专利名称：五轴差分干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及多轴干涉仪，特别是一种五轴差分干涉仪。
背景技术：
干涉仪是对目标装置的位移、长度等量进行精密测量的必不可少的工具。在干涉仪中，通过将光学路径长度的变化转换成位移量以对位移进行精确测量。双频激光干涉仪具有分辨率高、测速快、测量范围大、可进行多轴同步测量等优点，因此被广泛应用于先进制造和纳米技术中，比如用作高精度光刻机工件台掩模台的定位和测量。为了能同时对目标装置进行长度或位移量、轴向旋转量等多个自由度的测量，可采用包含多个激光束的多轴干涉仪，每一个激光束对应干涉仪的一个测量轴。在多轴干涉仪中，多轴分光的光束必须具有相等的能量而且彼此互相平行。分光系统设计的好坏是多轴细分干涉仪成败的关键所在。一个好的分光系统能使干涉仪具有高稳定性和各路光束温 度漂移的一致性。尽管多轴干涉仪已经被成功应用于诸多领域，但是对其性能进行持续提高以获得很好的测量精度，特别是对多轴干涉仪的分光系统进行不断改进以获得较好的稳定性、较低的温漂和非线性误差以及可调节性，仍是当前不断追求的目标。因此，多轴干涉仪的分光系统必须进行精心设计以确保由于光路不平衡引入的测量误差，比如热漂移和非线性误差等降低到最小。目前多轴干涉仪常采用单一表面镀多种不同要求的膜层的块状光学分光元件用于分光。这种分光方法对光学加工精度要求非常高，而且同一块分光元件要在二个通光面镀多种不同要求的膜层，对镀膜造成很大困难。此外，由于各路分光光束在块状光学分光元件中走过的路径不同，引起各路光束的温度漂移不一致，对差分干涉仪，这种结构通常还会引起测量光束和参考光束在介质(如石英玻璃)中的传输距离的不同。由于块状光学分光元件的各个分光面和反射面之间的几何位置是固定的，对每一分光束无法进行单独调节。因此，这种分光系统在应用中存在着各路光束温度漂移一致性较差、光路调节较难等缺陷。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种五轴差分干涉仪，该干涉仪应具有元件易加工、光路调节相对容易、非线性误差小和各路光束温漂一致等优点。本发明的技术解决方案如下
一种五轴差分干涉仪，特点在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为五轴分光系统和差分干涉模块。所述的五轴分光系统由4个45°平面分光镜和3个45°全反镜组成，其位置关系如下
在偏振正交双频激光入射方向设置一个分光比为40%的第一 45°平面分光镜，在该第一 45°平面分光镜的上方依次设置分光比33%第二平面分光镜和第一 45°全反镜，2个50%第三平面分光镜、第四平面分光镜和一个全透镜自下而上依次放置在同一个垂面上，2个第二 45°全反镜、第三45°全反镜自下而上依次放置在另一个与其平行的垂面上；
第一 45°平面分光镜将入射的偏振正交双频激光分成40%的透射光束和60%的反射光束，该透射光束方向设置50%的第三45°平面分光镜，经该第三45°平面分光镜分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束经第二 45°全反镜反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成下层A、B号光；
经第一 45°平面分光镜反射能量为60%的反射光束则经过与第一 45°平面分光镜上下平行放置的分光比为33%的第二 45°平面分光镜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°平面分光镜，该第四平面分光镜分为能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光束再经第三45 °全反镜反射后，使得传播方向与透射光平行，从而形成中层C、D号光；
经第二平面分光镜的透射光束再经与第二平面分光镜上下平行放置的第一 45°全反镜反射后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；该光束又入射到一个全透镜后形成上层E号光，此处全透镜的使用是为了使分光系统中每一路光束在介质中的传输距离尽量相·等，从而保证各路光束温度漂移的一致性；这样，从激光器输出的一束双频激光经过该五轴分光系统后被分成能量相等且相互平行的五束光，上层一束，中、下层各两束。所述的差分干涉模块包括偏振分光镜，在该偏振分光镜的透光方向是第一四分之一波片和测量反射镜，在该偏振分光镜的反射光方向是第二四分之一波片和可调45°反射镜，在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜。所述的参考反射镜和测量反射镜分别固定在测量物体上，如光刻机的工件台和物镜。在该偏振分光镜的第四方设有由下向上三层排列的五个直角棱镜。所述的五个直角棱镜的设置如下自下而上第一层第一直角棱镜、第二直角棱镜；第二层第三直角棱镜、第四直角棱镜；第三层第五直角棱镜。采用具有40%、33%、50%分光比的系列45°平面分光镜和45°反射镜的五轴分光系统，将入射光分成能量相等的五束平行光。这五束平行光分别被用作5个自由度的精密测量。由于采用了这种分光系统，对应于每一个测量轴的光束也都能独立调节，而且与通常的块状分光系统比较，相应于5个测量轴的5束光在石英或玻璃介质中的传输距离显著缩短，并且这5束光在介质中的传输距离相等，从而可以使各路光束的温度漂移一致性得到明显改善，还可以有效减小各测量轴由热漂移引起的测量误差。光源通常为氦氖双频激光器，输出一束具有两个能量相等、偏振方向相互垂直的线偏振光束，这两个偏振分量有若干MHz的的频差和高的频率稳定度。—个偏振分光镜又将经过五轴分光系统后的五束平行光根据偏振特性的不同将每一束光分成测量光和参考光。五个测量光束是五束光经过偏振分光镜后透射的光，而五个参考光束则是五束光经过偏振分光镜后被反射的光。同样地，如果将干涉仪的组件进行适当的重新组合，参考光束与测量光束可以互换，而干涉仪的功能不变。五个测量光束经过公用的四分之一波片后传播到测量反射镜上，被反射后再经过四分之一波片进入偏振分光镜。由于五束测量光束两次通过四分之一波片，因此五束测量光束的偏振方向被旋转90° ,从而使再次进入偏振分光镜的五束测量光束在偏振分光镜偏振面上被反射而不是透射。反射后的五束测量光束进入五个直角棱镜，随后又被反射回到偏振分光镜。经过偏振分光镜的反射，五束测量光束将再次被送入测量反射镜进行反射。于是经过两次通过四分之一波片后，五束测量光束的偏振方向又被旋转90°，从而使再次进入偏振分光镜的五束测量光束在偏振分光镜偏振面上被透射输出。偏振分光镜也产生了五束参考光束，它们是五束入射光经过偏振分光镜后被反射的光束。在该偏振分光镜的反射光方向是第二四分之一波片和可调45°反射镜,在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜。五个参考光束经过公用的四分之一波片后入射到可调45°反射镜上,经45°反射镜反射后改变传输方向并与五束测量光束平行,五束参考光束又被一个与测量反射镜平行放置的参考反射镜反射，其反射光又再次经过可调45°反射镜和四分之一波片进入公用偏振分光镜，偏振面转动90°。经过偏振分光镜的透射和五个直角棱镜的转折，五束参考光束将再次经过公用的偏振分光镜、四分之一波片、可调45° 反射镜和参考反射镜重复上述过程，偏振方向再次被旋转90°的参考光束到达偏振分光镜45°偏振面时，将被反射输出。随后五束参考光束和五束测量光束分别合束，形成5个输出光束20-24，每一束出射光束包含了共线传输的参考光束和测量光束各一束，对应一个测量光轴。输出光束由探测器探测并经计算机软件处理，通过分析每一个出射光束中的参考光束和测量光束间的拍频信号，求解拍频信号中的运动物体的多普勒频移信息，就可以得到五个自由度的物体运动信息。同现有技术相比，本发明具有以下技术特点
I、五轴分光系统由4个45°平面分光镜和3个反光镜构成。一个40%的分光镜首先将入射偏振激光分为两束，其中40%的透射光束又入射到一个50%的45°平面分光镜，并经该分光镜分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中的反射光又经过一个45°全反镜，使得上述反射光与透射光平行；而经过第一个40%平面分光镜之后被反射的能量为60%的反射光束则经过一个与其在同一条垂线上平行放置的分光比为33%的45°平面分光镜后又被分成透射光和反射光各一束；同样地，其中的能量为66%的反射光束经由一个50%的45°平面分光镜分为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经过一个45°全反镜后与透射光平行传输；而经过分光比为33%的45°平面分光镜后透射的能量为33%的光束则经过一个与其在同一条垂线上平行放置的45°全反镜后也改变其传播方向并与上述各分光束平行，随后该光束再经过一个全透镜，以使分光系统中各路光束在介质中的传输距离尽量相等，从而保证各路光束温度漂移的一致性。这样，从激光器输出的一束双频激光经过该五轴分光系统后最终被分成能量相等的五束光且相互平行，分别作为干涉仪五个轴的的光源提供五个自由度的精密测量。2、由于整个分光系统仅使用了平面分光镜和反射镜的组合，与通常采用的在单一表面镀多种不同要求膜层的块状光学分光元件相比，具有元件易加工、光路容易调节等优点。3、同样，由于整个分光模块仅使用了平面分光镜和反射镜的组合，能够确保每一分光路在分光元件中走过的路径相同，因此和通常使用的块状光学分光元件系统相比，还具有温漂小且每一路光束的温漂一致等优点。4、在差分干涉模块中，五束参考光束经过一个可调45°反射镜的转折，将经过公用偏振分光镜和四分之一波片之后的光束改变传播方向90° ,与测量光束平行,再入射到与测量反射镜平行放置的参考反射镜上。该结构确保了测量光束和参考光束在光学元件里走过的路径相同，具有温度漂移小、非线性误差低等优点。同时由于该45°反射镜可独立调节，因此还具有元件易加工、光路调节相对容易等优点。
图I是本发明一个实施例五轴差分干涉仪立体光路原理示意图。
具体实施例方式下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图I。图I是本发明一个实施例五轴差分干涉仪立体光路原理示意图，也 是本发明最佳实施例的结构示意图。该五轴差分干涉仪包括一个包含4个45°平面分光镜和3个反光镜的五轴分光系统、一个偏振分光镜9、第一四分之一波片10和第二四分之一波片11、一个测量反射镜12、一个可调45°反射镜13、一个参考反射镜14、五个直角棱镜15、16、17、18、19。由图可见，本实施例由双频氦氖激光器输出的具有两个相互垂直线偏振双频激光束IN,经过五轴分光系统后分成能量相等的五束平行光。在该分光系统中，一个分光比为40%的第一 45°平面分光镜I首先将入射偏振激光IN分成两束，其中的40%的透射光束又入射到一个分光比为50%的第三45°平面分光镜4，并经该第三45°平面分光镜4分为能量相等的透射光(下层A号光)和反射光各一束，其中的反射光又经过一个第二 45°全反镜7后，使得传播方向与透射光平行(下层B号光);而经过第一 40%平面分光镜I之后被反射的能量为60%的反射光束则经过一个与其中心点在同一条垂线上平行放置的分光比为33%的第二45°平面分光镜2又被分成透射光和反射光各一束；同样地，其中的反射光束又入射到50%的第四45°平面分光镜5，并经该第四45°平面分光镜5分为能量相等的透射光(中层C号光)和反射光各一束,其中的反射光又经过第三45°全反镜8后，使得传播方向与透射光平行(中层D号光)；经过第二 33%平面分光镜2之后的透射光束再次经过一个与其在同一条垂线上平行放置的第一 45°全反镜3后也改变其传播方向并与上述各分光束平行，再经过一个全透镜6后保持原方向传输(上层E号光);在该分光光路中，2个50%第三平面分光镜4、第四平面分光镜5以及一个全透镜6放置在一个垂面上，2个第二 45°全反镜7、第三45°全反镜8放置在另一个与其平行的垂面上。这样，从激光器输出的双频激光经过五轴分光系统后被分成能量相等水平偏振和垂直偏振保持不变的(消偏振)的五束光且相互平行，分别用于五轴干涉仪的五个自由度的测量。五束光相互之间距离一般在10到25mm之间，通过检测五轴的位移，可以计算出五个自由度的变化量。随后，一个偏振分光镜9根据偏振特性的不同又将每一束光分别分成测量光和参考光。五个测量光束是五束光经过偏振分光镜9后透射的光,而五个参考光束则是五束光经过偏振分光镜9后被反射的光。每束测量光分别经过公用的四分之一波片10后被测量镜12反射，该反射光再次经过第一四分之一波片10，两次通过第一四分之一波片10的测量光束的偏振方向被旋转90° ,于是测量光束在所述的偏振分光镜9的偏振分光界面上被反射而不是透射。反射后的五束测量光束分别进入5个直角棱镜15、16、17、18、19,又被这五个直角棱镜再次反射回到偏振分光镜9。经过偏振分光器9的反射，五束测量光束经过四分之一波片10后将再次被测量反射镜12反射。于是两次通过四分之一波片10的测量光束的偏振方向又被旋转90°，从而使得测量光束在偏振分光镜9上被透射。最终实现在测量距离上重复走过4倍路径，达到光学4细分目标。五束参考光束与上述的五束测量光束有着类似的光束传播过程。唯一不同的是，每束参考光经过公用的偏振分光镜9和四分之一波片11后，不是直接射入参考反射镜14，而是需经过一个可调45°反射镜13的转折，将参考光束传播方向改变90°，变成与测量光束平行，并射入与测量反射镜12平行放置的参考反射镜14上。该结构确保了测量光束和参考光束在光学元件里走过的路径相同，具有温度漂移小、非线性误差低以及光路调节相对容易等优点等优点。被参考反射镜14反射后的光再次经过45°反射镜13和第二四分之一波片11，两次通过第二四分之一波片11的参考光束的偏振方向被旋转90°，于是参考光束在所述的偏振分光镜9的偏振分光界面上被透射而不是反射。透射 的五束参考光束分别进入5个直角棱镜15、16、17、18、19，又被这五个直角棱镜再次反射回到偏振分光镜9。经过偏振分光器9的透射,五束参考光束经过四分之一波片11和45°反射镜13后将再次被参考反射镜14反射。于是两次通过四分之一波片11的参考光束的偏振方向又被旋转90°，从而使得参考光束在偏振分光镜9的偏振分光界面上被反射。最后，五束测量光束与五束参考光束分别合束，形成与某个测量轴相关联的五束拍频输出光束20、21、22、23、24。带有运动物体多普勒频移信息的拍频光束，经过与水平偏振和垂直偏振互成45°轴的检偏器，进入光电接收器，由探测器探测并经计算机软件处理，获得待测物体移动量的信息，从而给出五个自由度的精密测量。
权利要求
1.一种五轴差分干涉仪，特征在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为五轴分光系统和差分干涉模块。
2.根据权利要求I所述的五轴差分干涉仪，其特征在于所述的五轴分光系统由4个45°平面分光镜和3个45°全反镜组成，其位置关系如下 在偏振正交双频激光(IN)入 射方向设置一个分光比为40%的第一 45°平面分光镜(O,在该第一 45 °平面分光镜(I)的上方依次设置分光比33%第二平面分光镜(2 )和第一45°全反镜(3)，2个50%第三平面分光镜(4)、第四平面分光镜(5)和一个全透镜(6)自下而上依次放置在同一个垂面上，2个第二 45°全反镜(7)、第三45°全反镜(8)自下而上依次放置在另一个与其平行的垂面上； 第一 45°平面分光镜(I)将入射的偏振正交双频激光(IN)分成40%的透射光束和60%的反射光束，沿该透射光束方向设置50%的第三45°平面分光镜(4)，经该第三45°平面分光镜(4)分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束经第二 45°全反镜(7)反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成下层A、B号光； 经第一 45°平面分光镜(I)反射能量为60%的反射光束则经过与第一 45°平面分光镜(I)上下平行放置的分光比为33%的第二 45°平面分光镜(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°平面分光镜(5)，该第四平面分光镜(5)分为能量相等的透射光束和反射光束，其中的反射光束再经第三45°全反镜(8)反射后，使得传播方向与透射光平行，从而形成中层C、D号光； 经第二平面分光镜(2)的透射光束再经与第二平面分光镜(2)上下平行放置的第一45°全反镜(3)反射后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；该光束又入射到一个全透镜(6)后形成上层E号光；这样,从激光器输出的一束双频激光经过该五轴分光系统后被分成能量相等且相互平行的五束光，上层一束，中、下层各两束。
3.根据权利要求I所述的五轴差分干涉仪，其特征在于所述的差分干涉模块包括偏振分光镜(9),在该偏振分光镜(9)的透光方向是第一四分之一波片(10)和测量反射镜(12),在该偏振分光镜(9)的反射光方向是第二四分之一波片(11)和可调45°反射镜(13)，在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜(14)，所述的测量镜(12)和参考镜(14)分别固定在测量物体上。
4.在该偏振分光镜(9)的第四方设有由下向上三层排列的五个直角棱镜。
5.根据权利要求3所述的五轴差分干涉仪，其特征在于所述的五个直角棱镜的设置如下自下而上 第一层第一直角棱镜(15)、第二直角棱镜(16)； 第二层第三直角棱镜(17)、第四直角棱镜(18)； 第三层第五直角棱镜(19)。
全文摘要
一种五轴差分干涉仪，构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为五轴分光系统和差分干涉模块。所述的五轴分光系统由4个45°平面分光镜和3个45°全反镜组成。本发明具有元件易加工、光路调节方便、非线性误差小和各路光束温漂一致等优点。
文档编号G01B9/02GK102878923SQ20121039447
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月17日 优先权日2012年10月17日
发明者陈建芳, 程兆谷, 程亚, 黄惠杰, 池峰 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所