CN100552375C - 同时相移的斐索干涉仪 - Google Patents

Abstract

利用斐索干涉仪的参考和测试镜(24，26)之间的倾斜关系以在空间上分离来自两个表面的反射(R，T)。分离的光束(R，T)通过为该光束提供不同的偏振状态的空间偏振元件(32)而得到过滤。该光束(R，T)随后被重新结合以形成大体共线的光束，该共线光束利用允许在单个视频帧中进行定量的相位测量的空间相位干涉仪(44)得到处理。可选地，具有正交偏振的两个光束(104，106)在不同的角度射入斐索腔(20)，使得它们在从参考和测试镜片(24，26)反射之后大体共线。不需要的反射通过使用圆孔(112)在焦平面上被阻断。短相干长度的光和延迟线(84)可以用于减轻散射、减少测量积分次数且进行暂时相位平均。

Description

同时相移的斐索干涉仪

相关申请

本发明基于且要求2003年8月28日提交的美国临时专利申请No.60/498,522的优先权。

技术领域

本发明涉及电磁波前的测量。特别地，本发明涉及由斐索干涉仪产生的干涉光束的定量瞬时测量。

背景技术

光束测量和品质鉴定在例如数据存储激光头的许多光学部件的制造中是重要的。因此，已经设计出许多光学干涉测量系统用以提高测量的精确性和可靠性。一般而言，产生测试和参考光束的前端干涉测量装置与后端光学装置相结合，用以解决光束之间的相位差。这可以通过在前端编码(或“标记”)光束来同时实现，诸如通过对于测试和参考光束使用不同的偏振状态，并且在后端在空间上解决它们。可选地，可以在前端及时改变测试和参考表面之间的光路差，例如通过相对于另一个表面扫描一个表面，并且在后端暂时地解决相位差。

现有技术中存在的若干问题中的一个问题是在斐索型干涉仪的测量部分中适当编码参考和测试光束的能力。在美国专利No.4,872,755中，Kuchel等人通过对同时和暂时相位测量采用不同的方法以克服该缺陷。通过在干涉仪的测量部分中引入光延迟装置，并且巧妙地选择光的相干长度、延迟路径的长度、和斐索腔中的间隙的长度，两个相干的测试和参考光束以及两个不相干的光束同时产生。该延迟装置用于改变用于暂时相位测量的相干光束之间的光路差。可选地，测试和参考光束在该装置的测量部分中产生之后可被偏振，并且被引入用于同时相位测量的空间解析接受器。

因此，Kuchel等人的方法需要延迟路径的长度的微调，实施这种微调是困难并且昂贵的。此外，两个不相干光束的存在产生了可能影响测量的明显的背景光。因此，仍然需要基于没有这些缺点的斐索干涉仪的相位测量系统。

Millerd等人的美国专利No.6,304,330描述了一种后端系统，其中由干涉仪产生的测试和参考波前在单个检测器或者多个检测器阵列上同时被校准、分为子波前、相位移动、合并以产生干涉并且沿着共有轴检测。如果希望的话，光束也可以在单个检测器阵列上被按顺序检测。Millerd的光学系统也需要编码后的测试和参考光束。因此，结合前端斐索结构，需要克服由Kuchel等人提出的同样的编码问题。本发明描述了一种新的方法，通过该方法，具有倾斜参考镜的斐索腔的输出与偏振元件相结合，以产生适于如美国专利No.6,304,330中描述的系统中同时进行空间相位测量的相干的测试和参考波前。

发明内容

本发明利用了斐索干涉仪的参考和测试镜之间的倾斜关系，以在空间上分离来自两个表面的反射。如同时相位测量所需的，分离的光束通过向光束提供不同偏振状态的空间偏振元件过滤。该光束随后被重新结合以形成大体共线的光束，该共线的光束利用空间相移干涉仪处理，该空间相移干涉仪允许在单个视频帧中进行定量的相位测量。

可选地，具有正交偏振的两个光束在不同的角度被射入斐索腔，使得它们在从参考和测试镜片反射后大体共线。不想要的反射在焦平面上通过使用圆孔阻断。如Kuchel等人所教导的，可以使用短相干长度的光和延迟线以减轻散射、减少测量积分次数并且进行暂时相位平均。

本发明的各种其他目的和优点从下面的说明书的描述部分以及从所附权利要求中特别指出新颖特征将变得更清楚。因此，为实现如前述的发明目的，本发明由后面的附图中示出的、在优选实施例的详细描述中充分地描述的且在权利要求中特别指出的特征组成。然而，这种附图和说明公开只是可实施本发明的多种方式中的一种。

附图说明

图1A是根据本发明的测量装置的示意图，该测量装置构造成使用测试和参考表面之间的倾斜角产生测试和参考光束之间的空间分离，且包括偏振滤光镜以产生正交地偏振的测试和参考光束。

图1B是具有相邻的正交地偏振的部分的偏振滤光镜的示意图。

图1C是具有包含在另一个正交地偏振的部分的第一偏振部分的偏振滤光镜的示意图。

图1D是偏振滤光镜的示意图，其中双孔罩被添加到图1B中的偏振滤光镜，以阻止由测试和参考平面之间的多重反射引起的额外的光束。

图2是适于与本发明的光学装置结合的常用的空间相移干涉仪模块的示意图。

图3是相移干涉仪模块的示意图，其中正交地偏振的参考和测试光束由透镜聚焦至分光镜上，该分光镜产生多个子像光束对，然后，该子像光束对被校准并且通过相位干涉片由透镜成像到检测器上。

图4示出利用检测测试波前的相位变化的空间频率载波方法的空间相移干涉仪。

图5是图1的具有影响输入光的光延迟线的装置的示意图。

图6A是本发明另一实施例的示意图，该实施例构造成使用操作输入光束的偏振分光镜来产生测试和参考光束之间的空间分离，并且包括适合于传递轴上光束并且阻断指向相移干涉仪模块的离轴光束的孔。

图6B是图6A的偏振分光镜的替代物的示意图。

图7是图6A的具有影响输入光的光延迟线的装置的示意图。

图8是本发明的另一示例性实施例的示意图，其中测试和参考光束之间的空间分离是使用分光镜/反射镜的结合来提供的。

图9是本发明的又一示例性实施例的示意图，其中偏振分光镜的位置和阻止孔的位置被重新定位在成像系统中的其它共轭像平面。

图10是光学装置的示意图，其中图5中的延迟线和偏振分光镜与图3中的空间相移干涉仪相结合以表征在斐索干涉仪结构中与参考表面平行设置的测试表面。

具体实施方式

大体上，本发明在于以下想法：在空间上分离由斐索型干涉仪产生的测试和参考光束，并且使每一光束穿过编码滤光镜。通过使得测试和参考光束产生偏振的正交状态，测试和参考光束可重新结合并且在空间相移干涉仪中得到处理，以实现同时的相位测量。

为了本发明的目的，“倾斜角”是指相对于理想的平行条件在斐索干涉仪中被测量得的测试和参考表面之间的夹角。因而，在本发明中倾斜角用于为手边的干涉测量任务提供适当分辨率的条纹。

本发明的构思以图1A的干涉仪装置10作为例子。准直光L的光源12通过扩展透镜14得到扩展，反射离开分光镜16，由准直透镜18校准，并射向斐索结构的干涉仪20。由于输入光L包括水平和竖直偏振，因此半波片22可以用于改变在每一偏振状态(竖直或水平)的光的比率。如本领域所熟知的，干涉仪中的光从参考表面24和测试表面26被反射以分别产生相应的参考和测试光束R和T。干涉仪的参考和测试表面相对彼此倾斜，从而产生在空间上分离的参考和测试光束R，T，如图中所示(其中测试表面26与射入的准直光束垂直并且测试表面24向射入的准直光束倾斜)。作为该倾斜的结果，从测试表面26反射的光T顺着入射光的光路传播，并且在穿过分光镜16之后聚焦在准直透镜18的焦平面中的点28处。从参考镜片的后表面24反射的光R由于该表面的倾斜而移位并且因此聚焦在准直透镜的焦平面的不同点30。

根据本发明，空间偏振滤光镜32被放置在准直透镜18的焦平面上。如图1B所示，偏振滤光镜32包括具有不同偏振分量(优选地互相垂直)的两个区域，该两个区域定位成使得测试光束T和参考光束R通过不同的区域传递。因此，由于与该偏振元件的相互作用，每一个光束都发生了正交偏振。在图1B中的实施例中，偏振滤光镜32由互相邻接并具有相互垂直地定向的偏振轴线的第一线性偏振器区域34和第二线性偏振器区域36组成。在另一实施例38中，如图1C所示，第二偏振器区域36完全被第一偏振器区域34包围。该类装置可以被制造例如作为图案化偏振器(可从德国Barleben的Codixx获得)。如图1D所示的优选实施例中，双孔罩33与图1B中的线性偏振器区域34，36结合使用，以阻断在参考和测试表面24，26之间产生的多重反射。

为了使得干涉仪能够在宽的受光角上工作，偏振器的厚度应该优选地小于1.5λ(NA)²，其中，λ是指光的波长，NA是指准直透镜18的数值孔径。如本领域的技术人员将轻易地理解的，更大的厚度将需要更大的倾斜，这倾向于通过光学系统引入更多的像差，并且因此将需要更大的校准。公知的是，可以使用其他的等同的偏振装置以取代图1B-1D中所示的滤光镜，例如它们各自的轴线定向成相对彼此成90度的两个四分之一波片。其他的双折射和偏振元件的结合同样是可能的并且在本领域是熟知的。

在干涉仪装置10的后端，成像透镜40用于将测试和参考光束T，R之间的空间分离转换为角分离。偏振分光镜42用于重新结合该光束，以产生大致共线且共同延伸的波前。该光束然后由空间相移干涉仪模块44处理。图2示出偏振相移干涉仪44，其中入射波前在保持它们的共有路径的同时经过四个相继的处理步骤。发生在干涉仪的分离/成像部分46的第一步利用折射、衍射和/或反射分光器产生测试和参考波前的多个副本T’，R’。第二步利用相移部分48在参考和测试波前的副本之间产生不同的相对相位移动。在干涉部分50内进行的下一步组合参考和测试波前的相移后的副本以通过与合适的偏振元件相互作用而产生干涉图。最后，在最后一步中，具有多个光检测器的检测器部分52用于空间采样作为结果的干涉图。

如在此以参考的方式并入的共同待决的美国专利申请No.10/652,903中所描述的，适合用于本发明的空间相移干涉仪模块44可以以各种布置实施。例如，图3示出一个实施例54，其中正交地偏振的参考和测试光束由透镜56聚焦至合适放置的分光镜元件58上。该分光镜通过反射、折射或者衍射元件产生多个子像光束对(参考加测试)，该多个子像光束对被校准并由透镜60通过相干涉片62成像至检测器64上。该片60的发生相位移动并且适当地重叠被校准的子像光束，借此将相移的干涉图66输送至检测器64上。该片62包括大体上平坦的双折射波片和布置在平行和/或相邻的层中的偏振元件，如现有技术中所知晓的。

干涉仪54的入口区域优选地插入场阑68，该场阑与输入光瞳像平面及检测器64的平面共轭。场阑68的目的是限制在检测器上的子像之间的重叠。该检测器64典型地是允许相移的干涉图的高分辨率数字采样的非常规阵列。该数字化的干涉图然后由计算机以常规方式处理，以利用用于相位测定的许多熟知的算法中的一种表征测试表面。

在图4中所示的另一实施例70中，空间像移干涉仪使用检测测试波前中的相位变化的空间频率载波的方法。参考和测试光束如前所述那样被校准并且被导向在干涉仪70内的偏振元件72(它可以是双折射晶体，例如Wollaston棱柱，或者任何其他折射或衍射部件)。该元件72起到偏振分光镜的作用，因此在相应的波前之间引入角分离。该波然后由偏振器74干涉并且在单个检测器76上成像。相应的干涉图的对比度可通过旋转该偏振器74得到调整，以补偿成像的参考和测试波的随意偏振。数字化的干涉图由计算机进一步处理以计算相位并且表征测试表面。

图5中示出本发明的另一实施例80，光延迟线84用于产生由光路延迟ΔL分离的两个光束，如Kuchel等人所教导的。输入光束L由分光镜86引向两个反射镜88和90，优选地沿着在长度上相差ΔL的互相垂直的光路。然后，两个反射的光束由分光镜重定向并且射入图1所示的斐索干涉仪，在这里它们都从参考表面24和测试表面26被反射。在主透镜18的焦平面，反射光束通过空间偏振滤光镜32被传递，该偏振滤光镜按照选定的正交偏振传递测试光束T和参考光束R，如前所述。然后，该测试和参考光束被检测暂时相位移动，或者如图2-4中所示被相位移动和处理。

在图5中的实施例80中使用短相干光源导致由镜片而不是测试和参考表面产生的反射抑制。调整延迟线84的长度以产生与斐索腔20中的相同的路径延迟，使得参考光束R和测试光束T暂时相干并且在空间相移干涉仪44中产生高对比度的干涉条纹。因此，来自成像镜片的虚假反射大大减少。此外，宽带光源由于其短的相干长度而使它能够选择测试镜片的不同表面用于独立的测量，该不同表面例如测试板的前和后表面。使用宽带光所产生的另外一个优点是，通常用在斐索干涉仪中用以产生空间不相干的光束的旋转毛玻璃可以被移除，因此在检测器上产生较高的亮度级并且需要相应地较短的积分时间。可以对随机相位偏差获得多次测量并且取平均，以便减少系统内残留的依赖于相位的误差，如同序列号为No.10/652,903的专利申请中所教导的。

干涉测量装置80也提供优于Kuchel等人所公开的系统的优点。由于在本发明的滤光镜32后，只有两个光束保持干涉，这获得较高对比度的干涉图案。也可以提供进口波片92用于为参考和测试目标的反射率的所有结合调整图案的对比度以接近一致。最后，延迟线可以与压电或者其他扫描元件94结合以在延迟线中系统地引入小的相位移动，使得多个相位图可以取平均以减小最后的相位图中的依赖于相位的误差，或者为使用大型斐索干涉仪的应用而使用传统的暂时相位移动，在该应用中，参考镜片的压电移动是不可能的。

应该注意的是，由延迟线84产生的光束也可以被偏振以具有正交的偏振，尽管该特征对于实施本发明来说并不是必要的。为此目的，分光镜需要是偏振的分光镜，并且诸如波片94和98的另外的偏振元件需要引入到分别指向延迟线的反射镜88和90的两光束的光路中。如本领域的技术人员将容易地认识到的，这种构造允许输入光束L中的所有光向着斐索腔传递，借此提高能量效率并且进一步减低积分时间需求。

图6A显示了本发明的另一实施例100，偏振分光镜102放置在输入通道中，以产生两个输入光束104和106，该两个光束具有正交的偏振并且在空间上相对彼此移位开。该两个光束射入具有倾斜的参考表面24的斐索腔20。明智地选择两光束的分离使得第一光束104从参考表面反射以形成在轴线上指向空间相移干涉仪44的光束108，而第二光束106被反射以形成离开轴线指向干涉仪的光束110。因此，孔112可以用于阻断第二光束106(光束110)的反射，并且传递第一光束116(光束108)的反射。测试表面26相似地反射第一输入光束104以形成离开轴线的由孔112阻断的光束114，并且反射第二输入光束106以形成在轴线上的由孔112传递的光束116。光束108和116大体共线且正交地偏振。因此，它们能够随后由空间相移干涉仪模块44处理。该实施例具有不需要在干涉仪成像部分引入偏振分光镜的优点。一个缺点是被孔元件阻断的光束中损失光。

图6B显示了本发明的另一实施例，该实施例与图6A中的实施例密切相关。在装置的输入处的偏振分光镜102使用衍射光栅118、扩展透镜14以及偏振滤光镜罩120构造。这些元件的组合产生了正交地偏振的输入光束104和108，然后，这些输入光束被引入图6A的倾斜的斐索腔中。

图7显示了与图6A中示出的实施例密切相关的另一实施例130。偏振的输入光束104和106从短相干长度光源82产生，该短相干长度光源与光延迟线84相结合使用。输入光束L由偏振分光镜86在延迟线内分为两个光束，如上参考图5中的实施例80所描述的。因此，两光束通过正交偏振被编码，并且光束104在其光路中引入了另外的光延迟ΔL。此外，分光镜86也用于在指向斐索腔的光束104和106上产生空间分离。在延迟线中从反射镜88和90反射之后，两光束由两光束之间的具有合适角度的分光镜86引向斐索腔，以实现阻断来自每一光束的不想要的反射所需要的空间分离，如上面参考图6A中的实施例90所述的。扩展透镜14用于将光束耦合至斐索腔中。该实施例具有前述两个实施例80和90的所有优点。主要的缺点在于光损失以及装置的额外复杂性。

图8显示了本发明的又一实施例140，其中正交偏振的输入光束104和106利用分离的光路产生。光源的光L由偏振分光镜142分为两个正交地偏振的光束104、106，然后，这些光束被引向斐索腔。反射镜144用于提供实施本发明所必要的空间分离。

本领域的技术人员在这里所描述和所附权利要求中所限定的本发明的原理和范畴内，可以进行已经被描述了的细节、步骤和部件中的各种其它改变。例如，图1A中偏振空间滤光镜32的位置可以通过使用一系列传送镜片重新定位。一系列传送镜片可以用于重新定位图6A的实施例的偏振分光镜42和阻断孔112的位置到成像系统中的其他共轭像平面，如图9中所示。相似地，如图10中所示，图5中的延迟线和偏振分光镜可以与图3中的空间相移干涉仪相结合以表征在斐索干涉仪构造中布置成与参考表面相平行的测试表面。

因此，尽管在这里已经以被认为是最实用且最优选的实施例示出并描述了本发明，但公知的是，在本发明的范畴内可以偏离这些细节，本发明并不限于所公开的细节，而是与权利要求的整个范围相一致，以致包括任何和所有等同的方法及产品。

Claims (30)

1.一种联接到空间相移干涉仪模块的光学装置，用于表征在光学腔内相对于参考表面以一倾斜角度设置的测试表面，其中输入光束由所述测试和参考表面反射以产生相应的测试和参考光束，该光学装置包括：

用于产生所述测试和参考光束之间的空间分离的装置；

用于以各自正交的偏振状态偏振所述测试和参考光束的装置；以及

用于消除该测试和参考光束之间的所述空间分离并且用于在准直光束中产生测试光束和参考光束的组合的装置。

2.如权利要求1所述的光学装置，其中，用于产生所述测试和参考光束之间的空间分离的所述装置包括该测试和参考表面之间的所述倾斜角；以及其中用于偏振所述测试和参考光束的所述装置包括具有产生正交偏振状态的两个偏振元件的偏振滤光镜。

3.如权利要求2所述的光学装置，其中，所述偏振元件中的一个被所述两个偏振元件中的另一个包围。

4.如权利要求1所述的光学装置，还包括光延迟线，该光延迟线对所述输入光束起作用以产生以预定光路延迟暂时分开的两光束。

5.如权利要求4所述的光学装置，还包括用于改变所述光路延迟的装置。

6.如权利要求2所述的光学装置，还包括光延迟线，该光延迟线对所述输入光束起作用以产生以预定光路延迟暂时分开的两光束。

7.如权利要求6所述的光学装置，还包括用于改变所述光路延迟的装置。

8.如权利要求1所述的光学装置，其中，用于消除该测试和参考光束之间的所述空间分离并且用于在准直光束中产生测试光束和参考光束的组合的所述装置包括成像装置和偏振分光镜，该成像装置将所述空间分离转化为角分离，该偏振分光镜将该测试和参考光束重新结合以产生所述准直光束。

9.如权利要求1所述的光学装置，其中，用于产生该测试和参考光束之间的空间分离的所述装置包括分光镜，该分光镜对所述输入光束起作用并且产生两个在空间上分离的光束，使得所述两个在空间上分离的光束的每一个在从所述测试和参考表面反射后产生沿着所述空间相移干涉仪模块的光轴指向的轴上光束和指向离开所述光轴的离轴光束。

10.如权利要求9所述的光学装置，其中，用于偏振该测试和参考光束的所述装置包括在所述分光镜中的偏振元件。

11.如权利要求9所述的光学装置，还包括传递所述轴上光束且阻断所述离轴光束的孔。

12.如权利要求9所述的光学装置，还包括光延迟线，该光延迟线对所述输入光束起作用以产生所述两个在空间上分离的光束，所述两个在空间上分离的光束之间具有预定光路延迟。

13.如权利要求12所述的光学装置，还包括用于改变所述光路延迟的装置。

14.如权利要求1所述的光学装置，其中，用于产生该测试和参考光束之间的空间分离的所述装置包括分光镜和反射镜，该分光镜和反射镜对所述输入光束起作用并产生两个在空间上分离的光束，使得所述两个在空间上分离的光束的每一个在从所述测试和参考表面反射后产生沿着所述空间相移干涉仪模块的光轴指向的轴上光束和指向离开所述光轴的离轴光束。

15.如权利要求14所述的光学装置，其中，用于偏振该测试和参考光束的所述装置包括在所述分光镜中的偏振元件。

16.如权利要求14所述的光学装置，还包括传递所述轴上光束且阻断所述离轴光束的孔。

17.一种借助联接到空间相移干涉仪模块的光学装置表征测试表面的方法，其中，所述测试表面相对于光学腔内的参考表面以一倾斜角度设置，且输入光束由所述测试和参考表面反射以产生相应的测试和参考光束，该方法包括以下步骤：

产生所述测试和参考光束之间的空间分离；

以各自正交的偏振状态偏振该测试和参考光束；

消除该测试和参考光束之间的所述空间分离并且在准直光束中产生测试光束和参考光束的组合；以及

在该空间相移干涉仪模块中处理所述准直光束以进行相位测量。

18.如权利要求17所述的方法，其中，产生该测试和参考光束之间的空间分离的所述步骤是借助利用在该测试和参考表面之间的所述倾斜角来进行的；以及其中偏振该测试和参考光束的所述步骤是借助偏振滤光镜来进行的，该偏振滤光镜包括产生正交偏振状态的两个偏振元件。

19.如权利要求18所述的方法，其中，所述偏振元件中的一个被所述两个偏振元件中的另一个包围。

20.如权利要求17所述的方法，还包括提供光延迟线的步骤，该光延迟线对所述输入光束起作用以产生以预定光路延迟暂时分开的两光束。

21.如权利要求20所述的方法，还包括用于改变所述光路延迟的装置。

22.如权利要求17所述的方法，其中，消除该测试和参考光束之间的该空间分离并且在准直光束中产生测试光束和参考光束的组合的所述步骤包括：利用成像装置将所述空间分离转化为角分离，以及利用偏振分光镜将该测试和参考光束重新结合以产生所述准直光束。

23.如权利要求17所述的方法，其中，产生该测试和参考光束之间的空间分离的所述步骤借助分光镜进行，该分光镜对所述输入光束起作用以产生两个在空间上分离的光束，使得所述两个在空间上分离的光束的每一个在从所述测试和参考表面反射后产生沿着所述空间相移干涉仪模块的光轴指向的轴上光束和指向离开所述光轴离轴光束。

24.如权利要求23所述的方法，其中，偏振该测试和参考光束的所述步骤是借助所述分光镜中的偏振元件来进行的。

25.如权利要求23所述的方法，还包括提供传递所述轴上光束且阻断所述离轴光束的孔的步骤。

26.如权利要求23所述的方法，还包括提供光延迟线的步骤，该光延迟线对所述输入光束起作用以产生所述两个在空间上分离的光束，所述两个在空间上分离的光束之间具有预定光路延迟。

27.如权利要求26所述的方法，还包括提供用于改变所述光路延迟的装置的步骤。

28.如权利要求17所述的方法，其中，产生该测试和参考光束之间的空间分离的所述步骤是借助分光镜和反射镜来进行的，该分光镜和反射镜对所述输入光束起作用并产生两个在空间上分离的光束，使得所述两个在空间上分离的光束的每一个在从所述测试和参考表面反射后产生沿着所述空间相移干涉仪模块的光轴指向的轴上光束和指向离开所述光轴的离轴光束。

29.如权利要求28所述的方法，其中，偏振该测试和参考光束的所述步骤是借助所述分光镜中的偏振元件来进行的。

30.如权利要求28所述的方法，还包括提供传递所述轴上光束且阻断所述离轴光束的孔的步骤。

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