测量路径包括经反射元件205的传播。注意,测量路径的每一“段”被穿行了四次。
参考路径包括从PBS 204通过单件式光学元件201和延迟器209的OPL。因而,参考路径还包括通过第一部分217至反射元件205的OPL和通过反射元件205的OPL。注意,参考路径的每一“段”也被穿行四次。
如所已知,测量路径和参考路径是相同的,或者相互间的多路性/差异在可接受的精度范围内。参考路径和测量路径的任何差异会导致包括光分量216、215′的输出光束的拍频的变化。这样,测量反射器107的运动表示测量系统100的反射器107所连的结构的运动。运动的大小与拍频差成正比,并且可以使用系统100的微处理器(未示出)通过比较简单的计算而量化。
如之前提及,如果测量束或参考束或两者传播通过的各种部件的折射率有显著的变化,则测量路径或参考路径或两者的OPL将发生变化。最终,这降低由该干涉仪进行测量的精确度。然而,这些示例性实施例的单件式光学元件201的折射率基本不受环境因素导致的变化的影响,使得单件式光学元件的折射率基本稳定。因而,不受控制的介质引起的折射率变化所导致的测量不精确,可以基本被避免。注意到,干涉仪105的测量路径和参考路径的OPL相当轻微的变化可能是由温度的变化引起的。这些变化能够用来补偿在测量系统中其它受热导致的测量误差。
图3A根据一个示例性实施例的干涉仪301的透视图。干涉仪301包括许多结合图1A-2D的实施例描述的特征,并且可以用在测量系统100中。因此,没有详细地描述共同的特征以避免使此处描述的实施例不清楚。
干涉仪301包括具有之前描述的PBS 204的单件式光学元件201。光202入射在第一表面210上,并且向PBS 204反射。PBS 204反射一个线性偏振态的光,并且透射正交偏振态的光。反射光302穿过延迟器209,并且被测量反射器107反射。从测量反射器107反射的光第二次穿过延迟器209,并且从那里以具有与光302的偏振态正交的线性偏振态的光302′出射。因为偏振转换,所以光302′穿过PBS 204,入射在反射元件205上。反射元件205以之前描述的方式反射光302′,因此光302′出射时被移位。光302′接着穿过PBS 204,并且在从测量反射器107反射后两次穿过延迟器209。当从延迟器209进入单件式光学元件301时,光302′的偏振再次被旋转,并且以具有与光302′的偏振态正交的线性偏振态的光305出射。因此,光302被PBS 204反射,并且包括输出光212的一个分量。因而,测量路径包含刚才所描述的OPL。
具有与光302的偏振态正交的线性偏振态的光202的分量被PBS 204透射,并且以光303出射。光303被第二表面211反射,并且在被延迟器206的顶表面上的反射元件(例如,高反射(HR)涂层)反射后两次穿过延迟器206。这样,光303′的偏振与光303的偏振正交。光303′接着被PBS 204反射至反射元件205,在反射元件205其经历所述的反射和平移。光303′再次被PBS 204反射,并且入射在第二表面211上,在第二表面211上光303′被反射至延迟器206。当两次穿过延迟器206时,线性偏振矢量再次被旋转π/2(或nπ/2),并且被第二表面211反射为光305。光305被PBS 204透射,并且包括输出光212的第二分量。如之前所描述,测量反射器的任何移动用分量304、305的拍频的变化来表示。
图3B是干涉仪301的侧视图。测量路径和参考路径分别与结合图2D描述的参考路径和测量路径本质上相同。因此,为了清楚,没有重复该描述。然而,注意到,同之前所描述的干涉仪105一样,干涉仪301基本不易受由于不受控制的空气折射率变化而引起的测量路径或参考路径任一个的OPL变化的影响。
图4是根据示例性实施例的干涉仪401的透视图。干涉仪401具有许多与结合图2A-2D的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪401接收包括具有两个正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
在该示例性实施例中,测量反射器包括第一回射元件402和第二回射元件403。回射元件402、403适于以特定的入射角接收光,并且以基本相同的入射角反射光且基本没有轴上平移。第一回射元件402和第二回射元件403因而包括干涉仪的测量反射器107。
图5是根据一个示例性实施例的干涉仪501的透射图。干涉仪501具有许多与结合图2A-2D和图4的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪501接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
在该示例性实施例中,测量反射器包括回射元件502。回射元件502适于以特定的入射角接收光,并且以基本相同的入射角反射光且有设定的平移。回射元件502因而包括干涉仪的测量反射器107。
图6是根据一个示例性实施例的差分干涉仪601的透视图。特别地,通过将(若干)参考反射元件从示例性实施例的单件式光学元件201中分离出来,将干涉仪601制造成差分干涉仪。
干涉仪601具有许多与结合图2A-图2D、图4和图5的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪601接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化获得测量反射器位移的精确测量。
在该示例性实施例中,测量反射器包括第一回射元件402和第二回射元件403。回射元件适于以特定的入射角接收光并且以基本相同的入射角反射光。第一回射元件402和第二回射元件403因而包括干涉仪的测量反射器107。
干涉仪601还包括第三回射元件602和第四回射元件603。如能够理解,在差分干涉仪中,可以测量两个所限定的路径的OPL差。一个OPL可以是参考路径而另一个是测量路径。当然,因为提供了相对的测量,所以不必固定任何一个OPL。为此,回射元件402、403和602、603可以连至发生位移的物体。因而,两个OPL都是测量路径。为了术语的一致性,在此处所描述的差分干涉仪中,尽管参考路径不必固定,也可以将一个路径视为测量路径而将另一个路径视为参考路径。在一个具体的实施例中,回射元件602、603在参考路径中,并且基本与第一回射元件402和第二回射元件403相同。在另一个具体的实施例中,第一回射元件402和第二回射元件403在参考路径中,第三回射元件602和第四回射元件603在干涉仪的测量路径中。
图7示出根据一个示例性实施例的差分干涉仪701。干涉仪701具有许多与结合图2A-2D、图5和图6的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪701接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移精确测量。
在该示例性实施例中,测量反射器包括回射元件502。回射元件502适于以特定的入射角接收光,并且以基本相同的入射角反射光。回射元件502因而包括干涉仪的测量反射器107。
干涉仪701还包括另一个回射元件702。在一个具体的实施例中,回射元件702在参考路径中,并且与回射元件502基本相同。在另一个具体的实施例中,回射元件502在参考路径中,回射元件702在干涉仪的测量路径中。
图8A是根据一个示例性实施例的干涉仪801的透视图。干涉仪801具有许多与结合图2A-2D、图5和图6的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪601接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
干涉仪801包括具有反射表面211的单件式光学元件802。单件式光学元件802包括具有按之前所述定位的PBS 204的长斜方体。单件式光学元件802还包括光学接触或粘合至PBS 204的棱镜803。因而,单件式光学元件802包括长斜方体和棱镜。单件式光学元件802表示了示例性实施例的干涉仪的应用多样性。具体而言,单件式光学元件在某些应用中可以不必象在其它应用场合中那样延伸得那么远。这样,干涉仪801可以用更小的单件式光学元件来实施。
图8B是干涉仪801的侧视图。测量路径长度包括从PBS 204至测量反射器107的OPL,包括通过回射元件205的OPL。注意,在本实施例中,被PBS 204反射的输入光束202的偏振分量(例如,S偏振光)被反射进入测量路径。参考路径包括从PBS 204至反射延迟器209的OPL,包括通过回射器205的OPL。在本实施例中,被PBS 204透射的输入光束202的偏振分量(例如,P偏振光)被透射进入参考路径。
图9A是根据示例性实施例的干涉仪901的透视图。干涉仪901具有许多与结合图2A-2D、图8A-8B的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪901接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
该干涉仪包括之前所描述的单件式光学元件802。单件式光学元件802说明了示例性实施例的干涉仪的应用多样性。具体而言,单件式光学元件在某些应用中可以不必象在其他应用场合中那样延伸得那么远。这样,干涉仪801可以用更小的单件式光学元件来实施。
图9B是干涉仪801的侧视图。测量路径包括从PBS 204至测量反射器107的OPL和通过回射元件205的OPL。注意,在本实施例中,被PBS204反射的输入光束202的偏振分量(例如,S偏振光)被反射进入测量路径。参考路径包括从PBS 204至反射延迟器209的OPL和通过回射器205的OPL。在本实施例中,被PBS 204透射的输入光束202的偏振分量(例如,P偏振光)透射进入参考路径。
最后,在一些具体实施例中,可以包括结合图4-7描述的许多回射元件,作为图8A-9B中示例性实施例的反射元件(例如测量反射器107)。
图10A是根据示例性实施例的差分干涉仪1001的透视图。干涉仪1001具有许多与结合图2A-2D和图8A-9B的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪1001接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化获得测量反射器位移的精确测量。
干涉仪1001包括粘接至单件式光学元件802的侧板1002和反射元件1003。这样,单件式光学元件包括干涉仪1001的除了反射元件1004和反射元件107之外的所有部件。反射元件1003以基本平行于第一反射表面210定位,使得反射至测量反射器107和从测量反射器107反射的光基本被反射。侧板1002可以由具有零点零几数量级的热膨胀系数(CFE)的材料组成。因而,板2002在周围温度增加期间不会明显膨胀或在周围温度降低期间不会明显收缩。因此,干涉仪1001基本不受因周围温度变化引起的测量路径或参考路径中任一个的OPL的变化影响。
如图10B所示,测量路径包括从PBS 204至测量反射元件107的OPL和通过回射元件205的OPL。参考路径包括从PBS 204至参考反射元件1004的OPL和通过回射元件205的OPL。
图11A是根据一个示例性实施例的差分干涉仪1101的透视图。干涉仪1101具有许多与结合图2A-2D和图8A-10B的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪1101接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光202,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
如图11B所示,测量路径包括从PBS 204至测量反射元件107的OPL和通过回射元件205的OPL。参考路径包括从PBS 204至参考反射元件1004的OPL和通过回射元件205的OPL。
图12A、12B和12C分别是根据一个示例性实施例的多轴干涉仪1201的透视图、端视图和侧视图。本实施例的描述通过图12A-图12C共同论述而最佳了解。
多轴干涉仪1201接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的入射光1202。光1202入射在包括长斜方体1203和棱镜1204的单件式光学元件上。光1202入射在长斜方体1203的反射表面1205上,光1202的约50%被反射,光1202的约50%在界面被透射。光的反射部分1206在表面1207基本完全向内反射,并且被反射进入单件式光学元件1208。单件式光学元件1208类似于之前所描述的某些单件式光学元件。光1206在表面1209基本完全向内反射,并且入射在PBS 1210上。PBS 1210反射其中一个偏振分量(P偏振光),即光1211。光1211入射在延迟器209上。光1211在如之前所描述的参考路径中,被延迟器209反射,并且以正交偏振态再次入射在PBS 1210上。光入射在回射元件205上,并且被平移。如之前所描述,该光与来自测量路径的光合并作为输出光1218发出。光1206的另一个偏振分量被PBS 1210透射为光1212。光1212入射在表面1213上,并且基本完全向内反射至延迟器206。该光接着被测量反射元件1214往回反射通过延迟器206,并以光1216出射。光1216在表面1213反射至PBS 1210。在PBS 1210,该光被反射至回射器205,并且被平移。来自测量路径的光1216与来自以上提及的参考路径的光1211合并。
光1217在长斜方体1203的表面被透射,并且在表面1209反射。光1217也包括正交线性偏振态。光1217形成输入光,并且按照与以上结合光1202所进行的提供以描述相同的方式提供参考光和测量光。测量光和参考束合并并且以光1215出射。
多轴干涉仪1201适用于确定所测结构的任何角位移。例如,如果测量反射元件1214是连至在测量中的结构的单个元件,并且反射元件1214转动(例如,在图12B-的平面内转动),则光1206的测量路径长度会不同于光1217的测量路径长度。其差可容易地计算,并且可以确定角位移。
图13是根据一个示例性实施例的差分干涉仪1301的透视图。干涉仪1301具有许多与结合图2A-2D和图8A-图9B的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,不重复这些细节,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪1301接收输入光1302和输入光1303,每一个包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量。干涉仪1301发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光212。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
干涉仪1301与之前所描述的针对每一个输入光束提供单个路径某些实施例不同。具体而言,光1302入射在第一反射表面210,并且被反射至PBS 204。光1302被分成正交线性偏振态1304、1305。光1304被反射进入回射元件1306,并且被往回反射至PBS上且相对于元件1306上的入射角基本没有角度偏差。正交线性偏振态的光1305在PBS 204的表面被透射,并且被第二反射表面211反射至另一个回射元件1307。光1305在元件1307处以基本相同的入射角被反射,并且被透射通过PBS 204。分量1304和1305合并,生成所穿行路径的长度差。
光1303类似地被PBS 204分成正交线性偏振态。这些细节不重复,以避免使此处描述的实施例不清楚。
由偏振态(例如,光1304、1305)所走过的OPL的差提供对回射元件1306和1307所连的物体的位移的测量。
图14是根据一个示例性实施例的干涉仪1401的透视图。本实施例的干涉仪与图13的示例性实施例基本相同。然而,回射元件1306如图所示设置在单件式光学元件201的上方。通向元件1306的光学路径形成参考路径,通向元件1307的光学路径形成测量路径。
图15和图16是分别根据一个示例性实施例的差分干涉仪1501和干涉仪1601的透视图。具有正交偏振态的光1502如图所示地入射在单件式光学元件201上。光1502在PBS 204分成线性偏振分量,光1503被反射,光1504被透射。光1503穿过延迟器209,并且被回射元件1505反射。在穿过延迟器209之后,光1507的偏振态与光1503的偏振态正交,于是光1507被PBS 204透射。光1504在表面211处反射,穿过延迟器209并且被回射元件1506反射。光1509从延迟器209出射,并且被PBS 204反射。光1509与光1507合并以形成输出光1510,该输出光可被用来对每一个分量的OPL的差进行精确测量。
干涉仪1601与干涉仪1501基本相同。然而,回射元件1505如图所示地设置在单件式光学元件201的上方。通向元件1505的光学路径形成参考路径,通向元件1506的光学路径形成测量路径。
图17A和17B分别是根据一个示例性实施例的干涉仪1701的透视图和侧视图。干涉仪1701具有许多与结合图2A-2D、图8A-8B的示例性实施例描述的干涉仪共同的特征。因此,这些细节不重复,以避免使此处描述的实施例不清楚。干涉仪1701接收包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输入光1702,发出包括两个具有正交态的线性偏振光的频率分量的输出光1711。如之前提及,用拍频的变化来获得测量反射器的位移的精确测量。
光1702被设置在长斜方体1703和棱镜1704之间的PBS 204分成正交线性偏振态。光1705被反射,穿过延迟器209,被回射元件1706反射。在再次穿过该延迟器之后,光1707被PBS 204透射。光1708被PBS 204透射,穿过延迟器206,被回射器1709反射。光1710从延迟器209出射,接着被PBS 204反射。光1707和光1710合并形成输出光束1711。如所能理解到的,测量路径包括光1705和光1707的OPL,参考路径包括光1708和光1710的OPL。
根据所描述的示例性实施例,干涉仪可用于测量系统中。本技术领域的普通技术人员可以理解到根据本发明教导可以有许多变型,而且这些变型仍保持在权利要求的范围内。在查阅此处的说明书、附图和权利要求之后,这些和其它的变型对于本技术领域的普通技术人员会是显而易见的。因而本发明除了权利要求的精神和范围外不受限制。
Claims (20)
1.一种光学干涉仪,包括单件式光学元件,所述单件式光学元件具有偏振分束器和至少一个基本平行所述偏振分束器的反射表面。
2.如权利要求1所述的光学干涉仪,其中,所述单件式光学元件进一步包括回射元件,所述回射元件适于以基本平行于入射路径并且与入射路径偏开的方式反射入射光。
3.如权利要求1所述的光学干涉仪,其中,所述单件式光学元件进一步包括第一部分和第二部分,所述偏振分束器设置在所述第一部分和所述第二部分之间。
4.如权利要求1所述的光学干涉仪,进一步包括至少一个基本平行于所述偏振分束器的其它反射表面。
5.如权利要求4所述的光学干涉仪,其中,所述偏振分束器设置在这些反射表面之间。
6.如权利要求2所述的光学干涉仪,其中,所述回射元件是立方隅角镜。
7.如权利要求1所述的光学干涉仪,进一步包括设置在所述单件式光学元件上方的参考反射元件。
8.如权利要求7所述的光学干涉仪,进一步包括设置在所述单件式光学元件和所述参考反射元件之间的四分之一波长延迟器。
9.如权利要求3所述的光学干涉仪,其中,所述第一部分是长斜方体。
10.如权利要求3所述的光学干涉仪,其中,所述第一部分是长斜方体,所述第二部分是长斜方体。
11.如权利要求10所述的光学干涉仪,进一步包括设置在所述单件式光学元件和一测量反射元件之间的四分之一波长延迟器。
12.如权利要求11所述的光学干涉仪,其中,所述测量反射元件包括至少一个适于以基本平行于入射路径的方式反射入射光的回射元件。
13.一种光学干涉仪,包括单件式光学元件,所述单件式光学元件具有第一表面和第二表面,其中,所述第一表面不平行于所述第二表面。
14.如权利要求13所述的光学干涉仪,其中,所述单件式光学元件进一步包括回射元件,所述回射元件适于以基本平行于入射路径并且与入射路径偏开的方式反射入射光。
15.如权利要求13所述的光学干涉仪,其中,所述单件式光学元件进一步包括设置在所述第一表面和所述第二表面之间的偏振分束器。
16.如权利要求15所述的光学干涉仪,其中,所述单件式光学元件进一步包括第一部分和第二部分,所述偏振分束器设置在所述第一部分和所述第二部分之间。
17.如权利要求16所述的光学干涉仪,其中,所述第一部分包括长斜方体,所述第二部分包括棱镜。
18.如权利要求13所述的光学干涉仪,进一步包括设置在所述单件式光学元件上方的测量反射元件。
19.如权利要求18所述的光学干涉仪,进一步包括设置在所述单件式光学元件和所述测量反射元件之间的四分之一波长延迟器。
20.如权利要求13所述的光学干涉仪,进一步包括设置在单件式光学元件上方的参考反射元件。
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2008
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