CN102460063A - 等路径干涉仪 - Google Patents

Abstract

提供一种使用于干涉仪中的光学总成。光学总成包括第一及第二部分反射表面，沿着光轴被定位且向着光轴被定向于不同的非法线角。第二部分反射表面被配置以接收沿着光学路径透射通过第一部分反射表面的光，将部分的接收光传送至测试物体以限定干涉仪的测量光且将另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以限定用于干涉仪的参考光。参考光在第二及第一部分反射表面间行进至少一次来回的路径。

Description

等路径干涉仪

相关申请的交叉引用

依照35USC§119(e)，本申请要求在2009年6月19日提交的在先美国临时申请61/218,703的权益，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及等路径干涉仪及相关的方法。

背景技术

干涉仪使用干涉光束执行物体的测量。干涉仪可被概括地分类成等路径，其中，干涉光束越过几乎相等的光学距离(例如，在数十微米之内相等)，以及不等路径，相较于可见白光的同调长度，其光学路径差很大(例如，大于0.05mm且可能达到数公里)。等路径系统可被配置以用低同调(光谱宽带及/或空间延伸的)光源操作。不等路径干涉仪包括例如激光菲索(Fizeau)干涉仪，其可被用以测试光学元件。

等路径干涉仪在光学测试方面是受到关注的，例如，对于分别测量半透明物体的前及后表面。等路径干涉仪也可被使用于干涉显微镜方法中，其中可使用低同调卤素灯及白光LED做为光源。例如，干涉显微镜方法设计可根据路径平衡及色散补偿的米劳(Mirau)、麦克森(Michelson)或林尼克(Linnik)干涉仪。

发明内容

通常，在一特征中，干涉仪提供几乎相等的测量及参考路径长度，测量路径延伸至测试物体的表面，参考路径延伸至参考元件的表面，且允许使用来自低同调光源的光。干涉仪的一种应用是当实质上对其他物体表面无反应时对部分透明的物体被选择的表面描绘其轮廓。在一些实施方式中，不等路径激光菲索仪器适用于等路径几何。在一些实施方式中，干涉仪是作为显微镜的干涉物镜，例如，显微镜采用低同调光源的显微镜。

通常，在另一特征中，干涉仪被提供，其中，干涉仪包括光源、参考元件、干涉仪分光器、用于过滤不想要的反射的孔径光阑或其等价物、及诸如照相机的成像装置。进入源的光的一部分通过参考元件的部分反射表面而到达干涉仪分光器。分光器将此部分的源的光分成参考及测量光束。参考光束接着从参考元件的部分反射参考表面反射，行进回到干涉仪分光器，再一次从分光器反射，然后通过参考元件，最后并通过孔径光阑而到达照相机。在透射通过分光器后，测量光束从至少一物体表面反射，使得测量光回到干涉仪分光器且大约同延地且同轴地与参考光束结合，而在照相机处产生一干涉图案。参考元件及分光器被倾斜使得来自干涉仪组件的不同表面的寄生反射被孔径光阑或其等价物阻挡，而在照相装置处产生双光束干涉图案。

通常，在另一特征中，提供用于在干涉仪中的光学总成。光学总成包括第一及第二部分反射表面，沿着光轴被定位且向着光轴被定向于不同的非法线角。第二部分反射表面被配置以接收沿着光学路径传递通过第一部分反射表面的光，将接收光的一部分传送至测试物体以限定干涉仪的测量光且将另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以限定用于干涉仪的参考光，其中，参考光在第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来回的路径。

光学总成的实施方式可包括一或多个下列特点。非法线角可使得参考光在第二部分反射表面将参考光沿着光轴反射回去之前通过第一及第二部分反射表面之间至少一次。非法线角可使得参考光在其中一次通过其间的期间以垂直入射接触其中一个部分反射表面。

第一部分反射表面的非法线角可为第二部分反射表面的非法线角的一又二分之一倍。

在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后，第二部分反射表面可被配置以结合在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后的测量光、与在其至少一次来回行进于第二与第一部分反射表面之间之后的参考光。

光学总成可包括：第一光学元件，具有第一部分反射表面；及第二光学元件，具有第二部分反射表面。第一及第二光学元件，各自可具有另一表面，该表面具有一抗反射涂层。部分反射表面可分别位于光学元件的外表面上。部分反射表面可被形成在光学元件内的各自的内界面。

第一部分反射表面可与第二部分反射表面间隔一距离，其大于捕获在参考光与测量光之间的干涉图案的成像模块的焦深。干涉仪的光学元件被定位使得参考光不通过在成像模块的焦深内的玻璃。

第一光学元件可具有另一表面，其具有一抗反射涂层。第一光学元件可被定向，使得第一部分反射表面面向第二光学元件的第二部分反射表面，且第一光学元件的抗反射涂层背向第二部分反射表面。第一部分反射表面及第二部分反射表面间的距离是大于用以捕获在参考光及测量光间的干涉图案的成像模块的焦深。

光学总成可包括：色散补偿器，被定位在第一光学元件及第二光学元件的间以补偿在测量光及参考光间的相位差，色散补偿器被定位靠近第三光学元件且位于成像模块的焦深之外。

第一光学元件可被定向，使得第一部分反射表面背向第二光学元件的第二部分反射表面，且第一光学元件的抗反射涂层面向第二部分反射表面。

光学总成可进一步包括：第三部分反射表面。第三部分反射表面可被配置以：i)接收沿着光学路径透射通过第一部分反射表面的光；ii)将部分的接收光传送至测试物体以限定测量光；及iii)将另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以对干涉仪限定第二参考光，其中，第二参考光在第二及第一部分反射表面间行进至少一次来回的路径。

光学总成可进一步包括：准直器，接收来自光源的光并将准直光投射至第一部分反射表面。光学总成可进一步包括：场镜，接收来自光源的光并将光投射至第一部分反射表面，在参考光被第一部分反射表面反射之后及参考光被检测器检测之前，场镜被定位于参考光行进的成像路径之外。

第一部分反射表面可具有范围约10％至约30％的反射率。第二部分反射表面可具有范围约40％至约60％的反射率。

一种干涉系统可包括上述的光学总成及干涉仪基座，其包括光源及检测器。光源可被配置以产生透射通过第一部分反射表面且由第二部分反射表面接收的光。检测器可被配置以接收包括测量光及参考光的结合光并提供关于结合光的空间分布的信息。干涉仪基座可包括：孔径光阑，被定位以阻挡来自干涉仪基座的光，其沿着光轴接触第一部分反射表面并且从第一部分反射表面反射回到干涉仪基座；及底座，用以支撑测试物体。底座可被定位以限定测量光的光学路径长度，其大体上等于参考光的光学路径长度。

干涉基座可包括移相器，用以改变在测量光及参考光间的光学路径长度的差。移相器可机械地将干涉仪基座耦合至光学总成且可被配置以改变光学总成及测试物体间的距离，以改变测量光的光学路径长度。

光源可为一宽带光源，用以提供低同调干涉术测量。

光源可为一窄频激光光源。

光源可在低同调干涉术的宽带模式及高同调干涉术的激光模式间进行调整。光源可为一激光二极管，其当以低于其激光门限值的电流被驱动时在宽带模式中操作，且当以高于其激光门限值的电流被驱动时在激光模式中操作。

第一部分反射表面可包括非平面的表面。

通常，在另一特征中，一种干涉方法包括：沿着光轴定位第一及第二部分反射表面，相对于光轴将第一及第二部分反射表面导向于不同的非法线角，且沿着平行光轴的方向将光通过第一部分反射表面传送至第二部分反射表面。在第二部分反射表面处，将第一部分的光传送至测试物体以限定测量光，并且将第二部分的光朝向第一部分反射表面反射回去以限定参考光。在第一部分反射表面处，将第二部分的光的一部分朝向第二部分反射表面反射，使得参考光在第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来回的路径。

干涉方法的实施方式可包括一或多个下列特点。导向第一及第二部分反射表面可包括将第一及第二部分反射表面定向于不同的非法线角，以使得参考光在第二部分反射表面沿着光轴将参考光反射回去之前至少一次通过第一及第二部分反射表面之间。

定向第一及第二部分反射表面可包括将第一及第二部分反射表面导向于不同的非法线角，以使得参考光在其中一次通过其间的期间以垂直入射接触其中一个部分反射表面。

此方法可包括：在第二部分反射表面，结合在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后的测量光、与在其至少一次来回行进于第二及第一部分反射表面间之后的参考光。关于结合光的空间分布的信息可被提供。孔径光阑可被提供以阻挡以远离第二部分反射表面的方向从第一部分反射表面被反射的光。具有反射表面的测试物体可被定位以限定测量光的光学路径长度，其大体上等于参考光的光学路径长度。在测量光及参考光间的光学路径长度的差可被改变。光学总成及测试物体间的距离可被变更以改变测量光的光学路径长度，其中，光学总成包括第一及第二部分反射表面。

方法可包括将具有第一部分反射表面的光学元件定向于光学元件的外表面，使得具有第一部分反射表面的光学元件的外表面面向第二部分反射表面。方法可包括不通过任何玻璃元件而将参考光从第一部分反射表面传送至第二部分反射表面。方法可包括将第二部分反射表面定位于距第一部分反射表面一段距离，此段距离大于检测在测量光与参考光之间的干涉图案的成像模块的焦深。

方法可包括使参考光通过色散补偿器，其补偿由于参考光与测量光行进的光学路径长度之间的差造成的测量光与参考光之间的相位的差，并且将色散补偿器定位在成像模块的焦深之外。

方法可包括：沿着光轴定位第三反射表面；将第三部分反射表面导向以平行于第二部分反射表面；在第三部分反射表面处，将由第一部分反射表面传送的光的第三部分传送至测试物体以限定测量光，并且将光的第四部分朝向第一部分反射表面反射回去以限定第二参考光；及在第一部分反射表面处，将光的第四部分的一部分朝向第二部分反射表面反射，使得第二参考光在第二与第一部分反射表面之间进行至少一次来回的路径。

将光传送通过第一部分反射表面可包括将准直光传送通过第一部分反射表面。方法可包括在将光传送通过第一部分反射表面之前将光传送通过场镜，并且在参考光被第一部分反射表面反射之后及参考光被检测器检测之前将场镜定位于参考光行进的成像路径之外。

虽然在此说明作为用于平坦表面测试的干涉仪，利用适当地改变参考元件，相同的概念可推广至测量任何的表面形状。

附图说明

图1是用于测量物体的表面的示例性干涉仪的示意图。

图2及3是被布置以对参考光束及测量光束具有相等的路径长度的示例性光学总成的示意图。

图4是相移干涉术的示例性干涉仪的示意图。

图5及6是图表。

图7是适用于干涉显微镜方法的示例性等路径干涉仪的示意图。

图8是示例性光学总成的示意图。

图9是用于测量非平面表面的示例性光学总成的示意图。

图10及11是用于测量物体的表面的示例性干涉仪的示意图。

图12A及12B是可在干涉仪中使用的示例性光学总成的示意图。

图13是可在干涉仪中使用的示例性光学总成的示意图。

图14是用于测量物体的表面的示例性干涉仪的示意图。

具体实施方式

参阅图1，示例性的干涉仪100被提供用以分析一物体的前表面形式或其它特征。干涉仪100包括一光学总成以对测试物体102的表面提供一测量路径并且对一参考元件104的表面提供一参考路径，其中，测量及参考路径具有大约相等的路径长度。在此范例中，参考元件104是具有平坦表面的一玻璃板。光学总成包括多个部分反射表面，其沿着干涉仪100的光轴106被定位且以相对于光轴106的角度倾斜，使得有用的测量及参考光沿着光轴106被导引朝向一检测器(例如，照相机108)，而不想要的光则沿着与光轴106不平行的方向被导引并滤出。这容许使用低同调光源110并且使得便于具有多个反射表面的透明物体的测量。

在此，名词”光”可指在紫外线、可见光、近红外线及红外线光谱区域的任一区域中的电磁辐射。

照明分光器112将光从光源110导引通过准直器114，其将光准直并且沿着与光轴106平行的方向将光导向参考元件104及干涉仪分光器116。参考元件104在面对准直器114的表面上具有部分反射(PR)涂层118，且在面对分光器116的表面上具有抗反射(AR)涂层120。因为PR涂层118及AR涂层120薄，术语“PR涂层118”及“PR表面118”将可交换地使用，且术语“AR涂层120”及“AR表面120”将可交换地使用。分光器116在面对参考组件104的表面上具有部分反射(PR)涂层122，且在面对测试物体102的表面上具有抗反射(AR)涂层124。因为PR涂层122及AR涂层124很薄，术语“PR涂层122”及“PR表面122”将可交换地使用，且术语“AR涂层124”及“AR表面124”将可交换地使用。

来自准直器114的光通过参考元件104的PR涂层118。做为一个例子，PR涂层118反射17％的入射光并传递83％的入射光。从而，83％的光通过参考元件104的AR涂层120并且传播至分光器124的PR涂层122，在此例中，其反射50％的入射光并传递50％的入射光。反射的光形成一参考光束126，且经传递的光形成一测量光束128。

参考光束126通过参考元件104的AR表面120并且从参考元件104的PR表面118部分地反射。从而，参考元件104的PR表面118作为一参考表面。被反射的参考光束126接着回到分光器116的PR表面122，在该点其部分地反射进入一路径，其与原始照明共线且共同延伸(且平行于光轴106)，但以相反方向行进，最后在通过孔径光阑130及成像透镜136之后到达照相机108。

上述例子对于测量具有范围从4％至100％的表面反射率的测试物体是有用的。根据应用，反射率及透射率的值可与上面提供者不同。例如，参考元件104的PR表面118可具有范围约10％至约30％的反射率，且分光器116的PR表面122可具有范围约40％至约60％的反射率。

在这个例子中，参考光束126来回从分光器116的PR表面122行进至参考元件104的PR表面118，然后回到PR表面122。如下说明(图8)，参考元件104的倾斜角度可被调整，使得参考光束126在参考光束126与测量光束128结合之前在分光器116的PR表面122与参考元件104的PR表面118之间来回行进二次或以上，如下面说明。这使得当在测量光束128及参考光束126之间维持等路径长度时，从分光器116的PR表面122至测试物体102的表面的距离可以增加。

测量光束128通过干涉仪分光器116的AR表面124到达测试物体102，在该处，测量光束128从测试物体102的至少一表面(例如前表面137)反射回到干涉仪分光器116，在该处测量光束128的一部分沿着与原始照明大概共同延伸且共线的(且平行于光轴106)路径传递通过剩下的组件，最后到达照相机108，在该处测量光束128与参考光束126干涉。结果是双光束干涉图案，其对于例如决定测试物体102的表面轮廓是有用的。

在图1的例子中，测量光束128(在从测试物体102的表面反射之后)及参考光束126(在来回行进于PR表面122及118间之后)在分光器116的PR表面122结合或重叠。然后，重叠的光束朝向照相机108行进。

除了被导引至照相机108的部分的参考光束126及测量光束128外，(在偶然反射的其它可能来源中)参考元件104及干涉仪分光器116可能产生不想要的反射(诸如139)。为了隔离并移除不想要的反射139，参考元件104及干涉仪分光器116被稍微转向一角度，如图所示，以便将不想要的反射139导引至孔径光阑130的通光孔径之外。

图1显示来自参考元件104的PR表面118的不想要的第一反射132和参考光束126的不想要的部分134的例子，该参考光束126的不想要的部分134透射通过参考元件104而非朝向干涉仪分光器116反射回去。不想要的第一反射132及不想要的部分134被孔径光阑130阻挡。

在图1的例子中，干涉仪分光器116相对于垂直该光轴106的定向被倾斜一角度α。参考元件104被倾斜大体上等于2α的一角度，使得参考光束126以大约垂直入射照射至参考元件104的PR表面118。

参阅图2，在一些实施方式中，为了进一步抑制来自参考元件104及干涉仪分光器116的AR表面的不想要的反射，参考元件104及分光器116可分别由楔形基板210及212制成。在此例中，楔形基板212具有面对参考元件的PR表面218及面对测试物体102的AR表面216，其中，PR表面218及AR表面216不平行。楔形基板210具有面对准直器114的PR表面220及面对分光器的AR表面214，其中，PR表面220及AR表面214不平行。相对垂直该光轴106的定向，PR表面218及PR表面220分别倾斜大体上等于α及2α的角度。经由使用楔形基板210及212，来自AR表面214及216的不想要的反射将以相对于测量及参考光束的一角度的方向行进，且最后被孔径光阑130阻挡。

在图1的例子中，被观看或测量的表面是测试物体102的前表面137。干涉仪100也可被用以观看或测量测试物体102的后表面138。被测量的表面不必然需要是物体的外表面。干涉仪100也可观看或测量光学元件内部的内界面。

由照相机108检测到的干涉图案可由例如计算机(未示出)执行程序加以分析。干涉图案的分析可提供有关例如物体102的表面137是否与期望的表面轮廓匹配或偏离的信息。

在图1的例子中，干涉仪对于光的偏振不敏感。照明分光器112将来自光源110的光的一部分(例如一半)朝向准直器114反射，并且将返回的光的一部分(例如一半)从准直器114传送至照相机108。在一些实施方式中，干涉仪也可被配置以使用偏振光。一偏振的照明分光器被使用，且四分之一波板被定位于分光器及准直器114之间以旋转光的偏振态。偏振的照明分光器将沿着第一方向(通过四分之一波板)偏振的基本上所有光导引至准直器114，并且将沿着第二方向偏振的基本上所有返回光(第二次通过四分之一波板)传送至照相机108。

参阅图3，参考元件104及干涉仪分光器116的创造性几何结构的益处在于它们可被配置以对于参考光束126及测量光束128具有相等的路径长度，并且在两个路径中具有相等数量的玻璃。例如，用于参考元件104的玻璃的厚度可与用于分光器116的玻璃的厚度相同。在此例子中，测量光束128从分光器116的PR表面122行进至物体102的前表面137并且回到PR表面122的路径长度等于参考光束126从PR表面122行进至参考元件104的PR表面118并且回到PR表面122的路径长度。

诸如温度的环境条件的变化大体上在参考光束126及测量光束128中导致相同数量的相位变化。这在例如低同调干涉术中是有用的，其对于测量及参考光束维持相同的光学路径长度是重要的。在一些例子中，参考元件104及分光器116的厚度可能不同，且额外的光学元件可被使用以部分或完全修正由此种差异导致的相位差。

若测试物体102的后表面138或是在测试物体102的主体内的表面被测量，在测试物体102与分光器116之间的距离可被调整，使得测量光束从PR表面122行进至要被测量的表面的来回的光学路径长度等于参考光束从PR表面122行进至PR表面118的来回的光学路径长度。需要指出的是，因为测试物体的折射率可与空气的折射率不同，即使测量及参考光束的光学路径长度相同，测量光束行进的物理距离可与参考光束行进的物理距离不同。

在图2的例子中，参考元件210及分光器212也对测量及参考光束提供相等的路径长度。

本发明设计的另一个益处在于其与商用的激光菲索(Fizeau)干涉仪的整体几何与机械设计兼容，诸如可由Connecticut的Middlefield的ZygoCorporation取得的Zygo GPT^TM系列的干涉仪。

参考图4，示例性的等路径干涉仪144可被用于相移干涉术。干涉仪144包括仪器主机142及干涉仪次总成140。干涉仪次总成140是取决于应用而可附加至仪器的主机142或从其移除的附件。主机142包括光源146、照明分光器112、准直器114、孔径光阑130、成像透镜136、及照相机108，类似于图1的例子中所示的那些。光源146可为激光光源或是低同调光源。

在一些实施方式中，光源146可在用于低同调干涉术的宽带模式及用于高同调干涉术的激光模式间调整。例如，光源146可为激光二极管，其当以低于其激光门限值的电流被驱动时在宽带模式中操作，且当以高于其激光门限值的电流被驱动时在激光模式中操作。

干涉仪次总成140包括一干涉仪分光器116及一参考元件104，类似于图1的例子中所示者。次总成140的位置可由一机械移相器148调整(由147表示)，其可具有例如1微米等级的准确度。移相器148改变在测量光束128及参考光束126之间的光学路径长度的差。在此例中，移相器148机械地将干涉仪次总成140耦合至仪器主机142上的基座并且被配置以改变次总成140及测试物体102间的距离，以改变用于测量光束128的光学路径长度。

次总成140可被配置为可拆卸的附件，其可通过附件安装凸缘149被安装在仪器主机142上。在此例中，干涉仪144是与任意偏振的照明相容。

在一些实施方式中，其可配置干涉仪144以利用偏振光，使得测量光束及参考光束分别沿着测量路径及参考路径的特别部分具有特定的偏振。

当低同调光源146被使用时，等路径干涉仪144可对例如具有多个反射表面的透明物体的特定表面进行测量。在低同调干涉术中，干涉效应被限制或局部化于等路径的情况。

图5显示示例性干涉信号150，其当以一宽带(中心波长为600nm，半最大值全宽(FWHM)为15nm)光源测量时，如同用于透明物体的物体位置的函数一样变化。”零”的物体位置相当于等路径的情况。在此例中，干涉信号150的包络线的振幅在接近零的位置较高，且在超出零的位置12微米的位置处显著地降低。

图6显示一示例性干涉信号强度160，其当以宽带(中心波长为600nm，半最大值全宽(FWHM)为15nm)光源测量时如用于40微米厚的熔融石英物体的物体位置的函数一样变化。干涉信号160的第一峰值162出现在零的位置。干涉信号160的第二峰值164出现在-60微米，其对应于来自物体的后表面的反射。

如同可从图5及6的图式看到，来自在远离被测量的表面超过例如20微米的测试物体102上的表面的反射对于在等路径条件被满足(亦即，测量路径及参考路径大体上具有相等的路径长度)时产生的干涉图案的贡献将可忽略。在图1-4所示的例子中，从测试物体102的前表面137及后表面138反射的光可全部到达照相机108。假定前及后表面间的距离大于20微米。当干涉仪100被用以测量前表面137时，从后表面138反射的光可能对于在照相机108检测到的干涉图案没有任何明显的贡献。类似地，当干涉仪100被用以测量后表面138时，从前表面137反射的光可能对于在照相机108检测到的干涉图案没有任何明显的贡献。

参阅图7，等路径干涉仪可适用于其它的仪器平台，诸如干涉显微镜方法。干涉显微镜170包括主机172及可移动的干涉器物镜174。主框架172包括光源146及透镜与场光阑总成176(其包括透镜173、场光阑(stop)175、及照明孔径光阑177)以将来自光源146的光准直、过滤、扩张、及导引朝向照明分光器178。分光器178将光朝向干涉物镜174导引。分光器178也接收从干涉物镜174返回的光，并且将返回的光通过成像孔径光阑180及显像管(tube)透镜182导引至照相机108。

干涉物镜174包括物镜184、干涉仪分光器116、及参考元件104。为了观看(或测量)物体102的特定表面，机械扫瞄机构186沿着方向188扫瞄干涉物镜174以调整分光器116的PR表面122与被观看的物体102的表面之间的距离。可移动的干涉器物镜174可取代在其它系统中使用的米劳、麦克森、或林尼克型的干涉物镜。因为显微镜170使用等路径干涉仪，其对于扫瞄白光干涉术是有用的。干涉物镜174可比麦克森或林尼克型的干涉物镜更紧凑。

参阅图8，在一些实施方式中，用于等路径干涉仪的光学总成190包括参考元件192及干涉仪分光器194。干涉仪分光器194相对于垂直光轴106的方向倾斜一角度α，且参考元件192相对于垂直该光轴106的方向倾斜一角度1.5α。在此配置下，参考光束196总共从参考元件192的PR表面200反射二次且从干涉分光器194的PR表面202反射三次。在参考光束196与测量光束198结合之前，参考光束196在分光器194的PR表面202及参考元件192的PR表面200之间来回行进两次。

参考元件192的厚度T1是分光器194的厚度T2的一半，使得参考光束196及测量光束198通过相等数量的玻璃。在分光器194的PR表面202与被测量的物体102的前表面137之间的距离可大约为分光器194的PR表面202与参考元件192的PR表面200之间的距离的两倍。类似于图4中的例子，光学总成190可与仪器主机一起使用，或者类似于图7中的例子，可被使用于干涉显微镜中。

光学总成190的优点在于与图1-4及7中显示的例子相比，其提供在分光器194与测试物体102之间增加的工作距离。

在一些实施方式中，干涉仪分光器(例如116或194)及参考元件(例如104或192)可为非平面。例如，若测试物体102是球面，参考元件(例如104或192)的PR参考表面(例如118或200)可为可比较的球面形状。

图9显示用以测量测试物体222的非平面(例如球面凹面)表面224的示例性干涉仪220。干涉仪220包括楔形参考元件226及楔形干涉仪分光器228。分光器228具有PR表面232及AR表面242。参考元件226具有PR表面230及AR表面240，其中，测试物体222的PR表面230及表面224相对于分光器228的PR表面232是对称的。PR表面232将进入的光束244分开成测量光束234及参考光束236，其在PR表面232结合以形成重叠的光束238之前行进相等的路径长度。重叠光束238的干涉图案可被分析以提供有关例如测试物体222的表面224是否匹配或偏离由参考元件226的PR表面230表示的期望的表面轮廓的信息。

在干涉仪100中，用于捕取或记录干涉图案的成像模块或系统(包括成像透镜136及照相机108)具有一定的焦深，使得在焦深外的物体变成失焦而由照相机108捕取的影像显得模糊。在一些实施方式中，干涉仪可被配置以具有位于成像系统的焦深之外的某些部件以放宽对部件质量的要求。例如，若玻璃基板位于成像系统的焦深之外，则玻璃基板的疵点变得失焦且对于由照相机108捕取的干涉图案具有小的或可忽略的影响。这容许使用较低成本的部件以降低系统的总成本，同时仍维持高性能。

参阅图10，在一些实施方式中，除了干涉仪250包括参考元件252，其相较于干涉仪100的参考元件104被翻转，干涉仪250具有类似于干涉仪100(图1)的配置。参考元件252在面对准直器114的表面上具有抗反射涂层120且在面对干涉仪分光器116的表面上具有部分反射涂层118。从光源160输入的光在碰到PR涂层118之前先碰到AR涂层120。此配置可具有优点，即在干涉仪250的成像系统的焦深内没有玻璃元件。

在此例中，焦深是由光的波长除以数值孔径的平方来定义。例如，在500nm的波长，具有0.005的数值孔径的成像系统的焦深是20mm。成像系统被设计以投影在从参考元件252的PR表面118反射的光与从物体120上或物体120中的表面反射的光之间的干涉的图案，所以焦点的中心位于参考元件252的PR表面118及被测量的物体120的表面。当分光器116及参考元件104被定位以分开超过焦深(在此例中是20mm)时，分光器基板变成失焦。这可放宽对于在干涉仪250中使用的玻璃基板的质量要求，特别是在高的空间频率处。

参阅图11，在一些实施方式中，干涉仪260具有配置，其类似于干涉仪250的配置(图10)，并具有额外的光学元件，诸如色散补偿器262，被定位在参考元件252的PR表面118及分光器116的PR表面122之间。额外的光学元件可部分地或完全地补偿在参考光束126及测量光束128之间的相位差，其由光束126及128碰到的材料的差异所导致。

例如，在图10的干涉仪250中，虽然光束126及128行进的距离相同，测量光束128比参考光束126通过更多的玻璃。做为另一个例子，若参考元件252的厚度与干涉仪分光器116的厚度不同，即使光束行进相同的距离，在光束126与128之间可能有一相位差。额外的光学元件(例如色散补偿器262)可部分地或完全地补偿光束126及128间的相位差。额外的光学元件可被放在成像系统的焦深之外，以放宽对额外光学元件的质量的要求。在图11的例子中，色散补偿器262被放置以比参考元件118更靠近分光器116，使得色散补偿器262是在成像系统的焦深之外(焦点中心是位于参考元件252的PR表面118)。

参阅图12A，在一些实施方式中，干涉仪包括光学总成270，其择一使用来自干涉仪分光器的前表面或后表面的反射以对于产生三光束干涉图案的一测量光束及二参考光束提供通过玻璃的大体上相等的路径。光学总成270包括参考元件252及干涉仪分光器272。参考元件252具有抗反射表面R1及部分反射表面R2(具有大约50％的反射率)。分光器272具有二个部分反射表面R3及R4(各自具有大约12％的反射率)。表面R1、R2、R3及R4依序被定位。

图12A中的例子被说明，其不倾斜参考元件及分光器以排除不想要的反射，且具有不平行的输入及输出光束，以使得光束路径更容易观察。第一部分的光被传递通过表面R1及R2，且在表面R3反射，而形成第一参考光束A278。第一参考光束278从表面R2部分地反射并且回到表面R4，参考光束A278在该点部分地反射于一路径中，其与原始照明大概是共线且共同延伸的，但行进于相反的方向。

参阅图12B，第二部分的光被透射通过表面R1、R2及R3，且在表面R4被反射，而形成第二参考光束B280。第二参考光束280从表面R2部分地反射并且回到表面R3，参考光束B280在该点部分地反射于一路径中，其与原始照明大概是共线且共同延伸的，但行进于相反的方向。

第三部分的光透射通过表面R1、R2、R3及R4，形成测量光束M282。测量光束M282在表面R4与第一参考光束A278结合，且在表面R3与第二参考光束B280结合。重叠的光束朝向照相机108行进，其检测在第一参考光束A278、第二参考光束B280及测量光束M282间的干涉。

下面说明确定表面R2、R3及R4的反射率以获得三光束干涉图案的高(例如最大值)的对比的方法。现在不管所有的寄生反射，单一影像点的干涉强度是：

I＝|E_A+E_B+E_M|²                      (1)

在此E_A，E_B，E_M分别是参考光束A278、参考光束B280及测量光束M282的复数电场振幅。分别将表面R1…R4的复数反射率分别表示为r_1…4，和将这些相同表面的透射率分别表示为t_1…4。追溯二参考光束A及B通过系统，对于输入场E₀得到

E_A＝E₀t₁t₂r₃r₂t₃r₄t₃t₂t₁            (2)

在此

是有关于在二参考光束A及B之间的光学路径差(OPD)的相位偏移。方程式(2)及(3)被简化为

$E_A=E_0{t}_1^2{t}_2^2{t}_3^2{r}_2{r}_3{r}_4---\left(4\right)$

假定分光器表面R2及R3是完美的平行，与光学路径差相关的相位

且二参考光束有建设性干涉，我们可将一等价的参考光束场写成

E_R＝2E_A.                            (6)

测量场是

$E_M=E_0{t}_1^2{t}_2^2{t}_3^2{t}_4^2{r}_M{e}^{\mathrm{i\θ}}.---\left(7\right)$

方程式(1)中的强度I被简化成二光束等价物

I＝|E_R+E_M|²，                      (8)

导致熟悉的强度公式

$I=I_R+I_M+2\sqrt{I_R{I}_M}\cos \left(\mathrm{\θ}\right),---\left(9\right)$

在此

$I_R={4T}_1^2{T}_2^2{T}_3^2{R}_2{R}_3{R}_4---\left(10\right)$

$I_M=T_1^2{T}_2^2{T}_3^2{T}_4^2{R}_M---\left(11\right)$

相应于

T_1..4＝|t_1..4|²                   (12)

R_1..4＝|r_1..4|²                   (13)

R_M＝|r_M|²                         (14)

参考光束净强度|E_R|²是单独来看参考反射(A)或(B)中的一个的强度的4倍，其表示要获得良好的干涉条纹(fringe)对比，分光器反射率R₃、R₄不需要很高。将干涉条纹对比定义为

最大的条纹对比V＝1相应于I_R＝I_M而实现。使用方程式(10)及(11)，当

$V=\frac{2\sqrt{I_R{I}_M}}{I_R+I_M}---\left(15\right)$

$T_1^2{T}_2^2{T}_3^2{T}_4^2{R}_M={4T}_1^2{T}_2^2{T}_3^2{R}_2{R}_3{R}_4---\left(16\right)$

时，可获得最大对比

其被简化成

$T_4^2{R}_M=4R_2{R}_3{R}_4.---\left(17\right)$

做为一特定的例子，令物体120为一裸玻璃表面，其具有4％反射、50％的参考表面(R2)反射率、且对于R3及R4相同的反射率、以及介电涂层，以对于R1达成0％的反射率。在此例子中，

R₁＝0

R₂＝50％

R₄＝R₃               (18)

R_M＝4％

相应于干涉条纹对比V＝1，

${2R}_4^2-{(1-R_4)}^{2}4\%=0---\left(19\right)$

其具有解R₄＝12.4％。更高反射率物体可由较高的分光器反射率获利。例如，R₃＝R₄＝28％的分光器反射率对于30％的物体反射率提供最大的对比。

在上面的计算中，已假定除了测量光束及二参考光束A及B之外没有其它反射到达仪器成像系统。类似于图10及11所示的例子，在光学总成270中的参考元件252及分光器272可被倾斜以减少或消除不想要的反射并且导致平行的输入及输出光束。

参阅图13，在一些实施方式中，光学总成220包括倾斜角度α的平面平行的分光器272与倾斜大约等于2α的角度的参考元件252。在此例中，来自表面R3及R4的不想要的单一表面的反射未平行于输出光束路径返回。

仍有来自表面R4的非计划中的光束从表面R2反射并且再次从表面R4进入至输出光束。同样仍有来自表面R3的非计划中的光束从表面R2反射并且再次从表面R3进入至输出光束。当照明是低空间及时间同调时，这些光束没有正确的路径长度以产生干涉；因此，它们仅将背景光加到影像且不在其它方面扰乱要求的干涉图案。净效应在相对干涉条纹对比中减少例如20％。

参阅图14，在一些实施方式中，经由修改干涉仪100以使用在成像路径之外的一场镜302取代使用准直器114而提供干涉仪300。在此关键路径中没有准直器而使物体120直接成像于照相机108。场镜302例如可被定位于光源110及照明分光器112之间。因为场镜302未参与物体120及参考元件104的成像，场镜302不需要具有与准直器114相同的质量，而仍使得干涉仪300可获得准确的测量。场镜210可为例如绕射或菲涅耳(Fresnel)透镜。

在图1所示的例子中，为了测量大的物体120的表面特性，可需要使用大的准直器114以提供足够大的光场。大尺寸、高质量的准直器是昂贵的。在图14所示的例子中，经由使用大口径场镜300，其显然比大口径准直器114便宜，而在制造干涉仪300时可大幅地节省成本。

图4、10及11所示的干涉仪也可被修改以使用场镜取代准直器。

上述干涉仪可被使用以测量许多类型的物体表面的特性，例如在硬盘驱动中使用的玻璃盘片的盘片平坦度及盘片波纹。玻璃盘片具有前及后反射表面。上述干涉仪使用光源，其具有低空间同调，使得来自后反射表面的反射对于由从前盘片表面反射的测量光及从参考表面反射的参考光间的干涉产生的干涉图案具有可忽略的贡献。干涉仪也可被用以测量其它类型的盘片媒介表面。

其它的特征、特点及优点是位于本发明的范畴内。例如，在图1中，可提供底座以支撑测试物体102。底座可为可调整且被配置以定位测试物体102以限定测量光束128的光学路径长度，其大体上等于参考光束126的光学路径长度。图2的楔形参考元件210的定向可被翻转，使得参考元件的PR表面220面对干涉仪分光器212。图8的参考元件192和图9的参考元件226的方向可以被翻转使得参考元件的PR表面面对干涉仪分光器。在图4的干涉仪次总成140中的参考元件及干涉仪分光器与图7的干涉物镜174的配置可由其它配置取代，诸如图8、9、10、11、12A、12B及13所示者。参考元件及干涉仪分光器的倾斜角度可与上述者不同。参考元件及干涉仪分光器的部分反射表面可被形成在光学元件内的各自的内界面，且不必然需要是在如图1-4及7-14所示的外表面。

Claims (51)

1.一种使用于干涉仪中的光学总成，所述光学总成包括：

第一及第二部分反射表面，其沿着光轴定位且定向于向着所述光轴的不同的非法线角，

其中，所述第二部分反射表面被配置以：

i)接收沿着所述光学路径传递通过所述第一部分反射表面的光；

ii)将接收光的一部分传送至测试物体以限定用于所述干涉仪的测量光；及

iii)将接收光的另一部分朝向所述第一部分反射表面反射回去以限定用于所述干涉仪的参考光，其中，所述参考光在所述第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来回的路径。

2.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述非法线角使得参考光在所述第二部分反射表面将所述参考光沿着所述光轴反射回去之前通过所述第一及第二部分反射表面之间至少一次。

3.如权利要求2所述的光学总成，其中，所述非法线角使得所述参考光在其中一次通过其间的期间以垂直入射接触其中一个所述部分反射表面。

4.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述第一部分反射表面的非法线角是所述第二部分反射表面的非法线角的两倍。

5.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述第一部分反射表面的非法线角是所述第二部分反射表面的非法线角的一又二分之一倍。

6.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述第二部分反射表面被配置以结合在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后的测量光、与在参考光至少一次来回行进于所述第二与第一部分反射表面之间之后的参考光。

7.如权利要求1所述的光学总成，包括：第一光学元件，其具有第一部分反射表面；及第二光学元件，其具有第二部分反射表面。

8.如权利要求7所述的光学总成，其中，所述第一及第二光学元件，各自具有另一表面，所述表面具有一抗反射涂层。

9.如权利要求7所述的光学总成，其中，所述第一部分反射表面与所述第二部分反射表面间隔一距离，所述距离大于捕获在参考光及测量光之间的干涉图案的成像模块的焦深。

10.如权利要求9所述的光学总成，其中，干涉仪的光学元件被定位使得在成像模块的焦深内，参考光不通过玻璃。

11.如权利要求7所述的光学总成，其中，所述第一光学元件具有另一表面，所述表面具有一抗反射涂层。

12.如权利要求11所述的光学总成，其中，所述第一光学元件被定向，使得所述第一部分反射表面面向所述第二光学元件的所述第二部分反射表面，且所述第一光学元件的抗反射涂层背向所述第二部分反射表面。

13.如权利要求12所述的光学总成，其中，所述第一部分反射表面及所述第二部分反射表面间的距离大于用以捕获在参考光与测量光之间的干涉图案的成像模块的焦深。

14.如权利要求13所述的光学总成，进一步包括：色散补偿器，其被定位在所述第一光学元件及所述第二光学元件之间以补偿在测量光及参考光间的相位差，色散补偿器被定位成更靠近第三光学元件且位于成像系统的焦深之外。

15.如权利要求11所述的光学总成，其中，所述第一光学元件被定向，使得所述第一部分反射表面背向所述第二光学元件的所述第二部分反射表面，且所述第一光学元件的抗反射涂层面向所述第二部分反射表面。

16.如权利要求1所述的光学总成，进一步包括：一第三部分反射表面。

17.如权利要求16所述的光学总成，其中，所述第三部分反射表面被配置以：

i)接收沿着所述光学路径传递通过所述第一部分反射表面的光；

ii)将部分的接收光传送至测试物体以限定测量光；及

iii)将另一部分的接收光朝向所述第一部分反射表面反射回去以对所述干涉仪限定第二参考光，其中，第二参考光在所述第二及第一部分反射表面间行进至少一次来回的路径。

18.如权利要求7所述的光学总成，其中，所述部分反射表面分别处于所述光学元件的外表面上。

19.如权利要求7所述的光学总成，其中，所述部分反射表面形成在所述光学元件内的各自的内界面。

20.如权利要求1所述的光学总成，进一步包括：准直器，其接收来自光源的光并将准直光投射至所述第一部分反射表面。

21.如权利要求1所述的光学总成，进一步包括：场镜，其接收来自光源的光并将光投射至所述第一部分反射表面，在参考光被所述第一部分反射表面反射之后及参考光被检测器检测之前，场镜被定位于参考光行进的成像路径之外。

22.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述第一部分反射表面具有范围约10％至约30％的反射率。

23.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述第二部分反射表面具有范围约40％至约60％的反射率。

24.一种干涉系统，包括：

如权利要求1所述的光学总成；及

干涉仪基座，包括光源及检测器；

其中，光源被配置以产生通过所述第一部分反射表面传递且由所述第二部分反射表面接收的光，且

其中，所述检测器被配置以接收包括测量光及参考光的结合光并提供关于结合光的空间分布的信息。

25.如权利要求24所述的干涉系统，其中，所述干涉仪基座进一步包括孔径光阑，所述孔径光阑被定位以阻挡来自所述干涉仪基座的光，其沿着所述光轴接触所述第一部分反射表面并且从所述第一部分反射表面反射回到所述干涉仪基座。

26.如权利要求24所述的干涉系统，其中，所述干涉仪基座进一步包括孔径光阑，所述孔径光阑被定位以阻挡来自所述干涉仪基座的光，其沿着所述光轴接触所述第一部分反射表面并且从所述第一部分反射表面反射回到所述干涉仪基座。

27.如权利要求24所述的干涉系统，进一步包括用以支撑测试物体的底座。

28.如权利要求27所述的干涉系统，其中，所述底座被定位以限定测量光的光学路径长度，其大体上等于参考光的光学路径长度。

29.如权利要求24所述的干涉系统，进一步包括移相器，用以改变在测量光及参考光间的光学路径长度的差。

30.如权利要求29所述的干涉系统，其中，所述移相器机械地将所述干涉仪基座耦合至所述光学总成且被配置以改变所述光学总成与测试物体之间的距离，以改变测量光的光学路径长度。

31.如权利要求24所述的干涉系统，其中，光源是宽带光源，用以提供低同调干涉术测量。

32.如权利要求24所述的干涉系统，其中，光源是窄带激光光源。

33.如权利要求24所述的干涉系统，其中，光源可在用于低同调干涉术的宽带模式及用于高同调干涉术的激光模式间进行调整。

34.如权利要求33所述的干涉系统，其中，光源是激光二极管，其当以低于其激光门限值的电流被驱动时在宽带模式中操作，且当以高于其激光门限值的电流被驱动时在激光模式中操作。

35.如权利要求1所述的光学总成，其中，所述第一部分反射表面包括非平面的表面。

36.一种干涉方法，包括：

沿着光轴定位第一及第二部分反射表面；

相对于所述光轴以不同的非法线角导向第一及第二部分反射表面；

沿着平行于光轴的方向将光通过所述第一部分反射表面传送至所述第二部分反射表面；

在所述第二部分反射表面处，将第一部分的光传送至测试物体以限定测量光，并且将第二部分的光朝向所述第一部分反射表面反射回去以限定参考光；及

在所述第一部分反射表面处，将第二部分的光的一部分朝向所述第二部分反射表面反射，使得参考光在所述第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来回的路径。

37.如权利要求36所述的方法，其中，导向所述第一及第二部分反射表面包括将所述第一及第二部分反射表面导向于不同的非法线角，以使得参考光在所述第二部分反射表面沿着所述光轴将参考光反射回去之前至少一次通过所述第一及第二部分反射表面之间。

38.如权利要求36所述的方法，其中，导向所述第一及第二部分反射表面包括将所述第一及第二部分反射表面以不同的非法线角定向，以使得参考光在其中一次通过其间的期间以垂直入射接触其中一个所述部分反射表面。

39.如权利要求36所述的方法，包括：在所述第二部分反射表面处，结合在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后的测量光、与在其至少一次来回行进于第二与第一部分反射表面之间之后的参考光。

40.如权利要求39所述的方法，包括提供关于结合光的空间分布的信息。

41.如权利要求36所述的方法，包括提供孔径光阑，阻挡沿远离所述第二部分反射表面的方向从所述第一部分反射表面被反射的光。

42.如权利要求36所述的方法，包括定位具有反射表面的测试物体以限定测量光的光学路径长度，其大体上等于参考光的光学路径长度。

43.如权利要求42所述的方法，包括改变测量光与参考光之间的光学路径长度的差。

44.如权利要求43所述的方法，包括改变光学总成与测试物体之间的距离以改变测量光的光学路径长度，所述光学总成包括所述第一及第二部分反射表面。

45.如权利要求36所述的方法，进一步包括将具有第一部分反射表面的光学元件导向于所述光学元件的外表面，使得具有所述第一部分反射表面的所述光学元件的外表面面向所述第二部分反射表面。

46.如权利要求36所述的方法，包括不通过任何玻璃元件而将参考光从所述第一部分反射表面传送至所述第二部分反射表面。

47.如权利要求36所述的方法，包括将第二部分反射表面定位于距所述第一部分反射表面一段距离，所述距离大于检测在测量光与参考光之间的干涉图案的成像模块的焦深。

48.如权利要求47所述的方法，包括使参考光通过色散补偿器，其补偿由于参考光与测量光行进的光学路径长度之间的差造成的测量光与参考光之间的相位的差，并且将所述色散补偿器定位在所述成像模块的焦深之外。

49.如权利要求36所述的方法，进一步包括：

沿着所述光轴定位第三反射表面；

将所述第三部分反射表面导向以平行于所述第二部分反射表面；

在所述第三部分反射表面处，将由所述第一部分反射表面传送的光的第三部分传送至测试物体以限定测量光，并且将光的第四部分朝向所述第一部分反射表面反射回去以限定第二参考光；及

在所述第一部分反射表面处，将光的第四部分的一部分朝向所述第二部分反射表面反射，使得第二参考光在所述第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来回的路径。

50.如权利要求36所述的方法，其中，将光传送通过所述第一部分反射表面包括将准直光传送通过所述第一部分反射表面。

51.如权利要求36所述的方法，进一步包括在将光传送通过所述第一部分反射表面之前将光传送通过场镜，并且在参考光被所述第一部分反射表面反射之后及参考光被检测器检测之前将场镜定位于参考光行进的成像路径之外。

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