專利名稱：位置檢測(cè)裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種通過(guò)使用干涉測(cè)量無(wú)需接觸而檢測(cè)物體位置變化的位置檢測(cè)裝置和方法。
背景技術(shù)：
在需要毫微米測(cè)量的領(lǐng)域中普遍利用采用激光的邁克爾遜干涉儀。該類型的干涉儀需要從測(cè)量目標(biāo)物體接收反射的光。為此，通常需要使用鏡子。在使用鏡子的方法中，由于必須以極高的精確度調(diào)整光學(xué)校準(zhǔn)，所以通常使用立體角反射器來(lái)測(cè)量目標(biāo)以便干涉測(cè)量不會(huì)被光學(xué)校準(zhǔn)的偏差所中斷。然而，由于立體角反射器是棱鏡，所以它不能附著到極小的位置上。換句話說(shuō)，如果測(cè)量目標(biāo)對(duì)象極小，那么就不能執(zhí)行采用干涉儀的位置測(cè)量。
考慮到該情況，本發(fā)明的申請(qǐng)人建議將光線聚焦在充當(dāng)在圖8所示的測(cè)量目標(biāo)的鏡子上以便防止由鏡子校準(zhǔn)偏差所引起的干涉狀態(tài)的干擾(日本專利申請(qǐng)公開(KOKAI)No.2001-076325)。
參考圖8，由光源LD輸出的發(fā)散光束被轉(zhuǎn)換成適度聚焦的光束BEAM，通過(guò)非偏振光光束分離器NBS發(fā)射，并被偏振光光束分離器PBS分離成P偏振成分和S偏振成分。更具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)P偏振成分被透射通過(guò)PBS并被參考反射鏡M2反射時(shí)，S偏振成分被PBS反射，并被測(cè)量目標(biāo)表面M1反射。接著，這些反射的光束在偏振光光束分離器PBS組合并由非偏振光光束分離器NBS反射。由非偏振光光束分離器NBS反射的光束通過(guò)四分之一波片QWP并被轉(zhuǎn)換成線性偏振光，其偏振方向根據(jù)基于在所分離的兩個(gè)光束的路程長(zhǎng)度差的變化的相位差的變化而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該線性偏振光被分割設(shè)備GBS分割成四條光束。每條光束透射通過(guò)四個(gè)偏振設(shè)備PP1、PP2、PP3和PP4，這些偏振設(shè)備以每一個(gè)偏振方向移位45°的方式進(jìn)行配置。在此方式中，四條光束被轉(zhuǎn)換成四個(gè)信號(hào)波束，其干涉周期具有相互90°的相位差，并且通過(guò)各個(gè)感光設(shè)備PD1、PD2、PD3和PD4進(jìn)行接收，然后輸出四個(gè)周期性的信號(hào)。
在該傳統(tǒng)例子中，由于光線被聚焦在測(cè)量目標(biāo)上，既使產(chǎn)生校準(zhǔn)偏差(角度偏差)，反射光的波面也不變化。注意，反射光的中心(光軸)偏離。由于波面不變化，所以在反射光和參考光之間的干涉狀態(tài)是穩(wěn)定的。
由于該方法不使用立體角反射器，所以它可以用作新的緊湊位移傳感器，其通過(guò)使用半導(dǎo)體激光器作為光學(xué)感測(cè)頭來(lái)測(cè)量在測(cè)量目標(biāo)表面上的微小面外位移。
然而，由于該方法將光線聚焦在測(cè)量目標(biāo)的表面，所以空間分辨率變得極高。因此，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)表面的面外位移被測(cè)量時(shí)，如果在測(cè)量目標(biāo)物體上發(fā)生水平偏差等，那么也可以檢測(cè)測(cè)量目標(biāo)物體的表面形狀成分，并且測(cè)量可能變得不穩(wěn)定。因此，根據(jù)本申請(qǐng)，在表面上水平偏差方向中具有低空間分辨率以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的面外位移測(cè)量是比較好的。因?yàn)檫@個(gè)原因，需要展寬在測(cè)量目標(biāo)(鏡子)上的光照射區(qū)域。
另外，在上述方法中，通過(guò)將光線聚焦在測(cè)量目標(biāo)上來(lái)執(zhí)行測(cè)量。然而，如果存在較大面外位移，那么就不滿足光線聚焦條件，從而消弱了穩(wěn)定干涉狀態(tài)來(lái)處理校準(zhǔn)偏差的功能。為此，通常將可測(cè)量區(qū)域限制到幾十微米。因此，需要一種能夠容易校準(zhǔn)(擴(kuò)大角度偏差的容限)并以毫米級(jí)擴(kuò)大面外位移的可測(cè)量區(qū)域的方法。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到上述傳統(tǒng)例子建議了本發(fā)明，并且本發(fā)明的目的在于提供一種采用新系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置和方法，其擴(kuò)大在測(cè)量目標(biāo)表面上的光照射區(qū)域，擴(kuò)大面外位移測(cè)量區(qū)域，并且不會(huì)受到校準(zhǔn)偏差的影響。
根據(jù)本發(fā)明，通過(guò)提供一種位置檢測(cè)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)前述的目的，所述裝置包括
被配置用來(lái)分離平行入射光束并分別將分離的光束提供給參考面和測(cè)量目標(biāo)表面的光束分離器；從光源的光束形成平行光束并將平行光束提供給光束分離器以便由該光束分離器分離的分離光束分別被以某一角度入射到基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面的入射單元；用來(lái)反射所分離的光束的反射單元，所述分離光束已經(jīng)被基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并通過(guò)光束分離器結(jié)合到光路上，并被提供給光束分離器作為沿著光路的平行光束；和用來(lái)通過(guò)干涉從所述反射單元提供、由光束分離器分離、由基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并被光束分離器再次結(jié)合到光路上的返回光束來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)于所分離光束的相位差的信號(hào)的產(chǎn)生裝置。
根據(jù)下面結(jié)合附圖的描述，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將變得明顯，其中在所有附圖中相同的參考字符指代相同或類似的部分。


包含在說(shuō)明書中并構(gòu)成其一部分的附圖顯示了本發(fā)明的實(shí)施例，并與說(shuō)明書一起用來(lái)解釋本發(fā)明的原理。
圖1A和1B是根據(jù)第一實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖；圖2A和2B是在圖1A和1B所示的光學(xué)系統(tǒng)中在測(cè)量目標(biāo)表面稍微傾斜的情況下光路的示例視圖；圖3A和3B是在圖1A和1B所示的光學(xué)系統(tǒng)中測(cè)量目標(biāo)表面具有毫米級(jí)的平行面外位移情況下的光路的示例視圖；圖4A和4B是根據(jù)第二實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖；圖5A和5B是根據(jù)第三實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖；圖6A和6B是根據(jù)第四實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖；
圖7A和7B是根據(jù)第五實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖；和圖8是傳統(tǒng)干涉測(cè)量方法的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖，其中光線被聚焦在測(cè)量目標(biāo)表面上。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將根據(jù)附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
<第一實(shí)施例>
圖1A和1B是根據(jù)第一實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖。在圖1A和1B中，來(lái)自半導(dǎo)體激光器101的線性偏振光發(fā)散光被透鏡111聚焦在透鏡112的焦平面上的位置P1。從位置P1發(fā)散的線性偏振光被入射到透鏡112上，并輸出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束。注意，在該實(shí)施例中，“具有稍微成角度的光軸”意味著平行光束的光軸方向以這樣一種方式設(shè)置，即，光束分離器的透射光和反射光相對(duì)于測(cè)量目標(biāo)對(duì)象121的表面和參考鏡子122的表面的法向方向以輕微的角度入射(例如，大約1°到10°)。從透鏡112射出的平行光束通過(guò)偏振光光束分離器113的偏振部分被分離成兩個(gè)光束，即，反射光束(S偏振光)和透射光束(P偏振光)(下文全面稱為分離光束)。在反射光束(S偏振光)照射參考鏡子122的同時(shí)，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)對(duì)象(鏡子)121。各個(gè)鏡子的反射光束通過(guò)偏振光光束分離器113，并被聚焦在透鏡112的焦平面的位置P2上。注意，位置P2相對(duì)于位置P1稍微偏移。
在位置P2的鄰近處，提供反射涂層114。聚焦在位置P2的光束被反射涂層114返回到原光路。由反射涂層114反射的光束從透鏡112射出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束(具有實(shí)際上平行于入射到透鏡112上的平行光束的光軸方向的平行光束)。此后，平行光束被偏振光光束分離器113分離成兩個(gè)光束，使反射光束(S偏振光)照射到參考鏡子122和使透射光束(P偏振光)照射到測(cè)量目標(biāo)物體121。然后，各個(gè)反射的光束通過(guò)偏振光光束分離器113再次被入射到透鏡112作為具有相同光路的光束。入射到透鏡112的光束被聚焦在焦平面的位置P1，并抽取到光源側(cè)。以此方式，S偏振光束在參考鏡子122的表面和光束分離器113之間往復(fù)兩次，并且P偏振光束在測(cè)量目標(biāo)物體121的表面和光束分離器113之間往復(fù)兩次。
光束被非偏振光光束分離器102抽取到感光設(shè)備側(cè)。所抽取的光束透射通過(guò)四分之一波片103，由此被轉(zhuǎn)換成線性偏振光，該光的偏振方向根據(jù)相位差的變化而旋轉(zhuǎn)，然后通過(guò)聚光透鏡104和光圈構(gòu)件105，到達(dá)光束分割設(shè)備106，在此光束被分割成三條光束。由于入射到感光設(shè)備108上的光束擴(kuò)展，所以提供聚光透鏡104以便該光束被適當(dāng)?shù)貢?huì)聚并由感光設(shè)備108有效地接收。光圈構(gòu)件105限制在將干涉光束分割成三條光束時(shí)光束的區(qū)域，以便確保三條均勻的光束。如果沒(méi)有光圈構(gòu)件105，那么當(dāng)原光束擴(kuò)展時(shí)，所分割的三條光束重疊。以前述方式分割的三條光束的每一個(gè)通過(guò)偏振設(shè)備陣列107被入射到三分感光設(shè)備108的各個(gè)光感受器，在所述陣列中，每個(gè)偏振軸偏移60°。因此，檢測(cè)到三個(gè)干涉信號(hào)U、V和W，它們的相位被偏轉(zhuǎn)120°，其基于測(cè)量目標(biāo)物體121的面外位置。
由于通過(guò)采用利用兩個(gè)往復(fù)光路的進(jìn)行干涉測(cè)量的原理來(lái)獲得三個(gè)干涉信號(hào)U、V和W，因此，它們是具有光源波長(zhǎng)1/4周期的正弦波信號(hào)。例如，假設(shè)采用具有0.8μm波長(zhǎng)的激光二極管，那么就獲得具有0.2μm周期的正弦波信號(hào)。通過(guò)計(jì)算波數(shù)，并進(jìn)一步，通過(guò)使用已知的電子分相器電分割該信號(hào)，可以使用毫微米級(jí)的分辨率檢測(cè)相對(duì)位置偏差。
可選地，可以如此構(gòu)造，不是產(chǎn)生具有120°相位差的三種類型的干涉信號(hào)，而是可以產(chǎn)生具有90°相位差的四種或兩種類型的信號(hào)。
圖2A和2B是在圖1A和1B所示的光學(xué)系統(tǒng)中測(cè)量目標(biāo)表面稍微傾斜的情況下光路的示例視圖。由于測(cè)量目標(biāo)物體121的傾斜，從測(cè)量目標(biāo)物體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，入射到透鏡112的平行光束進(jìn)入到焦平面的位置P3，該位置相對(duì)于位置P2稍微偏移。入射到位置P3的P偏振光的光束通過(guò)在位置P2和P3鄰近處提供的反射涂層114返回到原光路。換句話說(shuō)，通過(guò)在由透鏡112和反射涂層114組成的貓眼光學(xué)系統(tǒng)中往復(fù)光束的效果，光束被以與正常光路相同的方向進(jìn)行反射，并從透鏡112輸出作為平行光束。在這些光束中，P偏振光的光束被透射通過(guò)偏振光光束分離器113，并由測(cè)量目標(biāo)物體121反射。從而，光束再次被透射通過(guò)偏振光光束分離器113，并被聚焦在透鏡112的焦平面上的位置P1，然后作為發(fā)散光輸出到光源側(cè)。
同時(shí)，來(lái)自參考鏡子122的反射光束(S偏振光)遵循理想光路，并最終聚焦在透鏡112的焦平面上的位置P1，然后作為發(fā)散光輸出到光源側(cè)。以此方式，通過(guò)測(cè)量目標(biāo)物體121的表面的光束(P偏振光)和通過(guò)參考鏡子122的光束(S偏振光)最終從透鏡122的焦平面射出。如上所述，由于符合射出位置，兩個(gè)光束的球面波的波面變得均勻，從而產(chǎn)生穩(wěn)定干涉狀態(tài)。該效應(yīng)也將應(yīng)用到下面的第二到第五實(shí)施例。
雖然測(cè)量目標(biāo)物體121的表面存在兩個(gè)不同的傾斜方向，但是唯一的不同在于在透鏡112的焦平面上聚焦光反射位置(位置P3)的偏移方向。因此，基本上可以實(shí)現(xiàn)相同的效果。如上所述，由于可以實(shí)現(xiàn)不容易受到測(cè)量目標(biāo)表面傾斜的影響的干涉光學(xué)系統(tǒng)，所以無(wú)需在測(cè)量目標(biāo)上安裝立體角反射器就可以執(zhí)行位置檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的較小尺寸設(shè)計(jì)和容易操作。
圖3A和3B是在圖1A和1B的光學(xué)系統(tǒng)中測(cè)量目標(biāo)表面具有毫米級(jí)的平行面外偏移情況下的光路的示例視圖。由于來(lái)自測(cè)量目標(biāo)物體121的反射光(P偏振光)的光軸中心平行地偏離理想光路，所以反射光束到達(dá)透鏡112的焦平面的位置P2。位置P2是基于透鏡的焦點(diǎn)距離和入射到透鏡的平行光束的入射角確定的。在圖3A和3B情況下，這些值不變。到達(dá)位置P2的P偏振光束被在位置P2的鄰近處提供的反射涂層114反射，并且從透鏡112輸出的平行光束結(jié)束遵循具有相同方向但從原光路平行偏離的光路。P偏振光的平行光束透射通過(guò)偏振光光束分離器113，并由測(cè)量目標(biāo)物體121的表面反射。在該階段，平行光束(P偏振光)通過(guò)在由透鏡112和反射涂層114構(gòu)成的貓眼光學(xué)系統(tǒng)中往復(fù)光束的效果，被以與正常光路相同的方向反射。因此，由測(cè)量目標(biāo)對(duì)象121反射的平行光束被透射通過(guò)偏振光光束分離器111，入射到透鏡112上，并聚焦在位置P1，然后作為發(fā)散光輸出到光源側(cè)。注意，分離的光束，通過(guò)光束分離器113獲得的S偏振光遵循圖1A和1B所述的理想光路，并聚焦在位置P1，然后作為發(fā)散光輸出到光源側(cè)。如上所述，由于與射出位置一致，所以兩個(gè)光束的球面波的波面變得一致，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的干涉狀態(tài)。
注意，由于光束的光軸平行偏離，所以因?yàn)橥哥R112的光學(xué)有效直徑，可能產(chǎn)生衰落。另外，當(dāng)反射光與參考光干涉時(shí)，波平面的重疊區(qū)域由于光軸不匹配而變小。為此，面外位移變得越大，通過(guò)接收與感光設(shè)備陣列干涉的光束而獲得的信號(hào)幅度減小越多。但是，例如，假設(shè)測(cè)量目標(biāo)表面的光照射角θ為5°，并且面外位移為1mm，那么按如下來(lái)獲得光軸偏差XX＝4mm×tanθ＝0.34mm如果光束直徑Φ是毫米級(jí)的，確保干涉光束的大約50％重疊。從而，既使產(chǎn)生大約1mm的面外位移，也可以執(zhí)行測(cè)量(注意，上面的值是粗略標(biāo)準(zhǔn))。
如上所述，第一實(shí)施例使用相干光源，相對(duì)于測(cè)量目標(biāo)表面的法向稍微以一個(gè)角度輻射具有毫米級(jí)的光束直徑的平行光束到測(cè)量目標(biāo)表面。反射的光束通過(guò)貓眼光學(xué)系統(tǒng)接收，然后將來(lái)自貓眼的光學(xué)系統(tǒng)的反射光束再次照射回到測(cè)量目標(biāo)表面，并獲得在發(fā)射光和參考光之間的干涉。因此，本實(shí)施例具有這樣的好處，即，面外位移的測(cè)量區(qū)域可以按毫米級(jí)擴(kuò)大，并且其不容易受到光學(xué)校準(zhǔn)的偏差的影響。
<第二實(shí)施例>
在第一實(shí)施例中，采用在透鏡的焦平面上的透鏡112和鏡子114來(lái)構(gòu)造貓眼光學(xué)系統(tǒng)。在第二實(shí)施例中，在其末端表面具有反射涂層的所謂的1/4間距漸變折射率桿透鏡構(gòu)成所述貓眼光學(xué)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)與第一實(shí)施例相似的效果。
圖4A和4B是根據(jù)第二實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖。來(lái)自半導(dǎo)體激光器101的線性偏振光發(fā)散光透射通過(guò)透鏡211和楔形棱鏡212(棱鏡212是用來(lái)改變主光束的方向的設(shè)備)，并入射到所謂的1/4間距漸變折射率桿透鏡213的末端表面的位置P21作為具有稍微成角度的光軸的聚焦光束。在采用漸變折射率桿透鏡213作為貓眼設(shè)備的情況下，需要偏轉(zhuǎn)光束在貓眼設(shè)備上的入射角度，并且需要從中心偏移光束的焦點(diǎn)位置，如圖4A和4B所示的那樣。由于這種配置，反射位置可以從入射位置偏移，并且來(lái)自漸變折射率桿透鏡213的射出光線可以從入射到漸變折射率桿透鏡213的光中被空間地分離。入射到漸變折射率桿透鏡213的光束被輸出作為來(lái)自透鏡213的其它表面的平行光束，并被偏振光光束分離器214的偏振部分分離成兩個(gè)光束。在由偏振光光束分離器214獲得的反射光束(S偏振光)照射到參考鏡子222上的同時(shí)，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體221的表面(鏡子)。各個(gè)反射的光束通過(guò)偏振光光束分離器214，并聚焦在漸變折射率桿透鏡213的焦平面的位置P22上。
通過(guò)在位置P22鄰近處提供的反射涂層215，聚焦光束被返回到原光路，然后作為平行光束從漸變折射率桿透鏡213射出，并被偏振光光束分離器214再次分離成兩個(gè)光束。然后，反射光束(S偏振光)照射參考鏡子222，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體221。各個(gè)反射光束再次通過(guò)偏振光光束分離器213入射到漸變折射率桿透鏡213。從而，可以從漸變折射率桿透鏡213末端表面的位置P21抽取發(fā)散光束。以此方式，S偏振光在參考鏡子222的表面和偏振光光束分離器214之間往復(fù)兩次，并且P偏振光束在測(cè)量目標(biāo)物體221的表面和偏振光光束分離器214之間往復(fù)兩次。
從由位置P21發(fā)散的光束中獲得干涉信號(hào)的結(jié)構(gòu)類似于第一實(shí)施例。更具體來(lái)說(shuō)，從位置P21發(fā)散的光束被非偏振光光束分離器102抽取到感光設(shè)備側(cè)。所抽取的光束透射通過(guò)四分之一波片103，從而被轉(zhuǎn)換成線性偏振光，其偏振方向根據(jù)相位差的變化而旋轉(zhuǎn)。該光束被光束分割設(shè)備106分割成三條光束。三條光束的每一個(gè)被通過(guò)偏振設(shè)備陣列107入射到三分感光設(shè)備108的各個(gè)光感受器上，在所述陣列中，每個(gè)偏振軸被偏移60°。因此，檢測(cè)到三種干涉信號(hào)，它們的相位被偏移120°，其基于測(cè)量目標(biāo)物體221的面外位移。
如上所述，由于采用漸變折射率桿透鏡作為貓眼光學(xué)設(shè)備，所以第二實(shí)施例獲得了實(shí)現(xiàn)小型和穩(wěn)定光學(xué)系統(tǒng)的效果。
<第三實(shí)施例>
圖5A和5B是根據(jù)第三實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖。
如圖5A和5B所示，來(lái)自半導(dǎo)體激光器101的線性偏振光發(fā)散光透射通過(guò)準(zhǔn)直透鏡102，并且產(chǎn)生并輸出具有稍微成角度的光軸的平行光束。該平行光束被偏振光光束分離器312的偏振部分分離成兩個(gè)光束。在反射光束(S偏振光)照射參考鏡子322的同時(shí)，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體321的表面(鏡子)。各個(gè)反射的光束通過(guò)偏振光光束分離器312入射到所謂的1/4間距漸變折射率桿透鏡313。在漸變折射率桿透鏡313中，入射光束被聚焦在末端表面上的位置P32，并通過(guò)在位置P32的鄰近處提供的反射涂層314返回到原光路。以此方式，所述平行光束從漸變折射率桿透鏡313射出，并被偏振光光束分離器312再次分離兩個(gè)光束。然后，反射光束(S偏振光)照射參考鏡子322，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體321的表面。各個(gè)反射光束通過(guò)偏振光光束分離器312被抽取到光束分離器312。從而，所分離的S偏振光束在參考鏡子322的表面和光束分離器312之間往復(fù)兩次，并且所分離的P偏振光束在測(cè)量目標(biāo)物體321的表面和光束分離器312之間往復(fù)兩次。
從以上述方式在光源側(cè)抽取的光束中，通過(guò)類似于第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)獲得干涉信號(hào)。更具體來(lái)說(shuō)，所述光束是由非偏振光光束分離器102在感光設(shè)備側(cè)抽取的。所抽取的光束透射通過(guò)四分之一波片103，從而被轉(zhuǎn)換成線性偏振光，其偏振方向根據(jù)相位差的變化進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。該光束被波束分割設(shè)備GBS 106分割成三條光束。三條光束的每一個(gè)通過(guò)偏振設(shè)備陣列107被入射到三分感光設(shè)備108的各個(gè)光感受器，在所述陣列中，每個(gè)偏振軸被偏移60°。以此方式，檢測(cè)到三種干涉信號(hào)，它們的相位被偏移120°，其基于測(cè)量目標(biāo)物體321的面外位移。
注意，在第三實(shí)施例中采用的漸變折射率桿透鏡313和反射涂層314相當(dāng)于貓眼的功能。它們可以由圖1的棱鏡和安裝在透鏡的焦平面上的反射涂層來(lái)替換。
<第四實(shí)施例>
圖6A和6B是根據(jù)第四實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖。
在第四實(shí)施例中，來(lái)自半導(dǎo)體激光器101的線性偏振光發(fā)散光通過(guò)透鏡411以光纖的偏振軸匹配光束的偏振面的方式被入射到保偏光纖402。光纖的另一末端面安排在透鏡412的焦平面上的位置P41處用來(lái)輸出發(fā)散光。該發(fā)散光被透鏡412轉(zhuǎn)換成平行光束，并輸出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束。該平行光束被偏振光光束分離器413分離成具有各自偏振成分的兩條光束。在該兩條光束中，反射光束(S偏振光)照射到參考鏡子422，透射光束(P偏振光)照射到測(cè)量目標(biāo)物體421的表面(鏡子)。
各個(gè)反射的光束通過(guò)偏振光光束分離器413，聚焦在透鏡412的焦平面上的位置P42，并通過(guò)在位置P42的鄰近處提供的反射涂層414返回到原光路。以此方式，平行光束再次從透鏡412射出。該平行光束被偏振光光束分離器413分離為兩條光束。反射光束(S偏振光)照射參考鏡子422，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體421的表面(鏡子)。各個(gè)反射的光束被通過(guò)偏振光光束分離器413入射到透鏡412，并投向透鏡412的焦平面上的位置P41。從而，S偏振光在參考鏡子422的表面和光束分離器413之間往復(fù)兩次，并且P偏振光束在測(cè)量目標(biāo)物體421的表面和光束分離器413之間往復(fù)兩次。
由非偏振光光束分離器102在感光設(shè)備側(cè)抽取的光束被設(shè)置在存在保偏光纖402的末端面的位置P41之前。此后，通過(guò)類似于第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生干涉信號(hào)。更具體來(lái)說(shuō)，所抽取的光束透射通過(guò)四分之一波片103，從而被轉(zhuǎn)換成線性偏振光，其偏振方向根據(jù)相位差的變化而旋轉(zhuǎn)。線性偏振光的光束被光束分割設(shè)備106分割成三條光束。三條光束的每一個(gè)通過(guò)偏振設(shè)備陣列107被入射到三分感光設(shè)備108的各個(gè)光感受器上，在所述陣列中，每個(gè)偏振軸被偏轉(zhuǎn)60°。結(jié)果，檢測(cè)到三種干涉信號(hào)，它們的相位被偏轉(zhuǎn)120°，其基于測(cè)量目標(biāo)物體表面(測(cè)量目標(biāo)物體421的表面)的面外位移。由于使用光纖將光源與檢測(cè)頭單元隔離開來(lái)，所以可以很容易地小型化檢測(cè)頭以進(jìn)行位置檢測(cè)，并且由于避免了光源熱產(chǎn)生的影響，所以有效地穩(wěn)定了干涉狀態(tài)。
<第五實(shí)施例>
圖7A和7B是根據(jù)第五實(shí)施例的激光干涉儀的光學(xué)系統(tǒng)的示例視圖。通過(guò)改進(jìn)第一或第四實(shí)施例，以這樣一種方式構(gòu)造第五實(shí)施例，即，來(lái)自光源側(cè)的前向光路空間上與去向感光設(shè)備側(cè)的返回光路隔離開。
來(lái)自半導(dǎo)體激光器101的線性偏振光發(fā)散光通過(guò)透鏡411以光纖的偏振軸匹配光束的偏振面的方式被入射到保偏光纖402。光纖402的另一末端面稍微成一角度被安排在透鏡412的焦平面上，以輸出發(fā)散光束。該發(fā)散光束通過(guò)透鏡412被轉(zhuǎn)換成平行光束，并輸出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束。該平行光束被偏振光光束分離器413分離成具有各自偏振成分的兩條光束。反射光束(S偏振光)照射參考鏡子422的表面，并且透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體421的表面。各個(gè)反射光束通過(guò)偏振光光束分離器413入射到透鏡412，被聚焦在透鏡412的焦平面上的位置P52。聚焦在位置P52的光束通過(guò)在位置P52鄰近處提供的反射涂層414返回到下一個(gè)區(qū)域的光路，并作為平行光束從透鏡412再次射出。
所射出的平行光束被偏振光光束分離器413再次分離成兩個(gè)光束。反射光束(S偏振光)照射參考鏡子422的表面，透射光束(P偏振光)照射測(cè)量目標(biāo)物體421的表面(鏡子)。各個(gè)反射光束通過(guò)偏振光光束分離器413被入射到透鏡412，聚焦在透鏡412的焦平面上的位置P51，并輸出到光纖側(cè)。以此方式，S偏振光束在參考鏡子422的表面和光束分離器413之間往復(fù)兩次，并且P偏振光束在測(cè)量目標(biāo)物體421的表面和光束分離器413之間往復(fù)兩次。
在第五實(shí)施例中，在返回路徑中的光束由部分反射光束分離器511空間地抽取，該分離器安置在于前向路徑中存在保偏光纖的末端面的位置P51之前。所抽取的光束透射通過(guò)四分之一波片103，從而被轉(zhuǎn)換成偏振方向根據(jù)相位差的變化而旋轉(zhuǎn)的線性偏振光。該線性偏振光被光束分割設(shè)備106分割成三條光束。三條光束的每一條通過(guò)偏振設(shè)備陣列107被入射到三分感光設(shè)備108的各個(gè)光感受器，在所述陣列中，每個(gè)偏振軸被偏轉(zhuǎn)60°。因而，檢測(cè)到三個(gè)干涉信號(hào)，它們的相位被偏轉(zhuǎn)120°，其基于測(cè)量目標(biāo)物體421的表面的面外位移。注意，部分反射光束分離器511可以由微棱鏡來(lái)代替。
面外位移的可測(cè)量區(qū)域只有在邁克爾遜干涉儀照射平行光束的情況下通過(guò)光源的相干性來(lái)確定。為了小型化設(shè)計(jì)，需要表面發(fā)射激光二極管作為光源(半導(dǎo)體激光器101)。但是，表面發(fā)射激光二極管可能會(huì)產(chǎn)生返回光的橫模變化，這會(huì)產(chǎn)生偏振平面移動(dòng)的現(xiàn)象。為此，需要一種防止光返回到表面發(fā)射激光二極管的措施。在第五實(shí)施例中，由于投向光源側(cè)的光束可以由部分反射光束分離器511切斷，所以在前述方面是有利的。注意，在實(shí)現(xiàn)第一到第四實(shí)施例的情況中，優(yōu)選地提供隔離器等來(lái)消除返回光。
注意，在上述每個(gè)實(shí)施例中，第一到第四實(shí)施例采用非偏振光光束分離器102以及第五實(shí)施例采用部分反射光束分離器511作為抽取干涉光束到感光設(shè)備側(cè)的設(shè)備，該干涉光束在參考鏡子和偏振光光束分離器之間以及在測(cè)量目標(biāo)鏡子和偏振光光束分離器之間往復(fù)兩次。然而，可以采用部分參考光束分離器511來(lái)代替非偏振光光束分離器102，或者可以使用非偏振光光束分離器102來(lái)代替部分反射光束分離器511?？蛇x地，可以使用微棱鏡來(lái)代替這些設(shè)備。
根據(jù)上述實(shí)施例，可以獲得下面的效果。
(1)由于使用了毫米級(jí)的平行光照射，所以不容易受到測(cè)量目標(biāo)表面上的表面形狀或微小劃痕的影響。
(2)通過(guò)結(jié)合具有極好相干性的光源而使用毫米級(jí)平行光照射，可以實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)的測(cè)量區(qū)域。
(3)由于實(shí)現(xiàn)了采用貓眼設(shè)備的兩次往復(fù)路徑(兩次往復(fù)干涉測(cè)量光學(xué)系統(tǒng))，所以可以實(shí)現(xiàn)高分辨率(可以輸出具有光源波長(zhǎng)的1/4周期的正弦波信號(hào))。
(4)由于采用貓眼設(shè)備的兩次往復(fù)干涉測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)，所以既使在測(cè)量目標(biāo)表面存在校準(zhǔn)偏差也可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)量。
(5)尤其根據(jù)第五實(shí)施例，由于前向光路空間上與返回光路隔離開，所以可以消除返回到光源的光；從而，無(wú)需使用隔離器等就可以進(jìn)行更穩(wěn)定的測(cè)量。
(6)由于避免了使用安裝在測(cè)量目標(biāo)部分的立體角反射器和用于參考光束的內(nèi)部立體角反射器(第一到第五實(shí)施例)，并且還通過(guò)通常使用貓眼透鏡和準(zhǔn)直透鏡(第三實(shí)施例)，所以可以實(shí)現(xiàn)小型設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)。
(7)由于減少了暴露在空氣中的部分，所以可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的測(cè)量(暴露在空氣中的部分是從偏振光光束分離器到測(cè)量目標(biāo)表面的光路，在此光束在空中通過(guò)。當(dāng)在該部分的空氣振動(dòng)時(shí)，在干涉信號(hào)中會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。因此，暴露部分越短，測(cè)量就越穩(wěn)定)。
根據(jù)本發(fā)明，可以提供一種采用新系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置和方法，其擴(kuò)大在測(cè)量目標(biāo)表面上的光照射區(qū)域，擴(kuò)大面外位移測(cè)量區(qū)域，并且不會(huì)受到校準(zhǔn)偏差的影響。
本發(fā)明不局限于上述實(shí)施例，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以進(jìn)行各種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種位置檢測(cè)裝置，包括光束分離器，其被配置用來(lái)分離平行入射光束并分別將分離的光束提供給參考面和測(cè)量目標(biāo)表面；入射單元，其從光源的光束形成平行光束并將平行光束提供給所述光束分離器，以便由所述光束分離器分離的分離光束分別被以某一角度入射到參考面和測(cè)量目標(biāo)表面；反射單元，其用來(lái)反射分離的光束，所述分離的光束已經(jīng)被基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并通過(guò)所述光束分離器結(jié)合到光路，作為沿著光路的平行光束被提供給所述光束分離器；和產(chǎn)生裝置，其用來(lái)通過(guò)干涉從所述反射單元提供、由所述光束分離器分離、由基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并被所述光束分離器再次結(jié)合到光路上的返回光束來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)于分離光束的相位差的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，所述入射單元包括聚焦裝置，其用來(lái)將來(lái)自所述光源的光束聚焦在第一位置；和第一透鏡，其被安置成具有作為焦點(diǎn)的第一位置，其用來(lái)將在第一位置發(fā)散的光束轉(zhuǎn)換成平行光束，和所述反射單元通過(guò)所述第一透鏡將具有結(jié)合的光路的分離光束聚焦在作為所述第一透鏡的焦點(diǎn)的第二位置，該第二位置不同于第一位置，并且所述反射單元包括用來(lái)在第二位置將分離光束反射朝向所述第一透鏡的反射構(gòu)件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，所述入射單元包括用來(lái)將來(lái)自光源的光束聚焦在第一位置的裝置；和用來(lái)接收入射到第一位置的光束并產(chǎn)生平行光束的漸變折射率透鏡，和所述反射單元通過(guò)所述漸變折射率透鏡將具有結(jié)合的光路的分離光束聚焦在不同于第一位置的第二位置，并且所述反射單元包括用來(lái)在第二位置反射分離光束的反射構(gòu)件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中，所述入射單元包括將來(lái)自光源的光束轉(zhuǎn)換成平行光束的準(zhǔn)直透鏡，和所述反射單元包括用來(lái)將具有結(jié)合的光路的分離光束聚焦在焦平面上的漸變折射率透鏡；和在所述焦平面上提供的反射構(gòu)件。
5.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中，所述聚焦裝置包括用來(lái)把來(lái)自光源的光束聚焦在第一位置上的第二透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中，所述聚焦裝置包括用來(lái)傳播來(lái)自光源的光并具有在第一位置的輸出末端的光纖。
7.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中，所述第一位置是在所述漸變折射率透鏡的末端面提供的透射部分，所述第二位置是在所述漸變折射率透鏡的該末端面上提供的反射部分。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中，所述光纖相對(duì)于所述第一透鏡以返回光束的光路在空間上與投向所述第一透鏡的光路隔離開的方式、按預(yù)定的角度進(jìn)行安置，和所述產(chǎn)生裝置從安置在返回光束的光路上的反射構(gòu)件抽取光束并引起該光束的干涉。
9.一種采用光束分離器的位置檢測(cè)方法，所述光束分離器被配置用來(lái)分離入射平行光束并將分離的光束分別提供給參考面和測(cè)量目標(biāo)表面，所述方法包括步驟從光源的光束形成平行光束，并以由光束分離器從平行光束獲得的分離光束分別以某一角度入射到基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面的方式，將該平行光束提供給光束分離器；反射已經(jīng)由基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并由光束分離器結(jié)合到光路的分離光束，以作為沿著光路的平行光束提供給光束分離器；和通過(guò)干涉已從所述反射單元提供、由光束分離器分離、由基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并被所述光束分離器再次結(jié)合到光路上的光束來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)于分離光束的相位差的信號(hào)。
全文摘要
一種位置檢測(cè)裝置，包括入射單元，其用來(lái)從光源的光束形成平行光束，并以由光束分離器從平行光束獲得的分離光束分別被以某一角度入射到基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面的方式將平行光束提供給光束分離器；用來(lái)反射分離光束的反射單元，所述分離光束已經(jīng)被基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并通過(guò)光束分離器結(jié)合到光路上，以作為沿著光路的平行光束提供給光束分離器，并通過(guò)干涉從所述反射單元提供、由光束分離器分離、由基準(zhǔn)面和測(cè)量目標(biāo)表面反射并被所述光束分離器再次結(jié)合到光路上的返回光束來(lái)產(chǎn)生相應(yīng)于分離光束的相位差的信號(hào)。
文檔編號(hào)G01D5/28GK1760633SQ20051011367
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月15日
發(fā)明者石塚公 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社