专利名称：用于位移测量干涉仪的分立四分之一波片的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于位移测量干涉仪的分立四分之一波片。
背景技术：
位移测量干涉仪(“DMI”)是本领域熟知的，并且用于以高精度和分辨率水平测量小位移和长度已有数十年。在这些设备中，氦氖位移测量激光干涉仪由于其高度的稳定性和单色性而得到了比较普遍的应用。干涉仪需要对反射镜进行仔细的对准，这种对准必须长期维持，但是这可能存在相当大的实际困难。
通过两次经过干涉仪的每个臂并在两次经过之间加入对波前进行倒转的装置，双程DMI对反射镜失调和热效应表现出部分的不敏感性。参见例如S.J.Bennett的“A Double-Passed Michelson Interferometer”，OpticsCommunications，Volume 4，Number 6，February/March，1972，其中用偏振分束器、两个四分之一波片和一个用作倒转元件的角隅反射器实现了两次经过，因此Bennett的前述论文的全部内容通过引用而结合于此。由于其商业上的活力、鲁棒性、稳定性和精度，双程位移测量干涉仪在高精度位移测量中得到了相当普遍的使用。
尽管在双程干涉仪和DMI领域已经普遍取得了许多进步，但是仍然存在测量误差和不准确性。在对这种误差和不准确性有贡献的因素中，包括了相对光束偏移(“RBD”)。参见例如Eric Johnstone等人的“Wavefront Metrology Errors”，4thinternational conference of the EuropeanSociety for Precision Engineering and Nanotechnology(EUSPEN)，May-June，2004，Glasgow，UK，Page 348-349以及Norman Bobroff的“Recent Advances in Displacement Measuring Interferometry”，Meas.Sci.Technol.4(1993)，907-926，其中详细讨论了这些因素中的一些，因此Bobroff的前述论文的全部内容通过引用而结合于此。
在传统的单块双程DMI中，激光源将光束指向干涉仪。干涉仪中的分束器将输入的光束分开并将一部分光束导入参考臂，另一部分光束导入测量臂。光束的参考部分(“参考光束”)被导向安装在分束器上的固定的平面反射镜或后向角隅反射器。光束的测量部分(“测量光束”)被导向可动的平面反射镜或后向角隅反射器。通常，两个后向反射器或平面镜设置和安装为使得参考光束和测量光束的方向改变，使它们在分束器的分光界面处重新合并并接着被导向适当的检测器用于测量参考光束与测量光束之间的相位角(由此确定分束器与可动的后向角隅反射器之间的相对位移)。在分束器的后表面结合单一的四分之一波片，该波片使射到其上的光束反射并改变其偏振态。这样的光束名义上是从彼此平行的参考反射镜四分之一波片反射的。但是，对两光束用作参考反射镜的单一四分之一波片通常沿着其反射表面表现出一定程度的凹陷、凸出或其他类型的几何缺陷，这引起了输出的倾斜误差或RBD，其中两光束的中心法向矢量是类似会聚的。
需要一种单块干涉仪，该干涉仪使RBD和倾斜最小，并且这种最小是以经济实用的方式实现的。
发明内容
根据本发明的一种实施例，提供的干涉仪组件包括偏振分束器子组件，所述偏振分束器子组件具有至少一个位于其内部的偏振分束器界面，其中多个分立的四分之一波片安装到分束器子组件的表面，对多个四分之一波片中每一个的选择是通过测量位置与其表面垂直的坡印廷矢量的方向和大小来进行的，然后只选择那些坡印廷矢量之间的角度差小于预定量(例如几个微弧度)的四分之一波片结合到干涉仪组件中。在本发明的优选实施例中，干涉仪组件是双程单块位移测量干涉仪。
图1示出现有技术的传统双程平面反射镜干涉仪中参考光束的理想光路；图2示出在现有技术的传统双程平面反射镜干涉仪中光束的光路是如何由于光束倾斜或偏移误差而偏离理想光路的；图3示出传统双程干涉仪中输入与输出光束之间示意性的相对光束偏移；图4示出本发明的双程干涉仪的一种实施例，它包括安装到偏振分束器子组件表面的多个四分之一波片；图5示出现有技术的单块双程干涉仪，它具有单一的四分之一波片安装到偏振分束器子组件的表面；并且图6示出本发明的单块双程干涉仪，它具有多个四分之一波片安装到偏振分束器子组件的表面。
具体实施例方式
下面的美国专利和专利申请中公开了此处所讨论并图示的DMI的情况，因此其各自的全部内容通过引用而结合于此授权给Bockman的题为“Linear-and-angular measuring plane mirror interferometer”的美国专利No.5,064,280；授权给Bockman的题为“Multi-axis interferometer withintegrated optical structure and method for manufacturing rhomboidassemblies”的美国专利No.6,542,247；授权给Bockman的题为“Methodand interferometric apparatus for measuring changes in displacement of anobject in a rotating reference frame”的美国专利5,667,768；以及申请人为Sullivan等人的题为“Direct combination of fiber optic light beams”的待决美国专利申请公开No.US 2005/0008322A1。
在本说明书、附图和权利要求中以及对DMI、DMI的一部分或DMI系统的讨论、描述和/或权利要求的上下文中使用的术语“单块”表示干涉仪具有至少一个偏振或非偏振的分束器子组件以及至少一个角隅的、输入的、输出的、反射的或后向反射的菱体子组件，所述分束器子组件包括玻璃或光学上类似的材料，所述菱体子组件也包括玻璃或光学上类似的材料，其中所述的分束器和所述的至少一个角隅的、输入的、输出的、反射的或后向反射的菱体子组件在实体上彼此位置相近，并且用粘性的、机械的、化学的、电磁的和/或磁性的装置彼此直接连接，使得干涉仪的光学部分(不包括DMI或DMI系统的光源、检测器或者测量角隅或平面反射镜)形成单一的组件。
图1示出现有技术的传统双程平面反射镜单块干涉仪中光束f1的理想光路。为了清楚起见，图1中只示出了光束f1。不过，传统的双程平面反射镜干涉仪使用两个光束第一光束是参考光束，第二光束是测量光束。
通常双频塞曼分裂氦氖激光源(附图中未示出)产生并发射具有频率f1和f2的第一和第二光束，其中第一光束具有第一圆偏振态，第二光束具有与第一偏振态不同的第二圆偏振态(此后称为“光束f1和f2”)。
从光源发射的光束f1和f2通常分别是右旋和左旋偏振的。两个激光模式在光源的腔内得到放大，这两个模式对应于所述的两个偏振态。在塞曼分裂激光器中，两个偏振态是圆偏振并具有相反旋向的。可以提供望远镜用于对光源发射的光束f1和f2进行扩束和准直，以便传送到干涉测量系统的其余部分。
接下来通常引导光束f1和f2经过四分之一波片(也未示出)，在该处，它们在导向干涉仪20之前从圆偏振态转换为线偏振态。还提供用于将线偏振的光束f1和f2与干涉仪20的偏振分束器界面40的入射面正确对准的装置，此装置在附图中也未示出。
一旦线偏振光束f1和f2与偏振分束器界面40的入射面正确对准，即可将光束f1和f2导向偏振分束器界面40。取决于其各自的偏振态，光束f1或f2将从界面40反射，而另一束将穿过界面40透射。
图1示出进入偏振分束器子组件35(“PBS 35”)的表面37并从界面40向偏振分束器子组件35的表面39和平面反射镜45反射的光束f1。设置在反射镜45背面上的高反射性涂层50改变光束f1的偏振态并使光束f1从反射镜的反射界面47向界面40反射回去。由于光束f1的偏振态改变，现在界面40使光束f1经过其向偏振分束器子组件35的表面33和角隅41透射。接下来，光束f1经过表面33和界面40透射回去，由平面反射镜45的界面47反射(在该处引起偏振态的另一次改变)，然后由界面40反射，经过表面37射出干涉仪20。
图2示出在现有技术的传统双程平面反射镜干涉仪中光束f1的光路是如何由于光束偏移误差而偏离理想光路的。在图2中，光束f1中产生的倾斜是由于单一参考反射镜四分之一波片45沿着其反射表面47具有一定程度的凹陷而产生的。现在光束f1沿着偏斜的非法向光路从干涉仪20射出，该光路与理想输出光路或矢量51(图2中用点划线示出)不一致，而这种理想光路或矢量51是垂直于表面37的。光束f1偏斜的光路(相对于理想光路51具有角度α)是由于沿着界面47产生的一个或多个几何上的不规则或缺陷而引起的。换句话说，界面47偏离了完全平坦或单调的界面或表面。
这种不规则或缺陷通常是在反射镜面45、涂层50和PBS 35的制造过程中出现的，并使得界面47呈现出的形状是凹陷形、凸出形、既有凹陷又有凸出或以其他方式偏离完全平坦或单调的界面或表面47。按照空间多项式的表示形式，界面47中不期望的弯曲、缺陷或不规则可能是一阶、二阶、三阶或更高阶的，并且如上所述通常是在反射镜面45、PBS 35和涂层50的制造过程中引入的。如果它们大小足够，则任何的这种弯曲、缺陷或不规则都可能给光束f1和f2的光路带来不期望的偏斜。
图3示出传统双程干涉仪中输入与输出光束之间示意性的相对光束偏移。图3中示出了使单块双程干涉仪中的RBD形象化的简单模型，它是由前述倾斜或偏斜引起的。具有完全平坦或单调的界面47的双程干涉仪将导致图3中光束f1A和f1B的坡印廷矢量一致或匹配，它们之间不产生相对光束偏移。但是如图3所示，由于RBD，光束f1A和f1B的坡印廷矢量不匹配，它们各自的波前不一致，并具有不同的强度分布。RBD可能产生于测量臂的后向反射器或平面反射镜在与入射到其上的输入光束正交的方向上有偏移的双程干涉仪系统中，所述偏移引起RBD以及随之而来的测量误差，所述测量误差与可动后向反射器或平面反射镜的平移有关，所述平移是沿着平行于输入测量光束的轴线并且可以预见或计算的。参见前述Johnstone等人的论文可以得到与这类干涉仪中RBD有关的更多细节。
图4示出本发明的双程干涉仪的一种实施例，它包括安装到偏振分束器子组件35的表面37的多个四分之一波片65和70。注意在图4中，提供了多个反射镜面或四分之一波片65和70取代了图1和2中的单一反射镜面或四分之一波片45。
四分之一波片65和70包括在其后表面上设置有高反射性涂层67和72的光学级玻璃层或其他双折射材料。如图4所示，反射界面66和71都是凹陷形的。当光束f1经过干涉仪10传播并从界面66和71反射时，由这些界面反射的光线相对于期望的光路倾斜角度β，其中所述期望的光路与四分之一波片65和70的平的前表面68和73正交。光路与矢量偏离同一角度β的这种光路结构，使得输出光束f1与输入光束f1平行并且输出光束f1垂直于表面37，其中所述光路与从四分之一波片65和70射出的反射光束相对应，所述矢量与平的表面68和73垂直。
如将要看到的，几何特征中匹配或基本匹配的偏差是四分之一波片65和70的界面66和71的特征。在图4的情况下，界面66和71都是凹形的，并使入射到其上的光束以与沿界面68和73法向的期望矢量成角度β反射。这种匹配的偏差导致由本发明各种实施例所产生的结果角度β1和β2的大小基本相似并使光线81和82基本上彼此平行，结果是输入光束f1基本上平行于输出光束f1。就是说，由于干涉仪10的总体结构以及几何上匹配的四分之一波片65和70，通过确保角度β2的正面影响而消除了角度β1可能的不良影响。
在本发明中，测量与每个分立的四分之一波片相对应的倾斜是优选的，所述四分之一波片是构成干涉仪10时可能使用的。倾斜角可以用hartmann-Shack传感器、改进的相移干涉仪或用于精确测量角度的任何其他合适的系统或机械来测量。对于给定的一对或一组四分之一波片，考虑到现有技术的精密机加工的精度限制，已经发现与每个波片相应的倾斜应当彼此匹配到约5微弧度或更小的范围内，或者说略小于1角秒。根据这样的匹配倾斜所选择并结合到双程干涉仪中的分立波片组产生了本发明的有利结果。选择的四分之一波片之间的匹配倾斜公差，例如小于约7微弧度、小于约6微弧度、小于约5微弧度、小于约4微弧度、小于约3微弧度、小于约2微弧度以及小于约1微弧度，都能产生可接受的结果。随着选择的四分之一波片之间的倾斜公差的差别大小逐渐减小，获得的结果也越来越好。以此方式，使选择的各对或各组四分之一波片的坡印廷矢量在大小和方向上得到匹配或基本匹配。
本发明的四分之一波片65和70优选为由厚度约1mm、长度约25mm并且宽度约13mm的光学级石英、玻璃、其他适合的双折射材料制成。涂层67或72优选地包括含有多个适当氧化物层的高反射性介质涂层，但是也可以由金属、金属合金或其他适当的高反射性涂层材料形成。
图5示出现有技术的单轴单块双程干涉仪20，它具有单一的四分之一波片45安装到偏振分束器子组件35的表面37。图6示出本发明的单轴单块双程干涉仪10，它具有多个四分之一波片65和70安装到偏振分束器子组件35的表面37。
注意本发明的偏振分束器界面40优选地包括夹在两层光学玻璃之间的浸入式(immersed)偏振分束涂层或其他适当的介质涂层，所述涂层可以选择性地使入射到其上的光束起偏振。图1、2和3以及此处所进行的附带说明对Agilent的E1826B/C/D型双程干涉仪的多个方面进行了说明。这种干涉仪的特征在于单块设计和结构。
如授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中所述，偏振分束器子组件35、角隅41以及四分之一波片65和70各自优选地包括适当地机加工(或用其他方式形成)并涂敷的石英或玻璃片或其他元件的叠层。在本发明的优选实施例中，如授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中所述，各子组件、角隅和波片胶合在一起。因此，图4所示干涉仪10是单块的，与上文所述的术语“单块”的定义相符。
注意，本发明在其范围内包括具有多于两个匹配的分立四分之一波片的干涉仪。因此，本发明可以采用三个或更多匹配的分立四分之一波片的组。本发明也不限于单块干涉仪的范围内，它可以成功地用于非单块干涉仪的各种实施例。
权利要求
1.一种干涉仪组件，包括偏振分束器子组件，所述偏振分束器子组件包括至少第一外部表面并具有至少一个位于其内部的偏振分束器界面；第一分立四分之一波片，所述第一分立四分之一波片包括合适的双折射材料并具有第一前表面和第一后表面，所述第一前表面和第一后表面基本上彼此平行，在所述第一后表面上涂敷高反射性第一涂层，所述第一后表面与所述第一涂层相交限定了第一界面；以及第二分立四分之一波片，所述第二分立四分之一波片包括合适的双折射材料并具有第二前表面和第二后表面，所述第二前表面和第二后表面基本上彼此平行，在所述第二后表面上涂敷高反射性第二涂层，所述第二后表面与所述第二涂层相交限定了第二界面；其中，位置与所述第一界面正交的第一虚坡印廷矢量以及位置与所述第二界面正交的第二虚坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约7微弧度。
2.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约6微弧度。
3.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约5微弧度。
4.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约4微弧度。
5.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约3微弧度。
6.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约2微弧度。
7.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约1微弧度。
8.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述干涉仪组件是单块干涉仪组件。
9.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述干涉仪组件是双程干涉仪组件。
10.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一涂层和所述第二涂层中至少一个包括介质材料、金属和金属合金中的至少一种。
11.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述第一前表面和所述第二前表面中的至少一个被胶合到所述第一外部表面。
12.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述干涉仪组件设置为用作具有三个或更多光轴的干涉仪。
13.根据权利要求1所述的干涉仪组件，其中，所述干涉仪组件还包括至少一个角隅用于对测量光束和参考光束中的至少一个进行反射。
14.一种位移测量干涉仪系统，包括激光源，所述激光源用于产生并发射至少第一参考激光束和第二测量激光束，所述第一激光束具有与第二频率不同的第一频率；干涉仪组件，所述干涉仪组件包括偏振分束器子组件，所述偏振分束器子组件具有至少第一外部表面以及至少一个位于其内部的偏振分束器界面；第一分立四分之一波片，所述第一分立四分之一波片包括合适的双折射材料并具有第一前表面和第一后表面，所述第一前表面和第一后表面基本上彼此平行，在所述第一后表面上涂敷高反射性第一涂层，所述第一后表面与所述第一涂层相交限定了第一界面；以及第二分立四分之一波片，所述第二分立四分之一波片包括合适的双折射材料并具有第二前表面和第二后表面，所述第二前表面和第二后表面基本上彼此平行，在所述第二后表面上涂敷高反射性第二涂层，所述第二后表面与所述第二涂层相交限定了第二界面；其中，位置与所述第一界面正交的第一虚坡印廷矢量以及位置与所述第二界面正交的第二虚坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约7微弧度。
15.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约6微弧度。
16.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约5微弧度。
17.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约4微弧度。
18.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约3微弧度。
19.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约2微弧度。
20.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一与第二坡印廷矢量之间的角度差小于或等于约1微弧度。
21.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述干涉仪组件是单块干涉仪组件。
22.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述干涉仪组件是双程干涉仪组件。
23.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一涂层和所述第二涂层中至少一个包括介质材料、金属和金属合金中的至少一种。
24.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述第一前表面和所述第二前表面中的至少一个被胶合到所述第一外部表面。
25.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述干涉仪组件设置为用作具有三个或更多光轴的干涉仪。
26.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述干涉仪组件还包括至少一个角隅用于对测量光束和参考光束中的至少一个进行反射。
27.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述系统还包括第一和第二检测器用于接收由所述干涉仪组件输出的第一和第二光束。
28.根据权利要求14所述的位移测量干涉仪系统，其中，所述系统还包括反馈控制系统用于使来自所述激光源的输出维持恒定。
29.一种制造干涉仪组件的方法，所述方法包括提供偏振分束器子组件，所述偏振分束器子组件包括至少第一外部表面并具有至少一个位于其内部的偏振分束器界面；提供第一分立四分之一波片，所述第一分立四分之一波片包括合适的双折射材料并具有第一前表面和第一后表面，所述第一前表面和第一后表面基本上彼此平行，在所述第一后表面上涂敷高反射性第一涂层，所述第一后表面与所述第一涂层相交限定了第一界面；以及提供第二分立四分之一波片，所述第二分立四分之一波片包括合适的双折射材料并具有第二前表面和第二后表面，所述第二前表面和第二后表面基本上彼此平行，在所述第二后表面上涂敷高反射性第二涂层，所述第二后表面与所述第二涂层相交限定了第二界面；测量位置与所述第一界面正交的第一虚坡印廷矢量以及位置与所述第二界面正交的第二虚坡印廷矢量之间的角度差；当所述角度差小于或等于约7微弧度时，选择所述第一和第二四分之一波片；将所选择的第一和第二四分之一波片安装到所述偏振分束器子组件的所述第一外部表面。
30.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述选择步骤还包括当所述角度差小于或等于约6微弧度时，选择所述的第一和第二四分之一波片。
31.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述选择步骤还包括当所述角度差小于或等于约5微弧度时，选择所述的第一和第二四分之一波片。
32.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述选择步骤还包括当所述角度差小于或等于约4微弧度时，选择所述的第一和第二四分之一波片。
33.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述选择步骤还包括当所述角度差小于或等于约3微弧度时，选择所述的第一和第二四分之一波片。
34.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述选择步骤还包括当所述角度差小于或等于约2微弧度时，选择所述的第一和第二四分之一波片。
35.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述选择步骤还包括当所述角度差小于或等于约1微弧度时，选择所述的第一和第二四分之一波片。
36.根据权利要求29所述的制造干涉仪组件的方法，其中，所述第一前表面和所述第二前表面中的至少一个被胶合到所述第一外部表面。
全文摘要
本发明提供了至少两个分立的四分之一波片用作位移测量干涉仪中的平面反射镜或反射器，其中所述波片具有共同的或基本共同的反射表面几何形状。多个几何上匹配的分立匹配四分之一波片减小了提供给干涉仪的输入光束与由干涉仪提供的输出测量光束之间的倾斜量，使得干涉仪的动态范围增加。
文档编号G01B9/02GK1854679SQ200610066828
公开日2006年11月1日 申请日期2006年3月29日 优先权日2005年4月29日
发明者罗伯特·托德·贝特, 埃里克·斯蒂芬·约翰斯通 申请人:安捷伦科技有限公司