CN101598530A - 一种双频激光干涉仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种双频激光干涉仪装置。双频激光干涉仪装置包括分光组件以及第一承载装置。分光组件包括偏振分光棱镜、第一四分之一波片以及第二四分之一波片。其中，第一四分之一波片设置于偏振分光棱镜的透射光方向，第二四分之一波片设置于偏振分光棱镜的反射光方向。偏振分光棱镜、第一四分之一波片以及第二四分之一波片结合为一体，构成分光组件。第一承载装置，用于承载分光组件。第一承载装置具有第一接口与第二接口。本发明提供的双频激光干涉仪装置，其主体部分为一体式，极大的简化了装配难度，降低对机械加工件的精度要求，节约了成本。而且其结构简单，光学件装配也相对方便，参考光路和测量光路对称，温度漂移也很低。
Description
技术领域
本发明涉及精密位移测量技术领域，具体涉及双频激光干涉仪装置。
背景技术
双频激光测量***由于具有大测量范围、高分辨率、高精度及高速度等综合优势，并且通过与不同的附件组合，可进行长度、速度、角度、平面度、直线度和垂直度的测量，在精密和超精密制造领域获得了广泛的应用，例如，精密坐标机床的标定、光刻机的工件台和掩膜台的精密定位等。
双频激光干涉仪负责为双频激光测量***提供携带位移信息的外差激光干涉原始信号，其测量精度很大程度上决定了整个干涉测量***的测量精度极限。对于高精度的干涉测量***，干涉仪本身误差将对整个干涉测量***产生重大影响，比如温度漂移误差，非线性误差。
为了降低温度漂移误差，一种做法就是使测量光路和参考光路对称。然而，为了降低非线性误差，则需要对干涉仪进行很高的装配精度。比如Agilent公司(原HP公司)的10706B。其缺点显而易见的，一方面由于其是分立式的，各个光学部件相互独立。这不仅增加了机械件的数量，而且要做到低非线性误差对每个机械件的加工精度都提出了很高的要求，无疑增加了成本，另一方面，它无法监测微小区域的微位移，只能监测平均值，并且无法应用于空间狭小区域，比如监测磁盘磁头的位移。并且，其输出光为空间光，需要额外的装置收集干涉光信号，或者导入导光光纤，应用不方便。
一种现有技术的情况(参见中国发明专利，申请号：CN1844847，题目为“测量硬盘磁头飞行高度的***及共光路双频激光干涉测量方法”)，提出一种监测磁盘读头位移的方案，然而其光路结构过于复杂，而且由于其参考光路和测量光路基本位于同一空间，对微小位移的测量也十分不方便。
本发明的目的在于提供一种双频激光干涉仪装置，可以同时实现监测大物体的位移和微小区域位移两种功能。本发明提供的双频激光干涉仪装置，其主体部分为一体式，极大的简化了装配难度，降低对机械加工件的精度要求，节约了成本。而且其结构简单，光学件装配也相对方便，参考光路和测量光路对称，温度漂移也很低。本发明提供的双频激光干涉测量***可以通过不同的配置，实现多样化功能。
发明内容
本发明提出一种双频激光干涉仪装置。双频激光干涉仪装置包括分光组件以及第一承载装置。分光组件包括偏振分光棱镜、第一四分之一波片以及第二四分之一波片。其中，第一四分之一波片设置于偏振分光棱镜的透射光方向，第二四分之一波片设置于偏振分光棱镜的反射光方向。偏振分光棱镜、第一四分之一波片以及第二四分之一波片结合为一体，构成分光组件。第一承载装置，用于承载分光组件。第一承载装置具有第一接口与第二接口。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述第一四分之一波片的光轴与水平面成45度。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述第二四分之一波片为背部镀膜的所述第一四分之一波片。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述第二四分之一波片的光轴与水平面成45度。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述第二四分之一波片为所述第一四分之一波片与反射镜组合。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述双频激光干涉仪装置还包括光纤准直器，用于耦合所述测量光和所述参考光。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述双频激光干涉测量装置还包括角锥棱镜和第二承载装置，所述第二承载装置用于承载所述角锥棱镜，并且具有第三接口。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，当所述第一接口耦接所述光纤准直器，并且所述第二接口耦接所述第三接口时，所述双频激光干涉测量***为四倍光学细分双频激光干涉仪装置。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述双频激光干涉测量***还包括聚光透镜和第三承载装置，所述第三承载装置用于承载所述聚光透镜，并且具有第四接口。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，所述聚光透镜为双胶合消色散透镜。
本发明提出的双频激光干涉仪装置中，当所述第一接口耦接所述光纤准直器，并且所述第二接口耦接所述第四接口时，所述双频激光干涉测量***为二倍光学细分光学探针扫描双频激光干涉仪。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。
附图说明
图1所示为通用的双频激光干涉仪的具体作动示意图。
图2所示为根据本发明一实施例的双频激光干涉仪装置的结构示意图。
图3所示为根据本发明另一实施例的双频激光干涉仪装置的结构示意图。
具体实施方式
为了更好的了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。
图1所示为通用的双频激光干涉仪100的具体作动示意图，虚线框框住的部分为目前已商品化的四倍光学细分双频激光干涉仪的一种类型。
在本实施例中激光器14为稳频双频激光器，当在激光器14的谐振腔(图未示)加上纵向或者横向磁场后，由于塞曼效应，出射光将***为两个不同频率的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，频率分别为f1和f2。
左旋圆偏振光(f1)和右旋圆偏振光(f2)经过激光器14内部四分之一波片变为偏振方向相互垂直的线偏振光f1和f2。线偏振光f1和f2经过激光器14内部分光镜分出一部分用于提供基准频差信号，和提供激光器14自身稳频的反馈信号。其余的大部分由激光器14输出。
在本实施例中，偏振态相互垂直，频率略为差异的线偏振光f1和f2入射到偏振分光棱镜10，由偏振分光棱镜10将其分为两束。f1经过偏振分光棱镜10透射，形成测量光(图1中由实线表示)，f2经过偏振分光棱镜10反射，形成参考光(图1中由虚线表示，为了便于区分，本实施例中故意让参考光和测量光分开一段距离)。
在其他实施例中，测量光也可以为f2经过偏振分光棱镜10反射形成，参考光也可以为f1经过偏振分光棱镜10透射形成，本发明并不对此做出限制。
测量光(f1)经过第一四分之一波片11，由于第一四分之一波片11的光轴方向与水平面成45度，因此测量光变为圆偏振光。测量光遇到反射镜16，被原路返回。当测量光再次经过第一四分之一波片11后，重新变为线偏振光，此时测量光的偏振方向已经旋转了90度。当测量光再次遇到偏振分光棱镜10时，发生反射。然后测量光经过角锥棱镜13，被角锥棱镜13原路返回，但是分开了一段距离。测量光经过偏振分光棱镜10再次被反射，然后测量光经过第一四分之一波片11变为圆偏振光。测量光再次被反射镜16原路返回，当测量光再次经过第一四分之一波片11后，重新变为线偏振光，并且偏振方向再次旋转90度。测量光再次经过偏振分光棱镜10发生透射，然后被耦合到光纤准直器15。
参考光(f2)经过角锥棱镜36，被角锥棱镜36原路返回，但是分开了一段距离。然后参考光经过偏振分光棱镜10再次被反射，然后被耦合到光纤准直器15。
上述测量光(f1)与参考光(f2)一并被耦合进光纤准直器15，经过光纤准直器15内部的检偏器检偏发生干涉。干涉光信号由导光光纤导入激光计数卡17，经过其内部的光电接收器转换为电信号，该信号经过滤波，整形，变换，形成计数脉冲。激光计数卡17通过和激光器14提供的基准干涉信号做出比对，从中提取出测量反射镜的位移信号。该位移信号经过误差补偿和单位计算卡18进行误差补偿和单位换算，最后经过显示设备19显示出位移。
图2所示为根据本发明一实施例的双频激光干涉仪装置的结构示意图。相同部分采用与图1相同的标号。图2中除测量反射镜16的其它部分构成本发明公布的双频激光干涉仪装置2，在应用中其替代图1中虚线框框住的部分。
本实施例所提供的双频激光干涉仪装置包括偏振分光棱镜10、第一四分之一波片11、第二四分之一波片12、角锥棱镜13、光纤准直器15，第一承载装置20以及第二承载装置21。如图2所示，偏振分光棱镜10设置于第二四分之一波片12与角锥棱镜13之间。第一四分之一波片11设置于偏振分光棱镜10的透射光方向。第二四分之一波片12设置于偏振分光棱镜10的反射光方向。
在本实施例中，第二四分之一波片12为背部镀膜的第一四分之一波片11。在其他实施例中，第二四分之一波片12也可以为第一四分之一波片11与高反射镜组合。
在本实施例中，偏振分光棱镜10，第一四分之一波片11以及第二四分之一波片12通过光学粘合胶结合为一体，组成分光组件。在其他实施例中，其结合方式也可以为其他等效的方式，本发明并不对此做出限制。
在本实施例中，第一承载装置20用于承载上述分光组件，并具有第一接口200与第二接口201。第二承载装置21用于承载角锥棱镜13，并且具有第三接口210。如图2所示，第一承载装置20中虚线部分为通光部分，不会阻隔测量光和参考光的出入。
当第一接口200耦接光纤准直器15，并且第二接口201耦接第三接口210时，双频激光干涉仪装置2为光学四细分双频激光干涉仪。此时，参考光路和测量光路对称，具备抗温度漂移能力。
在本实施例中，导光光纤130通过标准光纤接口FC/PC或者ST，SMA等光纤接口与光纤准直器15相连接。光纤准直器15内置聚光透镜和检偏器(图未示)，可以将测量光与参考光汇合发生干涉，并将干涉光耦合进入导光光纤130，并且由导光光纤130导出光干涉信号。其中测量光具体作动过程请见前文所述。
参考光具体动作过程如下。
参考光(f2)经过第二四分之一波片12，由于第二四分之一波片12的光轴与水平面成45度，当参考光再次被第二四分之一波片12原路反射射出的时候，由于两次经过第二四分之一波片12，偏振方向旋转90度。当参考光再次经过偏振分光棱镜10后发生透射，然后参考光经过角锥棱镜13，被原路返回，但是分开了一段距离。参考光透过偏振分光棱镜10，经过第二四分之一波片12被原路返回，偏振方向再次旋转90度。参考光经过偏振分光棱镜10被反射，然后被耦合到光纤准直器15。
图3所示为根据本发明另一实施例的双频激光干涉仪装置的结构示意图。本实施例所提供的双频激光干涉仪装置3包括分光组件1、第一承载装置30、聚光透镜31以及第三承载装置32。其中，分光组件1的结构与图2中所示结构相同，相同部分采用相同标号，请一并参照图2。
在本实施例中，第一承载装置30用于承载分光组件1，并具有第一接口300与第二接口301。第三承载装置32用于承载聚光透镜31，并且具有第四接口320。如图3所示，第一承载装置30中虚线部分为通光部分，不会阻隔测量光和参考光的出入。
当第一接口300耦接光纤准直器15，并且第二接口301耦接第四接口320时，双频激光干涉仪装置3为二倍光学细分光学探针双频激光干涉仪。此时，参考光路和测量光路对称，具备抗温度漂移能力，并且具备检测微小区域的位移的功能。
在本实施例中，导光光纤130通过标准光纤接口FC/PC或者ST，SMA等光纤接口与光纤准直器15相连接。光纤准直器15内置聚光透镜和检偏器(图未示)，可以将测量光与参考光耦合，进入导光光纤130，并且由导光光纤130导出光干涉信号。具体作动过程请见前文所述。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (11)
1.一种双频激光干涉仪装置，其特征是，包括：
分光组件，其特征是，包括：
偏振分光棱镜；
第一四分之一波片，设置于所述偏振分光棱镜的透射光方向；
第二四分之一波片，设置于所述偏振分光棱镜的反射光方向，
其中，所述偏振分光棱镜，所述第一四分之一波片以及所述第二四分之一波片结合为一体，构成分光组件；以及
第一承载装置，用于承载所述分光组件，所述第一承载装置具有第一接口与第二接口。
2.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述第一四分之一波片的光轴与水平面成45度。
3.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述第二四分之一波片为背部镀膜的所述第一四分之一波片。
4.根据权利要求3所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述第二四分之一波片的光轴与水平面成45度。
5.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述第二四分之一波片为所述第一四分之一波片与反射镜组合。
6.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述双频激光干涉仪装置还包括光纤准直器，用于耦合所述测量光和所述参考光。
7.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述双频激光干涉测量装置还包括角锥棱镜和第二承载装置，所述第二承载装置用于承载所述角锥棱镜，并且具有第三接口。
8.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，当所述第一接口耦接所述光纤准直器，并且所述第二接口耦接所述第三接口时，所述双频激光干涉测量***为四倍光学细分双频激光干涉仪装置。
9.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述双频激光干涉测量***还包括聚光透镜和第三承载装置，所述第三承载装置用于承载所述聚光透镜，并且具有第四接口。
10.根据权利要求1所述的双频激光干涉仪装置，其特征在于，所述聚光透镜为双胶合消色散透镜。
11.根据权利要求1所述的双频激光干涉测量装置，其特征在于，当所述第一接口耦接所述光纤准直器，并且所述第二接口耦接所述第四接口时，所述双频激光干涉测量***为二倍光学细分光学探针扫描双频激光干涉仪。
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