五轴差分干涉仪制造技术

一种五轴差分干涉仪，构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为五轴分光系统和差分干涉模块。所述的五轴分光系统由4个45°平面分光镜和3个45°全反镜组成。本发明专利技术具有元件易加工、光路调节方便、非线性误差小和各路光束温漂一致等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及多轴干涉仪，特别是一种五轴差分干涉仪。
技术介绍
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。分光系统设计的好坏是多轴细分干涉仪成败的关键所在。一个好的分光系统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系统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，多轴干涉仪的分光系统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，而且同一块分光元件要在二个通光面镀多种不同要求的膜层，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，对差分干涉仪，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。由于块状光学分光元件的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，这种分光系统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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种五轴差分干涉仪，该干涉仪应具有元件易加工、光路调节相对容易、非线性误差小和各路光束温漂一致等优点。本专利技术的技术解决方案如下 一种五轴差分干涉仪，特点在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为五轴分光系统和差分干涉模块。所述的五轴分光系统由4个45°平面分光镜和3个45°全反镜组成，其位置关系如下 在偏振正交双频激光入射方向设置一个分光比为40%的第一 45°平面分光镜，在该第一 45°平面分光镜的上方依次设置分光比33%第二平面分光镜和第一 45°全反镜，2个50%第三平面分光镜、第四平面分光镜和一个全透镜自下而上依次放置在同一个垂面上，2个第二 45°全反镜、第三45°全反镜自下而上依次放置在另一个与其平行的垂面上； 第一 45°平面分光镜将入射的偏振正交双频激光分成40%的透射光束和60%的反射光束，该透射光束方向设置50%的第三45°平面分光镜，经该第三45°平面分光镜分为能量相等的透射光和反射光各一束，其中反射光束经第二 45°全反镜反射后，其传播方向与透射光平行，从而形成下层A、B号光； 经第一 45°平面分光镜反射能量为60%的反射光束则经过与第一 45°平面分光镜上下平行放置的分光比为33%的第二 45°平面分光镜又被分成能量相等的透射光束和反射光束；其中的反射光束又入射到50%的第四45°平面分光镜，该第四平面分光镜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，使得传播方向与透射光平行，从而形成中层C、D号光； 经第二平面分光镜的透射光束再经与第二平面分光镜上下平行放置的第一 45°全反镜反射后也改变其传播方向并与上述各分光束平行；该光束又入射到一个全透镜后形成上层E号光，此处全透镜的使用是为了使分光系统中每一路光束在介质中的传输距离尽量相·等，从而保证各路光束温度漂移的一致性；这样，从激光器输出的一束双频激光经过该五轴分光系统后被分成能量相等且相互平行的五束光，上层一束，中、下层各两束。所述的差分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可调45°反射镜，在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜。所述的参考反射镜和测量反射镜分别固定在测量物体上，如光刻机的工件台和物镜。在该偏振分光镜的第四方设有由下向上三层排列的五个直角棱镜。所述的五个直角棱镜的设置如下自下而上第一层第一直角棱镜、第二直角棱镜；第二层第三直角棱镜、第四直角棱镜；第三层第五直角棱镜。采用具有40%、33%、50%分光比的系列45°平面分光镜和45°反射镜的五轴分光系统，将入射光分成能量相等的五束平行光。这五束平行光分别被用作5个自由度的精密测量。由于采用了这种分光系统，对应于每一个测量轴的光束也都能独立调节，而且与通常的块状分光系统比较，相应于5个测量轴的5束光在石英或玻璃介质中的传输距离显著缩短，并且这5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，还可以有效减小各测量轴由热漂移引起的测量误差。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的的频差和高的频率稳定度。—个偏振分光镜又将经过五轴分光系统后的五束平行光根据偏振特性的不同将每一束光分成测量光和参考光。五个测量光束是五束光经过偏振分光镜后透射的光，而五个参考光束则是五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。五个测量光束经过公用的四分之一波片后传播到测量反射镜上，被反射后再经过四分之一波片进入偏振分光镜。由于五束测量光束两次通过四分之一波片，因此五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五束测量光束在偏振分光镜偏振面上被反射而不是透射。反射后的五束测量光束进入五个直角棱镜，随后又被反射回到偏振分光镜。经过偏振分光镜的反射，五束测量光束将再次被送入测量反射镜进行反射。于是经过两次通过四分之一波片后，五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五束测量光束在偏振分光镜偏振面上被透射输出。偏振分光镜也产生了五束参考光束，它们是五束入射光经过偏振分光镜后被反射的光束。在该偏振分光镜的反射光方向是第二四分之一波片和可调45°反射镜,在该可调45°反射镜的反射光方向是参考反射镜。五个参考光束经过公用的四分之一波片后入射到可调45°反射镜上,经45°反射镜反射后改变传输方向并与五束测量光束平行,五束参考光束又被一个与测量反射镜平行放置的参考反射镜反射，其反射光又再次经过可调45°反射镜和四分之一波片进入公用偏振分光镜，偏振面转动90°。经过偏振分光镜的透射和五个直角棱镜的转折，五束参考光束将再次经过公用的偏振分光镜、四分之一波片、可调45° 反射镜和参考反射镜重复上述过程，偏振方向再次被旋转90°的参考光束到达偏振分光镜45°偏振面时，将被反射输出。随后五束参考光束和五束测量光束分别合束，形成5个输出光束20-24，每一束出射光束包含了共线传输的参考光束和测量光束各一束，对应一个测量光轴。输出光束由探测器探测并经计算机软件处理，通过分析每一个出射本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种五轴差分干涉仪，特征在于其构成包括沿偏振正交双频激光入射方向依次为五轴分光系统和差分干涉模块。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建芳，程兆谷，程亚，黄惠杰，池峰，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：