專利名稱:一種定偏移平行輸出分束器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)器件設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種定偏移平行輸出分束器。
背景技術(shù)：
在錐形光束干涉表面形貌測量系統(tǒng)中，分束器是其關(guān)鍵器件之一。其中的一類非常規(guī)的分束要求是要求對把入射的光源的光束分成用作錐形光束干涉的兩束光，這兩束光要相互平行，分束器引入的二者光程差為零，而且還要求二者之間的偏移量恒定。針對這一分束要求，前面已經(jīng)有人設(shè)計(jì)出了不同結(jié)構(gòu)的此類分束器，如US4498773、US4884697和US6611397等所述。在US4498773中，其分束系統(tǒng)采用的四個(gè)分立元件形成的組合系統(tǒng)，所以其穩(wěn)定性較差，系統(tǒng)調(diào)整也很是麻煩。對于US4884697和US6611397B2中相應(yīng)的分束器，它們明顯的缺陷就是插入損耗很大，分束效率低，這兩種分束器的在不考慮制造誤差的情況下的理論插入損耗就會(huì)達(dá)到3dB，也就是說有一半的光束能量被浪費(fèi)掉。
圖1是美國專利US6611397的分束器的光路圖。如圖1所示，兩塊棱鏡a、b的結(jié)合面上有一層半透半反膜，入射光線在該表面一部分穿透該膜另一部分被該膜反射，透射部分被棱鏡b邊緣的全反膜反射回半透半反膜，并再次被半透半反膜部分反射出去；入射光的第一次被反射部分光線被半透半反膜反射后，再被棱鏡a表面的全反膜兩次反射后出射。如圖中所示，兩部分出射光線有一定的距離。在改變?nèi)肷潼c(diǎn)后，兩部分出射光線的距離仍保持不變，如圖中的虛線所示。但是，棱鏡b反射回半透半反膜的部分光線會(huì)有一半的能量通過半透半反膜透射出去造成損失；同樣，棱鏡a反射回的光線也有一半的能量被半透半反膜表面被反射出去造成損失。這部分光線的損失不但會(huì)形成很大的插入損耗，而且會(huì)形成鬼像。
以上所述技術(shù)的缺陷是理論插入損耗就很大大，分束效率低。對于高精度的測量系統(tǒng)來說，由于分束器的漏光而產(chǎn)生的雜散光會(huì)對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的噪聲，同時(shí)由于其他器件有可能對這些雜散光吸收，所以也會(huì)加劇該系統(tǒng)的熱不穩(wěn)定性。所有的這些缺陷將會(huì)嚴(yán)重傷害高精度高穩(wěn)定性的測量系統(tǒng)的測量性能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高穩(wěn)定性，零理論插入損耗的定偏移平行輸出分束器，克服了插入損耗大，分束效率低的缺陷。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種定偏移平行輸出分束器，至少包括一個(gè)入射面、一個(gè)出射面、一個(gè)分束面和三個(gè)反射面，所述分束面和反射面中，至少有兩對面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射。
進(jìn)一步地，所述的分束器是透明構(gòu)件。
進(jìn)一步地，所述透明構(gòu)件由棱鏡組成。棱鏡的數(shù)目和結(jié)構(gòu)可根據(jù)具體情況設(shè)計(jì)。
進(jìn)一步地，所述棱鏡的結(jié)合方式是膠合連接或機(jī)械方式連接。機(jī)械連接可采用銷釘?shù)确绞健?br>進(jìn)一步地，所述反射面鍍有對入射光全反的膜層，用于入射光的全反射。
進(jìn)一步地，也可以使所述反射面符合全反射定律，即不需鍍膜即可完成入射光的全反射功能。
進(jìn)一步地，所述分束面鍍有比例分光膜，用于入射光的分束。
進(jìn)一步地，所述入射面和出射面鍍有增透膜，用于入射光的增透。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于所述分束器的理論插入損耗為零，實(shí)際的插入損耗只取決于制造誤差，插入損耗小，極大地提高了采用本發(fā)明的高精度高穩(wěn)定性的測量系統(tǒng)的測量性能。
同時(shí)，由于只需要調(diào)整使入射光垂直于入射面入射，即可保證本發(fā)明的分束特性，故極大地降低了分束器的調(diào)試難度。

圖1為現(xiàn)有的分束器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明分束器剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明的第一實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明的第二實(shí)施例的剖面結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明應(yīng)用于錐形光束干涉的表面形貌測量系統(tǒng)的示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作詳細(xì)說明。
圖2為本發(fā)明的分束器剖面結(jié)構(gòu)示意圖。它是由棱鏡1、4、6、9所結(jié)合成的單片式一體化結(jié)構(gòu)。棱鏡1與棱鏡9通過面10相互連接；棱鏡1與棱鏡4通過面3相互連接；棱鏡6與棱鏡9也是通過面3相互連接；棱鏡4與棱鏡6通過面8相互連接。棱鏡1與棱鏡4、棱鏡1與棱鏡9、棱鏡4與棱鏡6、棱鏡6與棱鏡9之間可以是膠合連接，或者通過銷釘?shù)确绞降臋C(jī)械連接以及其他連接方式。所述棱鏡之間也可以有間隙。但一般為了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和設(shè)計(jì)方便，最好采用幾個(gè)面緊密連接的方式。
如圖2所示，設(shè)定與邊11平行的軸為X軸，所述X軸的正向是自左向右；設(shè)定與X方向的夾角沿X軸的正向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到相應(yīng)的邊所成的角為正，反之為負(fù)。其中，棱鏡1的剖面為平行四邊形，即其面2和面10相互平行，面11與面3相互平行。面2、面10與X軸正向的夾角為α。同樣，棱鏡6的剖面也是平行四邊形，棱鏡6的頂面和棱鏡1的底面重合為面3，而面3與該分束器的頂面11和底面5相互平行。面7、面8與X軸正向的夾角為β。在棱鏡1中，面2和面10之間的距離為S1；在棱鏡6中，面7和面8之間的距離為S2。棱鏡9用于支撐棱鏡1，并且可作為光波導(dǎo)。棱鏡9與棱鏡1共面10，與棱鏡6共面3，棱鏡9對其除了面3、10之外的其它面沒有具體的限制，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。棱鏡4的作用和棱鏡9一致，棱鏡4與棱鏡1共面3，與棱鏡6共面5和8，棱鏡4對其除了面3、5、8以外的其它面也沒有具體的限制，只需根據(jù)具體情況確定即可。
由于棱鏡1的面2和棱鏡6的面7、面8起全反射功能，故可在面2、面7和面8鍍上對入射光波段全反的膜層或利用全發(fā)射定律完成上述功能。由于面10起分束功能，可在面10鍍上比例分光膜，所述比例分光膜可以鍍在棱鏡1的10面一側(cè)上，也可以鍍在棱鏡9的10面一側(cè)上，或者在10面的兩側(cè)同時(shí)鍍膜。為了降低插入損耗，一般要在面11和面5鍍上對入射光波段增透的增透膜。
針對棱鏡1的面2和棱鏡6的面7、面8，可利用全發(fā)射定律完成全反射功能。將棱鏡1在出射光束B01波長(或波段)上的折射率(或最大折射率)設(shè)為n1，棱鏡6在出射光束B02波長(或波段)上的折射率(或最大折射率)設(shè)為n2，棱鏡4在出射光束B02波長(或波段)上的折射率(或最小的折射率)設(shè)為n3，周圍的空氣等介質(zhì)的折射率設(shè)為n0。由全反射定律可知當(dāng)光束B01在面2上的入射角π-α≥arcsin(n1/n0)，光束B02在面7上的入射角β≥arcsin(n2/n0)，光束B02在面8上的入射角β≥arcsin(n2/n3)時(shí)，光束在相應(yīng)的面上都會(huì)發(fā)生全反射。根據(jù)所述折射率n1、n2、n3、n0，選擇合適的夾角α和β，使相應(yīng)光束在面2、面7、面8上實(shí)現(xiàn)全反射。由于所述大于臨界入射角的全反射可以反射全部的能量，故利用全反射定律設(shè)計(jì)的分束器，相對于采用鍍上對入射光波段全反的膜層的方式，有更高的效率和更低的插入損耗，同時(shí)也節(jié)省了成本。
入射光BI垂直于面11入射至棱鏡1中，在面10上被分成一定比例的反射光BI1和透射光BI2，反射光BI1再次被面2反射后，經(jīng)過棱鏡4垂直于面5出射，形成出射光B01；透射光BI2從棱鏡9穿過到達(dá)棱鏡6，先被棱鏡6的面8反射，形成BI3反射光，所述反射光BI3被面7反射后，也垂直于面5出射，形成出射光B02。入射光BI在面10和分束光BI1在面2上的入射角為π-α；分束光BI2在面8和反射光BI3在面7上的入射角為β。入射光BI在面10上的入射點(diǎn)為A，分束光BI1在面2上的入射點(diǎn)為B，分束光BI2在面8上的入射點(diǎn)為E，反射光BI3在面7上的入射點(diǎn)為F。過點(diǎn)B作線段AE的垂線，交線段AE于點(diǎn)C；過點(diǎn)F做線段AE的垂線交線段AE的延長線于點(diǎn)G。根據(jù)幾何關(guān)系可知，線段AB與線段BC的夾角δ＝1.5π-2α，線段EF與線段FG的夾角θ＝2β-0.5π。由于面2和10相互平行，被面2反射后的出射光B01平行于入射光BI；由于棱鏡6的面7和面8相互平行，出射光B02平行于通過分束面10的透射光BI2，也即是平行于入射光BI。由此可知，出射光B01、出射光B02和入射光BI相互平行。從該分束器出射的兩出射光B01和B02的偏移距離L＝BC+GF。由幾何關(guān)系可知，BC＝2S1sinα，GF＝2S2sinβ，則L＝2(S1sinα+S2sinβ) -----(1)假設(shè)棱鏡1、棱鏡4、棱鏡6、棱鏡9對入射光波長或波段的中心波長的折射率分別為n1’，n2’，n3’，n4’，則從該分束器出射的出射光B01和出射光B02之間的光程差OPD為OPD＝AB+EG-AC-EF＝-n1’S1/cosα-n2’S2cos2β/cosβ-n4’S1cos2α/cosα-n3’S2/cosβ-----(2)依據(jù)所需要的偏移距離L和光程差OPD，即可確定一組滿足上述公式(1)和(2)的S1、S2、α、β參數(shù)以及各棱鏡的折射率，也即相應(yīng)分束器的設(shè)計(jì)參數(shù)。由幾何關(guān)系可以得出，垂直于面11的入射光BI在面11的入射位置的變化并不影響偏移距離L和光程差OPD。兩出射光之間的偏移距離由棱鏡1和棱鏡6的結(jié)構(gòu)所決定，光程差由棱鏡1、棱鏡4、棱鏡6、棱鏡9的結(jié)構(gòu)和材料決定，即偏移距離L和光程差OPD都和入射光BI的入射位置無關(guān)。因此，只需保證入射光BI垂直于面11入射，即可保證分束器設(shè)定的分束特性。
以上所介紹的分束器結(jié)構(gòu)是本發(fā)明的一般模型。
圖3為本發(fā)明的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。其中，棱鏡1的面2、面10與頂面11沿X軸正向成135°，棱鏡6的面7、面8與頂面11沿X軸正向成45°。在該結(jié)構(gòu)中，光束在各個(gè)面上都是以90°和45°入射。
圖4為本發(fā)明的第二實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。該結(jié)構(gòu)將圖2所示的棱鏡6、棱鏡9結(jié)合成一個(gè)棱鏡14，而棱鏡12對應(yīng)于圖2中的棱鏡1，棱鏡13對應(yīng)于圖2中的棱鏡4。
圖5為本發(fā)明應(yīng)用于錐形光束干涉的表面形貌測量系統(tǒng)的示意圖。光源15發(fā)射出的入射光被本發(fā)明的分束器16分成兩束等能量的出射光17和出射光18，分束器16的出射光17和出射光18通過分束器19后到達(dá)被測對象20。分束器19中鍍有與分束器16的出射光17和出射光18成45°角的半透半反膜。分束器16的出射光17和出射光18到達(dá)被測對象20，兩者與被測對象20的交點(diǎn)的連線位于掃描軸Z軸上，或平行于Z軸。被被測對象20反射后的光束再次通過分束器19，形成分束器19的出射光21和出射光22。被測對象20上相應(yīng)的表面信息已經(jīng)被調(diào)制到出射光21和出射光22的位相信息之中。出射光21和出射光22經(jīng)過轉(zhuǎn)折棱鏡23后，入射至傅立葉變換透鏡24，而后到達(dá)位于24焦面上的探測器25。由此可以測知被測對象20上與出射光17和出射光18相交的兩測量點(diǎn)之間的斜率信息。通過掃描可以得知整個(gè)被測對象20的分段斜率信息，再通過對斜率的積分等運(yùn)算進(jìn)而得到整個(gè)被測對象20的表面形貌信息。所述表面形貌測量系統(tǒng)可用于測量光學(xué)鏡片等的形貌特性，如用于測量大面積的天文或同步輻射等特殊面型的反射類元件的形貌；也可用于測量硅片的形貌，如可用于雙工件臺光刻機(jī)的調(diào)焦調(diào)平系統(tǒng)。
以上已詳細(xì)描述了本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例和應(yīng)用方式。但本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)意識到，在不背離權(quán)利要求
書中公開的本發(fā)明范圍的情況下，任何修改、添加和替換均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種定偏移平行輸出分束器，至少包括一個(gè)入射面、一個(gè)出射面、一個(gè)分束面和三個(gè)反射面，所述分束面和反射面中，至少有兩對面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射。
2.如權(quán)利要求
1所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述的分束器是透明構(gòu)件。
3.如權(quán)利要求
2所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述透明構(gòu)件由棱鏡組成。
4.如權(quán)利要求
3所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述棱鏡的結(jié)合方式是膠合連接或機(jī)械連接方式。
5.如權(quán)利要求
1所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述反射面鍍有對入射光全反的膜層。
6.如權(quán)利要求
1所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述反射面符合全反射定律。
7.如權(quán)利要求
1所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述分束面鍍有比例分光膜。
8.如權(quán)利要求
1所述的定偏移平行輸出分束器，其特征在于所述入射面和出射面鍍有增透膜。
專利摘要
本發(fā)明公開了一種定偏移平行輸出分束器，至少包括一個(gè)入射面、一個(gè)出射面、一個(gè)分束面和三個(gè)反射面，所述分束面和反射面中，至少有兩對面相互平行，入射光垂直于所述入射面入射。本發(fā)明可用于表面形貌測量系統(tǒng)。
文檔編號G02B27/20GK1996091SQ200610119020
公開日2007年7月11日 申請日期2006年12月1日
發(fā)明者關(guān)俊 申請人:上海微電子裝備有限公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan