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专利名称：利用频率扫描干涉仪对多表面测试物体的测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及在多个测量光束频率下收集干涉测量数据的频移干涉测量法，以及利用从在多个测量光束频率下生成的所得干涉图案所显现的关系来测量测量光束的诸干涉部分之间的光程长度差的处理方法。
背景技术：
用于测量测试物体表面拓扑的干涉图案一般被捕捉为由共用的相干光束的不同部分照射的测试表面和基准表面的重叠图像。在两光束部分的相干长度内，取决于形成重叠图像的光束部分的局部相位，干涉图案内每个像素的强度在相长和相消周期内发生变化。如果需要一个光束部分行进的光程长度比另一个光束部分的略长或略短，则两个光束部分的相干波形可彼此异相地到达图像平面。当像素由通过传输相等光程长度或相差光束部分的共同波长的整数倍的光程长度而相长干涉的光束部分形成时，像素最亮。当像素由通过传输相差公共波长的一半或比一半多波长的整数倍的光程长度使得光束部分保持180度异相而相消干涉的光束部分形成时，像素最暗。因此，像素强度可用作物体和基准光束之间的局部相差的度量，且作为2 π波周期的角度部分的相差可被转换成光束波长的分数部分，作为距离变化。因为相长和相消干涉的每个周期产生重复的像素强度变化图案，所以干涉图案内各像素的强度值提供了限于测量光束的一个波长的度量，该限制被称为模糊间隔 (ambiguity interval)。表示为测试表面和基准表面之间的相对高度变化的用于测量表面形貌的模糊间隔一般限于二分之一波长，因为在反射下测量的高度变化使光束部分的光程长度差翻倍。高度逐渐改变超过二分之一波长的测试表面仍可通过称为“相位展开”的方法来测量，该方法假设相邻像素之间的变化在二分之一波长模糊间隔内。然而，利用对于可见光范围内的测量光束小于400纳米的模糊间隔，只有非常光滑的表面满足这类测量。像素强度转化为光束部分之间的相差是有问题的，因为除干涉外像素强度还受到多种影响。例如，由于照明条件或者甚至是测试表面的局部反射性，像素强度可在成像场中改变。已经开发出相移干涉仪，它通过以递增变化的光程长度差形成连续干涉图案以使每个像素移动通过相长和相消干涉周期来克服该问题。因此，可将每个像素的强度与其自身的相长和相消干涉周期内的强度变化范围相比较。来自少至三个递增相移干涉图案的数据可用于将像素强度转换成高度变化的可用测量。具有超过光学性能的形貌变化(诸如机械加工的金属表面)的测试表面一般不能通过常规干涉测量方法来测量。对于很多这类表面，像素与像素的强度变化非常高，以至于在干涉图案内看不到干涉条纹。不能将相位展开用于在测试表面上使像素高度彼此相关，因为相邻像素之间的像素与像素变化可能超过模糊间隔。频移干涉仪是可用于测量“粗糙”或不连续测试表面的替代干涉测量方法之一，该 “粗糙”或不连续测试表面被定义为相邻像素变化超过常规干涉仪的通常模糊间隔的表面。 一序列的干涉图案通过改变每个图案之间的测量光束频率来捕获。已知随着光束频率变化各像素强度在相长和相消干涉之间变化的速率是物体和基准光束部分之间的光程长度差的函数。在较大的光程长度差上，波长变化的累积影响较大。不管光束频率在捕捉的干涉帧之间递增地变化还是光束频率连续变化且递增地采样干涉帧，所捕捉的干涉帧之间的光束频率差建立与像素经历单个相长和相消干涉周期的光程长度差相对应的合成波长。合成波长可被定义为光速除以光束频率的递增变化，且可比测量光束的波长要长很多并可提供扩大的模糊间隔。较大的合成波长对于扩大测量范围(即，增加模糊间隔)是优选的，且大量的样本干涉帧(即，在干涉图案中捕捉的递增光束频率步长数量)对于提高测量的分辨率(即可辨别的最小高度差)是优选的。然而，频率步长的大小和频率步长的数量同时受到光源(通常是可调激光源)的可调范围的限制。增加频率步长的数量既增加捕捉干涉图案的时间又增加处理所捕捉的数据所需的时间。具有不连续表面或彼此偏离表面的测试物体甚至可超过频移干涉仪的放大模糊间隔。尽管可单独测量偏移表面，但可能需要附加的测量以将偏移表面彼此相关。表面的单独测量和表面之间的附加测量可能是耗时的且难以彼此精确相关，用于提供相对共用数据的测量表面的整体测量。

发明内容
本发明在一个或多个优选实施例中将关于测试物体的某些“先验”信息与关于频移干涉仪的特定信息相关，用于将测试物体相对于频移干涉仪安装在适当位置，以便同时测量彼此偏移超过通常的干涉仪模糊间隔的多个表面。本发明还胜任抑制误差源对测量的影响，包括系统性强度变化和辅助腔的贡献，即，源自并非想要测量的表面的干涉图案。对于具有多个表面的很多测试物体，可在单个测量周期内相对共用数据以期望精确度测量多个表面。根据本发明可实现较快测量、简化处理和较低测量制造成本的优点。本发明的一个表现在于一种利用频移干涉仪测量测试物体的多个表面中的形貌变化的方法，包括获取关于测试物体和频移干涉仪的信息。所获取的关于测试物体的信息包括测试物体的多个表面之间沿基准轴的间距。所获取的关于频移干涉仪的信息包括其中可不模糊地测量形貌变化的沿测量轴的频移干涉仪的模糊间隔序列。此外，标识与模糊间隔之间的边界相邻的排除区。相对于频移干涉仪安装测试物体，使得测试物体的多个表面位于干涉仪的预定模糊间隔内且在排除区之外。获得关于多个表面之间的间距的充分信息，使得知晓与各表面对准的特点模糊间隔。该信息允许模糊间隔本身能被插值，且在一个已知的模糊间隔内获得的数据与在另一个已知的模糊间隔内获得的数据相比较，并且来自这两个模糊间隔的数据与公用数据相比较。优选地，安装测试物体，使测试物体的基准轴与干涉仪的测量轴对准。优选地设置安装位置使得测试表面在模糊间隔内相对居中。从与频移干涉仪的预定光束频率步长相关联的合成波长导出模糊间隔。以局部表面高度为单位，模糊间隔对应于合成波长的四分之一。每个模糊间隔优选地跨越像素强度调制频率范围，每个调制频率与光束频率变化总范围上的若干相长和相消干涉周期相对应。将像素强度调制频率的子集优选地定义为分开测量区的序列，其中调制频率接近从测量区排除的模糊间隔的一个或多个边界。将测试物体的多个表面优选地定位在多个测量区内。每个模糊间隔与由不同光束频率的范围所限制的调制频率的类似集合相关联，其中频移干涉仪步进通过该不同光束频率的范围以收集干涉数据。根据模糊间隔内测试表面的预期位置从模糊间隔排除额外的调制频率。例如可获取关于预期多个表面的间距变化不会超过的变化范围的信息，以及可针对每个测试表面限定匹配这些范围的测量区。安装测试物体使得测试物体的多个表面的测量区位于排除区之外。与测试物体的不同表面相对应的不同像素集合可与测量区内的不同调制频率集合相匹配，以便确定最接近每个像素的调制速率的调制频率。本发明的另一个表现涉及一种相对共用数据来测量测试物体的多个表面的方法。 将具有多个测试表面的测试物体安装在适当位置，用于通过频移干涉仪进行测量。利用相干光束成像多个测试表面以及基准表面，形成将测试表面与基准表面相对比的干涉图案。 递增地移动测量光束的频率，以便再次成像测试表面和基准表面并获取在不同测量光束频率下的一系列不同干涉图案。基于递增移位的光束频率的模糊间隔对应于测量范围，在所述测量范围内可不模糊地确定相对于基准表面的测试表面高度变化。将测试表面共同定位在多个模糊间隔内，使得测试表面与模糊间隔的边界分离。优选地，限定与模糊间隔的边界相邻的排除区，优选地将测试表面定位在模糊间隔的排除区之外。测量光束频率的递增移位包括使光束频率移位通过与递增频率移位之和相对应的频率范围。可包括捕捉干涉图案作为像素强度阵列，其中在调制频率下每个像素强度贯穿相长和相消干涉情况而改变。每个模糊间隔跨越像素强度调制频率的范围。优选地，每个模糊间隔与由递增光束频率移位数量所限定的调制频率的类似集合相关联。优选地从模糊间隔排除接近与递增光束频率移位数量的二分之一相等的频率的调制频率。优选地，从模糊间隔排除接近0频率的调制频率。根据测试表面的预期位置从模糊间隔排除额外的调制频率。本发明的又一表现涉及利用频移干涉仪测量测试物体的多个表面的方法。获取有关测试物体的表面的数据，包括每个测试表面的测量区。确定与干涉仪的基准表面有关的模糊间隔。确定测试物体相对于干涉仪的安装位置，以便将测试表面的测量区共同地装配在各模糊间隔内。将测试物体安装在安装位置，并且标识与每个装配的测量区相关联的模糊间隔。在递增改变的测量光束频率下形成测试表面和基准表面之间的一系列干涉图案。 将来自一系列干涉图案的像素强度数据转换成调制频率，并进一步转换成与测试表面所处的模糊间隔有关的测试表面内以及之间的高度变化。转换像素强度数据包括排除测量区外的数据。安装测试物体较佳地包括关于干涉仪的基准表面相对地调节测试物体，以将测试物体定位在基准安装位置中。附图简述

图1是根据本发明的实施例的斐索型(Fizeau-type)结构的频移干涉仪的视图。
图2是具有三个相对偏移表面的测试物体的俯视图。图3描绘示出从三个相对偏移表面与基准表面的重叠图像获取的斑点干涉图案的相机帧。图4是描绘像素调制频率相关于以干涉仪的合成波长为单位的像素高度的视图。图5是基于50GHz光束频率步长和总共1 个光束频率步长，绘制像素调制频率相关于像素高度的类似视图。图6重新定向图5的视图，以供与测试物体的测试表面的位置进行比较。图7是描绘在重复的面元序列内像素调制频率的放大图，该面元序列示出围绕测试物体表面的预期位置的有限测量区。详细描述在图1中示出共用路径(例如斐索)结构的频率扫描干涉仪10，用于测量如图2 所示的具有第一、第二和第三测试表面14、15和16的测试物体12。在全部三个表面14、15 和16上的点之间的高度变化是与基准表面18相比较通过在多个测量光束频率下收集和评价每个点的干涉数据来测量的。干涉仪10的优选相干光源是模式选择频率可调激光器20，其包括激射腔22和反馈腔M。示为角度可调衍射光栅26的利特罗(Littrow)结构的频率调节器形成反馈腔M 的一端，且可根据驱动器30的指示在角度α范围内围绕枢轴观调节，以调节频率可调激光器20的光束频率输出。角度可调衍射光栅沈将第一衍射级的光向后反射回激射腔22， 以便使激光激射频率受到最小损耗。不同的频率相关于衍射光栅26的倾斜角α返回到激光激射腔22。为了简化频移干涉仪10的数据处理操作的目的，衍射光栅沈旋转通过数个角位置，以便在激射腔22偏爱的光束频率模式间进行选择，来以模式间距的间隔递增地改变频率可调激光器20的频率输出。衍射光栅沈的零级反射沿与频率可调激光器20的输出不同的方向反射测量光束32。折叠式反射镜(未示出)与衍射光栅沈一起移动以维持测量光束 32 的单一输出方向。在题为 TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY (具有可调外腔的可调激光器系统)的美国专利No. 6，690，690中示出这种折叠式反射镜，该专利通过弓I用结合于此。在题为MODE-SELECTIVE FREQUENCY TUNING SYSTEM (模式选择频率调谐系统)的共同转让美国专利No. 7，209，477中给出了这种频率可调激光器的附加细节，该专利通过引用结合于此。根据本发明还可使用其它频率可调激光器，包括连续可调激光器，可将其布置成输出多个离散光束频率。如通过引用结合于此的题为OPTICAL FEEDBACK FROM MODE SELECTIVE TUNER(来自模式选择调谐器的光学反馈)的共同转让美国专利No. 7，259，860 所描述的反馈系统(未示出)可用于进一步调节频率可调激光器的输出或参与干涉数据的后续处理。频率可调激光器20输出的测量光束32沿共用光路传播到基准表面18和测试物体12的三个测试表面14、15和16。测量光束32的一部分从基准表面18反射为基准光束， 而测量光束32的另一部分透过基准表面18并从三个测试表面14、15和16反射为物体光束。允许测量光束32通过基准表面18和三个测试表面14、15和16的分束器34将返回基准光束和物体光束定向到相机36，其包括成像光学器件38和检测器阵列40(例如，电荷耦合二极管阵列)，用于记录作为测试物体12的三个测试表面14、15和16与基准表面18的重叠图像的基准光束和物体光束之间的干涉图案。在覆盖在检测器阵列40上的图像平面42内，三个测试表面14、15和16与基准表面18的重叠图像形成如图3所示的干涉图案60。干涉图案60被描绘为反映接近测量光束的二分之一波长或更大的表面粗糙度的斑点干涉图案。由频率可调激光器20输出的每种不同测量光束频率形成不同的斑点干涉图案。计算机44(也控制激光器20的操作)逐像素地处理相机帧62内捕捉的不同干涉图案，作为遍及检测器阵列40的图像平面42进行参考的光束强度的局部测量。在多个干涉图案(n = 1至N)上收集检测器阵列40的每个像素(i，j)的强度数据I(i，j，η)，作为强度数据集。在每个强度数据集内，各个像素(i，j)关联于与在N个不同测量光束频率ν下产生的干涉图案相对应的N个强度值。诸如傅立叶变换之类的计算将强度数据集转换成局部测试表面高度H(i，j)的近似形貌测量。傅立叶变换可用于以峰值振幅正弦曲线的形式将每个集合的强度值描述为规律变化的光束频率ν的函数，其本身具有与测试表面14、15或16之一上相应点的局部高度 H(i，j)直接相关的调制频率F。每个不同的局部高度H(i，j)关联于与采样光束频率ν的范围上的各个像素中实现的相长和相消干涉的周期数相对应的唯一调制频率F，并且该调制频率F从傅立叶变换显而易见为峰值振幅正弦曲线的频率F或其假信号。这种处理的示例可在题为MULTI-STAGE DATA PROCESSING FOR FREQUENCY-SCANNING INTERFEROMETER(用于频率扫描干涉仪的多级数据处理)的美国专利No. 6，741,361中找到，该专利通过引用结合于此。尽管来自不均勻间距的测量光束频率的强度图案也可变换成基准光束和物体光束之间的局部光程长度差的类似测量，但根据每组单个像素的数据计算测试物体12的近似局部高度H(i，j)可通过在相等间距的光束频率间隔Δ ν下生成不同干涉图案并利用快速傅立叶变换(FFT)找到峰值振幅正弦曲线来简化。测试物体12安置在可沿运动台50的轴48移动的工作台46上，该轴48与测试物体12的基准轴52和干涉仪10的测量轴M —致。计算机44还控制运动台50，用以调节三个测试表面14、15和16相对于基准表面18的位置。计算机44的输入设备56 (例如，键盘)用于将关于测试物体12的信息输入到计算机44。例如，优选地根据包括测试表面14、 15和16沿基准轴52的相对偏移的特定说明来安排测试物体12。将偏移信息连同光束频率步长Δ ν优选地输入到计算机44，用于沿测量轴M相对于基准表面18相对定位测试物体12。在计算机44内，将来自N个捕捉干涉图案60的强度测量逐像素地与表示条纹数 (相长和消息干涉周期)的调制频率F相配合，由此各个像素的强度在采样光束频率ν的整个范围上(计算为N和Δν的乘积)变化。在采样光束频率的范围ΝΔν上的条纹数F与各个像素距基准表面18的高度的关系如下
Γ 2ΗΝΑν _4] F =⑴其中c是光速。干涉仪10的光束频率ν以相等的频率步长Δ ν移动总共N步。频率步长大小Δ ν将调制频率F的有效波长λ eff定义为使像素强度移动通过一个相长和相消干涉周期所需的物体光束和基准光束之间的光程长度差。可将有效波长Xrff计算如下
权利要求
1.一种准备用于测量测试物体的多个表面中的形貌变化的方法，包括获取关于测试物体的多个表面之间沿基准轴的间距的信息，获取关于其中可不模糊地测量形貌变化的沿测量轴的频移干涉仪的模糊间隔序列的 fn息，标识与模糊间隔之间的边界相邻的排除区，以及相对于频移干涉仪安装测试物体，使得测试物体的多个表面位于干涉仪的预定模糊间隔内且在排除区之外。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，安装步骤包括将测试物体的基准轴安装成与干涉仪的测量轴对准以及设定安装位置使得测试表面在模糊间隔内相对居中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取关于模糊间隔序列的信息的步骤包括从与频移干涉仪的预定光束频率步长相关联的合成波长导出模糊间隔。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，以局部表面高度为单位的模糊间隔对应于合成波长的四分之一。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，每个模糊间隔跨越像素强度调制频率范围， 每个像素强度调制频率与光束频率变化范围上的若干相长和相消干涉周期相关联。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，包括将作为测量区的序列的像素强度调制频率的子集与从测量区排除的排除区内的调制频率相关联。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，相对于频移干涉仪安装测试物体的步骤包括将测试物体的多个表面定位在多个测量区内。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，包括标识模糊间隔内围绕测试表面中的至少一个的预期位置的调制频率的更有限子集的步骤。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，标识调制频率的更有限子集的步骤包括标识模糊间隔内围绕每个测试表面的预期位置的调制频率的更有限子集。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，与不同测试表面相关联的调制频率的更有限子集彼此不同。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，每个模糊间隔与由收集干涉数据所采用的不同光束频率的范围所限制的调制频率的类似集合相关联。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，包括根据模糊间隔内测试表面的预期位置从模糊间隔排除调制频率的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，根据模糊间隔内测试表面的预期位置从不同模糊间隔排除不同调制频率。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，获取关于测试物体的多个表面之间的间距的信息的步骤包括获取关于预期多个表面的间距变化不会超过的变化范围的信息以及针对每个测试表面限定相应的测量区。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，相对于频移干涉仪安装测试物体的步骤包括安装测试物体使得测试物体的多个表面的测量区位于排除区之外。
16.一种相对共用数据来测量测试物体的多个表面的方法，包括将具有多个测试表面的测试物体安装在适当位置，用于通过频移干涉仪进行测量，利用相干光束成像多个测试表面以及基准表面，形成将测试表面与基准表面相对比的干涉图案，递增地移动测量光束的频率，以便再次成像测试表面和基准表面并获取在不同测量光束频率下的一系列不同干涉图案，以及限定与对应于测量范围的递增移位的频率相关联的模糊间隔集合，在所述测量范围内可不模糊地确定相对于基准表面的测试表面高度变化，其中安装测试物体的步骤包括将测试表面共同定位在多个模糊间隔内，使得测试表面与模糊间隔的边界分离。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，包括限定与模糊间隔的边界相邻的排除区的步骤，且安装步骤包括将测试表面定位在模糊间隔的排除区之外。
18.如权利要求16所述的方法，其特征在于，递增移位测量光束的频率的步骤包括使测量光束的频率移位通过与递增的频率移位之和相对应的频率范围，且包括捕捉干涉图案作为像素强度阵列的步骤，其中在光束频率范围上的调制频率下每个像素强度贯穿相长和相消干涉情况改变，并且每个模糊间隔跨越像素强度调制频率范围。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，每个模糊间隔与由若干捕捉的干涉图案所限定的调制频率的类似集合相关联。
20.如权利要求19所述的方法，其特征在于，包括从模糊间隔排除接近与捕捉的干涉图案数的二分之一相等的频率的调制频率的步骤。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，排除步骤包括从模糊间隔排除接近0频率的调制频率。
22.如权利要求21所述的方法，其特征在于，排除步骤包括根据测试表面的预期位置从模糊间隔排除附加调制频率。
23.一种利用频移干涉仪测量测试物体的多个表面的方法，包括 获取有关测试物体的测试表面的数据。标识用于每个测试表面的测量区， 确定与干涉仪的基准表面有关的模糊间隔，确定测试物体相对于干涉仪的安装位置，以便将测试表面的测量区共同地装配在各模糊间隔内，标识与每个装配的测量区相关联的模糊间隔， 将测试物体安装在安装位置中，在递增改变的测量光束频率下形成测试表面和基准表面之间的一系列干涉图案， 将来自一系列干涉图案的像素强度数据转换成调制频率，以及将关于模糊间隔的调制频率转换成测试表面内以及之间的高度变化测量。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，转换像素强度数据的步骤包括排除测量区外的数据。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，安装步骤包括关于干涉仪的基准表面相对地调节测试物体，以将测试物体定位在安装位置中。
全文摘要
频率扫描干涉仪(10)被配置成贯穿宽范围的预期偏移同时测量测试物体(12)的多个表面(14、15、16)。将知晓的测试表面的预期位置与基于合成测量波长(λeff)的模糊间隔(U)序列相比较，以使测量表面在模糊间隔内居中。
文档编号G01B9/02GK102341669SQ201080010629
公开日2012年2月1日 申请日期2010年1月29日 优先权日2009年1月30日
发明者C·A·李, M·J·特罗诺洛恩 申请人:康宁股份有限公司