一種光學八細分線性干涉儀的制作方法
【專利摘要】一種光學八細分線性干涉儀，包括偏振分光棱鏡、矩形角鏡、第一四分之一波片、第二四分之一波片、第一角錐棱鏡和第二角錐棱鏡，其中，所述矩形角鏡膠結于偏振分光棱鏡入射面的一個側(cè)面的上半部分，且矩形角鏡的膠合面、偏振分光棱鏡的入射面和分束面交于同一側(cè)棱；所述第一四分之一波片膠結于偏振分光棱鏡入射面的正對面；第二四分之一波片膠結于偏振分光棱鏡入射面的另一個側(cè)面；所述第一角錐棱鏡作為測量臂角錐棱鏡，與被測對象固結且其折射面對應第一四分之一波片，所述第二角錐棱鏡作為參考臂角錐棱鏡，且其折射面對應第二四分之一波片，本發(fā)明可提高現(xiàn)有線性干涉儀的測量分辨率，降低測量非線性。
【專利說明】一種光學八細分線性干涉儀
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于精密位移測量【技術領域】，特別涉及一種光學八細分線性干涉儀。
【背景技術】
[0002]雙頻激光干涉測量具有測量精度高、實時動態(tài)性能好、測量配置便捷、環(huán)境適應性強等優(yōu)點，廣泛應用在精密機床標定、大規(guī)模集成電路光刻機工件臺和研磨臺的精密定位等諸多領域。
[0003]一個典型的雙頻激光干涉測量系統(tǒng)包含雙頻穩(wěn)頻激光頭、干涉儀和測量電子模塊。其中干涉儀通過偏振分束構成參考光路和測量光路，合束后的外差干涉信號經(jīng)探測器檢測，輸入測量電子模塊進行位移解算。在雙頻激光干涉測量系統(tǒng)中，位移的變化反映在光程的變化上，光程差變化一個波長，對應干涉信號相位變化360°。其位移測量分辨率由以下兩方面決定:1)光程差和位移量的比值，由干涉儀的光學細分確定，通常，采用角鏡為靶鏡的線性干涉儀的光學細分為2 ;2)360°內(nèi)的相位細分，測量電子模塊實現(xiàn)，目前可以達到512，1024甚至更高的細分。目前，商用的雙頻激光干涉系統(tǒng)可以實現(xiàn)0.3nm甚至更高的位移測量分辨率。但是，由于測量光學其中的缺陷，導致被測信號中疊加有一個周期性的相位誤差，使得測量相位信息與被測位移之間存在非線性關系，直接限制了雙頻干涉儀測量精度的提高。研究表明，這種非線性誤差不具有累加性，以一個光程差為周期變化，商用線性干涉儀該值可達4nm。在諸多減小非線性誤差的方法中，合理設計干涉儀光路，提高光程差和位移量的比值關系即提高光學細分數(shù)是最為直接和有效的提升方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服上述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種光學八細分線性干涉儀，可提高現(xiàn)有線性干涉儀的測量分辨率，降低測量非線性。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術方案是:
[0006]一種光學八細分線性干涉儀，包括偏振分光棱鏡100、矩形角鏡200、第一四分之一波片300、第二四分之一波片500、第一角錐棱鏡400和第二角錐棱鏡600，其中，所述矩形角鏡200膠結于偏振分光棱鏡100入射面的一個側(cè)面的上半部分，且矩形角鏡200的膠合面、偏振分光棱鏡100的入射面和分束面交于同一側(cè)棱；所述第一四分之一波片300膠結于偏振分光棱鏡100入射面的正對面；第二四分之一波片500膠結于偏振分光棱鏡100入射面的另一個側(cè)面；所述第一角錐棱鏡400作為測量臂角錐棱鏡，與被測對象固結且其折射面對應第一四分之一波片300，所述第二角錐棱鏡600作為參考臂角錐棱鏡，且其折射面對應第二四分之一波片500。
[0007]所述第一四分之一波片300和第二四分之一波片500在出射面分區(qū)域鍍膜，其中與矩形角鏡200對應高度的出射面上鍍增透膜，在其余位置鍍高反膜。
[0008]所述第一四分之一波片300的上半部分301和第二四分之一波片500的上半部分501均鍍增透膜，第一四分之一波片300的下半部分302和第二四分之一波片500的下半部分502均鍍高反膜。
[0009]所述第一四分之一波片300和第二四分之一波片500為采用相同材料和工藝制造的真零級波片，并按玻璃、石英波片、玻璃的三明治結構膠合，具有相同的光學厚度，且波片光軸均沿對角線方向。
[0010]所述第一角錐棱鏡400和第二角錐棱鏡600用于參考臂和測量臂的回光，采用相同玻璃制造，鍍鋁反射膜，且兩鏡頂點到各自鏡底面的距離相同。
[0011]所述光學八細分線性干涉儀的入射光源來自雙頻激光器，包含垂直偏振輸出頻率fi和水平偏振輸出頻率f2，且兩頻率之差在幾十MHz以內(nèi)。
[0012]入射光束經(jīng)偏振分光棱鏡100分束后,參考光路四次往返于第二角錐棱鏡600，測量光路四次往返于第一角錐棱鏡400。
[0013]參考光路和測量光路合束后輸出光信號經(jīng)光電檢測與相位解算，計算出位移信息，所求位移量是光程變化量的1/8，即具有光學八細分功能。
[0014]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明光學八細分線性干涉儀中，回光光束具備普通線性干涉儀中不受測量角錐棱鏡繞頂點的偏擺、俯仰和滾轉(zhuǎn)誤差影響的特性，此外，本發(fā)明中回光光束還不受角鏡整體上下移動誤差的影響，具有比普通線性干涉儀更好的回光穩(wěn)定性。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明結構示意圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例詳細說明本發(fā)明的實施方式。
[0017]以下結合附圖1對本發(fā)明作進一步的詳細描述。本發(fā)明所提出的光學八細分線性干涉儀由偏振分光棱鏡100、矩形角鏡200、第一四分之一波片300、第二四分之一波片500、第一角錐棱鏡400和第二角錐棱鏡600構成。其中偏振分光棱鏡100、矩形角鏡200、第一四分之一波片300和第二四分之一波片500通過膠合的方法集成為偏振分光棱鏡組件,非常有利于測量現(xiàn)場的安裝和調(diào)節(jié)。
[0018]偏振分光棱鏡組件在膠合時，先將矩形角鏡200膠結于偏振分光棱鏡100入射面的一個側(cè)面的上半部分，使得矩形角鏡200的膠合面、偏振分光棱鏡100入射面和分束面匯于同一側(cè)棱。然后將第一四分之一波片300膠結于偏振分光棱鏡100入射面的正對面；將第二四分之一波片500膠結于偏振分光棱鏡100入射面的另一個側(cè)面，即矩形角鏡200的正對面。其中第一四分之一波片300的上半部分301和第二四分之一波片500的上半部分501鍍增透膜；第一四分之一波片300的下半部分302和第二四分之一波片500的下半部分502鍍高反膜。所用兩片四分之一波片為采用相同材料和工藝制造的真零級波片，并按玻璃、石英波片、玻璃的三明治結構膠合，具有相同的光學厚度，且波片光軸均沿對角線方向。
[0019]在測量應用中，第一角錐棱鏡400作為測量臂角錐棱鏡，，即靶鏡，與被測對象固結，其折射面對應第一四分之一波片300。第二角錐棱鏡600作為參考臂角錐棱鏡，與偏振分光棱鏡組件固定，且其折射面對應第二四分之一波片500 ο所選用第一角錐棱鏡400和第二角錐棱鏡600采用相同材料和工藝制作，三直角面鍍鋁反射膜，減小角鏡引入的非線性，且兩角鏡頂點到角鏡地面的距離相同。[0020]圖1標示了應用本發(fā)明光學八細分線性干涉儀時的完整光路。來自雙頻激光器的輸入光束經(jīng)偏振分光棱鏡100分束。一方面,水平偏振的輸出頻率f2在分束面透過。之后歷經(jīng)第一四分之一波片的上半部分301透射，第一角錐棱鏡400折返，第一四分之一波片的下半部分302反射，第一角錐棱鏡400 二次折返，第一四分之一波片的上半部分301 二次透射，偏振態(tài)變?yōu)榇怪逼?。該垂直偏振光?jīng)偏振分光棱鏡100分束面反射、矩形角鏡200折返、偏振分光棱鏡100分束面再次反射后，又一次歷經(jīng)第一四分之一波片的上半部分301透射，第一角錐棱鏡400折返,第一四分之一波片的下半部分302反射,第一角錐棱鏡400 二次折返，第一四分之一波片的上半部分301 二次透射，偏振態(tài)重新變?yōu)樗狡?，后透過偏振分光棱鏡100，形成測量信號。另一方面，垂直偏振的輸出頻率4在分束面反射。之后歷經(jīng)第二四分之一波片的上半部分502透射，第二角錐棱鏡600折返，第二四分之一波片的下半部分502反射，第二角錐棱鏡600 二次折返，第二四分之一波片的上半部分501 二次透射，偏振態(tài)變?yōu)樗狡?。該水平偏振光?jīng)偏振分光棱鏡100分束面透射、矩形角鏡200折返、偏振分光棱鏡100分束面再次透射后，又一次歷經(jīng)第二四分之一波片的上半部分501透射，第二角錐棱鏡600折返,第二四分之一波片的下半部分502反射,第二角錐棱鏡600 二次折返，第二四分之一波片的上半部分501 二次透射，偏振態(tài)重新變?yōu)榇怪逼?，后在偏振分光棱鏡100分束面反射，形成參考信號并與測量信號重新合束。合束后的信號經(jīng)光電檢測和相位解算，即可以求出位移信息。
[0021]從圖1中可以看出，本干涉儀中光束四次往返于偏振分光棱鏡組件和角錐棱鏡之間，當位移量發(fā)生Λ X的變化時，光程變化量為8X Λ X，即干涉儀具有光學八細分能力。同時，本干涉儀參考臂和測量臂所經(jīng)過玻璃的光學厚度相同，可大大減小材料熱漂移的影響。此外，普通線性干涉儀對測量臂角錐棱鏡繞角錐頂點的偏擺、俯仰和滾轉(zhuǎn)不敏感，對角錐棱鏡上下、左右的平移敏感，而本發(fā)明在保留普通線性干涉儀對測量臂角錐棱鏡繞角錐頂點偏擺、俯仰和滾轉(zhuǎn)不敏感的基礎上，還對上下平移不敏感。
[0022]綜上所述，本發(fā)明光學八細分線性干涉儀非常適用于測量分辨率要求高、被測對象運動導軌運動性能受限的線性測量應用中。
【權利要求】
1.一種光學八細分線性干涉儀，其特征在于，包括偏振分光棱鏡(100)、矩形角鏡(200)、第一四分之一波片(300)、第二四分之一波片(500)、第一角錐棱鏡(400)和第二角錐棱鏡(600)，其中，所述矩形角鏡(200)膠結于偏振分光棱鏡(100)入射面的一個側(cè)面的上半部分，且矩形角鏡(200)的膠合面、偏振分光棱鏡(100)的入射面和分束面交于同一側(cè)棱；所述第一四分之一波片(300)膠結于偏振分光棱鏡(100)入射面的正對面；第二四分之一波片(500)膠結于偏振分光棱鏡(100)入射面的另一個側(cè)面；所述第一角錐棱鏡(400)作為測量臂角錐棱鏡，與被測對象固結且其折射面對應第一四分之一波片(300)，所述第二角錐棱鏡(600)作為參考臂角錐棱鏡，且其折射面對應第二四分之一波片(500)。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，所述第一四分之一波片(300)和第二四分之一波片(500)在矩形角鏡(200)對應高度的出射面上鍍增透膜，在其余位置鍍高反膜。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，所述第一四分之一波片(300)的上半部分(301)和第二四分之一波片(500)的上半部分(501)均鍍增透膜，第一四分之一波片(300)的下半部分(302)和第二四分之一波片(500)的下半部分(502)均鍍高反膜。
4.根據(jù)權利要求1所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，所述第一四分之一波片(300)和第二四分之一波片(500)為采用相同材料和工藝制造的真零級波片，并按玻璃、石英波片、玻璃的三明治結構膠合，具有相同的光學厚度，且波片光軸均沿對角線方向。
5.根據(jù)權利要求1 所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，所述第一角錐棱鏡(400)和第二角錐棱鏡(600)采用相同玻璃制造，鍍鋁反射膜，且兩鏡頂點到各自鏡底面的距離相同。
6.根據(jù)權利要求1所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，所述光學八細分線性干涉儀的入射光源來自雙頻激光器，包含垂直偏振輸出頻率和水平偏振輸出頻率f2，且兩頻率之差在幾十MHz以內(nèi)。
7.根據(jù)權利要求1所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，入射光束經(jīng)偏振分光棱鏡(100)分束后，參考光路四次往返于第二角錐棱鏡(600)，測量光路四次往返于第一角錐棱鏡(400)。
8.根據(jù)權利要求7所述的光學八細分線性干涉儀，其特征在于，參考光路和測量光路合束后輸出光信號經(jīng)光電檢測與相位解算，計算出位移信息，所求位移量是光程變化量的1/8。
【文檔編號】G01B11/02GK104006739SQ201410234521
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年5月29日 優(yōu)先權日:2014年5月29日
【發(fā)明者】王君博, 尉昊赟, 趙世杰, 李巖 申請人:清華大學