位置檢測裝置和方法
2023-05-17 14:57:06 2
專利名稱：位置檢測裝置和方法
技術領域：
本發明涉及一種通過使用幹涉測量無需接觸而檢測物體位置變化的位置檢測裝置和方法。
背景技術：
在需要毫微米測量的領域中普遍利用採用雷射的麥可遜幹涉儀。該類型的幹涉儀需要從測量目標物體接收反射的光。為此，通常需要使用鏡子。在使用鏡子的方法中，由於必須以極高的精確度調整光學校準，所以通常使用立體角反射器來測量目標以便幹涉測量不會被光學校準的偏差所中斷。然而，由於立體角反射器是稜鏡，所以它不能附著到極小的位置上。換句話說，如果測量目標對象極小，那麼就不能執行採用幹涉儀的位置測量。
考慮到該情況，本發明的申請人建議將光線聚焦在充當在圖8所示的測量目標的鏡子上以便防止由鏡子校準偏差所引起的幹涉狀態的幹擾(日本專利申請公開(KOKAI)No.2001-076325)。
參考圖8，由光源LD輸出的發散光束被轉換成適度聚焦的光束BEAM，通過非偏振光光束分離器NBS發射，並被偏振光光束分離器PBS分離成P偏振成分和S偏振成分。更具體來說，當P偏振成分被透射通過PBS並被參考反射鏡M2反射時，S偏振成分被PBS反射，並被測量目標表面M1反射。接著，這些反射的光束在偏振光光束分離器PBS組合併由非偏振光光束分離器NBS反射。由非偏振光光束分離器NBS反射的光束通過四分之一波片QWP並被轉換成線性偏振光，其偏振方向根據基於在所分離的兩個光束的路程長度差的變化的相位差的變化而進行旋轉。該線性偏振光被分割設備GBS分割成四條光束。每條光束透射通過四個偏振設備PP1、PP2、PP3和PP4，這些偏振設備以每一個偏振方向移位45°的方式進行配置。在此方式中，四條光束被轉換成四個信號波束，其幹涉周期具有相互90°的相位差，並且通過各個感光設備PD1、PD2、PD3和PD4進行接收，然後輸出四個周期性的信號。
在該傳統例子中，由於光線被聚焦在測量目標上，既使產生校準偏差(角度偏差)，反射光的波面也不變化。注意，反射光的中心(光軸)偏離。由于波面不變化，所以在反射光和參考光之間的幹涉狀態是穩定的。
由於該方法不使用立體角反射器，所以它可以用作新的緊湊位移傳感器，其通過使用半導體雷射器作為光學感測頭來測量在測量目標表面上的微小面外位移。
然而，由於該方法將光線聚焦在測量目標的表面，所以空間解析度變得極高。因此，當測量目標表面的面外位移被測量時，如果在測量目標物體上發生水平偏差等，那麼也可以檢測測量目標物體的表面形狀成分，並且測量可能變得不穩定。因此，根據本申請，在表面上水平偏差方向中具有低空間解析度以實現穩定的面外位移測量是比較好的。因為這個原因，需要展寬在測量目標(鏡子)上的光照射區域。
另外，在上述方法中，通過將光線聚焦在測量目標上來執行測量。然而，如果存在較大面外位移，那麼就不滿足光線聚焦條件，從而消弱了穩定幹涉狀態來處理校準偏差的功能。為此，通常將可測量區域限制到幾十微米。因此，需要一種能夠容易校準(擴大角度偏差的容限)並以毫米級擴大面外位移的可測量區域的方法。
發明內容
考慮到上述傳統例子建議了本發明，並且本發明的目的在於提供一種採用新系統的位置檢測裝置和方法，其擴大在測量目標表面上的光照射區域，擴大面外位移測量區域，並且不會受到校準偏差的影響。
根據本發明，通過提供一種位置檢測裝置來實現前述的目的，所述裝置包括
被配置用來分離平行入射光束並分別將分離的光束提供給參考面和測量目標表面的光束分離器；從光源的光束形成平行光束並將平行光束提供給光束分離器以便由該光束分離器分離的分離光束分別被以某一角度入射到基準面和測量目標表面的入射單元；用來反射所分離的光束的反射單元，所述分離光束已經被基準面和測量目標表面反射並通過光束分離器結合到光路上，並被提供給光束分離器作為沿著光路的平行光束；和用來通過幹涉從所述反射單元提供、由光束分離器分離、由基準面和測量目標表面反射並被光束分離器再次結合到光路上的返回光束來產生相應於所分離光束的相位差的信號的產生裝置。
根據下面結合附圖的描述，本發明的其它特徵和優點將變得明顯，其中在所有附圖中相同的參考字符指代相同或類似的部分。
包含在說明書中並構成其一部分的附圖顯示了本發明的實施例，並與說明書一起用來解釋本發明的原理。
圖1A和1B是根據第一實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖；圖2A和2B是在圖1A和1B所示的光學系統中在測量目標表面稍微傾斜的情況下光路的示例視圖；圖3A和3B是在圖1A和1B所示的光學系統中測量目標表面具有毫米級的平行面外位移情況下的光路的示例視圖；圖4A和4B是根據第二實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖；圖5A和5B是根據第三實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖；圖6A和6B是根據第四實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖；
圖7A和7B是根據第五實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖；和圖8是傳統幹涉測量方法的光學系統的示例視圖，其中光線被聚焦在測量目標表面上。
具體實施例方式
現在將根據附圖詳細描述本發明的優選實施例。
第一實施例
圖1A和1B是根據第一實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖。在圖1A和1B中，來自半導體雷射器101的線性偏振光發散光被透鏡111聚焦在透鏡112的焦平面上的位置P1。從位置P1發散的線性偏振光被入射到透鏡112上，並輸出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束。注意，在該實施例中，「具有稍微成角度的光軸」意味著平行光束的光軸方向以這樣一種方式設置，即，光束分離器的透射光和反射光相對於測量目標對象121的表面和參考鏡子122的表面的法向方向以輕微的角度入射(例如，大約1°到10°)。從透鏡112射出的平行光束通過偏振光光束分離器113的偏振部分被分離成兩個光束，即，反射光束(S偏振光)和透射光束(P偏振光)(下文全面稱為分離光束)。在反射光束(S偏振光)照射參考鏡子122的同時，透射光束(P偏振光)照射測量目標對象(鏡子)121。各個鏡子的反射光束通過偏振光光束分離器113，並被聚焦在透鏡112的焦平面的位置P2上。注意，位置P2相對於位置P1稍微偏移。
在位置P2的鄰近處，提供反射塗層114。聚焦在位置P2的光束被反射塗層114返回到原光路。由反射塗層114反射的光束從透鏡112射出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束(具有實際上平行於入射到透鏡112上的平行光束的光軸方向的平行光束)。此後，平行光束被偏振光光束分離器113分離成兩個光束，使反射光束(S偏振光)照射到參考鏡子122和使透射光束(P偏振光)照射到測量目標物體121。然後，各個反射的光束通過偏振光光束分離器113再次被入射到透鏡112作為具有相同光路的光束。入射到透鏡112的光束被聚焦在焦平面的位置P1，並抽取到光源側。以此方式，S偏振光束在參考鏡子122的表面和光束分離器113之間往復兩次，並且P偏振光束在測量目標物體121的表面和光束分離器113之間往復兩次。
光束被非偏振光光束分離器102抽取到感光設備側。所抽取的光束透射通過四分之一波片103，由此被轉換成線性偏振光，該光的偏振方向根據相位差的變化而旋轉，然後通過聚光透鏡104和光圈構件105，到達光束分割設備106，在此光束被分割成三條光束。由於入射到感光設備108上的光束擴展，所以提供聚光透鏡104以便該光束被適當地會聚並由感光設備108有效地接收。光圈構件105限制在將幹涉光束分割成三條光束時光束的區域，以便確保三條均勻的光束。如果沒有光圈構件105，那麼當原光束擴展時，所分割的三條光束重疊。以前述方式分割的三條光束的每一個通過偏振設備陣列107被入射到三分感光設備108的各個光感受器，在所述陣列中，每個偏振軸偏移60°。因此，檢測到三個幹涉信號U、V和W，它們的相位被偏轉120°，其基於測量目標物體121的面外位置。
由於通過採用利用兩個往復光路的進行幹涉測量的原理來獲得三個幹涉信號U、V和W，因此，它們是具有光源波長1/4周期的正弦波信號。例如，假設採用具有0.8μm波長的雷射二極體，那麼就獲得具有0.2μm周期的正弦波信號。通過計算波數，並進一步，通過使用已知的電子分相器電分割該信號，可以使用毫微米級的解析度檢測相對位置偏差。
可選地，可以如此構造，不是產生具有120°相位差的三種類型的幹涉信號，而是可以產生具有90°相位差的四種或兩種類型的信號。
圖2A和2B是在圖1A和1B所示的光學系統中測量目標表面稍微傾斜的情況下光路的示例視圖。由於測量目標物體121的傾斜，從測量目標物體121反射的光束(P偏振光)以不同於理想光路的角度射出。因此，入射到透鏡112的平行光束進入到焦平面的位置P3，該位置相對於位置P2稍微偏移。入射到位置P3的P偏振光的光束通過在位置P2和P3鄰近處提供的反射塗層114返回到原光路。換句話說，通過在由透鏡112和反射塗層114組成的貓眼光學系統中往復光束的效果，光束被以與正常光路相同的方向進行反射，並從透鏡112輸出作為平行光束。在這些光束中，P偏振光的光束被透射通過偏振光光束分離器113，並由測量目標物體121反射。從而，光束再次被透射通過偏振光光束分離器113，並被聚焦在透鏡112的焦平面上的位置P1，然後作為發散光輸出到光源側。
同時，來自參考鏡子122的反射光束(S偏振光)遵循理想光路，並最終聚焦在透鏡112的焦平面上的位置P1，然後作為發散光輸出到光源側。以此方式，通過測量目標物體121的表面的光束(P偏振光)和通過參考鏡子122的光束(S偏振光)最終從透鏡122的焦平面射出。如上所述，由於符合射出位置，兩個光束的球面波的波面變得均勻，從而產生穩定幹涉狀態。該效應也將應用到下面的第二到第五實施例。
雖然測量目標物體121的表面存在兩個不同的傾斜方向，但是唯一的不同在於在透鏡112的焦平面上聚焦光反射位置(位置P3)的偏移方向。因此，基本上可以實現相同的效果。如上所述，由於可以實現不容易受到測量目標表面傾斜的影響的幹涉光學系統，所以無需在測量目標上安裝立體角反射器就可以執行位置檢測，從而實現了光學系統的較小尺寸設計和容易操作。
圖3A和3B是在圖1A和1B的光學系統中測量目標表面具有毫米級的平行面外偏移情況下的光路的示例視圖。由於來自測量目標物體121的反射光(P偏振光)的光軸中心平行地偏離理想光路，所以反射光束到達透鏡112的焦平面的位置P2。位置P2是基於透鏡的焦點距離和入射到透鏡的平行光束的入射角確定的。在圖3A和3B情況下，這些值不變。到達位置P2的P偏振光束被在位置P2的鄰近處提供的反射塗層114反射，並且從透鏡112輸出的平行光束結束遵循具有相同方向但從原光路平行偏離的光路。P偏振光的平行光束透射通過偏振光光束分離器113，並由測量目標物體121的表面反射。在該階段，平行光束(P偏振光)通過在由透鏡112和反射塗層114構成的貓眼光學系統中往復光束的效果，被以與正常光路相同的方向反射。因此，由測量目標對象121反射的平行光束被透射通過偏振光光束分離器111，入射到透鏡112上，並聚焦在位置P1，然後作為發散光輸出到光源側。注意，分離的光束，通過光束分離器113獲得的S偏振光遵循圖1A和1B所述的理想光路，並聚焦在位置P1，然後作為發散光輸出到光源側。如上所述，由於與射出位置一致，所以兩個光束的球面波的波面變得一致，從而產生穩定的幹涉狀態。
注意，由於光束的光軸平行偏離，所以因為透鏡112的光學有效直徑，可能產生衰落。另外，當反射光與參考光幹涉時，波平面的重疊區域由於光軸不匹配而變小。為此，面外位移變得越大，通過接收與感光設備陣列幹涉的光束而獲得的信號幅度減小越多。但是，例如，假設測量目標表面的光照射角θ為5°，並且面外位移為1mm，那麼按如下來獲得光軸偏差XX＝4mm×tanθ＝0.34mm如果光束直徑Φ是毫米級的，確保幹涉光束的大約50％重疊。從而，既使產生大約1mm的面外位移，也可以執行測量(注意，上面的值是粗略標準)。
如上所述，第一實施例使用相干光源，相對於測量目標表面的法向稍微以一個角度輻射具有毫米級的光束直徑的平行光束到測量目標表面。反射的光束通過貓眼光學系統接收，然後將來自貓眼的光學系統的反射光束再次照射回到測量目標表面，並獲得在發射光和參考光之間的幹涉。因此，本實施例具有這樣的好處，即，面外位移的測量區域可以按毫米級擴大，並且其不容易受到光學校準的偏差的影響。
第二實施例
在第一實施例中，採用在透鏡的焦平面上的透鏡112和鏡子114來構造貓眼光學系統。在第二實施例中，在其末端表面具有反射塗層的所謂的1/4間距漸變折射率杆透鏡構成所述貓眼光學系統，從而實現與第一實施例相似的效果。
圖4A和4B是根據第二實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖。來自半導體雷射器101的線性偏振光發散光透射通過透鏡211和楔形稜鏡212(稜鏡212是用來改變主光束的方向的設備)，併入射到所謂的1/4間距漸變折射率杆透鏡213的末端表面的位置P21作為具有稍微成角度的光軸的聚焦光束。在採用漸變折射率杆透鏡213作為貓眼設備的情況下，需要偏轉光束在貓眼設備上的入射角度，並且需要從中心偏移光束的焦點位置，如圖4A和4B所示的那樣。由於這種配置，反射位置可以從入射位置偏移，並且來自漸變折射率杆透鏡213的射出光線可以從入射到漸變折射率杆透鏡213的光中被空間地分離。入射到漸變折射率杆透鏡213的光束被輸出作為來自透鏡213的其它表面的平行光束，並被偏振光光束分離器214的偏振部分分離成兩個光束。在由偏振光光束分離器214獲得的反射光束(S偏振光)照射到參考鏡子222上的同時，透射光束(P偏振光)照射測量目標物體221的表面(鏡子)。各個反射的光束通過偏振光光束分離器214，並聚焦在漸變折射率杆透鏡213的焦平面的位置P22上。
通過在位置P22鄰近處提供的反射塗層215，聚焦光束被返回到原光路，然後作為平行光束從漸變折射率杆透鏡213射出，並被偏振光光束分離器214再次分離成兩個光束。然後，反射光束(S偏振光)照射參考鏡子222，透射光束(P偏振光)照射測量目標物體221。各個反射光束再次通過偏振光光束分離器213入射到漸變折射率杆透鏡213。從而，可以從漸變折射率杆透鏡213末端表面的位置P21抽取發散光束。以此方式，S偏振光在參考鏡子222的表面和偏振光光束分離器214之間往復兩次，並且P偏振光束在測量目標物體221的表面和偏振光光束分離器214之間往復兩次。
從由位置P21發散的光束中獲得幹涉信號的結構類似於第一實施例。更具體來說，從位置P21發散的光束被非偏振光光束分離器102抽取到感光設備側。所抽取的光束透射通過四分之一波片103，從而被轉換成線性偏振光，其偏振方向根據相位差的變化而旋轉。該光束被光束分割設備106分割成三條光束。三條光束的每一個被通過偏振設備陣列107入射到三分感光設備108的各個光感受器上，在所述陣列中，每個偏振軸被偏移60°。因此，檢測到三種幹涉信號，它們的相位被偏移120°，其基於測量目標物體221的面外位移。
如上所述，由於採用漸變折射率杆透鏡作為貓眼光學設備，所以第二實施例獲得了實現小型和穩定光學系統的效果。
第三實施例
圖5A和5B是根據第三實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖。
如圖5A和5B所示，來自半導體雷射器101的線性偏振光發散光透射通過準直透鏡102，並且產生並輸出具有稍微成角度的光軸的平行光束。該平行光束被偏振光光束分離器312的偏振部分分離成兩個光束。在反射光束(S偏振光)照射參考鏡子322的同時，透射光束(P偏振光)照射測量目標物體321的表面(鏡子)。各個反射的光束通過偏振光光束分離器312入射到所謂的1/4間距漸變折射率杆透鏡313。在漸變折射率杆透鏡313中，入射光束被聚焦在末端表面上的位置P32，並通過在位置P32的鄰近處提供的反射塗層314返回到原光路。以此方式，所述平行光束從漸變折射率杆透鏡313射出，並被偏振光光束分離器312再次分離兩個光束。然後，反射光束(S偏振光)照射參考鏡子322，透射光束(P偏振光)照射測量目標物體321的表面。各個反射光束通過偏振光光束分離器312被抽取到光束分離器312。從而，所分離的S偏振光束在參考鏡子322的表面和光束分離器312之間往復兩次，並且所分離的P偏振光束在測量目標物體321的表面和光束分離器312之間往復兩次。
從以上述方式在光源側抽取的光束中，通過類似於第一實施例的結構獲得幹涉信號。更具體來說，所述光束是由非偏振光光束分離器102在感光設備側抽取的。所抽取的光束透射通過四分之一波片103，從而被轉換成線性偏振光，其偏振方向根據相位差的變化進行旋轉。該光束被波束分割設備GBS 106分割成三條光束。三條光束的每一個通過偏振設備陣列107被入射到三分感光設備108的各個光感受器，在所述陣列中，每個偏振軸被偏移60°。以此方式，檢測到三種幹涉信號，它們的相位被偏移120°，其基於測量目標物體321的面外位移。
注意，在第三實施例中採用的漸變折射率杆透鏡313和反射塗層314相當於貓眼的功能。它們可以由圖1的稜鏡和安裝在透鏡的焦平面上的反射塗層來替換。
第四實施例
圖6A和6B是根據第四實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖。
在第四實施例中，來自半導體雷射器101的線性偏振光發散光通過透鏡411以光纖的偏振軸匹配光束的偏振面的方式被入射到保偏光纖402。光纖的另一末端面安排在透鏡412的焦平面上的位置P41處用來輸出發散光。該發散光被透鏡412轉換成平行光束，並輸出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束。該平行光束被偏振光光束分離器413分離成具有各自偏振成分的兩條光束。在該兩條光束中，反射光束(S偏振光)照射到參考鏡子422，透射光束(P偏振光)照射到測量目標物體421的表面(鏡子)。
各個反射的光束通過偏振光光束分離器413，聚焦在透鏡412的焦平面上的位置P42，並通過在位置P42的鄰近處提供的反射塗層414返回到原光路。以此方式，平行光束再次從透鏡412射出。該平行光束被偏振光光束分離器413分離為兩條光束。反射光束(S偏振光)照射參考鏡子422，透射光束(P偏振光)照射測量目標物體421的表面(鏡子)。各個反射的光束被通過偏振光光束分離器413入射到透鏡412，並投向透鏡412的焦平面上的位置P41。從而，S偏振光在參考鏡子422的表面和光束分離器413之間往復兩次，並且P偏振光束在測量目標物體421的表面和光束分離器413之間往復兩次。
由非偏振光光束分離器102在感光設備側抽取的光束被設置在存在保偏光纖402的末端面的位置P41之前。此後，通過類似於第一實施例的結構產生幹涉信號。更具體來說，所抽取的光束透射通過四分之一波片103，從而被轉換成線性偏振光，其偏振方向根據相位差的變化而旋轉。線性偏振光的光束被光束分割設備106分割成三條光束。三條光束的每一個通過偏振設備陣列107被入射到三分感光設備108的各個光感受器上，在所述陣列中，每個偏振軸被偏轉60°。結果，檢測到三種幹涉信號，它們的相位被偏轉120°，其基於測量目標物體表面(測量目標物體421的表面)的面外位移。由於使用光纖將光源與檢測頭單元隔離開來，所以可以很容易地小型化檢測頭以進行位置檢測，並且由於避免了光源熱產生的影響，所以有效地穩定了幹涉狀態。
第五實施例
圖7A和7B是根據第五實施例的雷射幹涉儀的光學系統的示例視圖。通過改進第一或第四實施例，以這樣一種方式構造第五實施例，即，來自光源側的前向光路空間上與去向感光設備側的返回光路隔離開。
來自半導體雷射器101的線性偏振光發散光通過透鏡411以光纖的偏振軸匹配光束的偏振面的方式被入射到保偏光纖402。光纖402的另一末端面稍微成一角度被安排在透鏡412的焦平面上，以輸出發散光束。該發散光束通過透鏡412被轉換成平行光束，並輸出作為具有稍微成角度的光軸的平行光束。該平行光束被偏振光光束分離器413分離成具有各自偏振成分的兩條光束。反射光束(S偏振光)照射參考鏡子422的表面，並且透射光束(P偏振光)照射測量目標物體421的表面。各個反射光束通過偏振光光束分離器413入射到透鏡412，被聚焦在透鏡412的焦平面上的位置P52。聚焦在位置P52的光束通過在位置P52鄰近處提供的反射塗層414返回到下一個區域的光路，並作為平行光束從透鏡412再次射出。
所射出的平行光束被偏振光光束分離器413再次分離成兩個光束。反射光束(S偏振光)照射參考鏡子422的表面，透射光束(P偏振光)照射測量目標物體421的表面(鏡子)。各個反射光束通過偏振光光束分離器413被入射到透鏡412，聚焦在透鏡412的焦平面上的位置P51，並輸出到光纖側。以此方式，S偏振光束在參考鏡子422的表面和光束分離器413之間往復兩次，並且P偏振光束在測量目標物體421的表面和光束分離器413之間往復兩次。
在第五實施例中，在返迴路徑中的光束由部分反射光束分離器511空間地抽取，該分離器安置在於前向路徑中存在保偏光纖的末端面的位置P51之前。所抽取的光束透射通過四分之一波片103，從而被轉換成偏振方向根據相位差的變化而旋轉的線性偏振光。該線性偏振光被光束分割設備106分割成三條光束。三條光束的每一條通過偏振設備陣列107被入射到三分感光設備108的各個光感受器，在所述陣列中，每個偏振軸被偏轉60°。因而，檢測到三個幹涉信號，它們的相位被偏轉120°，其基於測量目標物體421的表面的面外位移。注意，部分反射光束分離器511可以由微稜鏡來代替。
面外位移的可測量區域只有在麥可遜幹涉儀照射平行光束的情況下通過光源的相干性來確定。為了小型化設計，需要表面發射雷射二極體作為光源(半導體雷射器101)。但是，表面發射雷射二極體可能會產生返回光的橫模變化，這會產生偏振平面移動的現象。為此，需要一種防止光返回到表面發射雷射二極體的措施。在第五實施例中，由於投向光源側的光束可以由部分反射光束分離器511切斷，所以在前述方面是有利的。注意，在實現第一到第四實施例的情況中，優選地提供隔離器等來消除返回光。
注意，在上述每個實施例中，第一到第四實施例採用非偏振光光束分離器102以及第五實施例採用部分反射光束分離器511作為抽取幹涉光束到感光設備側的設備，該幹涉光束在參考鏡子和偏振光光束分離器之間以及在測量目標鏡子和偏振光光束分離器之間往復兩次。然而，可以採用部分參考光束分離器511來代替非偏振光光束分離器102，或者可以使用非偏振光光束分離器102來代替部分反射光束分離器511。可選地，可以使用微稜鏡來代替這些設備。
根據上述實施例，可以獲得下面的效果。
(1)由於使用了毫米級的平行光照射，所以不容易受到測量目標表面上的表面形狀或微小劃痕的影響。
(2)通過結合具有極好相干性的光源而使用毫米級平行光照射，可以實現毫米級的測量區域。
(3)由於實現了採用貓眼設備的兩次往復路徑(兩次往復幹涉測量光學系統)，所以可以實現高解析度(可以輸出具有光源波長的1/4周期的正弦波信號)。
(4)由於採用貓眼設備的兩次往復幹涉測量光學系統，所以既使在測量目標表面存在校準偏差也可以實現穩定的測量。
(5)尤其根據第五實施例，由於前向光路空間上與返回光路隔離開，所以可以消除返回到光源的光；從而，無需使用隔離器等就可以進行更穩定的測量。
(6)由於避免了使用安裝在測量目標部分的立體角反射器和用於參考光束的內部立體角反射器(第一到第五實施例)，並且還通過通常使用貓眼透鏡和準直透鏡(第三實施例)，所以可以實現小型設計的光學系統。
(7)由於減少了暴露在空氣中的部分，所以可以實現穩定的測量(暴露在空氣中的部分是從偏振光光束分離器到測量目標表面的光路，在此光束在空中通過。當在該部分的空氣振動時，在幹涉信號中會產生波動。因此，暴露部分越短，測量就越穩定)。
根據本發明，可以提供一種採用新系統的位置檢測裝置和方法，其擴大在測量目標表面上的光照射區域，擴大面外位移測量區域，並且不會受到校準偏差的影響。
本發明不局限於上述實施例，在不脫離本發明的精神和範圍的情況下，可以進行各種變化和修改。
權利要求
1.一種位置檢測裝置，包括光束分離器，其被配置用來分離平行入射光束並分別將分離的光束提供給參考面和測量目標表面；入射單元，其從光源的光束形成平行光束並將平行光束提供給所述光束分離器，以便由所述光束分離器分離的分離光束分別被以某一角度入射到參考面和測量目標表面；反射單元，其用來反射分離的光束，所述分離的光束已經被基準面和測量目標表面反射並通過所述光束分離器結合到光路，作為沿著光路的平行光束被提供給所述光束分離器；和產生裝置，其用來通過幹涉從所述反射單元提供、由所述光束分離器分離、由基準面和測量目標表面反射並被所述光束分離器再次結合到光路上的返回光束來產生相應於分離光束的相位差的信號。
2.根據權利要求1的裝置，其中，所述入射單元包括聚焦裝置，其用來將來自所述光源的光束聚焦在第一位置；和第一透鏡，其被安置成具有作為焦點的第一位置，其用來將在第一位置發散的光束轉換成平行光束，和所述反射單元通過所述第一透鏡將具有結合的光路的分離光束聚焦在作為所述第一透鏡的焦點的第二位置，該第二位置不同於第一位置，並且所述反射單元包括用來在第二位置將分離光束反射朝向所述第一透鏡的反射構件。
3.根據權利要求1的裝置，其中，所述入射單元包括用來將來自光源的光束聚焦在第一位置的裝置；和用來接收入射到第一位置的光束並產生平行光束的漸變折射率透鏡，和所述反射單元通過所述漸變折射率透鏡將具有結合的光路的分離光束聚焦在不同於第一位置的第二位置，並且所述反射單元包括用來在第二位置反射分離光束的反射構件。
4.根據權利要求1的裝置，其中，所述入射單元包括將來自光源的光束轉換成平行光束的準直透鏡，和所述反射單元包括用來將具有結合的光路的分離光束聚焦在焦平面上的漸變折射率透鏡；和在所述焦平面上提供的反射構件。
5.根據權利要求2的裝置，其中，所述聚焦裝置包括用來把來自光源的光束聚焦在第一位置上的第二透鏡。
6.根據權利要求2的裝置，其中，所述聚焦裝置包括用來傳播來自光源的光並具有在第一位置的輸出末端的光纖。
7.根據權利要求3的裝置，其中，所述第一位置是在所述漸變折射率透鏡的末端面提供的透射部分，所述第二位置是在所述漸變折射率透鏡的該末端面上提供的反射部分。
8.根據權利要求6的裝置，其中，所述光纖相對於所述第一透鏡以返回光束的光路在空間上與投向所述第一透鏡的光路隔離開的方式、按預定的角度進行安置，和所述產生裝置從安置在返回光束的光路上的反射構件抽取光束並引起該光束的幹涉。
9.一種採用光束分離器的位置檢測方法，所述光束分離器被配置用來分離入射平行光束並將分離的光束分別提供給參考面和測量目標表面，所述方法包括步驟從光源的光束形成平行光束，並以由光束分離器從平行光束獲得的分離光束分別以某一角度入射到基準面和測量目標表面的方式，將該平行光束提供給光束分離器；反射已經由基準面和測量目標表面反射並由光束分離器結合到光路的分離光束，以作為沿著光路的平行光束提供給光束分離器；和通過幹涉已從所述反射單元提供、由光束分離器分離、由基準面和測量目標表面反射並被所述光束分離器再次結合到光路上的光束來產生相應於分離光束的相位差的信號。
全文摘要
一種位置檢測裝置，包括入射單元，其用來從光源的光束形成平行光束，並以由光束分離器從平行光束獲得的分離光束分別被以某一角度入射到基準面和測量目標表面的方式將平行光束提供給光束分離器；用來反射分離光束的反射單元，所述分離光束已經被基準面和測量目標表面反射並通過光束分離器結合到光路上，以作為沿著光路的平行光束提供給光束分離器，並通過幹涉從所述反射單元提供、由光束分離器分離、由基準面和測量目標表面反射並被所述光束分離器再次結合到光路上的返回光束來產生相應於分離光束的相位差的信號。
文檔編號G01D5/28GK1760633SQ20051011367
公開日2006年4月19日 申請日期2005年10月14日 優先權日2004年10月15日
發明者石塚公 申請人:佳能株式會社