CN102353325A - 四轴4细分干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种四轴4细分干涉仪，其构成包括在沿偏振正交双频激光入射方向依次排列的四轴分光模块和干涉模块。所述的四轴分光***由3个50%平面分光镜和3个45°平面反射镜组成。本发明包括四轴4细分平镜干涉仪和四轴4细分差分干涉仪，在差分干涉仪中采用可调节45°反射镜将参考光引导到与测量镜同方向放置的固定在运动物体上的参考反射镜。本发明具有元件易加工、光路调节方便、温度漂移小、各路光束温漂一致、非线性误差低和光学效率高的优点。

Description

四轴4细分干涉仪

技术领域

本发明涉及多轴干涉仪，特别是一种四轴4细分干涉仪，包括四轴4细分差分干涉仪和四轴4细分平镜干涉仪。  

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***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***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***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***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，而且同一块分光块要在二个通光面镀多种不同要求的膜层（如增透、全反、50%分光膜等），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。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。并且由于在块状光学分光元件中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***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。同样地，通常的差分干涉仪采用45°块状分光元件将参考光送入参考反射镜，由于测量光束和参考光束在光学元件里走过的路径不同，也会引入温度漂移差别，带来测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种四轴4细分干涉仪，该干涉仪应具有元件易加工、光路调节相对容易、温度漂移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：

一种四轴4细分干涉仪，特点在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次有四轴分光模块和和干涉模块。

所述的四轴分光模块由3个分光比为50%的平面分光镜和3个45°全反镜组成，其位置关系如下：

在双频激光入射方向设置分光比为50%的第一45°平面分光镜，在该第一45°平面分光镜的上方设置第一全反镜，分光比为50%第二平面分光镜和第三平面分光镜自下而上依次放置在同一个垂面上，第二45°全反镜、第三45°全反镜自下而上依次放置在另一个垂面上，该垂面与第二平面分光镜和第三平面分光镜所在垂面平行；

第一45°平面分光镜将入射偏振正交双频激光分成能量相等的透射光束和反射光束，在该透射光束方向设置第二平面分光镜，经该第二平面分光镜分为能量相等的透射光束和反射光束，该反射光束经第二45°全反镜反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成下层的两条平行输出光；

经第一45°平面分光镜被反射的能量为50%的反射光束则经第一全反镜反射后，改变其传播方向并与入射激光平行；该反射光束又入射到第三平面分光镜上，并经该第三平面分光镜又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，其传播方向与透射光平行，从而形成上层的两条平行输出光。这样，从激光器输出的一束双频激光经过四轴分光模块后被分成能量相等且相互平行的四束光，上层下层各两束。

所述的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参考反射镜，在该偏振分光镜的第四方设有垂直且列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列二层的四个直角棱镜，所述的测量反射镜固定在待测物体上。

所述的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用于将参考光束的传播方向改变90°的可调45°全反镜，在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜，在该偏振分光镜的第四方设有垂直列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列二层的四个直角棱镜，所述的测量反射镜和参考反射镜都固定在待测物体上。

所述的四个直角棱镜的设置如下： 

下层：第一直角棱镜、第二直角棱镜；

上层：第三直角棱镜、第四直角棱镜。

采用所述的四轴分光模块，将入射光分成能量相等的四束平行光输出。这四束平行光分别被用作4个自由度的精密测量。由于采用了这种分光模块，相应于4个测量轴的四束光在石英或玻璃介质中的传输距离与通常的块状分光方法相比被显著缩短，并且这4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，可以有效减小各测量轴由热漂移引起的测量误差，并将非线性误差有效抑制。此外，由于该分光***中的每个45°平面分光镜和45°反射镜都能单独调节，因此对应于每一个测量轴的光束也都能独立调节。

所述的四轴分光模块可以用于各种类型的多轴干涉仪，如四轴平镜干涉仪和四轴差分干涉仪等。

对平镜干涉仪，参考反射镜固定在干涉仪内部，测量反射镜固定在被测量物体上，如光刻机工件台，而对差分干涉仪，参考镜和测量镜分别固定在测量物体上，如光刻机的工件台和物镜。

在采用了可调节45°全反镜的四轴4细分差分干涉仪中，由于测量光束和参考光束在光学元件里走过的路径相同，这种结构可以进一步使干涉仪具有较小的温度漂移和降低非线性误差。同时，由于该45°反射镜可独立调节，也使干涉仪具有元件易加工、光路调节相对容易等优点。

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的频差和高的频率稳定度。

一个偏振分光镜又将经过四轴分光***后的四束平行光根据偏振特性的不同将每一束光分成测量光束和参考光束。四个测量光束是四束光经过偏振分光镜后透射的光，而四个参考光束则是四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。

四个经偏振分光镜透射的测量光束经过四分之一波片后传播到测量反射镜上，经测量镜反射后再经过四分之一波片再次进入偏振分光镜。由于四束测量光束两次通过四分之一波片，因此四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四束测量光束在偏振分光镜上被反射而不是透射。反射后的四束测量光束进入四个直角棱镜，随后又被反射回到偏振分光镜。经过偏振分光镜的反射，四束测量光束将再次被送入测量反射镜进行反射。于是两次通过四分之一波片后，四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四束测量光束在偏振分光镜偏振面上被透射射出。

经偏振分光镜偏振面反射的四束参考光束，在四轴差分干涉仪中，一个可调节45°反射镜用于将参考光送入固定在运动物体上的参考反射镜。四束参考光束经过公用的四分之一波片后射入45°反射镜，被反射后又射入参考反射镜，经过参考反射镜反射后的光束再次经45°反射镜将参考光束经过四分之一波片后又送回偏振分光镜，其偏振面转动90^o，经过偏振分光镜的透射和直角棱镜的转折，四束参考光束将再次经过公用的偏振分光镜、四分之一波片、45^o反射镜和参考反射镜重复上述过程，再次到达偏振分光镜45^o偏振面时将被反射射出。

随后上述四束参考光束与四束测量光束分别合束并产生拍频信号, 形成的4个输出光束分别对应一个测量轴。输出光束由探测器探测并经计算机软件处理，求解出拍频信号中的运动物体的多普勒频移信息，就可以得到四个自由度的物体运动信息。

本发明的分光原理同样适用于平镜干涉仪，构成四轴4细分平镜干涉仪。在四轴平镜干涉仪中，参考反射镜与测量反射镜被安排成相互垂直的几何构型。四束参考光将直接照射到放置在干涉仪模块中位置固定的参考反射镜上，而无需经过另一45°反射镜的转折。

同现有的技术相比，本发明具有以下技术特点：

1、四轴4细分差分干涉仪和四轴4细分平镜干涉仪的四轴分光模块由3个50%平面分光镜和3个反射镜构成。一个分光比为50%的分光镜首先将入射偏振激光分为能量相等的两束，其中的透射光又入射到一个50%的分光镜，并经该分光镜分为能量相等的两束光；而反射光则经一个全反镜反射后也入射到另一个平行放置的50%分光镜，并经该分光镜也分为能量相等的两束光。这样能量相等的四束光将作为四轴干涉仪的四个自由度测量的光源。

2、由于整个四轴分光模块仅使用了平面分光镜和反射镜的组合，因此和目前通常采用的在单一表面镀多种不同要求的膜层的块状光学分光元件相比，具有元件易加工、光路调节相对容易等优点。 

3、同样，由于整个四轴分光模块仅使用了50%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，和目前通常使用的块状光学分光元件***相比，具有温漂小，而且每一路光束温度漂移一致等优点。

4、在利用该四轴分光模块建立的四轴四细分差分干涉仪中，在构成差分***的偏振分光镜的一侧***一个公用的可调节45°反射镜，用于引导参考光束沿着与测量反射镜平行放置的固定在运动物体上的参考反射镜的方向传输。与通常的差分干涉仪采用45°组合块状分光元件将参考光送入参考反射镜相比较，该方法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，具有元件易加工、光路调节相对容易等优点。

5、本发明中的四轴分光模块及其分光原理可以应用于多种干涉仪，如可用于平镜干涉仪构成四轴4细分平镜干涉仪等。

6、实验表明，本发明，获得了温度漂移小、非线性误差低、光学效率高的四轴4细分差分干涉仪和四轴4细分平镜干涉仪。经过测试，其四轴非线性误差均小于2nm，达到0.7nm。四轴光学效率大于10%。

经实验证明，采用本发明的四轴分光***的四轴干涉仪，具有***稳定、方便调节以及温漂小、非线性误差低等优点。

附图说明

图1是本发明实施例1四轴4细分差分干涉仪立体光路示意图。

图2是本发明实施例2四轴4细分平镜干涉仪立体光路示意图。

图3是本发明四轴分光模块的立体光路结构图。

具体实施方式

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1。图1是本发明实施例1四轴4细分差分干涉仪的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。该干涉仪包括四轴分光模块1、偏振分光镜2、第一四分之一波片3、第二四分之一波片4、测量反射镜5、可调45°反射镜6、参考反射镜7以及四个直角棱镜21，22， 23、 24。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的光束IN，经过四轴分光模块1后分成能量相等的四束平行光，且在结构上分为上下两层。在该四轴分光模块中(见图3)，一个分光比为50%的第一45°平面分光镜11首先将入射偏振激光分为能量相等的两束，其中的透射光又入射到一个分光比为50%的第二45°平面分光镜13，并经该第二分光镜13分为能量相等的透射光（下层17号光）和反射光各一束，其中的反射光又经第二全反镜14反射后成为下层18号光，其传播方向与透射光17号光平行；而经过第一平面分光镜11的反射光则被第一全反镜12反射后又入射到分光比为50%的第三平面分光镜15，经该分光镜15分为能量相等的两束光，其透射光为上层19号光，其反射光经过第三全反镜16反射后成为上层20号光，其传播方向与透射上层19号光平行。这样，从激光器输出的双频激光经过四轴分光模块1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）的四束相互平行光束，分别用作四轴干涉仪中4个自由度的精密测量，四束光相互之间距离可根据光束直径和测试要求决定，一般距离在10到25mm之间，通过检测四轴的位移，可以计算出X轴的位移、X、Y、Z轴的旋转四个自由度的变化量。

随后，一个偏振分光镜2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。四个测量光束是经过偏振分光镜2 后透射的四个光束，而四个参考光束则是经过偏振分光镜2后被反射的四个光束。每束测量光束分别经过第一四分之一波片3后被测量反射镜5反射，该反射光再次经过第一四分之一波片3，两次通过第一四分之一波片3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2的偏振分光界面上被反射而不是透射，经过4只直角棱镜21、22、23、24的光束传输，达到使测量光束（参考光束也如此）在测量距离上重复走过4倍路径，达到光学4细分目标。所述的偏振分光镜2的偏振分光界面反射后的四束测量光束进入四个直角棱镜21、22、 23和 24，又被该四个直角棱镜反射回到偏振分光镜2。经过偏振分光镜2的反射，四束测量光束将再次被测量反射镜5反射。于是两次通过第一四分之一波片3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2上被透射。最终同与上述有着同样类似光束传播过程的两次改变偏振方向的四束参考光束（唯一不同的是对四轴4细分差分干涉仪，在参考臂中***了一个公用的45°反射镜6用于将参考光束的方向改变90°以与测量光束平行）分别合束，形成与某个测量轴相关联的合束拍频输出光束，带有运动物体多普勒漂移信息的拍频光束，经过与水平偏振和垂直偏振互成45^o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，从而给出四个自由度精密测量。 由于相应于4个测量轴的四个光束在分光元件中走过的路径短并相等，由温度漂移引起的测量误差可以减小。此外，由于每一个光学元件都能单独调节，相应于每一个测量轴的光束也都能独立调整，从而使得干涉仪光路调节相对容易。

本发明中的四轴分光原理同样应用于实施例2四轴4细分平镜干涉仪，如图2所示。与四轴差分干涉仪不同之处在于，四轴4细分平镜干涉仪的参考反射镜7与固定在测量物体上的测量反射镜5被安排成相互垂直的几何构型。这样四束参考光经过公用的偏振分光镜2和四分之一波片4之后将直接照射到位置固定的参考反射镜7（放置在干涉仪模块中），而无需经过一个45°反射镜转折。

本发明四轴4细分差分干涉仪和四轴4细分平镜干涉仪，具有温度漂移小、非线性误差低、光学效率高的特点。经实验表明，本发明***稳定且容易调节，各轴的非线性误差均小于2纳米，达0.7纳米，4轴光学效率大于10%。

Claims (6)

1.一种四轴4细分干涉仪，特征在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次排列的四轴分光模块（1）和干涉模块。

2.根据权利要求1所述的四轴4细分干涉仪，其特征在于：所述的四轴分光模块（1）由3个分光比为50%的平面分光镜和3个45°全反镜组成，其位置关系如下：

在双频激光（IN）入射方向设置分光比为50%的第一45°平面分光镜（11），在该第一45°平面分光镜（11）的上方设置第一全反镜（12），分光比为50%第二平面分光镜（13）和第三平面分光镜（15）自下而上依次放置在同一个垂面上，第二45°全反镜（14）、第三45°全反镜（16）自下而上依次放置在另一个垂面上，该垂面与第二平面分光镜（13）和第三平面分光镜（15）所在垂面平行；

第一45°平面分光镜（11）将入射偏振激光IN分成能量相等的透射光束和反射光束，在该透射光束方向设置第二平面分光镜(13)，经该第二平面分光镜（13）分为能量相等的透射光束和反射光束，该反射光束经第二45°全反镜（14）反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成下层17、18号光；

经第一45°平面分光镜（11）被反射的能量为50%的反射光束则经第一全反镜（12）反射后，改变其传播方向并与入射激光平行；该反射光束又入射到第三平面分光镜（15）上，并经该第三平面分光镜（15）又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（16）反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成上层19、20号光。

3.这样，从激光器输出的一束双频激光经过四轴分光模块后被分成能量相等且相互平行的四束光，上层与下层各两束。

4.根据权利要求1所述的四轴4细分干涉仪，其特征在于：所述的干涉模块包括偏振分光镜(2)，在该偏振分光镜(2)的透光方向是第一四分之一波片(3)和测量反射镜(5)，在该偏振分光镜(2)的反射光方向是第二四分之一波片(4) 和参考反射镜(7)，在该偏振分光镜(2)的第四方设有垂直且列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列二层的四个直角棱镜（21、22、23、24），所述的测量反射镜(5)固定在待测物体上。

5.根据权利要求1所述的四轴4细分干涉仪，其特征在于：所述的干涉模块包括偏振分光镜(2)，在该偏振分光镜(2)的透光方向是第一四分之一波片(3)和测量反射镜(5) ，在该偏振分光镜(2)的反射光方向是第二四分之一波片(4) 和用于将参考光束的传播方向改变90°的可调45°全反镜(6)，在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜(7)，在该偏振分光镜(2)的第四方设有垂直列放的两个长条状的直角棱镜，或由下向上两列二层的四个直角棱镜（21、22、23、24），所述的测量反射镜(5) 和参考反射镜(7)都固定在待测物体上。

6.根据权利要求3或4所述的四轴4细分干涉仪，其特征在于：所述的四个直角棱镜的设置如下： 

下层：第一直角棱镜(21)、第二直角棱镜22)；

上层：第三直角棱镜(23)、第四直角棱镜(24)。

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