專利名稱：共光程頻率掃描干涉儀的制作方法
技術領域：
頻率掃描干涉儀也稱作波長掃描干涉儀或多波長干涉儀，它用于在不同頻率的照明下產生一連串干涉圖案并評估該這些圖案以提供測試對象的輪廓測量。
背景使用多個激光頻率或波長進行測量的頻率掃描干涉儀的開發已進行了好幾年。在垂直于參考平面或表面進行表面變化的測量時，干涉儀對于測量測試對象的表面輪廓特別有用。例示這種開發的參考文獻包括R.G.Pilston和G.N.Steinberg，“Multiple-Wavelength Interferometrywith Tunable Source(具有可調源的多波長干涉儀)”Applied Optics 8(1969)553-556。
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頻率掃描干涉儀的更新的開發包括諸如可調二極管激光器和CCD檢測器陣列的元件的使用。結果，已開發了緊湊、精確和快速的系統，能夠在許多各種商業精密部件上進行質量控制測量。這些更新的開發的實例包括H.Kikuta，K.Iwata和R.Nagata，“Distance Measurement by WavelengthShift of Laser Diode Light(通過激光二極管光的波長移動的距離測量)”，Applied Optics 25(1986)2976-2980。
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以上兩個列表中的所有這些參考文獻都結合在此，用于包含識別頻率掃描干涉儀的實踐中使用的常規裝置和處理算法。
圖1的現有技術中描述了一種類型的頻率掃描干涉儀系統10。雖然在Twyman-Green干涉儀的全部形態中，計算機14控制之下的可調激光器12產生可以在不同的頻率范圍內調諧的測量光束16。光束—條件(conditioning)光學裝置18擴展和校準測量光束16。可折疊反射鏡20將測量光束16引向光束分離器22，它將測量光束16分成對象光束24和參考光束26。對象光束24從測試對象30回射，且參考光束26從參考反射鏡32回射。光束分離器22重新組合對象光束24和參考光束26，且成像光學裝置34(諸如一透鏡或一組透鏡)將測試對象30和參考反射鏡32的重疊圖像聚焦到檢測器陣列36(諸如元件的CCD陣列)上。檢測器陣列36記錄由于對象和參考光束24和26之間的光程長度變化所產生的干涉圖案的強度。來自檢測器陣列36的輸出被存儲在計算機14中并在其中得到處理。
檢測器陣列36的元件記錄從屬于對象和參考光束24和26之間的干涉的局部強度值。每一個強度值源于測試對象30上的一斑點。但是，取代評估強度值來確定對象和參考光束24和26之間的相差作為表面變化的主要測量，為一連串不同照明頻率(或波長)的測量光束16記錄一組附加的干涉圖案。可調激光器12被步進通過一連串的遞增變化的照明頻率，且檢測器陣列36記錄相應的干涉圖案。共計16或32幀的記錄個別干涉圖案的數據幀是典型的。
局部強度值隨相長干涉和相消干涉的條件之間的照明頻率變化而正弦變化。強度變化速度(即強度變化的頻率)是局部對象和干涉光束24和26之間的光程長度差的函數。在較小的光程長度差處出現強度的漸變(較低的干涉頻率變化)，而在較大的光程長度差處出現強度的更快速的變化(較高的干涉頻率變化)。
可以在計算機14內使用離散傅里葉變換以識別伴隨測量光束16的照明頻率遞增變化出現的強度變化的干涉頻率。計算機14也將強度變化的干涉頻率轉換成對象和參考光束24和26之間的局部光程長度差的測量，它可用于構建測試對象30的三維圖像作為來自參考反射鏡32的表面的輪廓變化的測量。由于參考反射鏡32是平面的，所確定的光程差等效于對象30相對于平面的偏離。所形成的三維地形信息可以進一步被處理，以測量對象30的重要特性(例如，平面度或平行度)，這對于精密制造的部件的質量控制很有用。
由檢測器陣列36的元件記錄的強度值“I”可以被寫作兩個相干分量之和一個來自對象光束24“Uobj”，一個來自參考光束26“Uref”，如下
I＝|(Uobj+Uref)|2.(1)例如，所記錄的強度對應于由通過對象和參考光束24和26產生的圖像之內的像素測量的強度。對象光束24“Uobj”可以寫作Uobj=A1ei(2πλR1),---(2)]]>且參考光束26“Uref”可以寫作Uref=A2ei(2πλR2).---(3)]]>其中“A1”和“A2”是振幅，“λ”是波長，且“R1”和“R2”是兩個光束24和26的光程。將光程差視作R＝R1-R2，強度“I”可以寫作I=|A1|2+|A2|2+2A1A2cos(2πλR),---(4)]]>或者，使用頻率符號I=|A1|2+|A2|2+2A1A2cos(2πcRv).---(5)]]>其中“c”是光速而“ν”是照明頻率。
等式(5)示出了強度具有兩個基本項偏項等于“|A1|2+|A2|2”以及余弦項。所關心的正弦強度變化源于余弦項。偏項是一偏移，通過計算強度數據的平均數和從等式(5)中減去該平均數可以方便地將其除去。
如從等式(5)中顯見的，余弦項的頻率取決于測量光束16的頻率(或波長)和“R”--光程差(OPD)。基于可調激光器12提供的照明頻率的增量變化，可以使用傅里葉變換方法使“R”值擬合函數。步驟包括為一系列“N”照明頻率記錄干涉圖案。隨后，使用已知(或估計)的照明頻率，將來自每個檢測器元件的數據進行傅里葉變換，且變化的峰值干涉頻率的位置顯示每個檢測器元件的“R”值。
圖2示出與通過單個檢測器單元記錄并擬合于等式(5)的32(N)照明頻率的一典型數據組相對應的強度數據的離散傅里葉變換的典型結果，其中減去了照明強度的平均值。所標繪的是在被再細分成256(M)個相等細分的帶寬內采樣的干涉頻率劃分的相對振幅|K’|2，如下
|K′|2＝|FFT(I-I)|2，(6)其中I＝10+cos(3πn/10)。
兩個干涉頻率峰值40和42是由余弦函數產生的，對應于對象和參考光束24和26之間的光程長度差的異號。隨著光程長度差“R”增加，峰值40或42之一轉移到另一個42或40；該交換確定可以無岐義地將數據轉換成輪廓變化的范圍。通過其中按系統方式故意改變對象和參考光束24和26之間的光程長度差的相移可以確定峰值40或42中的哪一個對應于對象和參考光束24和26之間的實際光程長度差。解決“雙峰值”的岐義并擴展測量間隔的相移方法的實例描述于之前參考的J.C.Marron和Kurt W.Gleichman的論文中，以及美國專利No.4832489；5777742；5880841；5907404以及5926277，它們也結合在此。
雖然相移常規地用于解決干涉岐義，實際需要附加的測量，使測量裝置復雜化并消耗處理時間。諸如Fizeau干涉儀的共光程干涉系統不易于適應相移。在共光程干涉系統內，測試對象可以于參考元件一起安裝在腔中或者測試光學裝置可以安裝在參考元件上。對系統地改變成相移所需的測試對象和參考元件之間的間隔的附加要求增加了相當的機械復雜性并削弱了由共光程干涉儀利用的測試對象和參考元件之間的連接。
發明內容
本發明將頻率掃描干涉儀擴展到共光程干涉儀系統。保留了共光程干涉儀系統的優點，包括降低對諸如振動和空氣湍流的環境影響的靈敏度以及降低了沿不同對象和參考光束的分開的光分量引起的色散，同時可以擴展測量范圍(即，無岐義的測量間隔)。
根據本發明，為解決測量的岐義性，相移致動器和技術是不必要的。不受相移要求阻礙的參考元件可以設置成結合參考表面和光束分離器兩者的功能。此外，在檢驗時，參考元件可以被設置為支持測試對象。將也用作光束分離器的參考元件置于靠近測試對象使得本發明能夠利用共光程干涉儀系統的好處，其中同參考表面有關的參考光束與同測試對象表面有關的對象光束一起沿共用路徑行進遍及其長度。此外，將測試對象安裝于相對于參考元件的固定位置中使得超出對象和參考光束共享的共用路徑的干擾影響最小化。
根據本發明可以將頻率掃描干涉儀測量系統設置成測量測試對象的地形特點。定向系統將測量光束沿測量路徑發送向測試對象。位于沿測量路徑鄰近于測試對象的固定位置處的參考元件區分測量光束的參考光束部分以及測量光束的對象光束部分。參考光束部分獲得關于參考元件表面的信息，且對象光束部分獲得關于測試對象表面的信息。定向系統也將負載信息的對象和參考光束沿共用路徑發送向檢測器。檢測器提供用于檢測作為測試對象和參考元件的表面之間的比較的負載信息的對象和參考光束的組合強度變化；頻率修改器改變由檢測器檢測的對象和參考光束的有效頻率內容。處理器將由于負載信息的對象和參考光束的有效頻率內容中的變化引起的所檢測的強度變化轉換成對象和參考光束之間的光程長度差的測量，用于測量測試對象表面相對于參考元件表面的地形特點。
較佳地，頻率修改器包括可調激光源，用于改變測量光束的頻率內容。朝向測試對象的測量路徑和朝向檢測器的共用路徑優選在檢測器和參考元件表面之間在相反的方向上重疊以提供緊湊設計。雖然安裝超過對象和參考光束的共用路徑，測試對象優選按與參考元件的固定關系安裝以最小化測試對象和參考元件之間的不同環境影響。事實上，參考元件優選用于安裝測試對象以加強它們的物理聯合。
檢測器優選包括用于分開地測量與測試對象表面的不同位置有關的強度變化的個別檢測器的檢測器陣列。個別檢測器的強度變化提供不依賴于鄰近個別檢測器的強度變化的不同位置處的表面輪廓特點的測量。成像系統使用負載信息的對象和參考光束將測試對象表面和參考元件表面兩者成像于檢測器陣列上。
本發明可以特別地被配置為改良的Fizeau干涉儀，用于使用頻率掃描測量測試對象的輪廓變化。輻射源產生測量光束。具有參考表面的參考元件反射測量光束的第一部分作為參考光束并透射測量光束的第二部分作為來自測試對象的表面以及到測試對象表面的對象光束。檢測系統檢測由源于測試對象表面上的不同橫向坐標的對象和參考光束的局部部分之間的相長和相消干涉產生的多個強度變化。路徑傳送測量光束到參考元件表面，并包括一共用路徑，它傳送從測試對象表面返回的對象光束以及從參考元件表面返回到檢測系統的參考光束。
頻率修改器修改產生與測試對象表面的不同橫向坐標處的測試對象表面和參考元件表面之間的光程長度變化相對應的調制頻率處的相長和相消干涉的條件之間的強度變化交替的測量光束的有效頻率。處理器從交替的強度變化識別調制頻率，用于參照測試對象表面和參考元件表面之間的光程長度變化作為測試對象表面的不同橫向坐標處的測試對象表面的輪廓變化的相對測量。
頻率修改器優選包括輻射源的頻率調諧器，用于改變測量光束的頻率。頻率修改器通過增量修改測量光束的有效頻率，該增量足夠細小以無岐義區分測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標稱波長的10倍。通過使用測量光束的更細小的頻率增量，100倍、1000倍或更大倍數的標準波長的測量范圍也是可能的。
頻率修改器也可以設置成在頻率帶寬上修改測量光束的頻率，該頻率帶寬的寬度足夠區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長的至少10倍。對象和參考光束之間的光程長度差的分辨率是測量光束的頻率范圍而非范圍的標稱頻率的函數。因此，通過擴展測量光束的頻率范圍，可以區分相差小于測量光束的標稱波長的輪廓變化，而不用相移。
參考元件優選采用干涉儀窗口的形式，它將光(即，輻射)透射到測試對象表面并允許光(即，輻射)從測試對象表面反射。參考元件還優選參與將測試對象安裝于測試對象表面和參考元件表面之間的固定間隔處。
檢測系統優選包括用于分開測量與測試對象表面的不同橫向坐標有關的強度變化的個別檢測器的檢測器陣列。個別檢測器的強度變化提供不同橫向坐標處表面輪廓特點的測量，其不取決于鄰近個別檢測器的強度變化。成像系統使用對象和參考光束將測試對象表面和參考元件表面兩者成像于檢測器陣列上。
雖然檢測器陣列在測量干涉的每個遞增變化的頻率處記錄干涉圖案，干涉圖案本身不需要被單獨解釋。事實上，測試對象表面的粗糙程度會超出條紋間隔，從而在干涉圖案中不出現干涉帶。這允許漫反射表面的測量，其干涉圖案明顯是斑紋。
本發明不需要在個別干涉圖案內的相長和相消干涉效果的比較。針對由于測量光束頻率的變化助長的相長和相消干涉之間的變化率分開地估計圖案中的每個點。所建議的測量光束頻率的遞增變化提供用于采樣每個點的跨過相長和相消干涉的至少一個循環的一連串干涉圖案內的相應點的強度。
本發明還可以作為測量測試對象的地形特點的頻率掃描方法實施。例如，本發明提供用于將測試對象安裝于與干涉儀的參考元件鄰近的固定位置中。傳播測量光束通過干涉儀朝向參考元件和測試對象。測量光束的參考光束部分獲得來自參考元件表面的信息，且測量光束的對象光束部分獲得來自測試對象表面的信息。檢測負載信息的對象和參考光束的組合強度變化作為測試對象和參考元件的表面之間的比較。改變由檢測器接收的對象和參考光束的有效頻率內容。將由于負載信息的對象和參考光束的有效頻率內容的變化引起的所檢測的強度變化轉換成對象和參考光束之間光程長度差的測量，用于測量測試對象表面相對于參考元件表面的地形特點。
較佳地，從參考元件表面反射參考光束并從測試對象表面反射對象光束。沿共用路徑將所反射的參考光束和所反射的對象光束傳播到檢測器。優選通過增量改變有效頻率，該增量產生可以符合正弦曲線的所檢測的強度變化，該正弦曲線具有作為參考光束和對象光束之間的光程長度差的函數變化的變換頻率。表面特點的位置的分辨率取決于對象和參考光束的標稱頻率，而地形特點的測量的分辨率不取決于對象和參考光束的標稱頻率。所檢測的強度變化優選與測試對象表面的不同位置有關。與測試對象表面的不同位置有關的所檢測的強度變化提供不同位置處的表面特點的測量，其不取決于測試對象表面的相鄰位置強度變化。
根據本發明可以使用一種類似的頻率掃描方法，用于操作Fizeau干涉儀以測量測試對象的輪廓變化。測量光束照射參考元件。從參考元件的表面反射測量光束的第一部分作為參考光束。將到測試對象表面和來自測試對象表面的測量光束的第二部分透射通過參考元件作為對象光束。沿共用路徑將參考光束和對象光束傳送到檢測器。使用參考和對象光束將參考元件和測試對象的表面成像到檢測器上，用于使測試對象表面的橫向坐標與檢測器的橫向坐標相關。檢測由與測試對象表面上的不同橫向坐標有關的對象和參考光束的局部部位之間的相長和相消干涉產生的多個強度變化。
改變測量光束的有效頻率，在對測試對象和參考元件的表面上的相應點之間的光程長度差靈敏的調制頻率處交替相長和相消干涉的條件之間的強度變化的。識別交替的強度變化的調制頻率，用于參照測試對象表面和參考元件表面之間的光程長度變化作為測試對象表面的不同橫向坐標處的測試對象表面的輪廓變化的相對測量。
較佳地，檢測一連串干涉圖案，對應于測量光束的不同有效頻率。每個這些干涉圖案明顯地是斑紋圖案，表示具有超出干涉圖案的條紋間隔的階梯尺寸的輪廓變化。分開地估計與測試對象表面的不同橫向坐標有關的強度變化，以提供不同橫向坐標處的表面輪廓變化的測量，其不取決于測試對象表面的相鄰橫向坐標處的強度變化。
優選通過增量修改測量光束的有效頻率，該增量足夠細小以無岐義地區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標準波長的10倍。通過選擇頻率修改的足夠細小的增量，對應于多個標稱波長的100、1000或更多倍數的測量范圍也是可以的。
在一頻率帶寬或范圍上修改測量光束的頻率，該頻率帶寬或范圍的寬度足夠區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長的至少10倍。可以使用測量光束的更大頻率范圍以區分測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長。
根據本發明的頻率掃描方法的使用消除了對相移致動器和技術以估計干涉圖案或以解決測量岐義的需要。這允許使用參考元件，它集成了參考表面和光束分離器，用于向干涉儀內的對象光束和參考光束提供共用路徑。可以在不同照明頻率的范圍上進行多個干涉測量，其中降低了對可能引起測量錯誤的環境影響或者對象和參考路徑之間的色散的靈敏度。
附圖概述圖1是根據相關技術的頻率掃描干涉儀的框圖，以上已描述了其干涉儀。
圖2是示出采樣的干涉頻率劃分的振幅“|K’|2”的采樣傅里葉強度的圖表，其中峰值位置是光程長度差“R”的測量。
圖3是根據本發明的改良頻率掃描干涉儀的框圖，它具有結合了光束分離器和參考表面的功能的參考元件。
圖4是具有楔形用于隔離參考表面的實例性參考元件的放大示圖。
圖5是類似于圖4的示圖，示出了支持測試對象從而測試對象置于參考表面上的參考元件。
圖6是示出測試對象置于由參考表面支持的中間、主要透明支持部件上的類似的示圖。
圖7是示出測試對象置于支持夾具上的類似的示圖，其中該支持夾具使用參考元件的參考表面作為數據。
圖8是類似于圖4的示圖，示出了具有棱柱形狀的可選參考元件。
具體實施例方式
如圖3所示，根據本發明設置了實例性的頻率掃描干涉儀50作為共光程(例如，Fizeau)干涉儀，用于測量測試對象52的拓撲地形特點。輻射源58產生測量光束60，用于獲得關于測試對象52上的測試表面54的信息。較佳地，輻射源58是可通過頻率(或波長)的有限范圍調節的相干輻射源，諸如二極管激光器(例如，GaAs基的激光器)。可以在可見或不可見光譜內選擇標稱波長(例如，780nm)，并可以基于成本、分辨率或測試對象的反射比進行選擇。優選用于本發明的實施的實例性的頻率可調激光器揭示于2003年5月27日提交的共同待批的美國申請No.＿＿.標題為TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY，其結合在此作為參考。
用作光束擴展器和準直器的光束調節器62擴展和校準測量光束60。折疊反射鏡形式的定向光學裝置64與光束分離器66一起形成定向系統，用于沿測量路徑68將測量光束60發送到測試對象52。為實現該目的，定向系統可以采用各種形式，包括通過再定向輻射源58而消除定向光學裝置64。較佳地，設置或否則處理光束分離器66，從而測量光束60在一個方向上發送通過光束分離器66但在相反的方向上從光束分離器66反射。為此，可使用已知的偏振技術。
參考元件70(圖4中亦示出)沿測量路徑68設置成鄰近于測試對象52并在與測試對象52相對的固定位置中。參考元件70的表面72用作參考表面和光束分離器，以區別關于參考元件70的參考表面72的信息的測量光束60的參考光束部分76以及獲得關于測試對象52的測試表面54的信息的測量光束60的對象光束部分78。
參考元件70具有楔形參考平面的形式，其平面進入表面82相對于也是平面的參考表面72傾斜。參考表面72的形狀較佳地與測試表面54的標稱形狀匹配，用于進行測量作為與無干涉圖案的偏差。這種參考平面是商業上可從California的Santa Ana的Opto-Sigma獲得的。一個實例平面是零件號碼0380-0780-W，它具有一度的楔角。
校準的測量光束60打算基本通過進入表面82，且為此可以將防反射涂覆應用于進入表面82上。但是，從傾斜參考表面82反射出的測量光束60的任何部分84按非垂直反射角反射，從而該反射部分84可以從干涉儀50放棄。與成像系統86(以下描述)有關的后續的孔徑光闌(未示出)可用于阻斷進入表面82的不需要的反射。
測量光束60的更大的剩余部分按垂直入射擊向參考表面72。測量光束60的參考光束部分76從參考表面72反射，且測量光束60的對象光束部分78透過參考表面72。透射的對象光束部分78從測試表面54反射并在參考表面72處共線地在結合所反射的參考光束部分76作為在返回路徑上傳播到光束分離器66的重新組合的測量光束60。該重新組合的測量光束60包含參考表面72和測試表面54之間的光程長度差的干涉表示。
通過向參考表面72涂覆光學涂層可以調整所反射的參考光束部分76的相對強度。較佳地，返回的參考和目標光束部分76和78的強度是相似的以最大化光束部分之間的干涉襯比。因此，對于高反射(鏡面)測試對象，可以使用支持反射率接近50％的涂層；而對于漫反射測試對象，可以使用較低反射率的涂層以匹配參考表面72的反射率和測試表面54的較低反射率。也可以選擇應用于參考表面72上的涂層以最小化來自參考表面72的返回測試光束部分78的不需要的二次反射。
定向系統的光束分離器66也提供用于將包含裝載信息的參考和對象光束部分76和78的重新組合的測量光束60沿測量路徑68發送檢測器88。測量路徑68向重新組合的測量光束60的參考光束和對象光束部分76和78兩者以及原始測量光束60中的其前身提供共用路徑，遍及測量路徑68的全長從輻射源58通過檢測器檢測器88，除了參考表面72和對象表面54之間的接口(即腔)例外。這最小化了對重新組合的測量光束60的參考光束和對象光束部分76和78的差別系統或環境影響。
成像系統86優選包括聚焦光學裝置，用于使用包含裝載信息的參考和對象光束部分76和78的重新組合的測量光束60將測試表面54和參考表面72兩者成像于檢測器88上。檢測器88檢查裝載信息的參考和對象光束部分76和78的組合強度變化作為測試對象52和參考元件70的表面54和72之間的比較。較佳地，檢測器88包括用于分開測量與測試表面54的不同位置有關的強度變化的個別檢測器的檢測器陣列。例如，檢測器88可以是CCD(電荷耦合器件)照相機，它包含所需密度的矩陣(例如，排列在1000×1000矩陣中10微米直徑的光電檢測器)中的光電檢測器的可尋址陣列。
計算機90優選是計算機系統的一部分，該系統包括外圍設備，諸如顯示器、打印機、鼠標和鍵盤，如對于干涉儀裝置常規的。計算機90還包括用于控制輻射源58和檢測器88兩者的能力。例如，計算機90提供用于調節輻射源58經過規定的一連串照明頻率。計算機90還提供用于獲取來自用于獲取與每一連串照明頻率相對應的干涉圖案的檢測器88的強度數據。
還在計算機90內進行數字處理，以確定速率(即，調制或干涉頻率)，其中個別檢測器的強度按該速率循環通過相長和相消干涉的周期作為照明頻率變化的函數。離散傅里葉變換可用于該目的。用于進行數字處理(包括識別調制頻率和使所識別的調制頻率與測試表面54的表面輪廓變化相等)的優選技術揭示于2002年6月24日提交的共同待批的美國臨時申請No.60/391004，標題為SYSTEM FORPROCESSING MULTI-WAVELENGTH INTERFEROMETRIC DATA，其結合在此作為參考。
檢測器88檢查由與測試表面54上的不同橫向坐標有關的參考和對象光束部分76和78的局部部分之間的相長和相消干涉產生的多個強度變化。計算機90遞增地修改測量光束60的有效頻率，在對測試對象52和參考元件70的表面54和72上的對應點之間的光程長度差靈敏的調制頻率處在相長和相消干涉的條件之間交替強度變化。通過計算機90進行的進一步處理從交替的強度變化中識別調制頻率，其用于參照測試表面54和參考表面72之間的光程長度變化作為測試表面54的不同橫向坐標處測試表面54的輪廓變化(即，地形特點)的相對測量。
成像系統88優選將對應于測量光束60的不同有效頻率的參考和對象光束部分76和78之間的一連串干涉圖案成像。這些干涉圖案中的每一個可以明顯地是斑紋圖案，表示具有超出干涉圖案的條紋間隔的階梯尺寸(step size)的輪廓變化。較佳地，通過足夠細小以便無岐義地區分測試表面54的不同橫向坐標之間的輪廓變化的增量改變測量光束60的有效頻率，它具有測量光束60的標稱波長的至少10倍的幅度范圍。甚至可以使用測量光束頻率的更細小的增量將測量范圍擴展為測量光束60的標稱波長的100或1000倍。不需要個別橫向坐標處的相移和個別橫向坐標之間的相位展開來獲得所需的測量范圍。
與測試表面54的不同橫向坐標有關的強度變化提供了該不同橫向坐標處的表面輪廓變化的測量，而獨立于測試表面54的相鄰橫向坐標處的強度變化。此外，雖然作為衍射限制成像的結果，表面輪廓變化的位置的分辨率取決于檢測器陣列的密度或者測量光束60的標稱頻率，表面輪廓變化的測量分辨率本身不依賴于檢測器陣列密度和測量光束60的標稱頻率。取而代之，精度由諸如所檢測的頻率的數量和范圍(頻帶)以及已知頻率的精度的因素確定。例如，頻率范圍優選足夠寬以區別測試對象表面54的不同橫向坐標之間的輪廓變化，它具有相差測量光束60的標稱波長的10倍或相差甚至小于標稱波長本身的幅度。因此，也不需要相移來擴展測量精度，因為測量精度不依賴測量光束60的標稱頻率。
如圖2中的峰值所示，從作為含兩個對稱解的余弦函數的強度數據中獲得作為測量光束頻率60變化的函數而變化經過相長和相消干涉的條件的強度變化的調制頻率。作為根據測試表面54的輪廓變化幅度的參考和對象光束部分76和78之間的光程長度變化，峰值之一移向另一個峰值，這限制了無岐義測量的全部范圍。雖然可以使用相移來在峰值40和42之間區分以使用于測量的給定頻率間隔的無岐義測量的范圍加倍，但對于單獨考慮的峰值40或42，通過使用測量光束60的更細小的頻率間隔也可以加倍該無岐義范圍或更多。因為對于共光程干涉儀來說相移是特別麻煩的，優選使用頻率移動干涉儀所特有的頻率間隔變化來實現所需的測量范圍。
較佳地，參考元件70的參考表面72也用作測試對象52的安裝表面，如圖5所示。測試表面54直接置于參考表面72上。與參考表面72接觸的測試表面54的那些部分產生參考和對象光束部分76和78之間的零光程長度差。這樣，如果如圖5所示測試對象52直接位于參考元件70上，則等式(5)中的R值是零。與參考表面72隔開的測試對象表面54的區域具有較大的R值。因此，R的測量值對應于測試對象54離開參考表面72的地形特點的物理距離。
圖6和7示出了可選實施例，其中中間的大體透明的支持結構92和94支持測試對象52于相對于參考表面72的固定位置中。中間支持結構92被示作支持墊，而中間支持結構94被示作夾具；但也可以使用各種其它中間支持結構，包括線柵或分段支持墊或固定件。參考表面72可以用作支持結構92或94的基準表面，該支持結構沿來自參考表面72的測量路徑68將測試對象52保持在固定位置中。
采用直接或間接置于參考元件70上的測試對象52，可以進一步減少不同環境的影響。此外，基本除去了測試對象52的傾斜調整或縱向位置調整的需要，而這些是圖1所示的常規結構中很重要的。這降低了用于支持測試對象52的復雜性。
圖8中示出了一可選參考元件100作為棱鏡。與參考元件70相同，進入表面102可以從垂直于校準的測量光束60起傾斜，從而方便地放棄任何反射84(即，由成像系統86內的孔徑阻擋)。也可以使用防反射涂層用于該目的。參考元件100的表面104使測量光束60折疊，且表面106用于光束分離器和參考表面，這與參考元件70的參考表面72類似。同樣與參考表面72相同的是，參考表面106優選提供用于直接或間接地支持測試對象52于相對于參考表面106的固定位置中。此外，實例性參考元件70和100兩者都可用作干涉儀50的窗口，將光(輻射)透射向測試對象表面54并允許光(輻射)從測試對象表面54反射，同時隔離和保護干涉儀的內部環境不受污染或其它環境影響。
共光程干涉系統有利地用于頻率掃描干涉儀，因為1)通過具有基本共用的光程減少了散射和擾動的影響，2)零光程差的測量值對應于直接位于參考表面72或106上的測試對象52，以及3)降低了用于支持測試對象52的安裝的復雜性。可以保持這些優點(即，不用相對移動測試對象和參考元件)同時實現所需的測量精度和測量范圍的目的，因為不需要相移來實現其中任一項。
通過以上的描述，顯而易見，提供了一種改良的頻率掃描干涉儀，它的設計比現有技術中提供的這種干涉儀更簡單、更緊湊，并產生精確的表面輪廓測量而不需要相移方法或基于平滑表面假設其它附隨計算方法。所述系統及其部件的變化和修改將無疑變得為本技術領域內的熟練技術人員顯而易見。因此，以上描述應被認為是說明性的而非限制性的。
權利要求
1.一種用于測量測試對象的地形特點的頻率掃描干涉測量系統，其特征在于，包括定向系統，用于將測量光束沿測量路徑發送向測試對象；參考元件，沿鄰近于測試對象的測量路徑在相對于該測試對象的固定位置處用于區分獲得關于參考元件表面的信息的測量光束的參考光束部分以及獲得關于測試對象表面的信息的測量光束的對象光束部分；所述定向系統也提供用于將負載信息的對象和參考光束沿共用路徑發送到檢測器；所述檢測器，它被提供用于檢測作為測試對象和參考元件的表面之間的比較的負載信息的對象和參考光束的組合強度變化；頻率修改器，它改變由檢測器檢測的對象和參考光束的有效頻率內容；以及處理器，它將由于負載信息的對象和參考光束的有效頻率內容中的變化引起的所檢測的強度變化轉換成對象和參考光束之間的光程長度差的測量，用于測量測試對象表面相對于參考元件表面的地形特點。
2.如權利要求1所述的系統，其特征在于，進一步包括輻射源，且頻率修改器提供用于調節該輻射源以改變測量光束的頻率內容。
3.如權利要求1所述的系統，其特征在于，朝向測試對象的測量路徑和朝向檢測器的共用路徑在定向系統和參考元件表面之間在相反的方向上重疊。
4.如權利要求1所述的系統，其特征在于，參考元件參與以測試對象和參考元件表面之間的固定間隔安裝測試對象。
5.如權利要求1所述的系統，其特征在于，檢測器包括用于分開地測量與測試對象表面的不同位置有關的強度變化的個別檢測器的檢測器陣列，且個別檢測器的強度變化提供不依賴于鄰近個別檢測器的強度變化的不同位置處的表面輪廓特點的測量。
6.如權利要求5所述的系統，其特征在于，進一步包括成像系統，它用于使用負載信息的對象和參考光束將測試對象表面和參考元件表面成像于檢測器陣列上。
7.一種測量測試對象的地形特點的頻率掃描方法，其特征在于，包括以下步驟；將測試對象安裝于與干涉儀的參考元件鄰近的固定位置中；傳播測量光束通過干涉儀朝向參考元件和測試對象；區分從參考元件的表面獲得信息的測量光束的參考光束部分和從測試對象的表面獲得信息的測量光束的對象光束部分；檢測負載信息的對象和參考光束的組合強度變化作為測試對象和參考元件的表面之間的比較；改變檢測器處接收的對象和參考光束的有效頻率內容；以及將由于負載信息的對象和參考光束的有效頻率內容的變化引起的所檢測的強度變化轉換成對象和參考光束之間光程長度差的測量，用于測量測試對象表面相對于參考元件表面的地形特點。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述區分步驟包括從參考元件表面反射參考光束和從測試對象表面反射對象光束。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，包括沿共用路徑將所反射的參考光束和所反射的對象光束傳播到檢測器的進一步的步驟。
10.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述改變有效頻率的步驟包括通過增量改變有效頻率，該增量產生可以擬合正弦曲線的所檢測的強度變化，該正弦曲線具有作為參考光束和對象光束之間的光程長度差的函數變化的變換頻率。
11.如權利要求10所述的方法，其特征在于，表面特點的位置的分辨率取決于對象和參考光束的標稱頻率，而地形特點的測量的分辨率不取決于對象和參考光束的標稱頻率。
12.如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述檢測步驟包括分開測量與測試對象表面的不同位置有關的被檢測的強度變化。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，所述轉換步驟包括轉換與測試對象表面的不同位置有關的所檢測的強度變化，以提供不同位置處的表面特點的測量，其不取決于測試對象表面的相鄰位置強度變化。
14.一種用于使用頻率掃描測量測試對象的輪廓變化的Fizeau干涉儀，其特征在于，包括；輻射源，它用于產生測量光束；參考元件，它具有反射測量光束的第一部分作為參考光束并透射測量光束的第二部分作為來自測試對象的表面以及到測試對象表面的對象光束的參考表面；檢測系統，它檢測由源于測試對象表面上的不同橫向坐標的對象和參考光束的局部部分之間的相長和相消干涉產生的多個強度變化；路徑，它傳送測量光束到參考元件表面，并包括一共用路徑，它傳送從測試對象表面返回的對象光束以及從參考元件表面返回到檢測系統的參考光束；頻率修改器，它修改產生與測試對象表面的不同橫向坐標處的測試對象表面和參考元件表面之間的光程長度變化相對應的調制頻率處的相長和相消干涉的條件之間的強度變化交替的測量光束的有效頻率；以及處理器，它從交替的強度變化識別調制頻率，用于參照測試對象表面和參考元件表面之間的光程長度變化作為測試對象表面的不同橫向坐標處的測試對象表面的輪廓變化的相對測量。
15.如權利要求14所述的干涉儀，其特征在于，頻率修改器包括輻射源的頻率調諧器，用于改變測量光束的頻率。
16.如權利要求14所述的干涉儀，其特征在于，頻率修改器通過增量修改測量光束的有效頻率，該增量足夠細小以無岐義地區分測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標稱波長的10倍。
17.如權利要求16所述的干涉儀，其特征在于，頻率修改器通過增量修改測量光束的頻率，該增量足夠細小以無岐義地區分測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標稱波長的100倍。
18.如權利要求17所述的干涉儀，其特征在于，頻率修改器通過增量修改測量光束的頻率，該增量足夠細小以無岐義地區分測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標稱波長的1000倍。
19.如權利要求15所述的干涉儀，其特征在于，頻率修改器在頻率帶寬上修改測量光束的頻率，該頻率帶寬的寬度足夠區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長的至少10倍。
20.如權利要求19所述的干涉儀，其特征在于，頻率修改器在頻率帶寬上修改測量光束的頻率，該頻率帶寬的寬度足夠區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長。
21.如權利要求14所述的干涉儀，其特征在于，參考元件是干涉儀窗口，它將輻射透射到測試對象表面并允許輻射從測試對象表面反射。
22.如權利要求21所述的干涉儀，其特征在于，參考元件參與將測試對象安裝于測試對象表面和參考元件表面之間的固定間隔處。
23.如權利要求14所述的干涉儀，其特征在于，檢測系統包括用于分開測量與測試對象表面的不同橫向坐標有關的強度變化的個別檢測器的檢測器陣列，且個別檢測器的強度變化提供不同橫向坐標處表面輪廓特點的測量，其不取決于鄰近個別檢測器的強度變化。
24.如權利要求23所述的干涉儀，其特征在于，進一步包括用于使用對象和參考光束將測試對象表面和參考元件表面兩者成像于檢測器陣列上的成像系統。
25.一種操作Fizeau干涉儀用于測量測試對象的輪廓變化的頻率掃描方法，其特征在于，包括以下步驟用測量光束照射參考元件；從參考元件的表面反射測量光束的第一部分作為參考光束；將到測試對象表面和來自測試對象表面的測量光束的第二部分透射通過參考元件作為對象光束；沿共用路徑將參考光束和對象光束傳送到檢測器；使用參考和對象光束將參考元件和測試對象的表面成像到檢測器上，用于使測試對象表面的橫向坐標與檢測器的橫向坐標相關；檢測由與測試對象表面上的不同橫向坐標有關的對象和參考光束的局部部位之間的相長和相消干涉產生的多個強度變化；修改在對測試對象和參考元件的表面上的相應點之間的光程長度差靈敏的調制頻率處交替相長和相消干涉的條件之間的強度變化的測量光束的有效頻率；以及從交替的強度變化識別調制頻率，用于參照測試對象表面和參考元件表面之間的光程長度變化作為測試對象表面的不同橫向坐標處的測試對象表面的輪廓變化的相對測量。
26.如權利要求25所述的方法，其特征在于，成像步驟包括將與測量光束的不同有效頻率相對應的對象和參考光束之間的一連串的干涉圖案成像，其中每個干涉圖案明顯地是斑紋圖案，表示具有超出干涉圖案的條紋間隔的階梯尺寸的輪廓變化。
27.如權利要求26所述的方法，其特征在于，識別調制頻率的步驟包括分開地估計與測試對象表面的不同橫向坐標有關的強度變化，以提供不同橫向坐標處的表面輪廓變化的測量，其不取決于測試對象表面的相鄰橫向坐標處的強度變化。
28.如權利要求25所述的方法，其特征在于，修改有效頻率的步驟包括通過增量修改測量光束的有效頻率，該增量足夠細小以無岐義地區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標準波長的10倍。
29.如權利要求28所述的方法，其特征在于，修改有效頻率的步驟包括通過增量修改測量光束的有效頻率，該增量足夠細小以無岐義地區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標準波長的100倍。
30.如權利要求29所述的方法，其特征在于，修改有效頻率的步驟包括通過增量修改測量光束的有效頻率，該增量足夠細小以無岐義地區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度范圍至少是測量光束的標準波長的1000倍。
31.如權利要求28所述的方法，其特征在于，修改有效頻率的步驟包括在一頻率帶寬上修改測量光束的頻率，該頻率帶寬的寬度足夠區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長的至少10倍。
32.如權利要求31所述的方法，其特征在于，修改有效頻率的步驟包括在一頻率帶寬上修改測量光束的頻率，該頻率帶寬的寬度足夠區別測試對象表面的不同橫向坐標之間的輪廓變化，其幅度相差小于測量光束的標稱波長。
全文摘要
頻率掃描干涉測量應用于共光程干涉儀中，以測量測試對象的地形特點。測試對象附近的參考元件用作光束分離器和參考表面兩者。測量光束的第一部分從參考元件的參考表面反射，作為參考光束，并透射測量光束的第二部分通過參考單元到達測試對象表面和從測試對象表面透射通過參考單元，作為對象光束。這兩個光束沿共用路徑傳送到檢測器，它記錄由與測試對象表面上的不同橫向坐標有關的對象和參考光束的局部位置之間的相長和相消干涉產生的多個強度變化。遞增地修改測量光束的照明頻率通過一定范圍的不同頻率，其足夠交替相長和相消干涉條件之間的強度變化，它產生于對測試對象和參考元件的表面上的相應點之間的光程長度差靈敏的調制頻率處。
文檔編號G01B11/24GK1675515SQ03819689
公開日2005年9月28日 申請日期2003年6月23日 優先權日2002年6月24日
發明者J·C·馬羅恩 申請人:萊特蓋局股份有限公司