CN1206511C - 干涉仪和采用干涉仪的测量方法 - Google Patents

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Abstract

提供了高精度快速初步与主要测量的干涉仪和方法。激光与白光连续导入同一个干涉仪室。激光从激光源导入，利用CCD与个人机检测以基准镜作为基准的干涉条纹。把干涉条纹置成预置值，调节工件位置。然后导入白光，移动直角移动架，检测以基准镜作为基准的干涉条纹，执行工件的初步测量。再导入激光，检测以基准镜作为基准的干涉条纹，作工件的主要测量。

Description

干涉仪和采用干涉仪的测量方法
本发明涉及一种干涉仪和采用这种干涉仪的测量方法，尤其涉及测量顶端标准如块规或量棒的长度的干涉仪。
在对用于校正各种类型的测量设备的块规和量棒进行高精度测量时，采用传统的的干涉仪。这种干涉仪是这样工作的，首先在半个波长或更小的精度下对顶端标准进行初步测量而算出干涉条纹的整数N、用激光干涉法通过主测量获得干涉条纹比值ε，最后由等式L＝λ/2(N+ε)确定顶端测量的长度L。
在半个波长或更小的精度下测量顶端标准时，在具有多波长的场合进行所谓的重合法，对每一波长进行初步测量，并使用不依赖特定波长而重合的值。例如，采用Twyman-Green这样一种干涉仪。
然而，即使在采用重合法的时候，也必须采用与激光干涉仪分开的比较仪，并且必须进行分开的测量，而且这样又需要使初步测量和主测量(主测量是用激光干涉仪进行的测量)之间的温度平衡(通过使物体放置后停止工作几个小时，去除工件(顶端测量)内因人体温度和环境温度而产生的温度的非均匀性。这里，工件指的是要测量的物体)。这样就使得测量步骤变得复杂，因而效率低。
另外，在进行高精度的测量时，还需要考虑因顶端测量按照线性膨胀系数的伸长而需要进行的温度补偿。但是，如果初步测量和采用激光干涉进行的主测量是分开进行的，则用于初步测量的温度计中产生的误差和用于主测量的温度计中产生的误差可能是不同的，这样就增加了确定干涉条纹整数N的难度。
本发明的目的是解决上述问题，并提供一种能够连续在同一干涉仪内进行初步测量和主测量、并且能够快速、高精度测量如顶端尺寸的工件的干涉仪，以及采用这样一种干涉仪的测量方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种用激光干涉法测量工件尺寸的干涉仪，它包含激光光源、白光光源、将激光从所述激光光源引导到工件上的第一光学组件以及用作激光干涉的基准的第一基准面、用来将白光从所述白光光源引导到工件上的第二光学组件以及用作白光干涉的基准的第二基准面、调整工件相对于所述第一基准面的倾斜的工件调整装置、检测所述第一光学组件产生的激光干涉条纹和所述第二光学组件产生的白光干涉条纹的干涉条纹检测装置，以及控制所述第一和第二光学组件、工件调整装置、干涉条纹检测装置的控制装置，用以采用激光干涉的方法连续进行工件的位置调整、用白光干涉的方法对工件进行初步测量，以及用激光进行工件的主测量。本发明中，所述第一光学组件包括一个将来自激光光源的激光束分离成入射到所述工件上的激光和入射到所述第一基准面上的激光的第一分束器，而所述第二光学组件包括将来自所述白光光源的白光分离成入射到所述工件上的白光和入射到所述第二基准面上的白光的第二分束器。本发明中，在所述激光光源和所述第一光学组件中的所述第一分束器之间的光路上配备一个打开或关闭激光的第一光闸，以及在所述白光光源和所述第二光学组件中的所述第二分束器之间的光路上配备一个打开或关闭白光的第二光闸，并且所述控制装置在工件的位置调整和主测量期间通过使第一光闸打开而所述第二光闸关闭而引导激光，在所述初步测量期间通过使所述第一光闸关闭而所述第二光闸打开而引导白光。
采用进行位置调整和工件主测量的第一光学组件以及在同一干涉仪中进行工件初步测量的第二光学组件，可以在相同的环境条件下进行初步测量和主测量，可以防止在初步测量和主测量之间产生温度差，并且可以对工件的测量做到既快、精度又高。
所述第一和第二分束器最好是单个的分束器。采用单个的分束器，可以简化结构，并且由于采用了一条共同的光路，同时使初步测量的精度提高。
本发明中，最好还具有一个将从分束器辐射的激光引导到所述第一基准面上以及将从所述分束器辐射的白光引导到所述第二基准面上的装置。采用这样的装置，确保了第一和第二基准面不同时激光或白光引导到各个基准面上，并且会产生干涉。
本发明还包含一个改变从所述第二分束器到所述第二基准面的光学距离的移动装置和检测所述移动装置的移动距离的装置。通过改变光学距离，可以在对应于工件的两个顶端的位置产生白光干涉，并且通过检测距离的变化，可以初步测量是工件尺寸的两个顶端之间的距离。根据该初步测量，计算干涉的级别。
所述第二基准面最好是一个平面镜。
所述第二基准面最好是一个角隅(corner cube)形反射面。通过将基准面的形状形成为角隅形状，可以使入射的白光反射到入射的方向，并且即使在表面因移动而出现小的变化时，也能产生干涉。
本发明中，所述第一和第二基准面也最好是同一表面。使第一基准面和第二基准面为一个面可以简化结构。
本发明还提供了一种采用干涉仪测量工件的方法，该方法包含下述步骤：
将所述工件放置在所述干涉仪内；将激光引入到所述干涉仪内，并采用激光干涉的方法调整所述工件相对于一个基准面的位置；将白光引入到所述干涉仪内，并采用白光干涉的方法对所述工件进行初步测量；以及将激光引入到所述干涉仪内，并用激光干涉的方法对所述工件进行主测量。位置的调整、初步测量和主测量是在同一干涉仪中连续进行的。在同一干涉仪中进行初步测量和主测量，只需一次设定工件数，使得工件的测量可以快速和高精度地进行。
调整工件的位置的所述步骤最好包含下述步骤：对所述基准面和工件的针孔图象之间的位置差异进行粗调，以及将由所述激光干涉产生的所述工件表面的干涉条纹调至一预置值的细调。
图1是本发明第一个实施例的结构方框图。
图2是第一个实施例的整个过程的流程图。
图3是图2中所示自动校平过程的详细流程图。
图4A说明图3中所示过程所采用的光学组件(例如用于粗调的情况)。
图4B说明图3中所示过程所采用的光学组件(例如用于细调的情况)。
图5是说明基准镜面的针孔图象和具有斜坡的工件表面的图。
图6是说明基准镜面的针孔图象和不具有斜坡的工件表面的图。
图7是图2中所示初步测量的详细流程图。
图8是图7中所示过程的模型图。
图9是图2中所示主测量过程的详细流程图。
图10是本发明另一个实施例的结构框图。
图11是本发明进一步的实施例的结构框图。
图12是本发明又一个实施例的结构框图。
下面参照附图说明本发明的较佳实施例。
图1是本发明第一个实施例的结构框图。本实施例中的测量是首先用激光调节工件(顶端标准)的斜度、用由各种波长组成的白光干涉的方法对工件进行初步测量，随后用激光干涉的方法进行主测量来进行的。激光干涉部分和白光干涉部分置于同一干涉仪中。
本例中，采用频率稳定的He-Ne激光光源10作为激光干涉的激光。在分束器12处，将来自光源10的波长为633nm的激光分裂成用作激光干涉仪的激光和用作干涉条纹计数干涉仪的光。这里，数字干涉条纹计数干涉仪对工件进行初步测量，这将在后文中详述。另外，要求激光光源是可拆卸的，使得即使在因损坏或其他原因必须更换激光光源时，也能容易地调整光轴。
用于激光干涉仪的来自分束器12的激光通过传输光纤14传送到干涉仪部分。用于数字干涉测量的来自分束器12的激光通过传输光纤16传送到数字干涉测量部分。
传输光纤14和16是一种单模光纤，它含有一个相对于543到633nm的波长带的偏振面，在端面上配有准直透镜。传输光纤14和16传送作为平行光而引入的激光。光纤和准直透镜用FC型连接器连接起来。传输光纤14的发送端配备有一个光隔离器(light isolator)18。
光隔离器18包含两个偏转元件(偏转片和λ/4波片)。用光隔离器18中的两个偏振元件将从传输光纤14传送的线性偏振激光变换成圆形偏振光，而光隔离器18具有减小逆光(reversed light)的效果。在光隔离器18的端部有一个旋转散射片20。
旋转散射片20用电机22使具有良好透明度的光散射介质如毛玻璃旋转。旋转速度设置在足以使得在视频速率(video rate)下得到图象时因散射片的表面粗糙而出现的斑点均化。来自旋转散射片20的激光由透镜24聚焦，随后引入到用作第一光闸的光闸25(也称为专用光闸1)。光闸25用来决定是否将激光引入到干涉仪室(booth)100内，并且在初步测量期间是关闭的，将在下面描述。光闸25的开、闭操作是由从个人计算机68提供到驱动器80的控制信号而自动执行的。穿过光闸25的激光被引入到针孔26和分束器32。
卤素灯28用作白光光源，它与激光光源10是分开的。来自卤素灯28的白光被引入到光闸29(也称为专用光闸(2))，光闸29用作第二光闸。光闸29用来决定是否要将白光引入到干涉仪室100内，在初步测量期间开启用来引入白光。穿过光闸29的白光随后被引入到针孔30内，接着再引入到分束器32中。光闸29的开、闭也是通过将控制信号从个人计算机68提供到驱动器82来自动进行的。
分束器32或者呈片状，或者是一个立方体，让激光通过而反射白光。透射光与反射光的比值是1∶1或2∶1。
来自分束器32的激光在准直透镜34处变换成平行光，在反射镜36处反射，随后引入工件室(work booth)200。来自分束器32的白光也由准直透镜34变换成平行光，在反射镜36处反射，并引入到工件室200。
工件室200有一个安置架，上面可以安装多个工件。图中，有三个工件安装在安置架上，分别标记为工件1、工件2和工件3。还配备有用作第一分束器而将激光分成用作工件的激光和用作基准镜面42(下文中说明)的第一分束器的分束器38、工件选择反射镜52以及用作第一基准面而作为激光干涉的基准的基准镜面42(基准镜面)。正如从图中可以看到的那样，分束器38还用作第二分束器，用来将引入工件室200的白光分成用于工件的白光和用于基准镜面50的白光。即，在本实施例中，第一分束器和第二分束器构成同一个分束器，并且激光和白光从波叠加分束器(wave addition beam splikter)32到分束器38的光路是共同的。
工件顶端标准的截面形状可以是如尺寸为9mm*35mm的用于块规的矩形形状，或者是直径为22mm的用于量棒的圆形形状。环绕用于测量的工件底面的台板(platen)(底板)54的截面形状是直径为45mm的圆形。台板54用来得到工件底面一侧的干涉条纹数据，并且可以通过测量台板表面的位置来测量工件底面的位置。工件安置架构成使得3个工件中的每一个工件相对于基准镜面42的倾斜角可以通过使它们沿水平和垂直方向旋转来调节。工件的支承点可以是处在相对于工件的停靠尺寸(call dimension)的Airy点或Bessel点，也可以将工件支承在其他的任意点处。也可以将工件放置在使得从分束器38到工件和基准镜面42的中心位置的光学距离是共轭的。对于工件相对于基准镜面42的角度调整，采用PZT(未图示)进行粗调和细调的手动校平(manualleveling)66。角度细调是通过将控制信号从个人计算机68输出到PZT驱动器86、88和90而自动进行的。当然，除了采用人工调节以外，也可以用个人计算机68自动进行粗调。下面将更详细地说明工件的校平。
还包括一个工件选择镜面52，用来从多个放置的工件(图中示出了三个工件)中选择出一个工件作为测量目标。工件选择镜面52沿图中箭头所示的方向运动使激光通过分束器38引导到一个工件上。工件选择镜面52的运动是用来自个人计算机68的指令驱动电机驱动器102来完成。
分束器38将一部分激光通过透射而引导到工件上，并将其余部分的激光引导到基准镜面42上。分束器38呈5到10分倾斜的楔形，以避免受反向反射而引起的干涉条纹的影响。同时，为了避免受楔形角产生的散射的影响，在下一个分束器38的地方，有一个相位补偿片56，它由同一材料制成，具有相同的厚度，并且具有与分束器38相同大小但方向相反的楔形角。
基准镜面42(基准镜面1)是一个镜面，用作激光干涉测量的基准面。基准镜面42的支架有一个功能，是在组装装置时对光轴进行调整期间调整基准镜面42的倾斜角。基准镜面42由基准镜面42背面上提供的PZT 44沿平行于图中箭头所示的方向运动，而使干涉条纹移动。基准镜面42的移动距离是2.5μm(与8个条纹周期对应，在4次平行移动以后总的移动距离等于0.3μm，而在采用633nm的激光时，移动0.3μm使条纹移动一个周期)。PZT 44是用个人计算机68通过驱动PZT驱动器92来驱动的。
光路切换镜面40是一个在激光的光路与白光的光路之间切换的镜面。用个人计算机68驱动传动装置驱动器98，光路切换镜面改变图中位置A和位置B之间的位置。在初步测量期间，将光路切换镜面40设置在位置B处，从而将来自分束器38的白光通过镜面46引导到角隅棱镜CC1上。主测量期间，将光路切换镜面40设置在位置A上，而将激光从分束器38引导到基准镜面42上。
工件室的构造如上所述。另外，干涉仪室100还配备有一个角隅棱镜移动架48(用来移动角隅棱镜CC1)、用作白干涉光基准的第二基准面的基准镜面50(基准镜面2)和准直透镜58。
角隅棱镜移动架48使用于白光干涉仪的角隅棱镜CC1在图中所示的点C和D之间移动，以改变从分束器38到第二基准面的光学距离。同时，角隅棱镜移动架48还配备有数字干涉测量角隅棱镜CC2，用来测量移动架的移动距离。角隅棱镜移动架48是通过将控制信号从个人计算机68提供到电机驱动器100来自动驱动的。角隅棱镜移动架48的移动是用来自传输光纤16的数字干涉测量激光来测量的。具体说来，由光接收元件53接收透过分束器51并由角隅棱镜移动架48上的角隅棱镜CC2反射的激光与角隅棱镜CC反射的激光的干涉光，并测量其移动距离。
准直透镜58接收白光或作为平行光而入射的激光，并将接收的光聚焦到针孔60内。
干涉箱100的构造如上所述，其特征是，它在同一干涉仪箱100内具有激光和白光两条光路。用于激光的第一光学组件包含光纤14、光闸25、分束器32、准直透镜34、镜面36、分束器38和工件选择镜面52。用于白光的第二光学组件包含第二光闸29、分束器32、准直透镜34、镜面36、分束器38、工件选择镜面52、光路切换镜面40、镜面46和角隅棱镜CC1。
下面说明干涉条纹检测部分。干涉条纹检测部分包含针孔60、自动准直部分62、CCD 64和个人计算机68。针孔60在用于白光干涉的1.5mm的直径与用于激光干涉的0.6mm的直径之间转换。自动准直部分62包括光源、透镜和十字线，并且用来在必须进行光轴调节时检查和调节基准面和块规之间的倾斜角。在本实施例的自动校平、初步测量和主测量期间，不采用自动准直部分62。CCD 64是一个观察个人计算机68的监视器上的干涉条纹和针孔图象的照相机，并且可以在必要时方便地用目镜来代替。
干涉仪室100有一个阻挡来自整个干涉仪的干扰的热绝缘结构。为了防止热绝缘特性变坏，只有很小一部分是采用了能够透过热绝缘室内外的金属。具体说来，只有穿透金属(penetrating metal)集中在如用于干涉补偿的传感器软线(sensor cord)，以及如工件安置架等用于在干涉条纹观察条件下从外部进行细调的机构。同时，这些金属还配有低热导构件，减小了从每个调节拨盘流入干涉仪的热量。
工件室200是用金属制成的，从而能够使工件上的温度分布均匀。基准镜面42还放置在工件室200内，从而避免在分束器38到基准镜面42的光学距离和从分束器38到工件测量面的光学距离之间产生差异。所采用的金属是高热导金属，如铜或铝。
温度计72、湿度计76和气压计78是测量周围环境的传感器。温度计包含温度计多路复用器(thermometer multiplexer)70、温度计72和标准电阻74，并且测量工件以及干涉仪内的温度，并将结果提供给个人计算机68。湿度计76测量干涉仪内的湿度，并将结果提供给个人计算机68。气压计78测量干涉仪内的空气压力，并将结果提供给个人计算机68。
本实施例的工件(顶端标准)测量过程的整个流程图如图2所示。首先，选择要测量的工件(顶端标准)(S101)。具体说来，这一选择是用来自个人计算机68的指令将工件选择镜面52移动到所要求的工件位置来进行的。随后，使光闸25打开，并使光闸29关闭，使激光进入工件室200。同时，将光路切换镜面40设置在位置A处，用激光干涉光进行工件的自动校平(S102)。自动校平使得工件表面几乎与基准镜面42的镜面平行。如上所述，这包含粗调步骤和细调步骤。在完成工件的自动校平以后，光闸25关闭，而光闸29打开，使白光从卤素灯28引入干涉室100。同时，将光路切换镜面40设置在位置B处，并用白干涉光进行初步测量(S103)。在初步测量期间测量工件的尺寸。随后，再次打开光闸25，并关闭光闸29，将激光引入工件室200，并且同时，将光路切换镜面40设置在位置A处，并进行工件的主测量(S104)。在进行工件的主测量时，计算干涉条纹比值ε，并用干涉级N以及该干涉条纹比值ε，高精度地计算工件尺寸L。图2中进行的每一个过程是由个人计算机68执行安装程序而自动进行的。
图3示出如图2中S102所示的自动校平过程的详细流程图。首先，打开光闸25，关闭光闸29。将光路选择镜40置于位置A，并把光学组件切换至自动校平粗调(为便于说明，把这种粗调称为“用于自动准直仪”，而从其上的细调称为“自动准直”。然而应当指出，这些调节与图1所示的自动准直仪部分62和在该自动准直仪部分62上执行的基准镜42的光轴调节是不同的)(S201)。
图4A与4B分别示出自动校平的粗细调的光学组件。在细调光学组件中，图像聚焦至宽聚焦范围的摄像机CCD64，而在粗调光学组件中，图像则聚集至窄聚焦范围的CCD64。
再参照图3，在光学组件切换至粗调(用于自动准直仪)后，自动准直仪图像(基准镜42反射的激光源和工件端面反射的激光源的小孔成像)从CCD64传入个人计算机68(S202)。在个人机68处，分析自动准直仪图像的亮度，产生如图5和6所示的自动准直峰图，并计算出基准镜42与工件表面自动准直仪图像的峰位置(坐标)(S203)。在组装时(最好应用自动准直仪部分62每年重调一次)，虽然把基准镜42的自动准直仪图像调节到总是位于中心，如图5所示，但是工件表面(没有环形台板54的端面)的自动准直仪图像却在中心以外的位置上产生峰值，当工件置于工件安置架上时，具体位置取决于工件的倾斜状态。另一方面，当工件相对于基准镜42的镜面不倾斜时，两个峰值位置就重合于中心，且中心变高，如图6所示。
于是，确定基准镜42与工件表面的自动准直仪图像的峰位置是否重合(S204)，若不重合，则计算出工件表面相对于基准镜42的峰位置的峰位置，即这两个峰位置(θx，θy)的差值。工件安置架构成可以水平与垂直两个方向转动。因为预先确定了每个支承点的操纵点并能预先算出该峰位置相对于操纵量的偏移量，所以很容易根据两峰值(θx，θy)之差算出水平与垂直两个方向的操纵量。于是用这一操纵量驱动工件安置架，用(θx，θy)校正该位置，使两峰值重合(S218)。用这种方式，基准镜与工件表面的自动准直仪图像相重合，从而完成自动校平的粗调。
接着，过程进到自动校平的细调。首先，把光学组件切换至如图4B所示的光学组件作细调(用于干涉)(S205)，并把激光干涉条纹图像输入个人机68(S206)。干涉条纹图像是重复的亮暗图形。因为在工件位置粗调处理后的调节仍显然不充分，所以干涉条纹可能是倾斜的(图像中右侧更高或左侧更高)，或者干涉条纹数在视野中可能太多(干涉条纹的节距窄)或太少(干涉条纹的节距宽)。为进行校正，用已知的图像处理方法从干涉条纹图像中提取干涉条纹图形，计算出干涉条纹的斜率与节距并将它们存入存储器(S207)。这种干涉条纹处理是在工作表面的干涉条纹(在图像中有台板表面与工件表面的干涉条纹)上进行的。
接下来，要确定计算与存储的干涉条纹的斜率与节距是否满足预置条件(水平方向，节距数等于4～5)(S208)。若它们满足这一预置条件，自动校平处理就告完成。另一方面，若它们未满足预置条件，则将工件安置架倾斜Δy(S209)。至于干涉条纹的节距，当在基准镜42与工件表面之间无相对倾斜时(当它们平行时)，由于无法从CCD64捕获的观察图像中看到干涉条纹，因为干涉条纹的亮暗作为一个点而使整个观察表面具有同样的亮度，所以干涉条纹是通过稍微倾斜工件表面而产生的。然而，鉴于干涉条纹特性，将观察到同样的条纹，而与工件表面的倾斜方向无关。换言之，例如若将工件表面在长度方向设置得很长，则在倾斜工件表面的情况下，工件表面的上部就高于基准镜42的镜面，而在相反的情况下，如果倾斜的绝对值相同，则出现的干涉条纹相同。在稍微改变工件表面时，通过观察干涉条纹数的增或减，就可确定工件表面原来的倾斜方向。这同样适用于干涉条纹的倾斜。考虑到这些因素，在该步骤中，工件以垂直方向倾斜Δy，稍微改变一下干涉条纹节距。在稍微倾斜工件而改变干涉条纹后，捕获作出这一改变后的干涉条纹图像(S210)，并再次计算改变后的干涉条纹的斜率与节距(S211)。同样地，使工件安置架倾斜Δx(水平方向)而取得干涉条纹图像(S212和S213)，并计算改变后的干涉条纹的斜率与节距(S214)。
通过比较S207和S211的结果，计算出工件表面相对于基准镜42的镜面在垂直方向上的斜度，并计算出在垂直方向上的倾斜校正量Cy。通过比较S207和S214的结果，计算出工件表面相对于基准镜42的镜面在水平方向上的斜度，并计算出在水平方向上的倾斜校正量Cx(S215)。基于这样获得的校正量(Cx，Cy)，个人机向驱动器86提供控制信号(在工件1的情况下)，细调工件位置。然后从S206开始重复该过程，检查干涉条纹的斜率与节距是否满足预置条件，若已满足，就完成了自动校平过程。
个人机68按程序自动地执行S202～S204和S217～S217的全部粗调处理及S206～S216的细调处理，但是也可由操作员以手动方式执行粗调处理，而利用个人机68只作自动的细调处理。
图7示出在图2中S103所示的自动校正处理后执行的初步测量处理的详细的流程图。首先，关闭光闸25，打开光闸29，把白光引到干涉室100上，同时，把光路切换镜40置于位置B，把来自分束器38的反射光导入直角CC1(S301)。接着，把直角移动架48移至图1所示接近位置D的某一位置，并检测对应于台板54的位置上的白光干涉条纹(S302)。把直角移动架48移至靠近位置D的某一位置，目的在于使从分束器38到基准镜50的光距与从分束器38到台板54的光距相一致。当这两个光距一致时，就产生了台板54的白光干涉条纹。从干涉条纹图像中检测出白光干涉条纹信号，并把直角移动架48置于干涉条纹变成最暗的位置(本例中，为便于说明，假定这种状况出现在位置D上)。
然后在直角移动架48移至图1所示靠近位置C的某一位置，并检测对应于工件端面(台板54不成环形的表面)的位置上的白光干涉条纹(S303)。把直角移动架48移至靠近位置C的某一位置，是为了使从分束器38到基准镜50的光距与从分束器38到工件端面的光距相一致，当这两个光距一致时，便产生工件端面的白光干涉条纹。从干涉条纹图像中检测白光干涉条纹信号，并把直角移动架48置于干涉条纹最暗的位置上(为便于说明，假定这种状况出现在位置C上)。
当确定了对应于台板54的位置(位置D)和对应于工件端面的位置(位置C)时，利用干涉条纹计数法测量C与D之间的距离，即直角移动架48所移动的距离(S304)。具体地说，光接收单元53接收了直角移动架48上配备的另一个直角CC2所反射的激光的干涉光和直角CC所反射的激光，并根据相位差测出C与D的距离。因为工件尺寸等于直角移动架48移动距离(C与D的距离)的两倍，所以通过把测出的C与D的距离加倍即可计算出工件的初步测量尺寸(S305)。因为与激光不同，白光所包含的波长范围很大，也不同于激光，只有在从分束器38到基准镜50的距离几乎等于(差值在1μm以内)在分束器38与测量表面(台板53或工件端面)之间的距离时才会出现干涉条纹，而且能执行高精度的初步测量。
图8示出的模型图用于说明上述的初步测量。图9从上到下示出了台板54与工件端面各自的白光干涉条纹、检测信号、用于产生基板54与工件端面各自的干涉条纹的直角移动架48的位置(位置D与C)，以及干涉条纹计数法中的检测信号。直角的移动距离CD等于L/2，其中L是工件的尺寸和基板54到端面的距离。
图9示出图2中步骤S104的详细流程图，它是完成了初步测量后的主测量过程。首先，打开光闸25，关闭光闸29，把激光导入干涉仪室100，同时，把光路切换镜40置于位置A，将激光引到工件与基准镜42上(S401)。然后，把以基准镜42作为基准而产生的激光干涉条纹送入个人机68并分析该图像，以便计算干涉条纹比值ε(S402)。干涉条纹比值ε是基于在基板54区域产生的干涉条纹与CCD64获得的干涉条纹图像中在工件端面区域产生的干涉条纹之间的差值计算的。具体地说，比值ε等于比率b/a，其中a是在基板54区域产生的干涉条纹的节距，而b是在两个区域的每个区域的干涉条纹之间的相位差。
接着，从工件的初步测量值中算出干涉条纹的整数N(S403)。干涉的级数，例如可以利用日本专利公开出版编号Hei 10203130中描述的公式(2)来计算。在算出于干涉条纹整数N与干涉条纹比值ε后，利用L＝λ/2(N+ε)的关系式计算工件尺寸L(S404)。
如上所述，在本实施例中，向同一个干涉仪室100不断导入激光与白光，并在同一个干涉仪室100中连续地执行：利用激光作工件的位置调节，利用白光作工件的初步测量，利用激光作工件的主测量。因此，只需放置工件和设置步骤诸如温度均衡一次就行了(通常，对初步测量作工件的放置和测量，继后再对主测量作工件的放置与测量)，从而导致工件尺寸的快速测量。
另外，因为是利用同一个干涉仪室100进行初步和主测量的，对初步和主测量而言并不出现诸如温差一类的环境差别，所以能改善初步测量的可靠性与精密度，并能运用单波长作激光干涉测量。
图10是一构成方框图，示出根据本发明另一个实施例的干涉仪。图示结构与图1结构的不同之处在于，它没有基准镜50(基准镜2)，直角CC1还起着基准镜的作用。
当把起到第二基准面作用的基准镜50构成如图1所示情况的平面镜时，必须应用大型直角CC1以对应干涉光通量的大小。通过用直角CC1本身作为基准镜来代替前述实施例中的平面镜，可以减小直角的大小，并在初步测量期间对移动涉及到的位置变化带来好处。
其它结构与测量方法同上述实施例的一样，在此不作复述。
图11是本发明又一实施例的干涉仪的构成方框图。该结构与图1结构的差别在于，把起到第一基准面作用的基准镜42和起到第二基准面作用的基准镜50构成为同一块基准镜43。结果，图1中所需的光路切换镜40、镜46和直角CC1都不需要了。由第一实施例的描述可知，不再同时使用激光与白光，部分激光光路与部分白光光路可共用。因此，可对起到第一基准面作用的基准镜42和起到第二基准面作用的基准镜50使用一块镜面。这样，与图1或图10所示的结构相比较，该结构可以进一步作简化。通过以图示箭头方向移动基准镜43，进行初步测量。
图12示出根据本发明再一个实施例的干涉仪的构成方框图。该结构又与图11的结构不同，即它从直角45构成基准镜43，起着第一与第二基准镜的作用。因此，与图1或图10所示的结构相比较，其结构可进一步简化，而且与图11所示的采用平面镜的结构相比较，它在涉及到移动的位置变化方面具有附加的优点。
如上所述，可以在同一台干涉仪内连续并行初步和主测量，能快速地测量工件(端部标准)，具有高精度。

Claims (9)

1.一种应用激光干涉测量工件尺寸的干涉仪，其特征在，它于包括：
激光源，
白光源，
第一光学组件，用于将来自所述激光源的激光引到工件上和用作激光干涉基准的第一基准表面上，
第二光学组件，用于将来自所述白光源的白光引到工件上和用作白光干涉基准的第二基准表面上，
工件调节装置，用于调节工件相对于所述第一基准表面的斜度，
干涉条纹检测装置，用于检测所述第一光学组件产生的激光干涉条纹和所述第二光学组件产生的白光干涉条纹，以及
控制装置，用于控制所述第一与第二光学组件、工件调节装置和干涉条纹检测装置，以便连续执行：应用激光干涉作工件位置调节，应用白光干涉作工件初步测量，及应用激光作工作主测量，
所述第一光学组件包括第一分束器，用于将来自所述激光源的激光分成投射在所述工件上的激光和投射在所述第一基准表面上的激光，以及
所述第二光学组件包括第二分束器，用于将来自所述白光源的白光分成投射在所述工件上的白光和投射在所述第二基准表面上的白光，
其特征在于：
配备的第一光闸用于在所述第一光学组件中的所述激光源与所述第一分束器之间的光路上接通与切断激光，
配备的第二光闸用于在所述第二光学组件中的所述白光源与所述第二分束器之间的光路上接通与切断白光，以及
所述控制装置在所述工件位置调节步骤与主测量步骤期间通过控制所述第一光闸打开和所述第二光闸关闭而导入激光，并在所述初步测量步骤期间通过控制所述第一光闸关闭和所述第二光闸打开而导入白光。
2.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述第一与第二分束器是同一个分束器。
3.如权利要求2所述的干涉仪，其特征在于，它进一步包括用于将所述分束器辐射的激光引到所述第一基准表面上，而将所述分束器辐射的白光引到所述第二基准表面上的装置。
4.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，它进一步包括：
一移动装置，用于改变从所述第二分束器至所述第二基准表面的光学距离，以及
检测所述光学距离变化的装置。
5.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述第二基准表面是一平面镜。
6.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述第二基准表面是一直角形反射平面。
7.如权利要求1所述的干涉仪，其特征在于，所述第一与第二基准表面是同一个表面。
8.一种应用干涉仪测量工件的方法，其特征在于，所述方法包括：
把所述工件置于干涉仪内，
将激光导入干涉仪，并应用激光干涉调节工件相对于基准表面的位置，
将白光导入干涉仪，并应用白光干涉对工件作初步测量，以及
将激光导入所述干涉仪，并应用激光干涉对所述工件作主测量，其中，在同一台干涉仪中连续进行位置调节、初步测量和主测量。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，调节工件位置包括以下步骤：
粗调，用于调节所述基准表面小孔成像与工件小孔成像之间的位置差，以及
细调，用于将所述激光干涉产生的工件表面的干涉条纹调节至预置值。
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Families Citing this family (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6624894B2 (en) * 2001-06-25 2003-09-23 Veeco Instruments Inc. Scanning interferometry with reference signal
JP2003307458A (ja) * 2002-04-15 2003-10-31 Akifumi Ito 基材の温度測定方法および温度測定装置
JP4409331B2 (ja) * 2004-03-30 2010-02-03 株式会社トプコン 光画像計測装置
JP4739806B2 (ja) * 2004-06-07 2011-08-03 富士フイルム株式会社 光ビーム測定装置および方法
US7027162B2 (en) * 2004-08-16 2006-04-11 Lau Kam C System and method for three-dimensional measurement
JP4667957B2 (ja) * 2005-05-24 2011-04-13 富士フイルム株式会社 光ビーム測定装置
JP4180084B2 (ja) * 2006-03-30 2008-11-12 アンリツ株式会社 三次元形状測定装置及び測定方法
CN100460857C (zh) * 2006-04-13 2009-02-11 中山大学 一种基于动态稳定扫描技术的傅里叶光谱仪
CN100432621C (zh) * 2006-12-01 2008-11-12 上海电缆研究所 利用光学成像测量系统对物体的尺寸进行精密测量的方法
JP4842176B2 (ja) * 2007-03-07 2011-12-21 東京エレクトロン株式会社 温度測定装置及び温度測定方法
DE102008001473B3 (de) * 2008-04-30 2009-12-31 Robert Bosch Gmbh Optische Anordnung zur Beleuchtung eines Messobjektes, interferometrische Anordnung zur Vermessung von Flächen eines Messobjektes
JP5511162B2 (ja) 2008-07-31 2014-06-04 株式会社ミツトヨ 多波長干渉変位測定方法及び装置
JP5511163B2 (ja) 2008-07-31 2014-06-04 株式会社ミツトヨ 光波干渉による距離測定方法及び装置
US20110032534A1 (en) * 2009-05-19 2011-02-10 Camtek Ltd System and a method for broadband interferometry
CN101701792B (zh) * 2009-11-20 2012-11-21 广州市计量检测技术研究院 量块自动检定系统及检定方法
JP2012063150A (ja) * 2010-09-14 2012-03-29 Tokyo Electron Ltd 物理状態測定装置及び物理状態測定方法
JP5965167B2 (ja) * 2012-03-16 2016-08-03 株式会社ミツトヨ 白色光干渉測定装置
DE102012008433A1 (de) * 2012-04-30 2013-10-31 Sms Meer Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur 3D-Erfassung eines Rohres
CN104990507B (zh) * 2015-07-11 2018-01-26 德州学院 物体长度微小变化精细测量装置
US10890428B2 (en) 2016-11-18 2021-01-12 Zygo Corporation Interferometric method and apparatus using calibration information relating a focus setting to a test object position
CN109490307B (zh) * 2019-01-24 2023-11-03 沈阳工程学院 基于小孔成像测量金属线胀系数的装置
CN111238419B (zh) * 2020-01-20 2021-10-01 中车齐齐哈尔车辆有限公司 制动阀滑阀副平面度的检测装置及检测方法
CN116634254A (zh) * 2022-02-11 2023-08-22 深超光电（深圳）有限公司 成像系统及光学装置
CN117006971A (zh) * 2023-09-25 2023-11-07 板石智能科技(深圳)有限公司 一种三维形貌测量系统

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5471303A (en) * 1994-04-29 1995-11-28 Wyko Corporation Combination of white-light scanning and phase-shifting interferometry for surface profile measurements
US5659392A (en) * 1995-03-22 1997-08-19 Eastman Kodak Company Associated dual interferometric measurement apparatus for determining a physical property of an object
JP3693771B2 (ja) * 1996-11-13 2005-09-07 オリンパス株式会社 形状測定方法および装置

Also Published As

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