专利名称：单块式位移测量用干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及单块式位移测量用干涉仪。
背景技术：
位移测量干涉仪(“DMI”)是本领域熟知的，并且用于以高精度和分辨率水平测量小位移和长度已有数十年。在这些设备中，氦氖位移测量激光干涉仪由于其高度的稳定性和单色性而得到了比较普遍的应用。干涉仪需要对反射镜进行仔细的对准，这种对准必须长期维持，但是这可能存在相当大的实际困难。
通过经过干涉仪的每个臂两次并在两次经过之间加入对波前进行倒转的装置，双程干涉仪可以对反射镜失调表现出部分的不敏感性。参见例如S.J.Bennett的“A Double-Passed Michelson Interferometer”，OpticsCommunications，Volume4，Number6，February/March，1972，其中用偏振分束器、两个四分之一波片和一个用作倒转元件的角隅反射器实现了两次经过。Bennett的前述论文的全部内容通过引用而结合于此。由于其产业意义、鲁棒性、稳定性和精度，双程位移测量干涉仪在高精度位移测量中得到了比较普遍的应用。
尽管在DMI领域已经普遍取得了许多进步，但是仍然存在测量误差和不准确性。对这种误差和不准确性有影响的因素中包括对准误差和程长误差、光学混合、热效应、偏振态泄漏(即测量光束与参考光束的不希望的混合)、衍射引起的条纹、相位与位移之间的非线性关系、以及其他误差。参见例如Norman Bobroff的“Recent Advances in DisplacementMeasuring Interferometry”，Meas.Sci.Technol.4(1993)，907-926，以及Schmitz和Beckwith的“An Investigation of Two Unexplored Periodic SourceErrors in Differential-Path Interferometry”，Precision Engineering，27(2003)，311-322，其中详细讨论了这些因素中的某些因素。Bobroff和Schmitz等人的前述论文各自的全部内容通过引用而结合于此。
现有技术的大多数DMI在参考光束和测量光束进入干涉仪系统的光学部分之前对其进行合并。光源和光学器件的特性并非理想，使参考光束和测量光束在测得期望的位移之前就已经混合。这是DMI中引入非线性误差的主要方式之一。DMI中非线性误差的另一个主要来源是基于衍射的干涉。一些现有技术的DMI使用反射式孔径将参考光束与测量光束隔离开，这两个光束直到反射式孔径之前共有一个公共的环形区域。这种结构导致形成干涉光束，它可能使性能下降。
在2001年的ASPE年会上发表的一篇题为“Demonstration of Sub-Angstrom Cyclic Non-Linearity Using Wavefront-Division Sampling with aCommon-Path Laser heterodyne Interferometer”的论文中，Jet PropulsionLaboratory，Califomia Institute of Technology，Pasadena，Califomia的FengZhao公开了一种意在使非线性误差最小化的共路外差干涉仪。Zhao通过对参考光束和测量光束使用分离的光纤通道使参考光束和测量光束在通往检测器的大部分光路上隔离开来。参考光束具有第一频率，测量光束具有不同于第一频率的第二频率。粗略地说，就是产生与第一频率和第二频率相应的第一光束和第二光束并在独立的第一检测器和第二检测器处进行检测。但是，在某些系统中，情况比这样更加复杂。所谓的“本地振荡器”光束和“探测”光束由光源发射作为两个分离的光束，这些光束在干涉仪中混合以在输出端产生测量光束和参考光束。这个问题在下面有更加详细的讨论。
为了清楚起见以免混淆，此处使用了术语“测量光束”和“参考光束”，但是应当理解为取决于各术语可能出现的特定上下文，它们与术语“本地振荡器光束”和“探测光束”可能分别互换。
第一光束可以指由照射到静止孔径上的第一频率光束产生的参考光束。第二光束可以指由照射到移动目标上的第二频率光束产生的测量光束。第一光束与第二光束之间的相位差代表了目标的位置。Zhao的干涉仪结构减小了测得的位移中的非线性误差。Zhao使用波前分割方案，但是其中基于衍射的干涉误差仍然影响很大，因为测量光束和参考光束是在基本上同一光路上彼此环形隔开的。此外，还不清楚Zhao的方案怎样才能扩展到多于一个光轴。
需要一种DMI，它可以将非线性误差和衍射引起的误差进一步最小化，并可以以简单经济的方式增减多个光轴。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种平面反射镜干涉仪，它适于分别接收两个分离的输入光束f1和f2，其中，直到两光束f1和f2在偏振的或非偏振的菱体子组件中合并之前，该干涉仪都使两光束保持彼此分开，所述合并发生在光束即将由干涉仪输出之前。由此减小了由偏振以及其他混合引起的测量误差。
根据本发明的另一个方面，提供了一种平面反射镜干涉仪，它适于分别接收两个分离的输入光束f1和f2，其中，两光束在干涉仪中行进的两条路径长度基本等效，从而减小了热引起的测量误差。
根据本发明的另一个方面，提供了一种平面反射镜干涉仪系统，它适于分别接收两个分离的输入光束f1和f2，其中，系统包括一个或多个光束阻挡器，所述光束阻挡器位于一个或多个四分之一波片与一个或多个静止的或运动的平面反射镜之间，所述光束阻挡器所具有的位置和构造能够拦截外来光，从而减小测量误差。
根据本发明的另一个方面，提供了一种干涉仪，它包括前述的一个或多个方面，还可以增减任意数量的光轴。
本发明各种实施例在其范围内包括结合或应用了前述方面的元件、器件和系统，以及制造和使用应用了前述方面的元件、器件和系统的方法。
图1示出了现有技术的线性位移测量干涉系统的框图；图2示出了本发明的测量干涉系统一种实施例的框图；图3示出了本发明的单角隅干涉仪的一种实施例，它提供了冗余输出并包括非偏振分束界面；图4示出了本发明的单角隅干涉仪的一种实施例，它提供了单一的输出并包括偏振分束界面；图5示出了本发明的双角隅干涉仪的一种实施例，它提供了冗余输出并包括非偏振分束界面；图6示出了本发明的双角隅干涉仪的一种实施例，它提供了单一的输出并包括偏振分束界面。
具体实施例方式
图1示出了现有技术的线性位移测量干涉系统的框图。双频Zeeman(塞曼)分裂氦氖激光源10产生并发射具有频率f1和f2的第一光束和第二光束(下文称为“光束f1和f2”)，其中第一光束具有第一圆偏振态，第二光束具有不同于第一偏振态的第二圆偏振态。从光源10发射的光束f1和f2通常分别是右旋和左旋偏振的。两个激光模式在光源10的腔内受到放大，所述两个模式对应于两种偏振态。在Zeeman分裂激光器中，两个偏振态是圆偏振并具有相反手性。望远镜15提供了用于对光源10发射的光束f1和f2进行扩束和准直，以便传送到干涉测量系统其余部分的手段。
接下来，光束f1和f2经过四分之一波片20，它们在该处从圆偏振态转换为线偏振态，然后被导向非偏振的分束器30。(注意图1中未示出用于将线偏振光束与偏振分束器204或称为“PBS204”的入射面正确对准的装置)。
一旦线偏振光束与干涉仪40的偏振分束器204的入射面正确对准，则光束f1被透射到测量角隅110，而光束f2被反射到参考角隅100。在光束f1和f2从它们各自的角隅100和110后向反射之后，光束f1和f2在偏振分束器204(或称为“PBS 204”)处重新合并。干涉仪40接收线偏振光束f1和f2的透射部分，然后将这些光束各自的部分导向参考角隅100和测量角隅110。
从参考角隅100和测量角隅110反射的光束f1和f2被导向经过45度偏振器120。第一和第二45度偏振器90和120分别对测量和参考光束f1和f2进行重新合并。来自相位检测器130和140的输出输入到锁相环检测器150和160，它们一起产生一个差Δf，根据这个差确定测量角隅110移动的位移。重新合并的光束f1和f2经过偏振器120，它使两个正交偏振的光束之间产生干涉。得到的干涉光束由偏振器120透射到光电二极管140用于检测。得到的干涉光束的频率对应于测量角隅110相对于参考角隅100沿着测量光束轴线的相对速度。干涉光束的相位对应于测量角隅110沿着参考光束轴线的相对位置。
接着参考图1，在从四分之一波片20射出时，每个光束f1和f2的一部分沿干涉仪40(它是干涉仪系统的光学部分)的方向透射穿过分束器30。每个光束f1和f2的剩余部分朝向非偏振的分束器50和第一45度偏振器90反射。液晶偏振器60、功率检测器70和激光调谐伺服机构80组成反馈控制装置用于监视并控制激光源10的输出恒定。为了稳定，根据光源10产生的两个激光模式功率差用反馈对光源10的激光腔进行温度控制。穿过非偏振的分束器30和50传送的部分光束被导向液晶偏振器60，它交替地透射具有第一和第二偏振态的光。光电二极管70随时间测量功率差并将这些信息提供给激光调谐伺服机构80。
注意在本说明书、附图和权利要求中以及对DMI、DMI的一部分或DMI系统的讨论、描述和/或权利要求的上下文中，使用的术语“单块”表示干涉仪至少具有偏振的或非偏振的分束器子组件以及至少一个角隅、输入、输出、反射的或后向反射的菱体子组件，所述分束器子组件包括玻璃或光学上等效的材料，所述菱体子组件也包括玻璃或光学上等效的材料，其中所述的分束器和所述的至少一个角隅、输入、输出、反射的或后向反射的菱体子组件在实体上彼此位置相近，并且用粘性的、机械的(例如螺丝)、化学的、电磁的和/或磁性的装置彼此直接连接，使得干涉仪的光学部分(不包括DMI或DMI系统的光源、检测器或者测量角隅或平面反射镜)形成单一的组件。
图1以及此处所附的说明书说明了Agilent的10705型线性干涉仪的各个方面。与此处所述的术语“单块”的定义一致，10705线性干涉仪具有单块的设计和结构。
下列美国专利中公开了图1所图示DMI的各个方面，其各自的全部内容通过引用而结合于此授权给Bockman的题为“Linear-and-angularmeasuring plane mirror interferometer”的美国专利No.5,064,280；授权给Bockman的题为“Multi-axis interferometer with integrated optical structureand method for manufacturing rhomboid assemblies”的美国专利No.6,542,247；以及授权给Bockman的题为“Method and interferometricapparatus for measuring changes in displacement of an object in a rotatingreference frame”的美国专利5,667,768。
为了防止混乱，注意本说明书、附图和权利要求中以及对DMI、DMI的一部分或DMI系统的讨论、描述和/或权利要求的上下文中所使用的术语“参考光束”，取决于其使用之处具体的上下文，可能表示“本地振荡器光束”或“参考光束”。还要注意，本说明书、附图和权利要求中以及对DMI、DMI的一部分或DMI系统的讨论、描述和/或权利要求的上下文中所使用的术语“测量光束”，取决于其使用之处具体的上下文，可能表示“探测光束”或“测量光束”。
根据本发明的某些实施例，光源发射“本地振荡器”光束和“探测”光束，本地振荡器光束和参考光束在干涉仪内部进行混合以在输出处产生测量光束和参考光束。尽管为了简单起见，下文中继续采用“参考光束”和“测量光束”，但是这些术语应当如上面紧挨着的段落中所阐述的那样，取决于其出现之处具体的上下文而进行解释。
现在参考图2，示出了本发明的测量干涉系统的一种实施例的框图，其中，光束源10包括能够产生三个输出光束的激光源第一光束具有频率f1和第一线偏振态，第二光束具有频率f2和与第一线偏振态正交的第二线偏振态，第三光束包括具有合并的频率f1和f2的光。第三光束被导向偏振器110，频率f1和f2在该处合并形成单一的偏振态并透射到检测器130。第一和第二光束被导向本发明的干涉仪45。
接着参考图2，将光束源10发射的光学分离的第一输入光束f1和第二输入光束f2发送到干涉仪45。在本发明的一种优选实施例中，干涉仪45包括一个菱体子组件190，该菱体子组件190包含非偏振的或偏振的分束界面192或194。平面反射镜110和112对入射到其上并源自干涉仪45(图2中未详细示出)的参考光束和测量光束f1和f2进行后向反射。平面反射镜110相对于干涉仪45固定或静止，而平面反射镜112相对于干涉仪45运动。
接着将干涉仪45输出的合并的光束导向穿过45度偏振器120，使它们从其出射后具有相同的偏振态。来自鉴相器140的输出入射到锁相环检测器160，所述锁相环检测器160与上数/下数计数器205相结合产生差值Δf，由其可以确定平面镜112相对于干涉仪45 经运动的距离或位移。图3到图6示出了干涉仪45的各种实施例进一步的细节。
在图3、图4、图5和图6所示的本发明的实施例中，四分之一波片170和180结合到干涉仪45中。四分之一波片170和180具有非反射(non-mirrored)的表面。结果是，入射到波片170和180上并经过其透射的线偏振光束转换为圆偏振态。图3到图6所示的菱体子组件190可以根据授权给Bockman的题为“Multi-axis interferometer with integrated opticalstructure and method for manufacturing rhomboid assemblies”的美国专利No.6,542,247的教导来构成。
图3示出了本发明的单角隅干涉仪的一种实施例，它提供了冗余输出并包括非偏振分束界面192。在图3中可以看到，第一光束f1和第二光束f2作为分离的光束进入干涉仪45。第一光束f1进入偏振分束器子组件206的第一表面207并前进到偏振分束器(PBS)界面204，它由该界面向上反射穿过四分之一波片170，反射离开静止平面反射镜110并经过四分之一波片170向下返回。第一光束f1在进入干涉仪45时处于s偏振态，因此当入射到界面204上时被其反射开。在第一次经过四分之一波片170时，第一光束f1变成第一方向的圆偏振，在反射离开反射镜110时，它变成第二方向的圆偏振，第二次经过四分之一波片170时变成线性的p偏振态，因此在朝角隅101向下传播时穿过界面204。
角隅101使第一光束f1向上反射，它第二次经过界面204，第三次经过四分之一波片170，变成一种状态的圆偏振第二次反射离开反射镜110，变成相反状态的圆偏振，第四次经过四分之一波片170并变成s偏振，使之现在朝菱体190反射离开界面204。经过输出面193进入菱体190后，第一光束f1向上反射离开菱体子组件190的角隅，从而入射到非偏振的分束器192上并从其反射，在该处第一光束f1与第二光束f2合并，合并的光束含有信息Δf，它用于计算运动的平面反射镜112的位移或位置。还要注意，菱体190提供了两组相同的合并光束输出220和221，用作在此输出之一不可用的情况下的冗余。每个此合并光束输出220或221都包含信息(f1-f2)±Δf，该信息在后续步骤中用于计算运动反射镜112的位移或位置。
接着参考图3，第二光束f2经过菱体子组件的输入面191进入干涉仪45，由于其p偏振态而穿过界面204，经过四分之一波片180透射并改变为第一圆偏振态，并反射离开运动平面反射镜112，所述运动平面反射镜112改变圆偏振的方向。反射的光束f2再次进入四分之一波片180，在该处改变为线性的s偏振态，然后由界面204向下反射。向下反射的光束f2接着由角隅101向侧面和向上反射，从而入射到界面204上并由其向反射镜112反射，从反射镜112反射回干涉仪45，作为合并光束220和221的一部分从菱体190出射。
在图3中，光束阻挡器120、122和124总体上布置在四分之一波片170和190与反射镜110和120之间，以捕获、吸收、散射、漫射入射到其上的外来的或不期望的光束，或者使之发生适当的或无害的反射，否则所述外来的或不期望的光束可能混入入射到反射镜110和112上并由其反射的光束f1和f2或者与之干涉。在图3所示光束f1和f2的期望光路之外行进的许多外来的或不期望的光束被光束阻挡器120、122和124捕获、漫射、无害地反射或吸收。
与四分之一波片170和静止反射镜110相对应的光束阻挡器120居中设置，或者说设在光束f2的期望光路231和233之间，而光束阻挡器122和124非居中设置，或者说设在即期望的光路235和237的每一侧。注意，在图3和图4中，光路235和237，以及光束阻挡器122和124位于假想中心轴250的两侧。
光束阻挡器120、122和124由能够对外来或不期望的光束进行适当的吸收、漫射、散射、反射、折射或其他方式的适当重定向的合适材料形成，目的是防止这种外来的或不期望的光混入光束f1和f2或与其干涉。因此，光束阻挡器120、122和124上可以设有不透光的或粗糙的表面，或者由光学反射或折射材料形成为将截获的外来光导向光路231、233、235和237之外。本领域技术人员所知的其他材料当然也可以用于同一目的。
注意，图3所示本发明的实施例对于每一光束f1和f2具有平衡或等效的玻璃路径。即，光束f1和f2所经过的玻璃或其他光学透明或基本透明材料的总数基本相同。这种平衡的玻璃路径大大减小了干涉仪45的各个元件的热膨胀和收缩引起的误差，因为沿光束f1和f2经过的每一路径产生的膨胀或收缩量相同。还要注意，直到光束f1和f2刚刚由菱体190合并并作为合并光束220和221输出之前，偏振光束f1和f2都没有发生混合。偏振光束混合的这种减小大大降低了光混合引起的误差。
接着参考图3，干涉仪45包括具有第一输入表面191和第一输出表面193的菱体子组件190，非偏振分束界面192位于其中。偏振分束器子组件206分别包括至少第一表面、第二表面、第三表面和第四表面207、208、209和210，并包括位于其中的偏振分束器界面204。偏振分束器界面204优选地包括浸没式偏振分束涂层，或者夹在两层光学玻璃之间的介电涂层，所述涂层可以选择性地使入射到其上的光束起偏。第一四分之一波片170具有第一输入面172，第二四分之一波片180具有第二输入面182。
菱体子组件190的第一输出表面193优选地通过光学透明或基本上光学透明的粘合剂或胶结合到分束器子组件206的第一面207。第一四分之一波片170和第二四分之一波片180的第一输入面172和第二输入面182也优选地通过光学透明或基本上光学透明的粘合剂或胶结合到分束器子组件206的第三面209。或者，四分之一波片170和180也可以与PBS组件的表面208和209光学接触。
如图3到图6所示，菱体子组件190、四分之一波片170和180、以及分束器子组件206设置为结合在一起，以使第一光束f1和第二光束f2无需首先经过非偏振或偏振的分束界面192或194就能够进入干涉仪组件45，使得第一光束f1和第二光束f2无需首先分束并由部分界面192或194反射就进入分束器子组件206。
菱体子组件190、角隅101和103、偏振分束器子组件206以及四分之一波片170和180各优选地包括经过适当机加工(或以其他方式形成)和涂敷的玻璃片或元件的堆叠，如授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中所说明的。在本发明的优选实施例中，菱体子组件190是通过将两块玻璃粘合或胶合在一起形成的，粘合剂或胶的界面形成其分振幅或分光束界面。而且，这种子组件的面193和207、172和208、182和209、103和210以及105和210优选地彼此胶合，如授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中所说明的。因此，与上文中所述的术语“单块”的定义一致，图3到图6中示出的干涉仪45是单块的。
但是，注意静止反射镜110可以通过各种适当方式结合到干涉仪45，光束阻挡器120、122和124也一样。在本发明的一种优选实施例中，运动反射镜112没有结合到干涉仪45。
还要注意，光束阻挡器120、122和124可以采取任意数量的合适形状，例如圆形、椭圆形、正方形、矩形或三角形，还可以包括具有一个或多个孔的形状，所述一个或多个孔穿过光束阻挡器以使期望的光路231、233、235和237能够从其通过。此外，光束阻挡器120、122和124中任意一个的一个以上表面都可以纹路化或设置为截获入射到这些光束阻挡器的任何表面上的光。因此，并且仅仅作为示例，图3所示光束阻挡器122的左、右、上、下表面可以纹路化或设置为截获入射到其上的光，所述光来自偏振分束器子组件206的方向、平面反射镜112的方向、平面反射镜110的方向、光路233的方向或者光路235或237的方向。
图4示出了本发明的单角隅干涉仪的一种实施例，它提供了单一的输出，并包括偏振分束界面194。图4所示本发明的实施例包括含有界面194的分振幅起偏菱体子组件190，所述界面194使入射到其上的光束f1反射，f2透射，并提供了包括光束f1和f2的合并输出光束220。与图3所示本发明的实施例一样，偏振分束器子组件206的偏振分束器界面204对入射到其上的p偏振或s偏振的光束进行阻挡和反射，或使之通过。与图3中一样，四分之一波片170和180在经过其透射的光束中引起偏振态改变。注意，图4所示本发明的实施例只提供了一个合并光束输出220。
菱体子组件190、偏振分束器子组件206、角隅101和四分之一波片170和180各自优选地包括经过适当机加工(或以其他方式形成)和涂敷的玻璃片的一个或多个堆叠，如授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中说明的。而且，这种子组件的面193和207、172和208、182和209、103和210以及105和210优选地彼此胶合，如授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中所说明的。或者，面172、208、182和209也可以是光学接触的。因此，与上文中所述的术语“单块”的定义一致，图4所示的干涉仪45是单块的。
与图3所示的本发明的实施例一样，光束阻挡器120、122和124总体上布置在四分之一波片170和190与反射镜110和120之间，以捕获、散射、漫射入射到其上的外来的或不期望的光束，或者使之发生适当的或无害的反射，否则所述外来的或不期望的光束可能混入入射到反射镜110和112上并由其反射的光束f1和f2或者与之干涉。在图4所示光束f1和f2的期望光路之外行进的许多外来的或不期望的光束被光束阻挡器120、122和124捕获、漫射、无害地反射或吸收。与图3中一样，与四分之一波片170和静止反射镜110相对应的光束阻挡器120居中设置或者设在光束f2的期望光路231和233之间，而光束阻挡器122和124非居中设置或者设在期望的光路235和237的每一侧。光束阻挡器120、122和124可以由适当的材料形成，并可以如上所述设置。
注意，图4所示本发明的实施例具有平衡或等效的玻璃路径。即，光束f1和f2所经过的玻璃或其他光学透明或基本透明材料的总数基本相同。这种平衡或等效的玻璃路径大大减小了干涉仪45的各个元件的热膨胀和收缩引起的误差，因为沿光束f1和f2经过的每一路径产生的膨胀或收缩量相同。还要注意，与图3中一样，直到光束f1和f2刚刚由菱体190合并并作为合并光束220输出之前，偏振光束f1和f2都没有发生混合。偏振光束混合的这种减小大大降低了光混合引起的误差。
图5示出了本发明的双角隅干涉仪的一种实施例，它提供了冗余输出并包括非偏振分束界面192。图5所示本发明的实施例包括含有非偏振界面192的菱体子组件190，所述界面192使入射到其上的光束f1和f2取决于其偏振态而透射和反射，并提供了两个冗余的合并输出光束220和221，每个输出光束都包括光束f1和f2。
如图3和图4所示的本发明的实施例一样，偏振分束器子组件206的偏振分束器界面204对入射到其上的p偏振或s偏振的光束进行阻挡和反射，或使之通过。四分之一波片170和180在经过其透射的光束中引起偏振态改变。注意，图5所示本发明的实施例包括两个独立的角隅101和102，它们通过面103和105结合到分束器子组件206的面210。角隅102对光束f1进行反射和重定向，而角隅101对光束f2进行反射和重定向。
菱体子组件190、偏振分束器子组件206、角隅101和四分之一波片170和180是优选地根据上述教导构建和形成的。因此，与上文中所述的术语“单块”的定义一致，图5所示的干涉仪45是单块的。
在图5中，光束阻挡器120和122总体上布置在各光路231、233、235和237的横向，以捕获、散射、漫射入射到其上的外来的或不期望的光束，或者使之发生适当的或无害的反射，否则所述外来的或不期望的光束可能混入光束f1和f2或者与之干涉。在图5所示光束f1和f2的期望光路之外行进的许多外来的或不期望的光束被光束阻挡器120和122捕获、漫射、无害地反射或吸收。
但是注意，与图3和图4中不同，光路231和233设置为彼此相邻，结果光束阻挡器120相对于四分之一波片170位于横向。同样与图3和图4中不同，只使用了一个光束阻挡器122来拦截外来光，否则所述外来光可能混入光路235和237或与之干涉。注意，光路235和237、以及光束阻挡器122设在图5和图6中假想中心轴250的每一侧。
光束阻挡器120和122可以由适当的材料形成，并可以如上所述设置。
注意，图5中所示本发明的实施例具有平衡或等效的玻璃路径。即，光束f1和f2所经过的玻璃或其他光学透明或基本透明材料的总数基本相同。这种平衡的玻璃路径大大减小了干涉仪45的各个元件的热膨胀和收缩引起的误差，因为沿光束f1和f2经过的每一路径产生的膨胀或收缩量相同。还要注意，与图3和图4中一样，直到光束f1和f2刚刚由菱体190合并为合并光束220并输出之前，偏振光束f1和f2都没有发生混合。偏振光束混合的这种减小大大降低了光混合引起的误差。
图6示出了本发明的双角隅干涉仪的一种实施例，它提供了单一输出并包括偏振分束界面194。图6所示本发明的实施例包括含有偏振界面194的分振幅偏振菱体子组件190，所述界面194使入射到其上的光束f1和f2取决于其偏振态而透射和反射，但是只提供了单一的合并输出光束220，所述合并输出光束220包括光束f1和f2。
与图5中一样，设置了两个独立的角隅101和102，它们通过面103和105结合到分束器子组件206的面210。角隅102对光束f1进行反射和重定向，而角隅101对光束f2进行反射和重定向。菱体子组件190、偏振分束器子组件206、角隅101和四分之一波片170和180是优选地根据上述教导构建和形成的。因此，与上文中所述的术语“单块”的定义一致，图6所示的干涉仪45是单块的。
与图5中一样，光束阻挡器120和122总体上布置在各光路231、233、235和237的横向，以捕获、散射、漫射入射到其上的外来的或不期望的光束，或者使之发生适当的或无害的反射，否则所述外来的或不期望的光束可能混入光束f1和f2或者与之干涉。在图6所示光束f1和f2的期望光路之外行进的许多外来的或不期望的光束被光束阻挡器120和122捕获、漫射、无害地反射或吸收。
与图5中一样，光路231和233设置为彼此相邻。因此，光束阻挡器120相对于四分之一波片170位于横向。同样与图5中一样，只使用了一个光束阻挡器122来拦截外来光，否则所述外来光可能混入光路235和237或与之干涉。光束阻挡器120和122可以由适当的材料形成，并可以如上所述设置。
注意，图6中所示本发明的实施例具有平衡的玻璃路径。即，光束f1和f2所经过的玻璃或其他光学透明或基本透明材料的总数基本相同。这种平衡的玻璃路径大大减小了干涉仪45的各个元件的热膨胀和收缩引起的误差，因为沿光束f1和f2经过的每一路径产生的膨胀或收缩量相同。还要注意，与图3、图4和图5中一样，直到光束f1和f2刚刚由菱体190合并为合并光束220并输出之前，偏振光束f1和f2都没有发生混合。偏振光束混合的这种减小大大降低了光混合引起的误差。
注意，由于本发明的某些实施例包括单块的干涉仪，所述干涉仪包括直接结合在一起的光学元件，因此可以不需要框架或类似物来对其各个光学元件进行支撑和定位。
尽管已知Schott BK-7玻璃是特别适用于此处所述类型的单块干涉仪的玻璃，但可以使用除了玻璃之外的光学上合适的材料来构成本发明的输入菱体和偏振分束器子组件。如上所述，本发明可以用于单程或双程干涉仪以及具有三个或更多光轴的干涉仪。本发明的各种实施例中也可以采用除了氦氖光源之外的激光源。结果是，本发明在其范围内包括多轴干涉仪，其中输入光束f1和f2根据授权给Bockman的美国专利No.6,542,247中的教导由输入菱体分为所需轴的数目。此外，此处所公开的各种结构、构造、系统、组件、子组件、元件和概念可以用于非单块的干涉仪中。
因此，此处提出的某些权利要求并非意在限于本发明的单块实施例，而其他权利要求不限于此处附图中明确示出的或说明书中明确讨论的本发明的各种实施例。上文中所述的所有发明和公开各自的全部内容通过引用而结合于此。
权利要求
1.一种单块式位移测量用平面反射镜干涉仪，适于将分离的第一光束和第二光束接收于其中，所述干涉仪包括对于所述第一光束和所述第二光束基本等效的分离的第一光路和第二光路。
2.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少一个偏振分束器。
3.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括菱体子组件。
4.根据权利要求3所述的干涉仪，其中，所述菱体子组件还包括非偏振分束界面。
5.根据权利要求3所述的干涉仪，其中，所述菱体子组件还包括偏振分束偏振界面。
6.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少一个角隅。
7.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少一个光束阻挡器。
8.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少两个光束阻挡器。
9.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少三个光束阻挡器。
10.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少一个四分之一波片。
11.根据权利要求1所述的干涉仪，还包括至少两个四分之一波片。
12.一种位移测量用平面反射镜干涉仪，适于将第一光束和第二光束作为分离的输入接收于其中，所述干涉仪包括偏振分束器子组件和结合到所述偏振分束器子组件一个面上的菱体子组件，所述菱体子组件设置为接收并合并作为由所述偏振分束器子组件供给所述菱体子组件的输出的两个光束，这两个光束除此之外在所述偏振分束器子组件中行进时不发生合并。
13.根据权利要求12所述的干涉仪，其中，所述菱体子组件还包括非偏振分束界面。
14.根据权利要求12所述的干涉仪，其中，所述菱体子组件还包括偏振分束界面。
15.根据权利要求12所述的干涉仪，还包括至少一个角隅。
16.根据权利要求12所述的干涉仪，还包括至少一个光束阻挡器。
17.根据权利要求12所述的干涉仪，还包括至少两个光束阻挡器。
18.根据权利要求12所述的干涉仪，还包括至少三个光束阻挡器。
19.根据权利要求12所述的干涉仪，还包括至少一个四分之一波片。
20.根据权利要求12所述的干涉仪，还包括至少两个四分之一波片。
21.一种单块式位移测量用平面反射镜干涉仪系统，适于将第一光束和第二光束作为分离的输入接收于其中，所述干涉仪系统包括偏振分束器子组件、结合到所述偏振分束器子组件第一面的第一四分之一波片、结合到所述偏振分束器子组件第二面的第二四分之一波片、能够相对所述第一四分之一波片定位的静止反射镜、能够相对所述第二四分之一波片定位的运动反射镜以及设在所述静止反射镜与所述第一四分之一波片之间的第一光束阻挡器。
22.根据权利要求21所述的系统，还包括至少第二光束阻挡器，所述第二光束阻挡器相对于假想中心轴非中心地定位，并位于所述运动反射镜与所述第二四分之一波片之间。
23.根据权利要求22所述的系统，还包括第三光束阻挡器，所述第三光束阻挡器相对于假想中心轴非中心地定位，并位于所述运动反射镜与所述第二四分之一波片之间。
24.根据权利要求21所述的系统，还包括对于所述第一光束和所述第二光束基本等效的分离的第一光路和第二光路。
25.根据权利要求21所述的系统，还包括结合到所述偏振分束器子组件一个面上的菱体子组件，所述菱体子组件设置为接收并合并作为由所述偏振分束器子组件供给所述菱体子组件的输出的两个光束，这两个光束除此之外在所述偏振分束器子组件中行进时不发生合并。
26.根据权利要求25所述的系统，其中，所述菱体子组件还包括非偏振分束界面。
27.根据权利要求25所述的系统，其中，所述菱体子组件还包括偏振分束界面。
28.根据权利要求21所述的系统，还包括至少一个角隅。
全文摘要
本发明提供了干涉仪和相应的系统，具有几个方面。在第一个方面，提供了一种适于将分离的第一光束和第二光束接收于其中的干涉仪，该干涉仪包括对于第一光束和第二光束基本等效的分离的第一光路和第二光路。在第二个方面，提供了一种适于将第一光束和第二光束作为分离的输入而接收于其中的干涉仪，其中这些光束直到刚刚由干涉仪输出之前都未混合或合并。在第三个方面，提供了一种干涉仪，它具有一个或多个光束阻挡器用于拦截外来的或不期望的光，并防止这些光混入各光束或与之干涉。
文档编号G01B9/02GK1971202SQ20061009020
公开日2007年5月30日 申请日期2006年7月5日 优先权日2005年11月23日
发明者艾伦·B·雷 申请人:安捷伦科技有限公司