專利名稱：一種雙頻激光干涉儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光千涉儀，特別是涉及一種雙頻激光千涉儀。
技術(shù)背景激光干涉儀作為一種超精密的非接觸式測量設(shè)備，可以進(jìn)行高速高精密的 位移測量，如果與不同的附件組合，還可以進(jìn)行長度、速度、角度、平面度、 直線度等測量，具有測量范圍大、分辨率高、精度高等優(yōu)勢。在半導(dǎo)體制造、 精密機(jī)床加工、軍事、航天、汽車制造、坐標(biāo)測量等領(lǐng)域都具有非常廣泛的應(yīng) 用。隨著激光干涉儀分辨率和測量精度的不斷提高，非線性誤差和熱漂移誤差 越來越引起人們的重視。非線性誤差是由于測量臂和參考臂不同偏振態(tài)的激光互相滲透所造成的。 其中最核心的元件是偏振分光棱鏡，如果要獲得足夠小的非線性誤差，必須要 求偏振分光棱鏡的反射光和透射光同時(shí)具有非常高的消光比，但實(shí)際上，受鍍 膜、膠合等工藝限制，偏振分光棱鏡的透射光消光比可以做得很高，但反射光 消光比則要低的多，因此這相當(dāng)困難。而且，由于反射光的消光比隨入射角度 變化非常每文感，因此對于反射臂的裝調(diào)也要求相當(dāng)高。熱漂移誤差是由于測量臂和參考臂的玻璃光程不對稱所造成的，因此為了 獲得足夠小的熱漂移誤差，必須盡量使反射臂和透射臂的光束走過相同種類和 相同厚度的玻璃。已知技術(shù)在降低干涉儀非線性誤差與熱漂移誤差方面做了很多努力。如圖1所示為一種已知的平面鏡干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。此為Agilent公司的10706A平 面鏡干涉儀，圖中實(shí)虛線分別表示一束雙頻激光中的兩種頻率激光的光路。該 結(jié)構(gòu)中，反射光的角錐棱鏡可以使光束(如實(shí)線所示)按原路返回，其誤差通 常小于5"，大大降低了反射臂的裝調(diào)要求，有利于降低非線性誤差。但該結(jié)構(gòu) 的透射光是4倍光程而反射光是2倍光程，兩光束所經(jīng)過的玻璃厚度明顯不同， 因此存在很大的熱漂移誤差。圖2所示為另一種已知的平面鏡干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。此為Agilent公司的 10706B高穩(wěn)定平面鏡干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中實(shí)虛線分別表示一束雙頻激光 中的兩種頻率激光的光路。該結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是，反射臂和透射臂的光路對稱，因此 熱漂移誤差非常?。坏蔷€性誤差受反射臂鍍膜1/4波片的裝調(diào)的影響很明顯， 導(dǎo)致非線性誤差4艮難控制。而且，圖1和圖2中的這兩種結(jié)構(gòu)的非線性誤差都 受偏振分光棱鏡的消光比影響。圖3所示為另一種已知的低非線性誤差的位移測量干涉儀(參見中國發(fā)明 專利，公開號(hào)CN1854678A)，該結(jié)構(gòu)通過在參考光和測量光各自通往檢測器的 大部分光路上將它們隔離開來，以減小非線性誤差。但該結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，使用 元件較多，裝調(diào)困難，而且最終非線性誤差仍然受偏振分光棱鏡反射光低消光 比的影響。發(fā)明內(nèi)容有鑒于上述的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高穩(wěn)定的雙頻激光干涉儀， 用以降低非線性誤差以及熱漂移誤差。本發(fā)明提出了一種雙頻激光干涉儀，其包括第一偏振分光棱鏡，在第一偏 振分光棱鏡的反射光方向設(shè)置有第二偏振分光棱鏡、補(bǔ)償鏡和第一角錐棱鏡， 在第一偏振分光棱鏡的透射光方向設(shè)置有四分之一波片與反射鏡，第二角錐棱 鏡與第二偏振分光棱鏡相'對，設(shè)置于第一偏振分光棱鏡的另一側(cè)，其中，補(bǔ)償 鏡的厚度為四分之一波片厚度的兩倍。本發(fā)明所提出的雙頻激光干涉儀，第 一偏振分光棱鏡的入射面與第二偏振 分光棱鏡的入射面相互垂直。本發(fā)明所提出的雙頻激光干涉儀，補(bǔ)償鏡設(shè)置于第二偏振分光棱鏡與第一 角錐棱鏡之間。本發(fā)明所提出的雙頻激光干涉儀，補(bǔ)償鏡設(shè)置于第 一偏振分光棱鏡與第二 偏振分光棱鏡之間。本發(fā)明所提出的雙頻激光干涉儀，第一角錐棱鏡與第二角錐棱鏡的數(shù)目可 為多個(gè)且數(shù)目相等，用以調(diào)整多軸光束。本發(fā)明所提出的雙頻激光干涉儀，第一角錐棱鏡與第二角錐棱鏡的數(shù)目各 為三個(gè)，用以調(diào)整三軸光束。本發(fā)明提供的高穩(wěn)定的雙頻激光干涉儀， 一方面通過在第一偏振分光棱鏡 的反射光方向設(shè)置一個(gè)入射面與第一偏振分光棱鏡入射面相互垂直的第二偏振 分光棱鏡，從而大大提高了反射光的消光比，在不增加偏振分光棱鏡加工難度 的前提下降低非線性誤差，另一方面本發(fā)明中透射光和反射光的光束通過相同 類型、相同厚度的玻璃，也最大限度地減小了熱漂移誤差。因此本發(fā)明提供的 雙頻激光干涉儀具有低熱漂移誤差、低非線性誤差、裝調(diào)簡單、元件易加工等 優(yōu)點(diǎn)。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)能更明顯易懂，下文特舉較佳實(shí)施例，并配 合附圖，作詳細(xì)說明如下。


圖1所示為一種已知的平面鏡干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示為另一種已知的平面鏡干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3所示為另一種已知的低非線性誤差的位移測量干涉儀。圖4所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的雙頻激光干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5所示為根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的雙頻激光干涉儀的應(yīng)用示意圖。圖6所示為根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的雙頻激光干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說明如下。 請參照圖4，圖4所示為根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的雙頻激光干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4所示的雙頻激光干涉儀結(jié)構(gòu)中，包括第一偏振分光棱鏡l、第二偏振分 光棱鏡2、補(bǔ)償鏡3、第一角錐棱鏡4、四分之一波片5、測量反射鏡6以及第 二角錐棱鏡7。如圖4所示，來自雙頻激光器的激光束包含fl、 f2兩種頻率的激光，是偏 振方向相互垂直的兩個(gè)線偏振光，該雙頻激光束在第一偏振分光棱鏡1的分光 面凈皮分開，其中偏振方向垂直于入射面的f2被反射，而偏振方向平行于入射面 的fl則^皮透射。在f2的傳播方向上放置第二偏振分光棱鏡2，使第二偏振分光棱鏡2的入射面與第一偏振分光棱鏡1的入射面垂直，所以f2的偏振方向平行于第二偏振分光棱鏡2的入射面，因此f2被第二偏振分光棱鏡2透射。然后f2通過補(bǔ)償鏡 3到達(dá)第一角錐棱鏡4，在第一角錐棱鏡4表面偏離一定位置并以偏轉(zhuǎn)180度方 向回射，再次經(jīng)過補(bǔ)償鏡3、第二偏振分光棱鏡2、第一偏振分光棱鏡l,并被 第一偏振分光棱鏡1反射。與此同時(shí)，偏振方向與第一偏振分光棱鏡1的入射面平行的fl被透射，在 其傳播方向上放置四分之一波片5、測量反射鏡6、第二角錐棱鏡7。線偏振光 fl經(jīng)過l/4波片之后變?yōu)閳A偏振光，經(jīng)測量反射鏡6之后原路返回，再次經(jīng)過四 分之一波片5之后，fl又變?yōu)榫€偏振光，其偏振方向垂直于第一偏振分光棱鏡1 的入射面，因此被反射至第二角錐棱鏡7，在第二角錐棱鏡7的表面偏離一定位 置并偏轉(zhuǎn)180度回射，并再次被第一偏振分光棱鏡1反射至四分之一波片5和 測量反射鏡6，來回經(jīng)過四分之一波片5后，fl的偏振方向再次和第一偏振分光 棱鏡1的入射面平行，因此^皮透射并與f2匯合。反射的光束fl總共經(jīng)過的玻璃厚度為2次第一偏振分光棱鏡1、 2次第二 偏振分光棱鏡2、 2次補(bǔ)償鏡3、 l次第一角錐棱鏡4;透射的光束f2總共經(jīng)過 的玻璃厚度為4次第一偏振分光棱鏡1、 4次四分之一波片5、 1次第二角錐棱 鏡7。在本實(shí)施例中，補(bǔ)償鏡3的厚度為四分之一波片5的兩倍，因此fl和f2 經(jīng)過相同厚度的玻璃從而減小了熱漂移誤差。本實(shí)施例在第一偏振分光棱鏡1的反射光方向再串聯(lián)一個(gè)第二偏振分光棱 鏡2，4吏第二偏振分光棱鏡2的入射面與第一偏振分光棱鏡1的入射面相互垂直， 這樣被第一偏振分光棱鏡1反射的光束可以透過第二偏振分光棱鏡2，利用第二 偏振分光棱鏡2的高透射光消光比來彌補(bǔ)第一偏振分光棱鏡1的低反射光消光 比。在不增加偏振分光棱鏡加工難度的前提下，可大大降低了非線性誤差。同 時(shí)由于反射光采用第一角錐棱鏡1作為回射器，其角度偏差小于5",與圖2所 示的方案相比，可大大降低干涉儀的裝調(diào)難度。更進(jìn)一步的，根據(jù)本實(shí)施例所提供的雙頻激光千涉儀，其補(bǔ)償鏡3的位置 可以在第一偏振分光棱鏡1和第二偏振分光棱鏡2之間，也可以在第二偏振分 光棱鏡2和第一角錐棱鏡4之間，本發(fā)明不限于此。另外，本實(shí)施例提供的雙 頻激光干涉4義，可以將部分或者全部光學(xué)元件膠合在一起，也可以釆用分立的6為了更加清楚的說明本實(shí)施例在實(shí)際中的應(yīng)用，請參照圖5,圖5所示為根 據(jù)本發(fā)明的 一 實(shí)施例的雙頻激光干涉儀的應(yīng)用示意圖。如圖5所示，來自雙頻激光器模塊30的激光束包含fl、 f2兩種頻率的激光， 是偏振方向相互垂直的兩個(gè)線偏振光，該雙頻激光束在第一偏振分光棱鏡1的 分光面^皮分開，其中偏振方向垂直于入射面的f2纟皮反射，而偏振方向平行于入 射面的fl則被透射。在f2的傳播方向上放置第二偏振分光棱鏡2，并使第二偏 振分光棱4竟2的入射面與第一偏振分光棱鏡1的入射面垂直，因此f2的偏振方 向平行于第二偏振分光棱鏡2的入射面，于是透過第二偏振分光棱鏡2。然后通 過補(bǔ)償鏡3到達(dá)第一角錐棱鏡4，在第一角錐棱鏡4表面偏離一定位置并以偏轉(zhuǎn) 180度方向回射，再次經(jīng)過補(bǔ)償鏡3、第二偏振分光棱鏡2、第一偏振分光棱鏡 1,并在第一偏振分光棱鏡1的分光面與fl匯合。與此同時(shí)，偏振方向與第一偏振分光棱鏡1的入射面平行的fl被透射，在 其傳播方向上放置四分之一波片5、測量反射鏡6、第二角錐棱鏡7。線偏振光 fl經(jīng)過四分之一波片5之后，變?yōu)閳A偏振光，經(jīng)測量反射鏡6之后原路返回， 再次經(jīng)過四分之一波片5之后，fl又變?yōu)榫€偏振光，其偏振方向垂直于第一偏 振分光棱鏡l的入射面，因此被第一偏振分光棱鏡1反射至第二角錐棱鏡7，在 第二角錐棱鏡7表面偏離一定位置并偏轉(zhuǎn)180度返回，并再次被第一偏振分光 棱鏡1反射至四分之一波片5和測量反射鏡6，來回經(jīng)過四分之一波片5之后， fl的偏振方向再次和第一偏振分光棱鏡1的入射面平行，因此被第一偏振分光 棱鏡1透射并與f2匯合。由于多普勒效應(yīng)，由運(yùn)動(dòng)的測量反射鏡6返回的fl， 其頻率變?yōu)閒l土2Af。其中Af含有位移信息。匯合后的f2和fl土2Af被送往光電轉(zhuǎn)換器模塊40，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并送入 激光計(jì)數(shù)模塊50,通過處理將Af轉(zhuǎn)化為測量反射鏡6的位移信息，并輸出。上述的雙頻激光器模塊30、光電轉(zhuǎn)換器模塊40以及激光計(jì)數(shù)模塊50是本 領(lǐng)域的通用模塊，在此就不再贅述這些模塊的結(jié)構(gòu)與原理，這些模塊的具體組 成也不限于此。根據(jù)本發(fā)明提供的干涉儀，它還可以緊湊的形式調(diào)整任意數(shù)目的光束。為 了更清楚的說明這一點(diǎn)，請參照圖6，圖6所示為根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的雙頻7激光三軸干涉儀的結(jié)構(gòu)示意圖。它由第一偏振分光棱鏡11、第二偏振分光棱鏡12、補(bǔ)償鏡13、第一角錐棱鏡14、 15、 16、四分之一波片17、測量反射鏡18、 第二角錐棱鏡19、 20、 21。光束23、光束24、光束27是由雙頻激光器通過分 光系統(tǒng)分出來的三束入射光；光束22、光束25、光束26可分別通往三個(gè)探測 器。光束在雙頻激光三軸干涉儀中的光路情況與圖4中類似，在此不在贅述。 根據(jù)本發(fā)明的雙頻激光干涉不僅可用以調(diào)整單軸光束，三軸光束，還可以用以 調(diào)整任意數(shù)目的光束，本發(fā)明不限于此。另外，本實(shí)施例提供的雙頻激光干涉 儀，可以將部分或者全部光學(xué)元件膠合在一起，也可以采用分立的光學(xué)元件。綜上所述，本發(fā)明提供的高穩(wěn)定的雙頻激光干涉儀， 一方面通過在第一偏 振分光棱鏡的反射光方向設(shè)置一個(gè)入射面與第一偏振分光棱鏡入射面相互垂直 的第二偏振分光棱鏡，從而大大提高了反射光的消光比，在不增加偏振分光棱 鏡加工難度的前提下降低非線性誤差，另一方面本發(fā)明中透射光和反射光的光 束通過相同類型、相同厚度的玻璃，也最大限度地減小了熱漂移誤差。因此本 發(fā)明提供的雙頻激光干涉儀具有低熱漂移誤差、低非線性誤差、裝調(diào)簡單、元 件易加工等優(yōu)點(diǎn)。雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何所 屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作些許 的更動(dòng)與潤飾，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種雙頻激光干涉儀，其特征在于，包括第一偏振分光棱鏡，在所述第一偏振分光棱鏡的反射光方向設(shè)置有第二偏振分光棱鏡、補(bǔ)償鏡和第一角錐棱鏡，在所述第一偏振分光棱鏡的透射光方向設(shè)置有四分之一波片與反射鏡，第二角錐棱鏡與所述第二偏振分光棱鏡相對，設(shè)置于所述第一偏振分光棱鏡的另一側(cè)，其中，所述補(bǔ)償鏡的厚度為所述四分之一波片厚度的兩倍。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于，所述第一偏振分 光棱鏡的入射面與所述第二偏振分光棱鏡的入射面相互垂直。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于，所述補(bǔ)償鏡設(shè)置 于所述第二偏振分光棱鏡與所述第一角錐棱鏡之間。
4. 才艮據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于，所述補(bǔ)償鏡設(shè)置 于所述第一偏振分光棱鏡與所述第二偏振分光棱鏡之間。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙頻激光干涉yf義，其特征在于，所述第一角錐棱 鏡與所述第二角錐棱鏡的數(shù)目可為多個(gè)且數(shù)目相等，用以調(diào)整多軸光束。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的雙頻激光干涉儀，其特征在于，所述第一角錐棱 鏡與所述第二角錐棱鏡的數(shù)目各為三個(gè)，用以調(diào)整三軸光束。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種雙頻激光干涉儀，其包括第一偏振分光棱鏡，在第一偏振分光棱鏡的反射光方向設(shè)置有第二偏振分光棱鏡、補(bǔ)償鏡和第一角錐棱鏡，在第一偏振分光棱鏡的透射光方向設(shè)置有四分之一波片與反射鏡，第二角錐棱鏡與第二偏振分光棱鏡相對，設(shè)置于第一偏振分光棱鏡的另一側(cè)，其中，補(bǔ)償鏡的厚度為四分之一波片厚度的兩倍。本發(fā)明提供的高穩(wěn)定的雙頻激光干涉儀，一方面可提高反射光的消光比，在不增加偏振分光棱鏡加工難度的前提下降低非線性誤差，另一方面也最大限度地減小了熱漂移誤差，因此具有低熱漂移誤差、低非線性誤差、裝調(diào)簡單、元件易加工等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101566459SQ200910052180
公開日2009年10月28日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月27日
發(fā)明者張志平, 張曉文, 峰 池, 肖鵬飛, 陳勇輝 申請人:上海微電子裝備有限公司