專利名稱：五軸差分干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及多軸干涉儀，特別是一種五軸差分干涉儀。
背景技術(shù)：
干涉儀是對目標(biāo)裝置的位移、長度等量進(jìn)行精密測量的必不可少的工具。在干涉儀中，通過將光學(xué)路徑長度的變化轉(zhuǎn)換成位移量以對位移進(jìn)行精確測量。雙頻激光干涉儀具有分辨率高、測速快、測量范圍大、可進(jìn)行多軸同步測量等優(yōu)點，因此被廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造和納米技術(shù)中，比如用作高精度光刻機工件臺掩模臺的定位和測量。為了能同時對目標(biāo)裝置進(jìn)行長度或位移量、軸向旋轉(zhuǎn)量等多個自由度的測量，可采用包含多個激光束的多軸干涉儀，每一個激光束對應(yīng)干涉儀的一個測量軸。在多軸干涉儀中，多軸分光的光束必須具有相等的能量而且彼此互相平行。分光系統(tǒng)設(shè)計的好壞是多軸細(xì)分干涉儀成敗的關(guān)鍵所在。一個好的分光系統(tǒng)能使干涉儀具有高穩(wěn)定性和各路光束溫 度漂移的一致性。盡管多軸干涉儀已經(jīng)被成功應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，但是對其性能進(jìn)行持續(xù)提高以獲得很好的測量精度，特別是對多軸干涉儀的分光系統(tǒng)進(jìn)行不斷改進(jìn)以獲得較好的穩(wěn)定性、較低的溫漂和非線性誤差以及可調(diào)節(jié)性，仍是當(dāng)前不斷追求的目標(biāo)。因此，多軸干涉儀的分光系統(tǒng)必須進(jìn)行精心設(shè)計以確保由于光路不平衡引入的測量誤差，比如熱漂移和非線性誤差等降低到最小。目前多軸干涉儀常采用單一表面鍍多種不同要求的膜層的塊狀光學(xué)分光元件用于分光。這種分光方法對光學(xué)加工精度要求非常高，而且同一塊分光元件要在二個通光面鍍多種不同要求的膜層，對鍍膜造成很大困難。此外，由于各路分光光束在塊狀光學(xué)分光元件中走過的路徑不同，引起各路光束的溫度漂移不一致，對差分干涉儀，這種結(jié)構(gòu)通常還會引起測量光束和參考光束在介質(zhì)(如石英玻璃)中的傳輸距離的不同。由于塊狀光學(xué)分光元件的各個分光面和反射面之間的幾何位置是固定的，對每一分光束無法進(jìn)行單獨調(diào)節(jié)。因此，這種分光系統(tǒng)在應(yīng)用中存在著各路光束溫度漂移一致性較差、光路調(diào)節(jié)較難等缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種五軸差分干涉儀，該干涉儀應(yīng)具有元件易加工、光路調(diào)節(jié)相對容易、非線性誤差小和各路光束溫漂一致等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種五軸差分干涉儀，特點在于其構(gòu)成包括沿偏振正交雙頻激光入射方向依次為五軸分光系統(tǒng)和差分干涉模塊。所述的五軸分光系統(tǒng)由4個45°平面分光鏡和3個45°全反鏡組成，其位置關(guān)系如下
在偏振正交雙頻激光入射方向設(shè)置一個分光比為40%的第一 45°平面分光鏡，在該第一 45°平面分光鏡的上方依次設(shè)置分光比33%第二平面分光鏡和第一 45°全反鏡，2個50%第三平面分光鏡、第四平面分光鏡和一個全透鏡自下而上依次放置在同一個垂面上，2個第二 45°全反鏡、第三45°全反鏡自下而上依次放置在另一個與其平行的垂面上；
第一 45°平面分光鏡將入射的偏振正交雙頻激光分成40%的透射光束和60%的反射光束，該透射光束方向設(shè)置50%的第三45°平面分光鏡，經(jīng)該第三45°平面分光鏡分為能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束經(jīng)第二 45°全反鏡反射后，其傳播方向與透射光平行，從而形成下層A、B號光；
經(jīng)第一 45°平面分光鏡反射能量為60%的反射光束則經(jīng)過與第一 45°平面分光鏡上下平行放置的分光比為33%的第二 45°平面分光鏡又被分成能量相等的透射光束和反射光束；其中的反射光束又入射到50%的第四45°平面分光鏡，該第四平面分光鏡分為能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光束再經(jīng)第三45 °全反鏡反射后，使得傳播方向與透射光平行，從而形成中層C、D號光；
經(jīng)第二平面分光鏡的透射光束再經(jīng)與第二平面分光鏡上下平行放置的第一 45°全反鏡反射后也改變其傳播方向并與上述各分光束平行；該光束又入射到一個全透鏡后形成上層E號光，此處全透鏡的使用是為了使分光系統(tǒng)中每一路光束在介質(zhì)中的傳輸距離盡量相·等，從而保證各路光束溫度漂移的一致性；這樣，從激光器輸出的一束雙頻激光經(jīng)過該五軸分光系統(tǒng)后被分成能量相等且相互平行的五束光，上層一束，中、下層各兩束。所述的差分干涉模塊包括偏振分光鏡，在該偏振分光鏡的透光方向是第一四分之一波片和測量反射鏡，在該偏振分光鏡的反射光方向是第二四分之一波片和可調(diào)45°反射鏡，在該可調(diào)45°反射鏡的反射光方向是參考反射鏡。所述的參考反射鏡和測量反射鏡分別固定在測量物體上，如光刻機的工件臺和物鏡。在該偏振分光鏡的第四方設(shè)有由下向上三層排列的五個直角棱鏡。所述的五個直角棱鏡的設(shè)置如下自下而上第一層第一直角棱鏡、第二直角棱鏡；第二層第三直角棱鏡、第四直角棱鏡；第三層第五直角棱鏡。采用具有40%、33%、50%分光比的系列45°平面分光鏡和45°反射鏡的五軸分光系統(tǒng)，將入射光分成能量相等的五束平行光。這五束平行光分別被用作5個自由度的精密測量。由于采用了這種分光系統(tǒng)，對應(yīng)于每一個測量軸的光束也都能獨立調(diào)節(jié)，而且與通常的塊狀分光系統(tǒng)比較，相應(yīng)于5個測量軸的5束光在石英或玻璃介質(zhì)中的傳輸距離顯著縮短，并且這5束光在介質(zhì)中的傳輸距離相等，從而可以使各路光束的溫度漂移一致性得到明顯改善，還可以有效減小各測量軸由熱漂移引起的測量誤差。光源通常為氦氖雙頻激光器，輸出一束具有兩個能量相等、偏振方向相互垂直的線偏振光束，這兩個偏振分量有若干MHz的的頻差和高的頻率穩(wěn)定度?！獋€偏振分光鏡又將經(jīng)過五軸分光系統(tǒng)后的五束平行光根據(jù)偏振特性的不同將每一束光分成測量光和參考光。五個測量光束是五束光經(jīng)過偏振分光鏡后透射的光，而五個參考光束則是五束光經(jīng)過偏振分光鏡后被反射的光。同樣地，如果將干涉儀的組件進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹匦陆M合，參考光束與測量光束可以互換，而干涉儀的功能不變。五個測量光束經(jīng)過公用的四分之一波片后傳播到測量反射鏡上，被反射后再經(jīng)過四分之一波片進(jìn)入偏振分光鏡。由于五束測量光束兩次通過四分之一波片，因此五束測量光束的偏振方向被旋轉(zhuǎn)90° ,從而使再次進(jìn)入偏振分光鏡的五束測量光束在偏振分光鏡偏振面上被反射而不是透射。反射后的五束測量光束進(jìn)入五個直角棱鏡，隨后又被反射回到偏振分光鏡。經(jīng)過偏振分光鏡的反射，五束測量光束將再次被送入測量反射鏡進(jìn)行反射。于是經(jīng)過兩次通過四分之一波片后，五束測量光束的偏振方向又被旋轉(zhuǎn)90°，從而使再次進(jìn)入偏振分光鏡的五束測量光束在偏振分光鏡偏振面上被透射輸出。偏振分光鏡也產(chǎn)生了五束參考光束，它們是五束入射光經(jīng)過偏振分光鏡后被反射的光束。在該偏振分光鏡的反射光方向是第二四分之一波片和可調(diào)45°反射鏡,在該可調(diào)45°反射鏡的反射光方向是參考反射鏡。五個參考光束經(jīng)過公用的四分之一波片后入射到可調(diào)45°反射鏡上,經(jīng)45°反射鏡反射后改變傳輸方向并與五束測量光束平行,五束參考光束又被一個與測量反射鏡平行放置的參考反射鏡反射，其反射光又再次經(jīng)過可調(diào)45°反射鏡和四分之一波片進(jìn)入公用偏振分光鏡，偏振面轉(zhuǎn)動90°。經(jīng)過偏振分光鏡的透射和五個直角棱鏡的轉(zhuǎn)折，五束參考光束將再次經(jīng)過公用的偏振分光鏡、四分之一波片、可調(diào)45° 反射鏡和參考反射鏡重復(fù)上述過程，偏振方向再次被旋轉(zhuǎn)90°的參考光束到達(dá)偏振分光鏡45°偏振面時，將被反射輸出。隨后五束參考光束和五束測量光束分別合束，形成5個輸出光束20-24，每一束出射光束包含了共線傳輸?shù)膮⒖脊馐蜏y量光束各一束，對應(yīng)一個測量光軸。輸出光束由探測器探測并經(jīng)計算機軟件處理，通過分析每一個出射光束中的參考光束和測量光束間的拍頻信號，求解拍頻信號中的運動物體的多普勒頻移信息，就可以得到五個自由度的物體運動信息。同現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點
I、五軸分光系統(tǒng)由4個45°平面分光鏡和3個反光鏡構(gòu)成。一個40%的分光鏡首先將入射偏振激光分為兩束，其中40%的透射光束又入射到一個50%的45°平面分光鏡，并經(jīng)該分光鏡分為能量相等的透射光和反射光各一束，其中的反射光又經(jīng)過一個45°全反鏡，使得上述反射光與透射光平行；而經(jīng)過第一個40%平面分光鏡之后被反射的能量為60%的反射光束則經(jīng)過一個與其在同一條垂線上平行放置的分光比為33%的45°平面分光鏡后又被分成透射光和反射光各一束；同樣地，其中的能量為66%的反射光束經(jīng)由一個50%的45°平面分光鏡分為能量相等的透射光和反射光各一束，并使其中的反射光再次經(jīng)過一個45°全反鏡后與透射光平行傳輸；而經(jīng)過分光比為33%的45°平面分光鏡后透射的能量為33%的光束則經(jīng)過一個與其在同一條垂線上平行放置的45°全反鏡后也改變其傳播方向并與上述各分光束平行，隨后該光束再經(jīng)過一個全透鏡，以使分光系統(tǒng)中各路光束在介質(zhì)中的傳輸距離盡量相等，從而保證各路光束溫度漂移的一致性。這樣，從激光器輸出的一束雙頻激光經(jīng)過該五軸分光系統(tǒng)后最終被分成能量相等的五束光且相互平行，分別作為干涉儀五個軸的的光源提供五個自由度的精密測量。2、由于整個分光系統(tǒng)僅使用了平面分光鏡和反射鏡的組合，與通常采用的在單一表面鍍多種不同要求膜層的塊狀光學(xué)分光元件相比，具有元件易加工、光路容易調(diào)節(jié)等優(yōu)點。3、同樣，由于整個分光模塊僅使用了平面分光鏡和反射鏡的組合，能夠確保每一分光路在分光元件中走過的路徑相同，因此和通常使用的塊狀光學(xué)分光元件系統(tǒng)相比，還具有溫漂小且每一路光束的溫漂一致等優(yōu)點。4、在差分干涉模塊中，五束參考光束經(jīng)過一個可調(diào)45°反射鏡的轉(zhuǎn)折，將經(jīng)過公用偏振分光鏡和四分之一波片之后的光束改變傳播方向90° ,與測量光束平行,再入射到與測量反射鏡平行放置的參考反射鏡上。該結(jié)構(gòu)確保了測量光束和參考光束在光學(xué)元件里走過的路徑相同，具有溫度漂移小、非線性誤差低等優(yōu)點。同時由于該45°反射鏡可獨立調(diào)節(jié)，因此還具有元件易加工、光路調(diào)節(jié)相對容易等優(yōu)點。


圖I是本發(fā)明一個實施例五軸差分干涉儀立體光路原理示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖I。圖I是本發(fā)明一個實施例五軸差分干涉儀立體光路原理示意圖，也 是本發(fā)明最佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該五軸差分干涉儀包括一個包含4個45°平面分光鏡和3個反光鏡的五軸分光系統(tǒng)、一個偏振分光鏡9、第一四分之一波片10和第二四分之一波片11、一個測量反射鏡12、一個可調(diào)45°反射鏡13、一個參考反射鏡14、五個直角棱鏡15、16、17、18、19。由圖可見，本實施例由雙頻氦氖激光器輸出的具有兩個相互垂直線偏振雙頻激光束IN,經(jīng)過五軸分光系統(tǒng)后分成能量相等的五束平行光。在該分光系統(tǒng)中，一個分光比為40%的第一 45°平面分光鏡I首先將入射偏振激光IN分成兩束，其中的40%的透射光束又入射到一個分光比為50%的第三45°平面分光鏡4，并經(jīng)該第三45°平面分光鏡4分為能量相等的透射光(下層A號光)和反射光各一束，其中的反射光又經(jīng)過一個第二 45°全反鏡7后，使得傳播方向與透射光平行(下層B號光);而經(jīng)過第一 40%平面分光鏡I之后被反射的能量為60%的反射光束則經(jīng)過一個與其中心點在同一條垂線上平行放置的分光比為33%的第二45°平面分光鏡2又被分成透射光和反射光各一束；同樣地，其中的反射光束又入射到50%的第四45°平面分光鏡5，并經(jīng)該第四45°平面分光鏡5分為能量相等的透射光(中層C號光)和反射光各一束,其中的反射光又經(jīng)過第三45°全反鏡8后，使得傳播方向與透射光平行(中層D號光)；經(jīng)過第二 33%平面分光鏡2之后的透射光束再次經(jīng)過一個與其在同一條垂線上平行放置的第一 45°全反鏡3后也改變其傳播方向并與上述各分光束平行，再經(jīng)過一個全透鏡6后保持原方向傳輸(上層E號光);在該分光光路中，2個50%第三平面分光鏡4、第四平面分光鏡5以及一個全透鏡6放置在一個垂面上，2個第二 45°全反鏡7、第三45°全反鏡8放置在另一個與其平行的垂面上。這樣，從激光器輸出的雙頻激光經(jīng)過五軸分光系統(tǒng)后被分成能量相等水平偏振和垂直偏振保持不變的(消偏振)的五束光且相互平行，分別用于五軸干涉儀的五個自由度的測量。五束光相互之間距離一般在10到25mm之間，通過檢測五軸的位移，可以計算出五個自由度的變化量。隨后，一個偏振分光鏡9根據(jù)偏振特性的不同又將每一束光分別分成測量光和參考光。五個測量光束是五束光經(jīng)過偏振分光鏡9后透射的光,而五個參考光束則是五束光經(jīng)過偏振分光鏡9后被反射的光。每束測量光分別經(jīng)過公用的四分之一波片10后被測量鏡12反射，該反射光再次經(jīng)過第一四分之一波片10，兩次通過第一四分之一波片10的測量光束的偏振方向被旋轉(zhuǎn)90° ,于是測量光束在所述的偏振分光鏡9的偏振分光界面上被反射而不是透射。反射后的五束測量光束分別進(jìn)入5個直角棱鏡15、16、17、18、19,又被這五個直角棱鏡再次反射回到偏振分光鏡9。經(jīng)過偏振分光器9的反射，五束測量光束經(jīng)過四分之一波片10后將再次被測量反射鏡12反射。于是兩次通過四分之一波片10的測量光束的偏振方向又被旋轉(zhuǎn)90°，從而使得測量光束在偏振分光鏡9上被透射。最終實現(xiàn)在測量距離上重復(fù)走過4倍路徑，達(dá)到光學(xué)4細(xì)分目標(biāo)。五束參考光束與上述的五束測量光束有著類似的光束傳播過程。唯一不同的是，每束參考光經(jīng)過公用的偏振分光鏡9和四分之一波片11后，不是直接射入?yún)⒖挤瓷溏R14，而是需經(jīng)過一個可調(diào)45°反射鏡13的轉(zhuǎn)折，將參考光束傳播方向改變90°，變成與測量光束平行，并射入與測量反射鏡12平行放置的參考反射鏡14上。該結(jié)構(gòu)確保了測量光束和參考光束在光學(xué)元件里走過的路徑相同，具有溫度漂移小、非線性誤差低以及光路調(diào)節(jié)相對容易等優(yōu)點等優(yōu)點。被參考反射鏡14反射后的光再次經(jīng)過45°反射鏡13和第二四分之一波片11，兩次通過第二四分之一波片11的參考光束的偏振方向被旋轉(zhuǎn)90°，于是參考光束在所述的偏振分光鏡9的偏振分光界面上被透射而不是反射。透射 的五束參考光束分別進(jìn)入5個直角棱鏡15、16、17、18、19，又被這五個直角棱鏡再次反射回到偏振分光鏡9。經(jīng)過偏振分光器9的透射,五束參考光束經(jīng)過四分之一波片11和45°反射鏡13后將再次被參考反射鏡14反射。于是兩次通過四分之一波片11的參考光束的偏振方向又被旋轉(zhuǎn)90°，從而使得參考光束在偏振分光鏡9的偏振分光界面上被反射。最后，五束測量光束與五束參考光束分別合束，形成與某個測量軸相關(guān)聯(lián)的五束拍頻輸出光束20、21、22、23、24。帶有運動物體多普勒頻移信息的拍頻光束，經(jīng)過與水平偏振和垂直偏振互成45°軸的檢偏器，進(jìn)入光電接收器，由探測器探測并經(jīng)計算機軟件處理，獲得待測物體移動量的信息，從而給出五個自由度的精密測量。
權(quán)利要求
1.一種五軸差分干涉儀，特征在于其構(gòu)成包括沿偏振正交雙頻激光入射方向依次為五軸分光系統(tǒng)和差分干涉模塊。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的五軸差分干涉儀，其特征在于所述的五軸分光系統(tǒng)由4個45°平面分光鏡和3個45°全反鏡組成，其位置關(guān)系如下 在偏振正交雙頻激光(IN)入 射方向設(shè)置一個分光比為40%的第一 45°平面分光鏡(O,在該第一 45 °平面分光鏡(I)的上方依次設(shè)置分光比33%第二平面分光鏡(2 )和第一45°全反鏡(3)，2個50%第三平面分光鏡(4)、第四平面分光鏡(5)和一個全透鏡(6)自下而上依次放置在同一個垂面上，2個第二 45°全反鏡(7)、第三45°全反鏡(8)自下而上依次放置在另一個與其平行的垂面上； 第一 45°平面分光鏡(I)將入射的偏振正交雙頻激光(IN)分成40%的透射光束和60%的反射光束，沿該透射光束方向設(shè)置50%的第三45°平面分光鏡(4)，經(jīng)該第三45°平面分光鏡(4)分為能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束經(jīng)第二 45°全反鏡(7)反射后，其傳播方向與透射光平行，從而形成下層A、B號光； 經(jīng)第一 45°平面分光鏡(I)反射能量為60%的反射光束則經(jīng)過與第一 45°平面分光鏡(I)上下平行放置的分光比為33%的第二 45°平面分光鏡(2 )又被分成能量相等的透射光束和反射光束；其中的反射光束又入射到50%的第四45°平面分光鏡(5)，該第四平面分光鏡(5)分為能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光束再經(jīng)第三45°全反鏡(8)反射后，使得傳播方向與透射光平行，從而形成中層C、D號光； 經(jīng)第二平面分光鏡(2)的透射光束再經(jīng)與第二平面分光鏡(2)上下平行放置的第一45°全反鏡(3)反射后也改變其傳播方向并與上述各分光束平行；該光束又入射到一個全透鏡(6)后形成上層E號光；這樣,從激光器輸出的一束雙頻激光經(jīng)過該五軸分光系統(tǒng)后被分成能量相等且相互平行的五束光，上層一束，中、下層各兩束。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的五軸差分干涉儀，其特征在于所述的差分干涉模塊包括偏振分光鏡(9),在該偏振分光鏡(9)的透光方向是第一四分之一波片(10)和測量反射鏡(12),在該偏振分光鏡(9)的反射光方向是第二四分之一波片(11)和可調(diào)45°反射鏡(13)，在該可調(diào)45°反射鏡的反射光方向是參考反射鏡(14)，所述的測量鏡(12)和參考鏡(14)分別固定在測量物體上。
4.在該偏振分光鏡(9)的第四方設(shè)有由下向上三層排列的五個直角棱鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的五軸差分干涉儀，其特征在于所述的五個直角棱鏡的設(shè)置如下自下而上 第一層第一直角棱鏡(15)、第二直角棱鏡(16)； 第二層第三直角棱鏡(17)、第四直角棱鏡(18)； 第三層第五直角棱鏡(19)。
全文摘要
一種五軸差分干涉儀，構(gòu)成包括沿偏振正交雙頻激光入射方向依次為五軸分光系統(tǒng)和差分干涉模塊。所述的五軸分光系統(tǒng)由4個45°平面分光鏡和3個45°全反鏡組成。本發(fā)明具有元件易加工、光路調(diào)節(jié)方便、非線性誤差小和各路光束溫漂一致等優(yōu)點。
文檔編號G01B9/02GK102878923SQ20121039447
公開日2013年1月16日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者陳建芳, 程兆谷, 程亞, 黃惠杰, 池峰 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所