CN106707501A - 一种移相装置以及定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种移相装置以及标定方法。所述移相装置包括：光程匹配模块和移相模块；所述光程匹配模块包括第一光纤、第一透镜、第二光纤、第二透镜和电机；所述第一光纤、第一透镜、第二光纤和第二透镜依次设置在同一光轴上；所述电机驱动第二光纤和第二透镜沿光轴方向移动；所述移相模块包括光楔对和移相器，所述移相器驱动光楔对中的一块光楔沿垂直于光轴的方向移动。本发明还公开了一种标定方法。所述移相装置以及标定方法能实现高精度移相。

Description

一种移相装置以及定位方法

技术领域

本发明涉及光学检测领域，特别涉及一种移相装置以及定位方法。

背景技术

干涉检测是光学元件面形检测和光学***波像差检测的主要手段。传统的干涉检测采用条纹跟踪法，通过直接判断干涉条纹中心确定其序号来计算被测量。由于受到条纹判断准确性、待测波面的起伏程度影响，这种方法精度有限，不能满足高精度光学检测的要求。

移相干涉检测技术具有受噪声影响小、在干涉条纹对比度不好的情况下也能获得较好的结果、降低了光强分布不均匀对测量精度的影响、避免了激光高斯分布带来的影响等优点，得到了广泛的应用。发表在J.Vac.Sci.Technol.B 20,2449(2002)的文章《Development of the point diffraction interferometer for extremeultravioletlithography:Design,fabrication,and evaluation》描述了一种通过压电陶瓷相移器(PZT)移动被检镜实现相移干涉测量的方法。但是这种机械移相方法在移相过程中会存在冲击，会导致光学元件面形变化或光学***中元件相对位置变化，从而影响测量结果导致移相的精度不高。

发明内容

本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种移相装置，所述移相装置包括：光程匹配模块和移相模块；所述光程匹配模块包括第一光纤、第一透镜、第二光纤、第二透镜和电机；所述第一光纤、第一透镜、第二光纤和第二透镜依次设置在同一光轴上；所述电机驱动第二光纤和第二透镜沿光轴方向移动；所述移相模块包括光楔对和移相器，所述移相器驱动光楔对中的一块光楔沿垂直于光轴的方向移动。

一些实施例中，所述光楔对包括第一光楔和第二光楔，所述第一光楔与第二光楔是两块完全一样的光楔。

一些实施例中，所述第一光楔与第二光楔的楔角γ大小范围为1～10度。

一些实施例中，所述第一光楔的第一面与第二光楔的第一面平行，两个平行面之间的距离为d，第一透镜的光轴分别垂直于第一光楔和第二光楔的第一面。

一些实施例中，所述第一光楔和第二光楔的楔角为γ，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足以下公式：ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

一些实施例中，所述第一光楔的一个面与第二光楔的一个面平行，且两个平行面之间的距离为d，从第一透镜出射的平行光波分别垂直于第一光楔和第二光楔的第一面。

一些实施例中，所述第一光楔和第二光楔的楔角为γ，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足以下公式：

ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

且移相器的移动量满足公式：

一些实施例中，所述移相量的计算公式为

其中，λ为移相干涉仪工作波长。

另一方面，本发明提供一种标定方法，所述标定方法包括步骤：S1，启动移相干涉仪和如上所述的移相装置，调节被测光学元件至干涉条纹清晰，等候移相干涉仪的光源稳定；

S2，采集一幅移相干涉图，采集完成后驱动移相器推动光楔对中的一个光楔移动，并采集干涉图；

S3，重复步骤S2，先后采集四幅干涉图；

S4,对采集的五幅移相干涉图进行处理计算，得到移相量为θ；

S5,将计算得到的移相量θ与理想移相量θ′相比，得到移相器线性移相误差的标定系数k，实现移相器的标定。

一些实施例中，所述步骤S1中的干涉条纹为3～5根。

本发明提供的移相装置以及标定方法通过设置光楔对来形成一个光程放大器，从而实现高精度移像。

附图说明

图1为本发明一个实施例的移相装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的光楔对的两种构成方式；

图3为本发明一个实施例的一种标定方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面参考图1至图3来对本发明实施例的移相装置以及标定方法进行详细说明。

如图1所示，为本发明一个实施例提供的一种移相装置100，所述移相装置100包括：光程匹配模块和移相模块；所述光程匹配模块包括第一光纤1、第一透镜2、第二光纤6、第二透镜5和电机7；所述第一光纤1、第一透镜2、第二光纤6和第二透镜5依次设置在同一光轴上；所述电机7驱动第二光纤6和第二透镜5沿光轴方向移动；所述移相模块包括光楔对3和移相器4，所述移相器4驱动光楔对3中的一块光楔沿垂直于光轴的方向移动。

一些实施例中，如图2所示，所述光楔对3包括第一光楔31和第二光楔32，所述第一光楔31与第二光楔32是两块完全一样的光楔。

一些实施例中，所述第一光楔31与第二光楔32的楔角γ大小范围为1～10度。

一些实施例中，所述第一光楔31的第一面与第二光楔32的第一面平行，两个平行面之间的距离为d，第一透镜2的光轴分别垂直于第一光楔31和第二光楔32的第一面。所述第一光楔31的第一面与所述第二光楔32的第一面相对设置。每个光楔有两个面，即楔面和直角面。所述楔面为两个光纤相对的有斜度的面。所述直角面为光楔的外表面。

在此实施例中，所述第一光楔31的第一面为直角面311，所述第二光楔32的第一面为直角面321。

一些实施例中，所述第一光楔31和第二光楔32的楔角为γ，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足以下公式：ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

一些实施例中，所述第一光楔31的一个面与第二光楔32的一个面平行，且两个平行面之间的距离为d，从第一透镜2出射的平行光波分别垂直于第一光楔31和第二光楔32的第一面。在此实施例中，所述第一光楔31的第一面为直角面311，所述第二光楔32的第一面为直角面321。所述第一光楔31的一个面为第一光楔31的楔面312，所述所述第二光楔32的一个面为第二光楔32的楔面322。

一些实施例中，所述第一光楔31和第二光楔32的楔角为γ，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足以下公式：

ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

且移相器4的移动量满足公式：

一些实施例中，所述移相量的计算公式为

其中，λ为移相干涉仪工作波长。

另一方面，本发明实施例还提供了一种标定方法，如图3所示，所述标定方法包括步骤：S1，启动移相干涉仪和如上所述的移相装置，调节被测光学元件至干涉条纹清晰，等候移相干涉仪的光源稳定；

S2，采集一幅移相干涉图，采集完成后驱动移相器推动光楔对中的一个光楔移动，并采集干涉图；

S3，重复步骤S2，先后采集四幅干涉图；

S4,对采集的五幅移相干涉图进行处理计算，得到移相量为θ；

S5,将计算得到的移相量θ与理想移相量θ′相比，得到移相器线性移相误差的标定系数k，实现移相器的标定。

一些实施例中，所述步骤S1中的干涉条纹为3～5根。

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种高精度移相装置包括光程匹配模块和移相模块。光程匹配模块包括：第一光纤1，用于将移相干涉仪中的激光传输进移相装置中；第一透镜2，用于将光纤出射的发散光束转换为平行光束；第二透镜5，用于将移相模块出射的平行光束汇聚耦合进第二光纤6；第二光纤6，用于将移相后的光束传输进移相干涉仪中；电机7，用于驱动第二透镜5和第二光纤6实现光程匹配。

第一光纤1，第一透镜2，第二透镜5和第二光纤6位于同一光轴上依次设置。第一光纤1的出射端面安装时使其与第一透镜2的焦点重合；第二光纤6的接受端面安装时使其与第二透镜5的焦点重合；第二透镜5和第二光纤6统一安装在电机台上，由电机7驱动沿光轴方向移动。

移相模块包括光楔对3和移相器4。光楔对3由第一光楔31与第二光楔组成32，所述第一光楔31与第二光楔组成32是两块完全一样的光楔，其楔角γ大小范围为1～10度；第二光楔固定在移相器端面上，移相器4驱动第二光楔32移动实现光程变化，实现移相。

如图2所示，所述光楔对3的构成方式有两种。

第一种构成方式是第一光楔31的第一面与第二光楔32的第一面平行，两个平行面之间的距离为d，通过调整光楔对3的姿态使得第一透镜2的光轴分别垂直于第一光楔31和第二光楔32的第一面。每个光楔有两个面，楔面和直角面。在此实施例中，所述第一光楔31的第一面为直角面311，所述第二光楔32的第一面为直角面321。

对于第一种构成方式，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足

ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

第二种构成方式是第一光楔31一个面与第二光楔32的一个面平行，且两个平行面之间的距离为d；通过调整光楔对3的姿态使得从第一透镜2出射的平行光波分别垂直于第一光楔31和第二光楔32的第一面。在此实施例中，所述第一光楔31的第一面为直角面311，所述第二光楔32的第一面为直角面321。所述第一光楔31的一个面为第一光楔31的楔面312，所述所述第二光楔32的一个面为第二光楔32的楔面322。

对于第二种构成方式，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足

ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

对于第二种构成方式，需要确保移相器的移动量ΔL满足：

因此移相量为

式中λ为移相干涉仪工作波长。当γ为5度，n为1.5时，对移相器的移相分辨率和精度要求放宽22.8倍；当γ为1度，n为1.5时，对移相器的移相分辨率和精度要求放宽114.6倍。当采用移动精度为0.1微米的移相器时能实现4.4～0.87nm的移相(对应楔角为5～1度)，实现高精度移相。

如图3所示，本发明的移相器得快速标定方法包括如下步骤：

步骤1：启动移相干涉仪和本发明所述高精度移相装置，调节被测光学元件至干涉条纹清晰且密度合适(3～5根)，等候移相干涉仪的光源稳定；

步骤2：采集一幅移相干涉图，采集完成后驱动图2所示移相器3推动第二光楔2移动，理想移相量为采集的干涉图如下面的公式表示。

在所述公式中，I为干涉图的光强分布，A为干涉图的背景光强，B为干涉图的调制度。

步骤3：重复步骤2，先后采集四幅干涉图。

步骤4：对采集的五幅移相干涉图进行如下处理：

计算得到：

步骤5：将计算得到的移相量与理想移相量相比，得到移相器线性移相误差的标定系数k。将该系数乘以理想移相量可以得到所需移相量，实现移相器的标定。

本发明涉及的移相装置的移相精度与光楔的楔角、移相器的运动精度以及光楔的折射率相关。光楔形成一个光程放大器，其放大倍率在楔角为5～1度时移相精度提高22.8～114.6倍，实现高精度移相。

本发明实施例提供的移相装置及其标定方法，具有如下优点：

1.本发明实施例提供的移相装置能实现均匀移相；

2.光楔体积小，质量小，用小负载移相器就能推动光楔实现快速移相，对移相器的要求低；

3.移相装置不直接作用于被测光学元件，不会改变被测光学元件的应力状态和面形；

4.采用光纤，能有效滤除光束中的像差，提高干涉检测精度；

5.光楔对形成一个光程放大器，其显著降低对移相器的精度要求。对于一个楔角为5度的光楔，本发明实施例涉及的移相装置相对于移相器而言提高22.8倍，降低了对移相器的要求。

6.本发明实施例提供的移相装置及其标定方法能实现光程调节，可以应用于短相干干涉检测。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种移相装置，其特征在于，包括：

光程匹配模块和移相模块；

所述光程匹配模块包括第一光纤、第一透镜、第二光纤、第二透镜

和电机；

所述第一光纤、第一透镜、第二光纤和第二透镜依次设置在同一光轴上；

所述电机驱动第二光纤和第二透镜沿光轴方向移动；

所述移相模块包括光楔对和移相器，所述移相器驱动光楔对中的一块光楔沿垂直于光轴的方向移动。

2.如权利要求1所述的移相装置，其特征在于，所述光楔对包括第一光楔和第二光楔，所述第一光楔与第二光楔是两块完全一样的光楔。

3.如权利要求2所述的移相装置，其特征在于，所述第一光楔与第二光楔的楔角γ大小范围为1～10度。

4.如权利要求2所述的移相装置，其特征在于，所述第一光楔的第一面与第二光楔的第一面平行，两个平行面之间的距离为d，第一透镜的光轴分别垂直于第一光楔和第二光楔的第一面。

5.如权利要求4所述的移相装置，其特征在于，所述第一光楔和第二光楔的楔角为γ，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足以下公式：

ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

6.如权利要求2所述的移相装置，其特征在于，所述第一光楔的一个面与第二光楔的一个面平行，且两个平行面之间的距离为d，从第一透镜出射的平行光波分别垂直于第一光楔和第二光楔的第一面。

7.如权利要求6所述的移相装置，其特征在于，所述第一光楔和第二光楔的楔角为γ，光程改变量ΔOPD与移相器的移动量ΔL和光楔的折射率n之间的关系满足以下公式：

ΔOPD＝(n-1)*ΔL*tanγ

且移相器的移动量ΔL满足公式：

$\mathrm{\&Delta;}L<\frac{d}{\sin \mathrm{\&gamma;}}$

8.如权利要求5或7所述的移相装置，其特征在于，所述移相量的计算公式为

$\mathrm{\&Delta;}\mathrm{\&theta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}*\mathrm{\&Delta;}OPD}{\mathrm{\&lambda;}}=\frac{2\mathrm{\&pi;}*(n-1)*\mathrm{\&Delta;}L*tan\mathrm{\&gamma;}}{\mathrm{\&lambda;}}$

其中，λ为移相干涉仪工作波长。

9.一种标定方法，其特征在于，包括步骤：

S1，启动移相干涉仪和如权利要求1所述的移相装置，调节被测光学元件至干涉条纹清晰，等候移相干涉仪的光源稳定；

S2，采集一幅移相干涉图，采集完成后驱动移相器推动光楔对中的一个光楔移动，并采集干涉图；

S3，重复步骤S2，先后采集四幅干涉图；

S4,对采集的五幅移相干涉图进行处理计算，得到移相量为θ；

S5,将计算得到的移相量θ与理想移相量θ′相比，得到移相器线性移相误差的标定系数k，实现移相器的标定。

10.如权利要求9所述的标定方法，其特征在于，所述步骤S1中的干涉条纹为3～5根。