CN1675515A - 共光程频率扫描干涉仪 - Google Patents

Abstract

频率扫描干涉测量应用于共光程干涉仪中，以测量测试对象的地形特点。测试对象附近的参考元件用作光束分离器和参考表面两者。测量光束的第一部分从参考元件的参考表面反射，作为参考光束，并透射测量光束的第二部分通过参考单元到达测试对象表面和从测试对象表面透射通过参考单元，作为对象光束。这两个光束沿共用路径传送到检测器，它记录由与测试对象表面上的不同横向坐标有关的对象和参考光束的局部位置之间的相长和相消干涉产生的多个强度变化。递增地修改测量光束的照明频率通过一定范围的不同频率，其足够交替相长和相消干涉条件之间的强度变化，它产生于对测试对象和参考元件的表面上的相应点之间的光程长度差灵敏的调制频率处。

Description

共光程频率扫描干涉仪

相关申请

本申请要求2002年6月24日提交的美国临时申请No.60/390970的优先权，结合在此作为参考。

技术领域

频率扫描干涉仪也称作波长扫描干涉仪或多波长干涉仪，它用于在不同频率的照明下产生一连串干涉图案并评估该这些图案以提供测试对象的轮廓测量。

背景

使用多个激光频率或波长进行测量的频率扫描干涉仪的开发已进行了好几年。在垂直于参考平面或表面进行表面变化的测量时，干涉仪对于测量测试对象的表面轮廓特别有用。例示这种开发的参考文献包括：

R.G.Pilston和G.N.Steinberg，“Multiple-Wavelength Interferometrywith Tunable Source(具有可调源的多波长干涉仪)”Applied Optics 8(1969)553-556。

D.Malacara，“Optical Shop Testing(光学仪器车间测试)”，New York，Wiley(1978)397-402。

Y.Cheng和J.C.Wyant，“Multiple-Wavelength Phase-ShiftingInterferometry(多波长相移干涉仪)”，Applied Optics 24(1985)804。

频率扫描干涉仪的更新的开发包括诸如可调二极管激光器和CCD检测器阵列的元件的使用。结果，已开发了紧凑、精确和快速的系统，能够在许多各种商业精密部件上进行质量控制测量。这些更新的开发的实例包括：

H.Kikuta，K.Iwata和R.Nagata，“Distance Measurement by WavelengthShift of Laser Diode Light(通过激光二极管光的波长移动的距离测量)”，Applied Optics 25(1986)2976-2980。

T.Kubota，M.Nara和T.Yoshino，“Interferometer for MeasuringDisplacement and Distance(用于测量位移和距离的干涉仪)”，Optics Letters12(1987)310-312。

P.de Groot，“Three-Color Laser-Diode Interferometer(三色激光器二极管干涉仪)”，Applied Optics 30(1991)3612-3616。

M.Suematsu和M.Takeda，“Wavelength-Shift Interferometry for DistanceMeasurement using a Fourier Transform Technique for Fringe Analysis(使用傅里叶变化技术用于条纹分析的用于距离测量的波长移动干涉仪)”，AppliedOptics 30(1991)4046-4055。

J.C.Marron和K.S.Schroeder，“Three-Dimensional Lensless ImagingUsing Laser Frequency Diversity(使用激光器频率分集的三维无透镜成像)”，Applied Optics 31(1992)255-262。

J.C.Marron和K.S.Schroeder，“Holographic Laser Radar(全息激光雷达)”，Optics Letters 18(1993)385-387。

R.G.Paxman，J.H.Seldin，J.R.Fienup和J.C.Marron，“Use of an OpacityConstraint in Three-Dimensional Imaging(三维成像中不透明约束的使用)”，InProceedings of the SPIE Conference on Inverse Optics III，2241，Orlando，FL，April 1994。

L.G.Shirley和G.R.Hallerman，“Applications of Tunable Lasers to LaserRadar and 3D Imaging(可调激光器对激光器雷达和三维成像的应用)”，TechnicalReport 1025，Lincoln Laboratory，MIT，Lexington，Massachusetts，1996。

S.Kuwamura和I.Yamaguchi，“Wavelength Scanning Profilometry forReal-Time Surface Shape Measurement(用于实时表面形状测量的波长扫描测定)”，Applied Optics 36(1997)4473-4482。

J.C.Marron和Kurt W.Gleichman，“Three-Dimensional Imaging Using aTunable Laser Source(使用可调激光源的三维成像)”Optical Engineering 39(2000)47-51。

以上两个列表中的所有这些参考文献都结合在此，用于包含识别频率扫描干涉仪的实践中使用的常规装置和处理算法。

图1的现有技术中描述了一种类型的频率扫描干涉仪系统10。虽然在Twyman-Green干涉仪的全部形态中，计算机14控制之下的可调激光器12产生可以在不同的频率范围内调谐的测量光束16。光束—条件(conditioning)光学装置18扩展和校准测量光束16。可折叠反射镜20将测量光束16引向光束分离器22，它将测量光束16分成对象光束24和参考光束26。对象光束24从测试对象30回射，且参考光束26从参考反射镜32回射。光束分离器22重新组合对象光束24和参考光束26，且成像光学装置34(诸如一透镜或一组透镜)将测试对象30和参考反射镜32的重叠图像聚焦到检测器阵列36(诸如元件的CCD阵列)上。检测器阵列36记录由于对象和参考光束24和26之间的光程长度变化所产生的干涉图案的强度。来自检测器阵列36的输出被存储在计算机14中并在其中得到处理。

检测器阵列36的元件记录从属于对象和参考光束24和26之间的干涉的局部强度值。每一个强度值源于测试对象30上的一斑点。但是，取代评估强度值来确定对象和参考光束24和26之间的相差作为表面变化的主要测量，为一连串不同照明频率(或波长)的测量光束16记录一组附加的干涉图案。可调激光器12被步进通过一连串的递增变化的照明频率，且检测器阵列36记录相应的干涉图案。共计16或32帧的记录个别干涉图案的数据帧是典型的。

局部强度值随相长干涉和相消干涉的条件之间的照明频率变化而正弦变化。强度变化速度(即强度变化的频率)是局部对象和干涉光束24和26之间的光程长度差的函数。在较小的光程长度差处出现强度的渐变(较低的干涉频率变化)，而在较大的光程长度差处出现强度的更快速的变化(较高的干涉频率变化)。

可以在计算机14内使用离散傅里叶变换以识别伴随测量光束16的照明频率递增变化出现的强度变化的干涉频率。计算机14也将强度变化的干涉频率转换成对象和参考光束24和26之间的局部光程长度差的测量，它可用于构建测试对象30的三维图像作为来自参考反射镜32的表面的轮廓变化的测量。由于参考反射镜32是平面的，所确定的光程差等效于对象30相对于平面的偏离。所形成的三维地形信息可以进一步被处理，以测量对象30的重要特性(例如，平面度或平行度)，这对于精密制造的部件的质量控制很有用。

由检测器阵列36的元件记录的强度值“I”可以被写作两个相干分量之和：一个来自对象光束24“U_obj”，一个来自参考光束26“U_ref”，如下：

I＝|(U_obj+U_ref)|².                    (1)

例如，所记录的强度对应于由通过对象和参考光束24和26产生的图像之内的像素测量的强度。对象光束24“U_obj”可以写作：

$U_{\mathrm{obj}}=A_1{e}^{i\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{R}_1\right)},---\left(2\right)$

且参考光束26“U_ref”可以写作：

$U_{\mathrm{ref}}=A_2{e}^{i\left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{R}_2\right)}.---\left(3\right)$

其中“A1”和“A2”是振幅，“λ”是波长，且“R1”和“R2”是两个光束24和26的光程。将光程差视作R＝R1-R2，强度“I”可以写作：

$I={\left|A_1\right|}^2+{\left|A_2\right|}^2+2A_1{A}_2\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}R\right),---\left(4\right)$

或者，使用频率符号：

$I={\left|A_1\right|}^2+{\left|A_2\right|}^2+{2A}_1{A}_2\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{c}\mathrm{Rv}\right).---\left(5\right)$

其中“c”是光速而“ν”是照明频率。

等式(5)示出了强度具有两个基本项：偏项等于“|A₁|²+|A₂|²”以及余弦项。所关心的正弦强度变化源于余弦项。偏项是一偏移，通过计算强度数据的平均数和从等式(5)中减去该平均数可以方便地将其除去。

如从等式(5)中显见的，余弦项的频率取决于测量光束16的频率(或波长)和“R”--光程差(OPD)。基于可调激光器12提供的照明频率的增量变化，可以使用傅里叶变换方法使“R”值拟合函数。步骤包括为一系列“N”照明频率记录干涉图案。随后，使用已知(或估计)的照明频率，将来自每个检测器元件的数据进行傅里叶变换，且变化的峰值干涉频率的位置显示每个检测器元件的“R”值。

图2示出与通过单个检测器单元记录并拟合于等式(5)的32(N)照明频率的一典型数据组相对应的强度数据的离散傅里叶变换的典型结果，其中减去了照明强度的平均值。所标绘的是在被再细分成256(M)个相等细分的带宽内采样的干涉频率划分的相对振幅|K’|²，如下：

|K′|²＝|FFT(I- I)|²，                        (6)

其中I＝10+cos(3πn/10)。

两个干涉频率峰值40和42是由余弦函数产生的，对应于对象和参考光束24和26之间的光程长度差的异号。随着光程长度差“R”增加，峰值40或42之一转移到另一个42或40；该交换确定可以无岐义地将数据转换成轮廓变化的范围。通过其中按系统方式故意改变对象和参考光束24和26之间的光程长度差的相移可以确定峰值40或42中的哪一个对应于对象和参考光束24和26之间的实际光程长度差。解决“双峰值”的岐义并扩展测量间隔的相移方法的实例描述于之前参考的J.C.Marron和Kurt W.Gleichman的论文中，以及美国专利No.4832489；5777742；5880841；5907404以及5926277，它们也结合在此。

虽然相移常规地用于解决干涉岐义，实际需要附加的测量，使测量装置复杂化并消耗处理时间。诸如Fizeau干涉仪的共光程干涉系统不易于适应相移。在共光程干涉系统内，测试对象可以于参考元件一起安装在腔中或者测试光学装置可以安装在参考元件上。对系统地改变成相移所需的测试对象和参考元件之间的间隔的附加要求增加了相当的机械复杂性并削弱了由共光程干涉仪利用的测试对象和参考元件之间的连接。

发明内容

本发明将频率扫描干涉仪扩展到共光程干涉仪系统。保留了共光程干涉仪系统的优点，包括降低对诸如振动和空气湍流的环境影响的灵敏度以及降低了沿不同对象和参考光束的分开的光分量引起的色散，同时可以扩展测量范围(即，无岐义的测量间隔)。

根据本发明，为解决测量的岐义性，相移致动器和技术是不必要的。不受相移要求阻碍的参考元件可以设置成结合参考表面和光束分离器两者的功能。此外，在检验时，参考元件可以被设置为支持测试对象。将也用作光束分离器的参考元件置于靠近测试对象使得本发明能够利用共光程干涉仪系统的好处，其中同参考表面有关的参考光束与同测试对象表面有关的对象光束一起沿共用路径行进遍及其长度。此外，将测试对象安装于相对于参考元件的固定位置中使得超出对象和参考光束共享的共用路径的干扰影响最小化。

根据本发明可以将频率扫描干涉仪测量系统设置成测量测试对象的地形特点。定向系统将测量光束沿测量路径发送向测试对象。位于沿测量路径邻近于测试对象的固定位置处的参考元件区分测量光束的参考光束部分以及测量光束的对象光束部分。参考光束部分获得关于参考元件表面的信息，且对象光束部分获得关于测试对象表面的信息。定向系统也将负载信息的对象和参考光束沿共用路径发送向检测器。检测器提供用于检测作为测试对象和参考元件的表面之间的比较的负载信息的对象和参考光束的组合强度变化；

频率修改器改变由检测器检测的对象和参考光束的有效频率内容。处理器将由于负载信息的对象和参考光束的有效频率内容中的变化引起的所检测的强度变化转换成对象和参考光束之间的光程长度差的测量，用于测量测试对象表面相对于参考元件表面的地形特点。

较佳地，频率修改器包括可调激光源，用于改变测量光束的频率内容。朝向测试对象的测量路径和朝向检测器的共用路径优选在检测器和参考元件表面之间在相反的方向上重叠以提供紧凑设计。虽然安装超过对象和参考光束的共用路径，测试对象优选按与参考元件的固定关系安装以最小化测试对象和参考元件之间的不同环境影响。事实上，参考元件优选用于安装测试对象以加强它们的物理联合。

检测器优选包括用于分开地测量与测试对象表面的不同位置有关的强度变化的个别检测器的检测器阵列。个别检测器的强度变化提供不依赖于邻近个别检测器的强度变化的不同位置处的表面轮廓特点的测量。成像系统使用负载信息的对象和参考光束将测试对象表面和参考元件表面两者成像于检测器阵列上。

本发明可以特别地被配置为改良的Fizeau干涉仪，用于使用频率扫描测量测试对象的轮廓变化。辐射源产生测量光束。具有参考表面的参考元件反射测量光束的第一部分作为参考光束并透射测量光束的第二部分作为来自测试对象的表面以及到测试对象表面的对象光束。检测系统检测由源于测试对象表面上的不同横向坐标的对象和参考光束的局部部分之间的相长和相消干涉产生的多个强度变化。路径传送测量光束到参考元件表面，并包括一共用路径，它传送从测试对象表面返回的对象光束以及从参考元件表面返回到检测系统的参考光束。

频率修改器修改产生与测试对象表面的不同横向坐标处的测试对象表面和参考元件表面之间的光程长度变化相对应的调制频率处的相长和相消干涉的条件之间的强度变化交替的测量光束的有效频率。处理器从交替的强度变化识别调制频率，用于参照测试对象表面和参考元件表面之间的光程长度变化作为测试对象表面的不同横向坐标处的测试对象表面的轮廓变化的相对测量。

频率修改器优选包括辐射源的频率调谐器，用于改变测量光束的频率。频率修改器通过增量修改测量光束的有效频率，该增量足够细小以无岐义区分测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标称波长的10倍。通过使用测量光束的更细小的频率增量，100倍、1000倍或更大倍数的标准波长的测量范围也是可能的。

频率修改器也可以设置成在频率带宽上修改测量光束的频率，该频率带宽的宽度足够区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长的至少10倍。对象和参考光束之间的光程长度差的分辨率是测量光束的频率范围而非范围的标称频率的函数。因此，通过扩展测量光束的频率范围，可以区分相差小于测量光束的标称波长的轮廓变化，而不用相移。

参考元件优选采用干涉仪窗口的形式，它将光(即，辐射)透射到测试对象表面并允许光(即，辐射)从测试对象表面反射。参考元件还优选参与将测试对象安装于测试对象表面和参考元件表面之间的固定间隔处。

检测系统优选包括用于分开测量与测试对象表面的不同横向坐标有关的强度变化的个别检测器的检测器阵列。个别检测器的强度变化提供不同横向坐标处表面轮廓特点的测量，其不取决于邻近个别检测器的强度变化。成像系统使用对象和参考光束将测试对象表面和参考元件表面两者成像于检测器阵列上。

虽然检测器阵列在测量干涉的每个递增变化的频率处记录干涉图案，干涉图案本身不需要被单独解释。事实上，测试对象表面的粗糙程度会超出条纹间隔，从而在干涉图案中不出现干涉带。这允许漫反射表面的测量，其干涉图案明显是斑纹。

本发明不需要在个别干涉图案内的相长和相消干涉效果的比较。针对由于测量光束频率的变化助长的相长和相消干涉之间的变化率分开地估计图案中的每个点。所建议的测量光束频率的递增变化提供用于采样每个点的跨过相长和相消干涉的至少一个循环的一连串干涉图案内的相应点的强度。

本发明还可以作为测量测试对象的地形特点的频率扫描方法实施。例如，本发明提供用于将测试对象安装于与干涉仪的参考元件邻近的固定位置中。传播测量光束通过干涉仪朝向参考元件和测试对象。测量光束的参考光束部分获得来自参考元件表面的信息，且测量光束的对象光束部分获得来自测试对象表面的信息。检测负载信息的对象和参考光束的组合强度变化作为测试对象和参考元件的表面之间的比较。改变由检测器接收的对象和参考光束的有效频率内容。将由于负载信息的对象和参考光束的有效频率内容的变化引起的所检测的强度变化转换成对象和参考光束之间光程长度差的测量，用于测量测试对象表面相对于参考元件表面的地形特点。

较佳地，从参考元件表面反射参考光束并从测试对象表面反射对象光束。沿共用路径将所反射的参考光束和所反射的对象光束传播到检测器。优选通过增量改变有效频率，该增量产生可以符合正弦曲线的所检测的强度变化，该正弦曲线具有作为参考光束和对象光束之间的光程长度差的函数变化的变换频率。表面特点的位置的分辨率取决于对象和参考光束的标称频率，而地形特点的测量的分辨率不取决于对象和参考光束的标称频率。所检测的强度变化优选与测试对象表面的不同位置有关。与测试对象表面的不同位置有关的所检测的强度变化提供不同位置处的表面特点的测量，其不取决于测试对象表面的相邻位置强度变化。

根据本发明可以使用一种类似的频率扫描方法，用于操作Fizeau干涉仪以测量测试对象的轮廓变化。测量光束照射参考元件。从参考元件的表面反射测量光束的第一部分作为参考光束。将到测试对象表面和来自测试对象表面的测量光束的第二部分透射通过参考元件作为对象光束。沿共用路径将参考光束和对象光束传送到检测器。使用参考和对象光束将参考元件和测试对象的表面成像到检测器上，用于使测试对象表面的横向坐标与检测器的横向坐标相关。检测由与测试对象表面上的不同横向坐标有关的对象和参考光束的局部部位之间的相长和相消干涉产生的多个强度变化。

改变测量光束的有效频率，在对测试对象和参考元件的表面上的相应点之间的光程长度差灵敏的调制频率处交替相长和相消干涉的条件之间的强度变化的。识别交替的强度变化的调制频率，用于参照测试对象表面和参考元件表面之间的光程长度变化作为测试对象表面的不同横向坐标处的测试对象表面的轮廓变化的相对测量。

较佳地，检测一连串干涉图案，对应于测量光束的不同有效频率。每个这些干涉图案明显地是斑纹图案，表示具有超出干涉图案的条纹间隔的阶梯尺寸的轮廓变化。分开地估计与测试对象表面的不同横向坐标有关的强度变化，以提供不同横向坐标处的表面轮廓变化的测量，其不取决于测试对象表面的相邻横向坐标处的强度变化。

优选通过增量修改测量光束的有效频率，该增量足够细小以无岐义地区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标准波长的10倍。通过选择频率修改的足够细小的增量，对应于多个标称波长的100、1000或更多倍数的测量范围也是可以的。

在一频率带宽或范围上修改测量光束的频率，该频率带宽或范围的宽度足够区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长的至少10倍。可以使用测量光束的更大频率范围以区分测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长。

根据本发明的频率扫描方法的使用消除了对相移致动器和技术以估计干涉图案或以解决测量岐义的需要。这允许使用参考元件，它集成了参考表面和光束分离器，用于向干涉仪内的对象光束和参考光束提供共用路径。可以在不同照明频率的范围上进行多个干涉测量，其中降低了对可能引起测量错误的环境影响或者对象和参考路径之间的色散的灵敏度。

附图概述

图1是根据相关技术的频率扫描干涉仪的框图，以上已描述了其干涉仪。

图2是示出采样的干涉频率划分的振幅“|K’|²”的采样傅里叶强度的图表，其中峰值位置是光程长度差“R”的测量。

图3是根据本发明的改良频率扫描干涉仪的框图，它具有结合了光束分离器和参考表面的功能的参考元件。

图4是具有楔形用于隔离参考表面的实例性参考元件的放大示图。

图5是类似于图4的示图，示出了支持测试对象从而测试对象置于参考表面上的参考元件。

图6是示出测试对象置于由参考表面支持的中间、主要透明支持部件上的类似的示图。

图7是示出测试对象置于支持夹具上的类似的示图，其中该支持夹具使用参考元件的参考表面作为数据。

图8是类似于图4的示图，示出了具有棱柱形状的可选参考元件。

具体实施方式

如图3所示，根据本发明设置了实例性的频率扫描干涉仪50作为共光程(例如，Fizeau)干涉仪，用于测量测试对象52的拓扑地形特点。辐射源58产生测量光束60，用于获得关于测试对象52上的测试表面54的信息。较佳地，辐射源58是可通过频率(或波长)的有限范围调节的相干辐射源，诸如二极管激光器(例如，GaAs基的激光器)。可以在可见或不可见光谱内选择标称波长(例如，780nm)，并可以基于成本、分辨率或测试对象的反射比进行选择。优选用于本发明的实施的实例性的频率可调激光器揭示于2003年5月27日提交的共同待批的美国申请No.＿＿.标题为TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY，其结合在此作为参考。

用作光束扩展器和准直器的光束调节器62扩展和校准测量光束60。折叠反射镜形式的定向光学装置64与光束分离器66一起形成定向系统，用于沿测量路径68将测量光束60发送到测试对象52。为实现该目的，定向系统可以采用各种形式，包括通过再定向辐射源58而消除定向光学装置64。较佳地，设置或否则处理光束分离器66，从而测量光束60在一个方向上发送通过光束分离器66但在相反的方向上从光束分离器66反射。为此，可使用已知的偏振技术。

参考元件70(图4中亦示出)沿测量路径68设置成邻近于测试对象52并在与测试对象52相对的固定位置中。参考元件70的表面72用作参考表面和光束分离器，以区别关于参考元件70的参考表面72的信息的测量光束60的参考光束部分76以及获得关于测试对象52的测试表面54的信息的测量光束60的对象光束部分78。

参考元件70具有楔形参考平面的形式，其平面进入表面82相对于也是平面的参考表面72倾斜。参考表面72的形状较佳地与测试表面54的标称形状匹配，用于进行测量作为与无干涉图案的偏差。这种参考平面是商业上可从California的Santa Ana的Opto-Sigma获得的。一个实例平面是零件号码0380-0780-W，它具有一度的楔角。

校准的测量光束60打算基本通过进入表面82，且为此可以将防反射涂覆应用于进入表面82上。但是，从倾斜参考表面82反射出的测量光束60的任何部分84按非垂直反射角反射，从而该反射部分84可以从干涉仪50放弃。与成像系统86(以下描述)有关的后续的孔径光阑(未示出)可用于阻断进入表面82的不需要的反射。

测量光束60的更大的剩余部分按垂直入射击向参考表面72。测量光束60的参考光束部分76从参考表面72反射，且测量光束60的对象光束部分78透过参考表面72。透射的对象光束部分78从测试表面54反射并在参考表面72处共线地在结合所反射的参考光束部分76作为在返回路径上传播到光束分离器66的重新组合的测量光束60。该重新组合的测量光束60包含参考表面72和测试表面54之间的光程长度差的干涉表示。

通过向参考表面72涂覆光学涂层可以调整所反射的参考光束部分76的相对强度。较佳地，返回的参考和目标光束部分76和78的强度是相似的以最大化光束部分之间的干涉衬比。因此，对于高反射(镜面)测试对象，可以使用支持反射率接近50％的涂层；而对于漫反射测试对象，可以使用较低反射率的涂层以匹配参考表面72的反射率和测试表面54的较低反射率。也可以选择应用于参考表面72上的涂层以最小化来自参考表面72的返回测试光束部分78的不需要的二次反射。

定向系统的光束分离器66也提供用于将包含装载信息的参考和对象光束部分76和78的重新组合的测量光束60沿测量路径68发送检测器88。测量路径68向重新组合的测量光束60的参考光束和对象光束部分76和78两者以及原始测量光束60中的其前身提供共用路径，遍及测量路径68的全长从辐射源58通过检测器检测器88，除了参考表面72和对象表面54之间的接口(即腔)例外。这最小化了对重新组合的测量光束60的参考光束和对象光束部分76和78的差别系统或环境影响。

成像系统86优选包括聚焦光学装置，用于使用包含装载信息的参考和对象光束部分76和78的重新组合的测量光束60将测试表面54和参考表面72两者成像于检测器88上。检测器88检查装载信息的参考和对象光束部分76和78的组合强度变化作为测试对象52和参考元件70的表面54和72之间的比较。较佳地，检测器88包括用于分开测量与测试表面54的不同位置有关的强度变化的个别检测器的检测器阵列。例如，检测器88可以是CCD(电荷耦合器件)照相机，它包含所需密度的矩阵(例如，排列在1000×1000矩阵中10微米直径的光电检测器)中的光电检测器的可寻址阵列。

计算机90优选是计算机系统的一部分，该系统包括外围设备，诸如显示器、打印机、鼠标和键盘，如对于干涉仪装置常规的。计算机90还包括用于控制辐射源58和检测器88两者的能力。例如，计算机90提供用于调节辐射源58经过规定的一连串照明频率。计算机90还提供用于获取来自用于获取与每一连串照明频率相对应的干涉图案的检测器88的强度数据。

还在计算机90内进行数字处理，以确定速率(即，调制或干涉频率)，其中个别检测器的强度按该速率循环通过相长和相消干涉的周期作为照明频率变化的函数。离散傅里叶变换可用于该目的。用于进行数字处理(包括识别调制频率和使所识别的调制频率与测试表面54的表面轮廓变化相等)的优选技术揭示于2002年6月24日提交的共同待批的美国临时申请No.60/391004，标题为SYSTEM FORPROCESSING MULTI-WAVELENGTH INTERFEROMETRIC DATA，其结合在此作为参考。

检测器88检查由与测试表面54上的不同横向坐标有关的参考和对象光束部分76和78的局部部分之间的相长和相消干涉产生的多个强度变化。计算机90递增地修改测量光束60的有效频率，在对测试对象52和参考元件70的表面54和72上的对应点之间的光程长度差灵敏的调制频率处在相长和相消干涉的条件之间交替强度变化。通过计算机90进行的进一步处理从交替的强度变化中识别调制频率，其用于参照测试表面54和参考表面72之间的光程长度变化作为测试表面54的不同横向坐标处测试表面54的轮廓变化(即，地形特点)的相对测量。

成像系统88优选将对应于测量光束60的不同有效频率的参考和对象光束部分76和78之间的一连串干涉图案成像。这些干涉图案中的每一个可以明显地是斑纹图案，表示具有超出干涉图案的条纹间隔的阶梯尺寸(step size)的轮廓变化。较佳地，通过足够细小以便无岐义地区分测试表面54的不同横向坐标之间的轮廓变化的增量改变测量光束60的有效频率，它具有测量光束60的标称波长的至少10倍的幅度范围。甚至可以使用测量光束频率的更细小的增量将测量范围扩展为测量光束60的标称波长的100或1000倍。不需要个别横向坐标处的相移和个别横向坐标之间的相位展开来获得所需的测量范围。

与测试表面54的不同横向坐标有关的强度变化提供了该不同横向坐标处的表面轮廓变化的测量，而独立于测试表面54的相邻横向坐标处的强度变化。此外，虽然作为衍射限制成像的结果，表面轮廓变化的位置的分辨率取决于检测器阵列的密度或者测量光束60的标称频率，表面轮廓变化的测量分辨率本身不依赖于检测器阵列密度和测量光束60的标称频率。取而代之，精度由诸如所检测的频率的数量和范围(频带)以及已知频率的精度的因素确定。例如，频率范围优选足够宽以区别测试对象表面54的不同横向坐标之间的轮廓变化，它具有相差测量光束60的标称波长的10倍或相差甚至小于标称波长本身的幅度。因此，也不需要相移来扩展测量精度，因为测量精度不依赖测量光束60的标称频率。

如图2中的峰值所示，从作为含两个对称解的余弦函数的强度数据中获得作为测量光束频率60变化的函数而变化经过相长和相消干涉的条件的强度变化的调制频率。作为根据测试表面54的轮廓变化幅度的参考和对象光束部分76和78之间的光程长度变化，峰值之一移向另一个峰值，这限制了无岐义测量的全部范围。虽然可以使用相移来在峰值40和42之间区分以使用于测量的给定频率间隔的无岐义测量的范围加倍，但对于单独考虑的峰值40或42，通过使用测量光束60的更细小的频率间隔也可以加倍该无岐义范围或更多。因为对于共光程干涉仪来说相移是特别麻烦的，优选使用频率移动干涉仪所特有的频率间隔变化来实现所需的测量范围。

较佳地，参考元件70的参考表面72也用作测试对象52的安装表面，如图5所示。测试表面54直接置于参考表面72上。与参考表面72接触的测试表面54的那些部分产生参考和对象光束部分76和78之间的零光程长度差。这样，如果如图5所示测试对象52直接位于参考元件70上，则等式(5)中的R值是零。与参考表面72隔开的测试对象表面54的区域具有较大的R值。因此，R的测量值对应于测试对象54离开参考表面72的地形特点的物理距离。

图6和7示出了可选实施例，其中中间的大体透明的支持结构92和94支持测试对象52于相对于参考表面72的固定位置中。中间支持结构92被示作支持垫，而中间支持结构94被示作夹具；但也可以使用各种其它中间支持结构，包括线栅或分段支持垫或固定件。参考表面72可以用作支持结构92或94的基准表面，该支持结构沿来自参考表面72的测量路径68将测试对象52保持在固定位置中。

采用直接或间接置于参考元件70上的测试对象52，可以进一步减少不同环境的影响。此外，基本除去了测试对象52的倾斜调整或纵向位置调整的需要，而这些是图1所示的常规结构中很重要的。这降低了用于支持测试对象52的复杂性。

图8中示出了一可选参考元件100作为棱镜。与参考元件70相同，进入表面102可以从垂直于校准的测量光束60起倾斜，从而方便地放弃任何反射84(即，由成像系统86内的孔径阻挡)。也可以使用防反射涂层用于该目的。参考元件100的表面104使测量光束60折叠，且表面106用于光束分离器和参考表面，这与参考元件70的参考表面72类似。同样与参考表面72相同的是，参考表面106优选提供用于直接或间接地支持测试对象52于相对于参考表面106的固定位置中。此外，实例性参考元件70和100两者都可用作干涉仪50的窗口，将光(辐射)透射向测试对象表面54并允许光(辐射)从测试对象表面54反射，同时隔离和保护干涉仪的内部环境不受污染或其它环境影响。

共光程干涉系统有利地用于频率扫描干涉仪，因为1)通过具有基本共用的光程减少了散射和扰动的影响，2)零光程差的测量值对应于直接位于参考表面72或106上的测试对象52，以及3)降低了用于支持测试对象52的安装的复杂性。可以保持这些优点(即，不用相对移动测试对象和参考元件)同时实现所需的测量精度和测量范围的目的，因为不需要相移来实现其中任一项。

通过以上的描述，显而易见，提供了一种改良的频率扫描干涉仪，它的设计比现有技术中提供的这种干涉仪更简单、更紧凑，并产生精确的表面轮廓测量而不需要相移方法或基于平滑表面假设其它附随计算方法。所述系统及其部件的变化和修改将无疑变得为本技术领域内的熟练技术人员显而易见。因此，以上描述应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (32)

1.一种用于测量测试对象的地形特点的频率扫描干涉测量系统，其特征在于，包括：

定向系统，用于将测量光束沿测量路径发送向测试对象；

参考元件，沿邻近于测试对象的测量路径在相对于该测试对象的固定位置处用于区分获得关于参考元件表面的信息的测量光束的参考光束部分以及获得关于测试对象表面的信息的测量光束的对象光束部分；

所述定向系统也提供用于将负载信息的对象和参考光束沿共用路径发送到检测器；

所述检测器，它被提供用于检测作为测试对象和参考元件的表面之间的比较的负载信息的对象和参考光束的组合强度变化；

频率修改器，它改变由检测器检测的对象和参考光束的有效频率内容；以及

处理器，它将由于负载信息的对象和参考光束的有效频率内容中的变化引起的所检测的强度变化转换成对象和参考光束之间的光程长度差的测量，用于测量测试对象表面相对于参考元件表面的地形特点。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括辐射源，且频率修改器提供用于调节该辐射源以改变测量光束的频率内容。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，朝向测试对象的测量路径和朝向检测器的共用路径在定向系统和参考元件表面之间在相反的方向上重叠。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，参考元件参与以测试对象和参考元件表面之间的固定间隔安装测试对象。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，检测器包括用于分开地测量与测试对象表面的不同位置有关的强度变化的个别检测器的检测器阵列，且个别检测器的强度变化提供不依赖于邻近个别检测器的强度变化的不同位置处的表面轮廓特点的测量。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，进一步包括成像系统，它用于使用负载信息的对象和参考光束将测试对象表面和参考元件表面成像于检测器阵列上。

7.一种测量测试对象的地形特点的频率扫描方法，其特征在于，包括以下步骤；

将测试对象安装于与干涉仪的参考元件邻近的固定位置中；

传播测量光束通过干涉仪朝向参考元件和测试对象；

区分从参考元件的表面获得信息的测量光束的参考光束部分和从测试对象的表面获得信息的测量光束的对象光束部分；

检测负载信息的对象和参考光束的组合强度变化作为测试对象和参考元件的表面之间的比较；

改变检测器处接收的对象和参考光束的有效频率内容；以及

将由于负载信息的对象和参考光束的有效频率内容的变化引起的所检测的强度变化转换成对象和参考光束之间光程长度差的测量，用于测量测试对象表面相对于参考元件表面的地形特点。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述区分步骤包括从参考元件表面反射参考光束和从测试对象表面反射对象光束。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，包括沿共用路径将所反射的参考光束和所反射的对象光束传播到检测器的进一步的步骤。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述改变有效频率的步骤包括通过增量改变有效频率，该增量产生可以拟合正弦曲线的所检测的强度变化，该正弦曲线具有作为参考光束和对象光束之间的光程长度差的函数变化的变换频率。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，表面特点的位置的分辨率取决于对象和参考光束的标称频率，而地形特点的测量的分辨率不取决于对象和参考光束的标称频率。

12.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述检测步骤包括分开测量与测试对象表面的不同位置有关的被检测的强度变化。

13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，所述转换步骤包括转换与测试对象表面的不同位置有关的所检测的强度变化，以提供不同位置处的表面特点的测量，其不取决于测试对象表面的相邻位置强度变化。

14.一种用于使用频率扫描测量测试对象的轮廓变化的Fizeau干涉仪，其特征在于，包括；

辐射源，它用于产生测量光束；

参考元件，它具有反射测量光束的第一部分作为参考光束并透射测量光束的第二部分作为来自测试对象的表面以及到测试对象表面的对象光束的参考表面；

检测系统，它检测由源于测试对象表面上的不同横向坐标的对象和参考光束的局部部分之间的相长和相消干涉产生的多个强度变化；

路径，它传送测量光束到参考元件表面，并包括一共用路径，它传送从测试对象表面返回的对象光束以及从参考元件表面返回到检测系统的参考光束；

频率修改器，它修改产生与测试对象表面的不同横向坐标处的测试对象表面和参考元件表面之间的光程长度变化相对应的调制频率处的相长和相消干涉的条件之间的强度变化交替的测量光束的有效频率；以及

处理器，它从交替的强度变化识别调制频率，用于参照测试对象表面和参考元件表面之间的光程长度变化作为测试对象表面的不同横向坐标处的测试对象表面的轮廓变化的相对测量。

15.如权利要求14所述的干涉仪，其特征在于，频率修改器包括辐射源的频率调谐器，用于改变测量光束的频率。

16.如权利要求14所述的干涉仪，其特征在于，频率修改器通过增量修改测量光束的有效频率，该增量足够细小以无岐义地区分测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标称波长的10倍。

17.如权利要求16所述的干涉仪，其特征在于，频率修改器通过增量修改测量光束的频率，该增量足够细小以无岐义地区分测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标称波长的100倍。

18.如权利要求17所述的干涉仪，其特征在于，频率修改器通过增量修改测量光束的频率，该增量足够细小以无岐义地区分测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标称波长的1000倍。

19.如权利要求15所述的干涉仪，其特征在于，频率修改器在频率带宽上修改测量光束的频率，该频率带宽的宽度足够区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长的至少10倍。

20.如权利要求19所述的干涉仪，其特征在于，频率修改器在频率带宽上修改测量光束的频率，该频率带宽的宽度足够区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长。

21.如权利要求14所述的干涉仪，其特征在于，参考元件是干涉仪窗口，它将辐射透射到测试对象表面并允许辐射从测试对象表面反射。

22.如权利要求21所述的干涉仪，其特征在于，参考元件参与将测试对象安装于测试对象表面和参考元件表面之间的固定间隔处。

23.如权利要求14所述的干涉仪，其特征在于，检测系统包括用于分开测量与测试对象表面的不同横向坐标有关的强度变化的个别检测器的检测器阵列，且个别检测器的强度变化提供不同横向坐标处表面轮廓特点的测量，其不取决于邻近个别检测器的强度变化。

24.如权利要求23所述的干涉仪，其特征在于，进一步包括用于使用对象和参考光束将测试对象表面和参考元件表面两者成像于检测器阵列上的成像系统。

25.一种操作Fizeau干涉仪用于测量测试对象的轮廓变化的频率扫描方法，其特征在于，包括以下步骤：

用测量光束照射参考元件；

从参考元件的表面反射测量光束的第一部分作为参考光束；

将到测试对象表面和来自测试对象表面的测量光束的第二部分透射通过参考元件作为对象光束；

沿共用路径将参考光束和对象光束传送到检测器；

使用参考和对象光束将参考元件和测试对象的表面成像到检测器上，用于使测试对象表面的横向坐标与检测器的横向坐标相关；

检测由与测试对象表面上的不同横向坐标有关的对象和参考光束的局部部位之间的相长和相消干涉产生的多个强度变化；

修改在对测试对象和参考元件的表面上的相应点之间的光程长度差灵敏的调制频率处交替相长和相消干涉的条件之间的强度变化的测量光束的有效频率；以及

从交替的强度变化识别调制频率，用于参照测试对象表面和参考元件表面之间的光程长度变化作为测试对象表面的不同横向坐标处的测试对象表面的轮廓变化的相对测量。

26.如权利要求25所述的方法，其特征在于，成像步骤包括将与测量光束的不同有效频率相对应的对象和参考光束之间的一连串的干涉图案成像，其中每个干涉图案明显地是斑纹图案，表示具有超出干涉图案的条纹间隔的阶梯尺寸的轮廓变化。

27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，识别调制频率的步骤包括分开地估计与测试对象表面的不同横向坐标有关的强度变化，以提供不同横向坐标处的表面轮廓变化的测量，其不取决于测试对象表面的相邻横向坐标处的强度变化。

28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，修改有效频率的步骤包括通过增量修改测量光束的有效频率，该增量足够细小以无岐义地区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标准波长的10倍。

29.如权利要求28所述的方法，其特征在于，修改有效频率的步骤包括通过增量修改测量光束的有效频率，该增量足够细小以无岐义地区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标准波长的100倍。

30.如权利要求29所述的方法，其特征在于，修改有效频率的步骤包括通过增量修改测量光束的有效频率，该增量足够细小以无岐义地区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度范围至少是测量光束的标准波长的1000倍。

31.如权利要求28所述的方法，其特征在于，修改有效频率的步骤包括在一频率带宽上修改测量光束的频率，该频率带宽的宽度足够区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长的至少10倍。

32.如权利要求31所述的方法，其特征在于，修改有效频率的步骤包括在一频率带宽上修改测量光束的频率，该频率带宽的宽度足够区别测试对象表面的不同横向坐标之间的轮廓变化，其幅度相差小于测量光束的标称波长。

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