干涉仪位移测量系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种干涉仪位移测量系统及方法，其中的系统包括：测量光经第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。利用上述发明专利技术能够减小位移测量误差、提高测量精度和测量范围。

【技术实现步骤摘要】
干涉仪位移测量系统及方法
本专利技术涉及精密位移测量
，更为具体地，涉及一种干涉仪位移测量系统及方法。
技术介绍
精密测量是精密加工的基础，尤其对于IC装备，纳米级甚至亚纳米级的分辨率成为精密测量的标准和要求，目前是激光干涉仪和光栅干涉仪作为精密测量的研究对象，对其分辨率的要求也越来越高。但在实际位移测量过程中，由于物体运动等因素会引起光栅或者反射镜产生微小转角，由于在干涉光斑范围内出现了条纹，直接用光电探测器探测干涉的光斑，信号质量会比较差。目前，解决信号质量不好的问题的方法主要是利用光学元件将有夹角的光束变为平行光束，这样在干涉区域的条纹会被消除，但还是存在光斑分离的情况。由于光斑分离，在大行程测量的使用场景中，光斑的尺寸需要增大。相较于小光斑，大光斑不仅使得测量转角范围小，而且光束的波前质量因环境更差。由于测量信号的质量直接影响测量结果，同时光束的波前质量也影响着测量精度，这些问题在实际测量过程中亟需解决。针对上述问题，专利US6020964A、专利US6980279B2均采用角锥棱镜回光，进入角锥棱镜的光与出射的光平行，保证最后返回的光与入射的光平行，避免了夹角干涉，但是这样使得干涉仪的结构大且当测量行程一定大的时候产生光斑分离。此外，专利US6897962B2发布了一种八倍细分的干涉仪，利用角锥棱镜回光和大光斑测量可以使得两光斑始终在测量行程中始终有重叠区域，但大光斑同时存在问题，光斑的波前更容易受空气扰动等因素的影响，导致测量精度低、适用范围小。
技术实现思路
鉴于上述问题，本专利技术的目的是提供一种干涉仪位移测量系统及方法，以解决目前的干涉仪所存在的体积大、检测质量差、准确度低、适用范围小等问题。本专利技术提供的干涉仪位移测量系统，包括：用于发射测量光的第一激光光源、依次设置在第一激光光源一侧的第一偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置，待检测物体固定在反射装置上；以及，用于发射参考光的第二激光光源、依次设置在第二激光光源一侧的第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二1/4波片、第二分光棱镜以及贴设在第二分光棱镜侧的反射镜；测量光经第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。此外，优选的技术方案是，光波导组件包括透镜固定元件、设置在透镜固定元件内的第一平凸透镜和第二平凸透镜、位于第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的波导光纤和反射膜层；其中，透镜固定元件为玻璃件，反射膜层贴设在透镜固定元件的靠近反射装置一侧的右端面上。此外，优选的技术方案是，第一平凸透镜距离透镜固定元件的左端面的距离为第一焦距，第二平凸透镜距离透镜固定元件的右端面的距离为第二焦距；第一焦距和第二焦距相等。此外，优选的技术方案是，测量光依次经第一偏振分光棱镜透射和第一1/4波片后，由第一分光棱镜分为第一透射光和第一反射光；其中，第一透射光经第一平凸透镜后耦合至波导光纤上，再经过第二平凸透镜，到达反射装置；经反射装置反射回的光经第二平凸透镜到达反射膜层，反射膜层将光再次反射至反射装置，反射装置反射的光再次经过第二平凸透镜耦合至波导光纤上，并依次经过第一平凸透镜、第一分光棱镜、第一1/4波片后，变为第一s偏振光；第一s偏振光经第一偏振分光棱镜反射至第一光电探测器。此外，优选的技术方案是，第一分光棱镜的第一反射光经第二分光棱镜反射，反射后的光经第二1/4波片后，变为第二s偏振光；第二s偏振光经第二偏振分光棱镜反射至第二光电探测器。此外，优选的技术方案是，参考光经第二偏振分光棱镜透射后，经第二1/4波片和第二分光棱镜分光，形成第二透射光和第二反射光；其中，第二透射光经反射镜后返回，并经第二分光棱镜和第二1/4波片后，变为第三s偏振光；第三s偏振光经第二偏振分光棱镜反射至第二光电探测器；第二反射光经第一偏振分光棱镜后经第一1/4波片，变为第四s偏振光；第四s偏振光经第二偏振分光棱镜反射至第一光电探测器。此外，优选的技术方案是，第一光电探测器根据第一s偏振光和第四s偏振光的光束干涉及光电转换，形成测量信号；第二光电探测器根据第二s偏振光和第三s偏振光的光束干涉及光电转换，形成参考信号。此外，优选的技术方案是，测量光和参考光均为p偏振光；反射装置为反射镜或者光栅。此外，优选的技术方案是，反射装置的位移信息的表示公式如下：其中，Δz表示位移信息，λ表示光束在空气中的波长，表示测量信号鉴相后的相位，表示参考信号鉴相后的相位，θ为反射装置相对y轴方向的安装角。根据本专利技术的另一方面，提供一种干涉仪位移测量方法，利用上述干涉仪位移测量系统对待测物体进行位移测量；方法包括：通过第一激光光源发射测量光，通过第二激光光源发射参考光；测量光依次经过第一偏振分光棱镜、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置的处理后，返回第一光电探测器和第二光电探测器中；第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号；同时，参考光经第二偏振分光棱镜、第二1/4波片、第二分光棱镜以及反射镜的处理后，返回至第一光电探测器和第二光电探测器中；第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；根据测量信号和参考信号确定待检测物体的位移信息。利用上述干涉仪位移测量系统及方法，能够实现纳米级的分辨率，且能有效消除待测转角对条纹对比度的影响，能适应存在大转角安装的实际使用情况；此外，该测量系统还能有效补偿空气扰动误差，不需要大尺寸光斑来适应转角引起的光斑分离，相比已有的干涉仪具有更小的光斑尺寸测量能力，能够减小空气对测量的影响。为了实现上述以及相关目的，本专利技术的一个或多个方面包括后面将详细说明的特征。下面的说明以及附图详细说明了本专利技术的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本专利技术的原理的各种方式中的一些方式。此外，本专利技术旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。附图说明通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本专利技术的更全面理解，本专利技术的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：图1为根据本专利技术实施例的干涉仪位移测量系统的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例的光波导组件结构示意图；图3为根据本专利技术实施例的测量光的光路示意图；图4为根据本专利技术实施例的参考光的光路示意图；图5为根据本专利技术实施例的光栅结构示意图；图6为根据本专利技术实施例的零差干涉仪结构示意图；图7为根据本专利技术实施例的干涉仪位移测量方法的流程图。其中的附图标记包括：第一激光光源10、第二激光光源11、第一偏振分光棱镜20、第二偏振分光棱镜21、第一光电探本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种干涉仪位移测量系统，其特征在于，包括：用于发射测量光的第一激光光源、依次设置在所述第一激光光源一侧的第一偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置，待检测物体固定在所述反射装置上；以及，用于发射参考光的第二激光光源、依次设置在所述第二激光光源一侧的第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二1/4波片、第二分光棱镜以及贴设在所述第二分光棱镜侧的反射镜；/n所述测量光经所述第一偏振分光棱镜、所述第一1/4波片、所述第一分光棱镜、所述光波导组件以及所述反射装置的处理后，返回所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中；/n所述参考光经所述第二偏振分光棱镜、所述第二1/4波片、所述第二分光棱镜以及所述反射镜的处理后，返回至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中；/n所述第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，所述第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；/n根据所述测量信号和所述参考信号确定所述待检测物体的位移信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种干涉仪位移测量系统，其特征在于，包括：用于发射测量光的第一激光光源、依次设置在所述第一激光光源一侧的第一偏振分光棱镜、第一光电探测器、第一1/4波片、第一分光棱镜、光波导组件以及反射装置，待检测物体固定在所述反射装置上；以及，用于发射参考光的第二激光光源、依次设置在所述第二激光光源一侧的第二偏振分光棱镜、第二光电探测器、第二1/4波片、第二分光棱镜以及贴设在所述第二分光棱镜侧的反射镜；
所述测量光经所述第一偏振分光棱镜、所述第一1/4波片、所述第一分光棱镜、所述光波导组件以及所述反射装置的处理后，返回所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中；
所述参考光经所述第二偏振分光棱镜、所述第二1/4波片、所述第二分光棱镜以及所述反射镜的处理后，返回至所述第一光电探测器和所述第二光电探测器中；
所述第一光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成测量信号，所述第二光电探测器根据处理后的测量光和参考光形成参考信号；
根据所述测量信号和所述参考信号确定所述待检测物体的位移信息。


2.如权利要求1所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述光波导组件包括透镜固定元件、设置在所述透镜固定元件内的第一平凸透镜和第二平凸透镜、位于所述第一平凸透镜和所述第二平凸透镜之间的波导光纤和反射膜层；其中，
所述透镜固定元件为玻璃件，所述反射膜层贴设在所述透镜固定元件的靠近所述反射装置一侧的右端面上。


3.如权利要求2所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述第一平凸透镜距离所述透镜固定元件的左端面的距离为第一焦距，所述第二平凸透镜距离所述透镜固定元件的右端面的距离为第二焦距；
所述第一焦距和所述第二焦距相等。


4.如权利要求2所述的干涉仪位移测量系统，其特征在于，
所述测量光依次经所述第一偏振分光棱镜透射和所述第一1/4波片后，由所述第一分光棱镜分为第一透射光和第一反射光；其中，所述第一透射光经所述第一平凸透镜后耦合至所述波导光纤上，再经过所述第二平凸透镜，到达所述反射装置；
经所述反射装置反射回的光经所述第二平凸透镜到达所述反射膜层，所述反射膜层将光再次反射至所述反射装置，所述反射装置反射的光再次经过所述第二平凸透镜耦合至所述波导光纤上，并依次经过所述第一平凸透镜、所述第一分光棱镜、所述第一1/4波片后，变为第一s偏振光；
所述第一s偏振光经所述第一偏振分光棱镜反射至所述第一光电探测器。


5.如权利要求4所述的干涉...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙国华，高晓良，徐蕾，
申请(专利权)人：北京华卓精科科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11