专利名称：大距离光线平行调整的装置与方法
技术领域：
本发明属于光电检测技术领域，特别涉及一种光线之间平行度的高精度调 整。利用调整后的平行光朿可以迸行两肓线导轨的平行度测量，还可以进行直 线导轨副本身的滚转角测量。
技术背景步进扫描光刻机掩模板工件台和硅片工件台导轨的平行装调可以利用平行 光线进行平行度检测，其中光线的平行性是直接影响到装调的结果的可靠性。 另外，数控机床直线导轨副需要进行滚转角测量，而最简单的光学测量方法是 利用平行光线进行测量。尽管通过两个五角棱镜能使光线产生平行光线，但由 于五角棱镜只能保证有一个方向的垂直，很难得到两束光线平行性在1弧秒以 下。本发明的目的在于提供一种具有通用性、大距离的激光平行性调整装置和 方法，调整精度优于1弧秒。利用此方法得到的平行光线可以用于大距离导轨 之间的平行性装调和导轨本身的滚转角测量。 发明内容大距离光线平行调整的装置是准直激光器发出高稳定性的准直激光，经 过偏振分光器分光。其中偏振分光器的反射光路上放置一个/l/4波片，波片的快 轴方向与激光的偏振方向成45"，再入射到--个平面反射镜上。而在偏振分光器 的透射光路上放置另外 -个义/4波片，波片的快轴方向与激光的偏振方向也成 45°，再通过一个二维可调平面反射镜反射，使其反射方向与偏振分光器的反射光平行入射到一平面反射镜上。其特征在于此平面反射镜放置在一个直线导 轨的导轨副上，此导轨副也能进行二维小角度调节。在此导轨副上，放置了高精度电子水平仪，在直线导轨的一端放置了自准直仪，此两者用来监测导轨副 移动后二维角度的变化。使经过移动后的平面反射镜，通过调整导轨副，能回 到原来的初始状态。所述的平面反射镜还可以放置在竖直方向的一个导轨副上，在导轨副上放 置一个二维的电子水平仪进行监测导轨副二维角度的变化。所述的准直仪可以为多自由度准直系统。所述的装置可以通过增加偏振分光镜和A/4波片调整多束大距离光线之间 的平行性。所述的装置可以通过在两出射平行光线上分别放置一个四象限探测器，进 行滚转角测量或者两导轨之间甲行度的测量。本发明的大距离光线平行调整方法步骤为-(1) 准直激光器发出稳定激光通过偏振分光器分光，分为垂直线偏振s 和平行线偏振P激光；(2) 用纸板挡住偏振分光器的透射光P，使垂直线偏振激光S透过…-个义/4波片，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜上，其中义/4波片的快轴与S偏振 方向成45。；(3) 上述的平面反射镜放置在一直线导轨副上，导轨副上还放置一个高精 度电子水平仪，可以渎出导轨副在Y方向上的倾斜角，记下此时的倾斜角读数，并在导轨副上放置另外一个平面反射镜(第二个平面反射镜)，在导轨的一端放 置一个高精度准直仪，第二个平面反射镜用作准直仪的靶镜，记下准直仪的读 数。(4) 保持其它不动，调整第一个平面反射镜使圆偏振光线逆向返问第二次 透过A/4波片，此时光线由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向旋转了 90"，因此，光线透过偏振分光器和透镜，入射到探测器上，并使光线入射到探测器的 中心位置，记下读数。(5) 把偏振分光器后面的纸板拿开，放在偏振分光器的反射光路上挡住 偏振分光器的反射光S。偏振分光器的透射光P透过另外一个义/4波片，其中义/4 波片的快轴与P偏振方向成45"，透过此义/4波片的偏振光也变成圆偏振光，再 通过第三个平面反射镜反射，第三个平面反射镜固定在一个二维调节装置上。(6) 导轨副上所有器件随着导轨运动到合适位置(两平行光线距离)，这时导轨副相对于初始位置在X和Y方向上有微小的角度变动，所以电子水平仪和靶镜都有微小变动。(7) 保持导轨副上所有器件相对不动，分别调整导轨副在X和Y方向上的 角度偏移，使电子水平仪和准直仪的读数分别与第一次记下的数值相同。(8) 这时第一个平面反射镜使第三个平面反射镜反射的圆偏振光线逆向 返回来，再经过第三个平而镜，第二次透过义/4波片，使圆偏振光变成了线偏振 光，但其振动方向旋转了 90"，因此光线经过偏振分光器反射，透过透镜，入射 到探测器上。(9) 调节二维可调的第三个平面反射镜，使逆向入射到探测器上的光点的 位置读数与上述记下的读数相同。(10) 撤走以上所述的挡光纸板、准直仪和用来辅助调整的导轨以及导 轨上所有东西，则两出射光线为平行光线。所述的方法，其特征还在于将出射光线调整为平行光线后，在两出射平 行光线上分别放置一个四象限探测器，当探测器随着各自的导轨副一起运动时， 分别记下每个位置对应的读数，对这两个探测器所得到的信息进行数据处理， 便可以得到导轨副的滚转角大小或者两导轨之间的平行度。本发明适用于产生两束大距离平行光线，具有如下的优点1、 调整装置和方法相对简单，可以调整大距离平行光线。2、 调整精度高，利用高稳定准直激光可以调整到光线之间平行性在1弧秒 以下。3、 利用此方法还可以调整两束以上大距离光线之间的平行性。
以下结合附图和具体实施方式
进一歩说明本发明。
图1为调整大距离光束平行光线的实施例一。 图2为调整大距离光束平行光线的实施例二。图3为利用调整好的两平行光线进行滚转角测量或者两3轨之间平行度测 量的一个实施例。图中1-为准直激光器；2-为偏振分光器；3、 4-为义/4波片；5-为小平面 反射镜；6-为二维调节装置；7-为凸透镜；8-为四象限探测器；9-为准直仪；10-为直线导轨；11、 1.1'为导轨副；1.2、 12'—为平面反射镜；13、 13 为电 子水平仪；14、 14'-为平面反射镜；15、 15为二维电子水平仪；16 —为四象限探测器；17-为四象限探测器；。
具体实施方式
下面结合附图进--歩说明本发明，具体调整过程如下准直激光器1发出稳定激光通过偏振分光器2分光，分为垂直线偏振s和平行线偏振P激光。用纸板挡住偏振分光器的透射光P，使 垂直线偏振激光S透过一个义/4波片3，其中"4波片3的快轴与S偏振方向成 45"，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜:12匕平面反射镜12放置在导轨 副11上，3轨副11上还放置一个高精度电子水平仪13，可以读出导轨副在Y方向上的倾斜角，记下此时的倾斜角读数，并在导轨副ll上放置另外一个平面 反射镜14，在导轨10的一端放置一个高精度准直仪9，平面反射镜14用作准直仪9的靶镜，记下准直仪9的读数。保持其它不动，调整平面反射镜12使圆 偏振光线逆向返回第二次透过义/4波片3，此时光线由圆偏振光变成线偏振光， 但偏振方向旋转了 90"，因此光线透过偏振分光器2和透镜7，入射到四象限探 测器8上，并使光线入射到探测器8的中心位置，记下读数。把偏振分光器2 后面的纸板拿开，放在偏振分光器2的反射光路上挡住偏振分光器2的反射光S。 偏振分光器2的透射光P透过另外一个义/4波片4，其中义/4波片4的快轴与P 偏振方向成45"，透过此A/4波片4的偏振光也变成圆偏振光，再通过平面反射 镜5反射，平面反射镜5固定在一个二维调节装置6上。导轨副ll上所有器件 随着导轨10运动到合适位置(两平行光线距离)，这时导轨副11 '相对于11在 X和Y方向上有微小的角度变动，所以电子水平仪13'和靶镜14 '都有微小变动， 保持导轨副11'上所有器件相对于11 '不动，分别调整导轨副11'在X和Y方向 上的角度偏移，使电子水平仪13 '和准直仪9的读数分别与第一次记下的数值相 同。这时平面反射镜12'使平面5反射的圆偏振光线逆向返回来，再经过平面镜 5第二次透过义/4波片4，使圆偏振光变成了线偏振光，但其振动方向旋转了 90"， 因此光线经过偏振分光器2反射，透过透镜7，入射到四象限探测器8上。调节 二维可调平面反射镜5，使逆向入射到探测器8上的光点的位置读数与上述记下 的读数相同。最后，撤走以上所述的挡光纸板、准直仪9和用来辅助调整的导 轨10以及导轨上所有东西，则两出射光线为平行光线。图2是本发明的第二个实施例，具体调整过程与实施例一一样。其区别在 于，不再需要准直仪9，整个装置竖直放置，直线导轨的导轨副也竖直放置，利 用一个高精度二维电子水平仪15来监测导轨副二维角度变化。利用以上两种实施例的调整装置和方法还可以调整大距离多束光之间的平 行性。图3为利用以上装置调整好的两束平行光线进行滚转角测量或者两导轨之 间平行度测量的一个实施例。在两出射平行光线上分别放置-一个四象限探测器 16和17。当探测器16和17随着各自的导轨副一起运动时，分别记下每个位置对应的读数，经过数据处理这两个探测器所得到的信息，便可以得到导轨副的 滚转角大小或者两导轨之间的平行度。
权利要求
1、一种大距离光线平行调整的装置，准直激光器(1)发出高稳定性的准直激光，经过偏振分光器(2)分光，其中偏振分光器(2)的反射光路上放置一个λ/4波片(3)，λ/4波片(3)的快轴方向与激光的偏振方向成45°，再入射到一个平面反射镜(12)上；而在偏振分光器(2)的透射光路上放置另外一个λ/4波片(4)，波片(4)的快轴方向与激光的偏振方向也成45°，再通过一个二维可调平面反射镜(5)反射，使其反射方向与偏振分光器(2)的反射光平行入射到一平面反射镜(12‘)上，两次逆向反射光先后通过一个透镜(7)入射到同一个探测器(8)上；其特征在于平面反射镜(12)放置在一个直线导轨(10)的导轨副(11)平台上，此导轨副(11)也能进行二维小角度调节；在导轨副(11)上，放置了高精度电子水平仪(13)，在直线导轨的一端放置了自准直仪(9)，此两者用来监测导轨副(11)移动后二维角度的变化；使经过移动后的平面反射镜(12‘)，通过调整导轨副(11‘)，能回到原来的初始状态。
2、 如权利要求1所述的装置，其特征在于所述的准直仪(9)可以为多 自由度准直系统。
3、 如权利要求l所述的装置，其特征在于所述的平面反射镜(12)还可 以放置在竖直方向的一个导轨副(11)上，在导轨副上放置一个二维的电子水平仪(15)进行监测导轨副(11) 二维角度的变化。
4、 如权利要求1所述的装置，其特征在于可以通过增加偏振分光镜和A/4 波片调整多束大距离光线之间的平行性。
5、 如权利要求l所述的装置，其特征在于可以通过在两出射平行光线上分别放置一个四象限探测器(16)和(17)，进行滚转角测量或者两导轨之间平
6、 一种大距离光线平行调整的方法，其特征在于，所述方法步骤为a) 准直激光器(1)发出稳定激光通过偏振分光器(2)分光，分为垂直线 偏振S和平行线偏振P激光；b) 用纸板挡住偏振分光器(2)的透射光P，使垂直线偏振激光S透过一个 A/4波片，变成圆偏振光，入射到一个平面反射镜上(12)，其中义/4波片的快 轴与S偏振方向成45、c) 上述的平面反射镜(12)放置在一直线导轨副上(11)，导轨副(11) 上还放置一个高精度电子水平仪(13),可以渎出导轨副(11)在Y方向上的倾 斜角，记下此时的倾斜角读数，并在导轨副上放置另外一个平面反射镜(14)(第 二个平面反射镜)，在导轨的一端放置一个高精度准直仪(9)，第二个平面反射 镜(14)用作准直仪的靶镜，记下准直仪的读数；d) 保持其它不动，调整第一个平面反射镜(12)使圆偏振光线逆向返回 第二次透过义/4波片(3)，此时光线由圆偏振光变成线偏振光，但偏振方向旋转 了90"，因此，光线透过偏振分光器(2)和透镜(7)，入射到探测器(8)上， 并使光线入射到探测器(H)的中心位置，记下读数；e) 把偏振分光器(2)后面的纸板拿开，放在偏振分光器(2)的反射光 路上挡住偏振分光器(2)的反射光S;偏振分光器(2)的透射光P透过另外一 个义/4波片(4)，其中A/4波片(4)的快轴与P偏振方向成45"，透过此义/4波 片(2)的偏振光也变成圆偏振光，再通过第二个平面反射镜(5)反射，第三 个平面反射镜(5)固定在一个二维调节装置(6)上；f) 导轨副(ll)上所有器件随着导轨运动到合适位置(两平行光线距离)， 这时导轨副(ll')相对于初始位置(11)在X和Y方向上有微小的角度变动， 所以电子水平仪(13')和靶镜(14')都有微小变动；g) 保持导轨副〔11')上所有器件相对不动，分别调整导轨副在X和Y方向上的角度偏移，使电子水平仪(i:r)和准直仪(9)的读数分别与第一次记下的数值相同；h) 这时平面反射镜(12)使平面反射镜(5)反射的圆偏振光线逆向返 冋来，再经过平面镜(5)，第二次透过A/4波片(4)，使圆偏振光变成了线偏振 光，但其振动方向旋转了 90"，因此光线经过偏振分光器(2)反射，透过透镜(7)，入射到探测器(8)上;i) 调节二维可调(6)的平面反射镜(5)，使逆向入射到探测器(8)上 的光点的位置读数与上述记下的读数相同；j) 撤走以上所述的挡光纸板、准直仪(9)和用来辅助调整的导轨(10) 以及导轨上所有东西，则两出射光线为平行光线。
7、 如权利要求6所述的方法，其特征在于可以通过调整增加的偏振分光 镜反射光的方向，调整多束大距离光线之间的平行性。
8、 如权利要求6所述的方法，其特征在于将出射光线调整为平行光线后， 在两出射平行光线上分别放置一个四象限探测器(16)和(17)，当探测器(16) 和(17)随着各自的导轨副一起运动时，分别记下每个位置对应的读数，对这 两个探测器所得到的信息进行数据处理，便可以得到导轨副的滚转角大小或者 两导轨之间的平行度。
全文摘要
本发明涉及一种大距离光线平行调整的装置和方法，利用高稳定性的准直激光器(1)发射准直激光经过偏振分光器(2)分光，在偏振分光器反射光路与透射光路上分别放置一个λ/4波片，波片的快轴方向与激光的偏振方向成45°，再入射到一个平面反射镜上。此平面反射镜放置在一个直线运动导轨副上，利用一个自准直仪(9)和一个电子水平仪(13)进行监测，使其在移动一个较大距离时，能保持同一状态。在光线调整过程中使光线逆向反射，先后入射到同一个测角探测器(8)上，通过调整二维反射镜(6)使两出射光线的平行性达到1弧秒以下。此方法还可以调整大距离多束光线之间的平行性，也可以进行直线运动导轨副本身的滚转角测量。
文档编号G01B11/26GK101221044SQ200810057088
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月29日 优先权日2008年1月29日
发明者刘丽辉, 匡翠方, 李艳秋 申请人:北京理工大学