CN1517672A - 用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备及方法 - Google Patents

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Abstract

斐索型干涉仪设备用于低相干性测量和高相干性测量。在利用低相干光通量辐照参考面和样本时，光程匹配通道把低相干光通量分成第一光程和第二光程，而传输通过这两个光程的各自光通量之间光程长差等于参考面与样本之间光程的两倍。在利用高相干光通量辐照参考面和样本时，在与低相干光通量同轴的位置上，使高相干光通量入射到光程匹配通道的样本侧。

Description

用于低相干性测量和高相干性 测量的干涉仪设备及方法
技术领域
本发明涉及用于观察样本波前形状的干涉仪设备，非相等光程长干涉仪设备，例如，斐索型干涉仪设备。具体地说，本发明涉及低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备，它可以同时干涉测量薄的平坦透明片，例如，液晶玻璃，和各种滤光片和窗口，以及球体，例如，球面透镜，等样本的表面波前形状和透射波前形状。
背景技术
作为测量平面平行玻璃片技术的一个例子，已知的常规方法是利用安装高相干激光光源的斐索(Fizeau)干涉仪。在这个技术中，由于利用高相干的激光，不但可以产生平面平行玻璃片中样本面的干涉条纹，而且还可以产生与样本面相对一侧上非样本面的干涉条纹。即，斐索干涉仪利用高相干激光的光通量，其中参考光和物光产生各自不同的光程长差(非相等光程长干涉仪)，因此，光的干涉可以发生在参考面与样本面之间，参考面与非样本面之间，以及样本面与非样本面之间。由于通常需要的仅仅是参考面与样本面之间光的干涉，在其他表面之间发生的干涉条纹就成为噪声，因此，很难高精确地测量样本面的表面。
作为抑制这种干涉条纹噪声的一种技术，已知的方法是用折射率匹配油涂敷非样本面，并在其上面粘贴光散射片，为的是用光学方法区别非样本面，并把如此粘贴的光散射片处理成非样本面，从而防止非样本面与其他表面之间光的干涉而产生干涉条纹。
然而，这种干涉条纹抑制技术要求折射率匹配油加到样本的一个表面，虽然它是一个非样本面，这不但是麻烦的，而且还玷污了样本。此外，薄的样本可能因这种处理，例如，涂敷油和粘贴光散射片，而使它的样本面形状发生变化。
在这方面，本发明的受让人已建议一种在日本非审查专利号N0.HEI-9-21606中公开的技术(以下称之为“专利对比文件1”)。
在公开的专利对比文件1中，用于测量透明薄片的干涉仪提供一种光程匹配光学系统，设定测量光的相干长度小于预定的长度并旁路部分测量光，因此，除了没有旁路从正向前进测量光中导出样本面的反射光与从旁路测量光中导出参考光的反射光之间光干涉之外，不发生其他的光干涉，从而在十分简单的配置中可以得到没有噪声的清晰干涉条纹。
在斐索干涉仪设备中，把来自光源的光被转换成照明参考板的平行光，而利用透射通过参考板的平行光辐照样本，样本与参考板之间平行地隔开预定的距离，在参考板的参考面上反射光与样本的样本面上反射光之间形成干涉条纹。与诸如迈克尔逊(Michelson)型干涉仪设备的干涉仪设备比较，斐索干涉仪设备的优点是：在简单的配置中可以实现高精确的测量，等等。它们最大的吸引力是，斐索干涉仪设备能够测量透明样本的透射波前，例如，透明样本的内部畸变和折射率分布。
然而，从操作方面考虑，上述专利对比文件1中的干涉仪测量透明样本的透射波前是很难的，因此，不能充分地利用斐索干涉仪设备的优点。
发明内容
鉴于这些情况，本发明的一个目的是提供一种用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备，该设备能够很好地测量透明样本的透射波前，而在测量样本面的表面波前时，防止样本后表面反射光产生的干涉条纹，从而能够产生无噪声的清晰干涉条纹图像。
在高精确测量光学元件的各个预定部分之间距离时，例如，我们已经知道，利用低相干光通量辐照得到的干涉条纹对比度峰值位置作为参考面进行测量。然而，在仅仅利用低相干光通量时，找到出现干涉条纹的位置或它们的对比度峰值位置是很麻烦的，这就要求一种与高相干光通量结合使用以减轻这种麻烦的技术。
也是鉴于这些情况，本发明的另一个目的是提供一种用于低相干性测量和高相干性测量的简单配置干涉仪设备，与仅仅利用低相干光的情况比较，它可以大大减轻利用光波干涉实施高精确长度测量时的麻烦。
本发明提供一种用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备，该设备是斐索型干涉仪设备，它适合于利用光源的光辐照参考面，利用透射通过参考面的光辐照与参考面隔开预定距离的样本，并根据参考面与样本之间光的干涉，产生该样本的波前信息；
其中，在利用从光源输出的低相干光通量实施低相干性测量时，利用干涉方式测量样本，使低相干光通量传输通过把低相干光通量分成第一光程和第二光程的光程匹配通道，而传输通过这两个光程的各自光通量之间光程长差等于干涉仪设备的参考面与样本之间光程的两倍；和
其中，在利用从光源输出的高相干光通量实施高相干性测量时，利用干涉方式测量样本，在利用高相干光通量辐照参考面和样本时，使高相干光通量在与低相干光通量同轴的位置上至少入射到光程匹配通道的样本侧。
光源可以包括：发射低相干光通量的第一光源单元和发射高相干光通量的第二光源单元。
在这个情况下，最好是，在实施低相干性测量时，完成光通量交换操作以防止样本被高相干光通量辐照。
第一光源单元可以包括：超发光二极管。
最好是，在上述情况下，用于引导干涉光到达成像装置的光偏转装置设置在光程匹配通道与参考面之间，而利用设置在第一光源单元与光偏转装置之间的光通量选择装置实现光通量交换操作，在实施高相干性测量时，光通量选择装置仅允许高相干光通量辐照样本，而在实施低相干性测量时，仅允许低相干光通量辐照样本。
高相干光通量和低相干光通量可以传输通过光程匹配通道的光源侧上公共光程。
在这个情况下，最好是，光程匹配通道的第一光程和第二光程中一个光程上配置挡光元件，用于防止实施高相干性测量时光通量的通过。
最好是，当光源包括发射低相干光通量的第一光源单元和发射高相干光通量的第二光源单元时，与反射件形成整体的光通量选择装置，用于引导高相干光通量和低相干光通量中的一个光通量到另一个光通量的光程上，和用于阻挡另一个光通量的挡光元件可拆卸地插入到光程上，光通量选择装置设置在发射干涉光到成像装置的光偏转装置与光程匹配通道之间，光偏转装置设置在光程匹配通道与参考面之间。
光源可以包括：发射低相干光通量和高相干光通量的单个光源单元。
在这个情况下，最好是，光程匹配通道的第一光程和第二光程中一个光程上配置挡光元件，用于防止实施高相干性测量时光通量的通过。
干涉仪设备可以配置成这样，输出低相干光通量的至少一个光源能够波长扫描，使单纵模的激光发生振荡；来自光源的光被调制成多个波长，其周期远远小于接收干涉条纹装置的光累积周期；利用调制成多个波长激光的测量光辐照参考面和样本；来自样本的光和来自参考面的光产生的干涉光被该装置接收；并在光累积周期内积分干涉光。
构成光程匹配通道的两个光程之间的光程长差是可变和可测量的。
干涉仪设备还可以包括：光程长差改变装置，用于改变构成光程匹配通道的两个光程之间光程长差；焦点位置调整装置，用于调整成像系统的焦点位置，可以俘获来自参考面和样本的光引起的干涉条纹；和控制装置，用于同步驱动光程长差改变装置和焦点位置调整装置，从而使光程长差和焦点位置获得各自的最佳值。
最好是，干涉仪设备是适合于测量任何平面和球面样本的斐索型干涉仪设备。
此外，本发明提供一种用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备中测量方法，它适合于测量球面样本，该方法相继包括以下步骤：
第一步骤，利用高相干光通量作为测量光经干涉仪设备中参考透镜的参考面辐照样本，在如此辐照状态下，沿光轴移动样本以检测这样一个位置，该位置产生来自参考面和样本的光引起最少数目的干涉条纹，并在如此检测到的位置上设置样本；
第二步骤，交换测量光到低相干光，利用低相干光经参考透镜的参考面辐照样本，改变传输通过光程匹配通道两个光程上各自光通量之间光程长差以检测对比度峰值位置，该位置产生所得干涉条纹的最大对比度，并确定第一调整量作为检测时用于调整光程长差装置的调整量；
第三步骤，利用高相干光通量作为测量光经参考透镜的参考面辐照样本，在如此辐照状态下，沿光轴移动样本以检测这样一个位置，该位置产生来自参考面和样本的光引起最少数目的干涉条纹，并在如此检测到的位置上设置样本；
第四步骤，交换测量光到低相干光，利用低相干光经参考透镜的参考面辐照样本，改变传输通过光程匹配通道两个光程上各自光通量之间光程长差以检测对比度峰值位置，该位置产生所得干涉条纹的最大对比度，并确定第二调整量作为检测时用于调整光程长差装置的调整量；和
第五步骤，计算第二步骤中得到的第一调整量与第四步骤中得到的第二调整量之差值，并根据计算结果获得该样本的曲率信息。
附图说明
图1是按照本发明第一个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备示意图；
图2是按照本发明第二个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备示意图；
图3A至3D是按照本发明第三个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备实施的测量步骤图；
图4A和4B是按照本发明第四个实施例利用低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备解释测量方法的视图；和
图5是按照本发明第五个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备示意图。
具体实施方式
以下，参照附图解释本发明的几个实施例。
第一个实施例
图1是按照本发明第一个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备示意图。
利用从低相干光源1输出的低相干光通量，这个干涉仪设备实施样本12的表面12a形状的低相干性测量，利用从高相干光源21输出的高相干光通量并引导其部分光程与低相干光通量同轴，还测量样本12的透射波前，从而实现涉及内折射率分布等的干涉测量。在利用从光源输出的高相干光通量实施高相干性测量时，在与低相干光通量同轴的位置上，使高相干光通量至少入射到光程匹配通道的样本12侧。
利用在光程上插入/去掉全反射棱镜24的一种操作，实现从低相干光源1输出低相干光通量与从高相干光源21输出高相干光通量之间的交换。
即，在利用低相干光源1输出的低相干光通量辐照样本12以实施低相干性测量时，沿箭头B的方向移动全反射棱镜24，为了使它从半反射镜5与聚光镜8之间的光程上撤回。
在利用从高相干光源21输出的高相干光通量辐照样本12以实施高相干性测量时，沿箭头B的方向移动全反射棱镜24，为了使它插入到半反射镜5与聚光镜8之间的光程上，从而使来自高相干光源21的光通量可以被全反射面24a反射到样本12。
全反射棱镜24的一个侧面部分(当全反射棱镜24插入到光程上时朝向光源1的侧面部分)的作用是作为挡光板部分，当全反射棱镜24插入到光程上时，防止从低相干光源1输出的低相干光通量入射到样本12。
最好是，在半反射镜5与聚光镜8之间光程上插入/去掉全反射棱镜24的操作与操作员从外界完成低相干性测量与高相干性测量之间的交换操作是同步的。
设备配置
在这个干涉仪设备中，准直透镜2把低相干光源1输出的测量光转换成平行光。这个平行光的光束直径被聚光镜8和准直透镜10放大。然后，利用光束直径放大的光辐照透明参考板11和薄玻璃片12(厚度为t1的样本)。
在低相干性测量时，来自参考板11参考面11a和从测量光中导出的样本12样本面12a的各自反射光分量互相干涉，并被半棱镜9的半反射镜面9a垂直反射，为的是经成像透镜13在摄像机14内CCD上形成干涉条纹图像。根据CCD光电转换之后的干涉图像信息，干涉条纹图像形成在图像显示单元(未画出)上，例如，CRT。根据这个图像，测量样本面12a的表面形状，等等。
另一方面，在高相干性测量时，利用来自激光二极管(LD)构成高相干光源21的测量光辐照样本12，而利用透射通过样本12并被样本侧上放置的参考反射面20反射的光分量，为的是在再次传输通过样本12之后到达参考面11a。即，根据来自参考板11参考面11a和参考反射面30各自反射光分量造成的干涉光，得到如同上述低相干性测量中的干涉条纹图像。根据如此得到的干涉条纹图像，测量样本的透射波前信息，即，样本12的内应力或折射率分布。
在利用斐索干涉仪设备测量样本时，在参考面与样本面之间不可避免地形成间隙，这就需要利用有很长相干长度的测量光。所以，在测量由薄玻璃片制成的样本12时，来自样本12后表面12b的反射光相对于来自样本面12a的反射光产生约两倍于样本12沿厚度方向光程长nt的光程长差，该反射光与来自参考面11a的反射光和来自样本面12a的反射光发生干涉。这种来自样本12后表面12b反射光产生的干涉条纹叠加到原始干涉条纹上，从而降低测量的精确度。
所以，在低相干性测量时，这个实施例设定来自光源1的测量光，使它的相干长度小于样本12两侧12a与12b之间光程的两倍。光源1的具体例子包括：SLD(超发光二极管)，卤素灯，和高压汞灯(例如，相干长度为1μm)。
在准直透镜2与聚光镜8之间平行光通量区插入光程匹配光学系统(以下称之为光程匹配通道60)，它是由两个半反射镜4，5和两个全反射镜6，7构成，用于旁路一部分测量光(两个光程)。
一部分测量光被半反射镜4垂直反射，从而使它与其余的测量光分开。如此的反射光分量相继地被全反射镜6，7垂直反射，然后被半反射镜5反射，为的是与其余的测量光重新组合。此处，从半反射镜4到半反射镜5的旁路测量光的光程长L2(L2＝l1+l2+l3)比透射通过半反射镜4与5之间半反射镜4的测量光的光程长L1大l1+l3(l1＝l3)长度，因为两个半反射镜4与5之间的长度L1等于两个全反射镜6与7之间的距离。如上所述，调整l1+l3长度到等于参考板11的参考面11a与样本12的样本面12a之间距离L的两倍。
现在相继解释第一个实施例中的高相干性测量和低相干性测量。
高相干性测量
在利用高相干光源21输出的高相干光通量辐照样本12以实施高相干性测量时，全反射棱镜24初始设置在半反射镜5与聚光镜8之间光程中的位置。
在这个干涉仪设备中，准直透镜22把高相干光源21输出的测量光转换成平行光。平行光的光束直径被聚光镜8和准直透镜10放大。利用光束直径放大的光辐照透明参考板11，薄玻璃片制成的样本12，和参考反射面30。此处，参考板11的参考面11a和参考反射面30设置成与光轴Z垂直，而样本12表面12a，12b的各自法线相对于光轴Z略微倾斜。因此，来自参考反射面30的反射光返回到输入光程，从而与来自参考面11a的反射光发生干涉。与此对比，来自样本12表面12a，12b的各个反射光分量并不回到它们的输入光程，因此不与来自参考面11a的反射光发生干涉。
来自参考面11a的反射光和来自参考反射面30反射光造成的干涉光被半棱镜9的半反射镜面9a垂直反射，为的是经成像透镜13在成像摄像机14内的CCD上形成干涉条纹图像。根据CCD光电转换之后的干涉图像信息，干涉条纹图像形成在图像显示单元(未画出)上，例如，CRT。
来自参考反射面30的反射光传输通过样本12两次，因此携带该样本内的透射波前信息，例如，有关内应力应变和折射率分布的信息，因此，这种透射波前信息出现在图像显示单元(未画出)，例如，CRT，显示的干涉条纹图像中。
低相干性测量
在利用低相干光源1输出的低相干光通量实施低相干性测量时，全反射棱镜24初始设置在从半反射镜5与聚光镜8之间光程撤回的位置。
现在解释从测量光中导出的反射面11a，12a，12b上反射光分量之间的干涉。在以下的表达式中，我们假设，从半反射镜5到参考板11参考面11a的光程长为L3，样本12的折射率为n，和样本12的厚度为t。
虽然没有具体说明，在这个情况下，可以考虑来自参考反射面30的反射光与来自样本后表面12b的反射光相同。
此处，从半反射镜4到半反射镜5(从半反射镜4经各自表面11a，12a，12b到半反射镜5；以下同上)直线前进的测量光中导出反射面11a，12a，12b上反射光分量的各个光程长是如下的表达式：
来自反射面11a的反射光，光程长＝L1+L3            (1)
来自反射面12a的反射光，光程长＝L1+L3+2L         (2)
来自样本后表面12b的反射光，光程长＝L1+L3+2L+2nt (3)
从半反射镜4到半反射镜5旁路的测量光中导出反射面11a，12a，12b上反射光分量的各个光程长是如下的表达式：
来自反射面11a的反射光，光程长＝L2+L3             (4)
来自反射面12a的反射光，光程长＝L2+L3+2L          (5)
来自样本后表面12b的反射光，光程长＝L2+L3+2L+2nt  (6)
此处，如上所述，
L2＝L1+2L                                        (7)
在利用表达式(7)替代上述表达式(1)至(6)中的L2时，我们发现，从两个半反射镜4与5之间直线前进的测量光中导出样本面12a上反射光和测量光旁路两个半反射镜4与5之间直线路径的参考面11a上反射光有完全相等的光程长。
另一方面，上述替代说明从两个半反射镜4与5之间直线前进的测量光中导出样本面12a上反射光与其他类型反射光之间至少有2nt的光程长差。
由于这个实施例中使用的测量光是这样的，其相干长度Lc小于2nt，来自样本面12a的反射光与其他反射光之间的光程长差不小于相干长度。
所以，从两个半反射镜4与5之间直线前进的测量光中导出的样本面12a上反射光不与旁路两个半反射镜4与5之间直线路径的测量光中导出反射光之外的反射光发生干涉，因此，理想的无噪声干涉条纹可以形成在成像摄像机14内CCD上，从而可以高精确地测量薄玻璃片的表面形状。
由于厚度可能随样本12发生变化，理想的是，光程匹配光学系统可以精细地整体移动两个全反射镜6，7，因此，可以精细地调整旁路测量光的光程长。
此外，如图所示，波长可选滤光片3可以设置在这个实施例中的准直透镜2与半反射镜4之间。
在波长可选滤光片3中，整个波长透射部分，红光透射部分，绿光透射部分，和蓝光透射部分以90°的间隔安装在转塔板上，因此，当转塔板转动预定角度时，可以选取所需颜色的光分量作为测量光。这在要求选取预定波长光作为测量光的情况下是有用的，例如，在样本12是用于反射预定波长光的分色反射镜的情况。
在完全不需要这种波长可选滤光片时，当然，可以沿图1中箭头A的方向移动滤光片3，使它撤回到光程之外。此外，可以省略这种波长可选滤光片3。
最好是，在光程匹配通道60中，直线路径与旁路之间的光程长差是可变的。在这个实施例中，全反射镜6，7是沿上述l1和l3相等增大和减小的方向整体地移动，因此，在替换样本12之后，可以容易地实现光程长的调整。
可以引导高相干光通量和低相干光通量，使它们在光程匹配通道60的光源侧变成互相同轴。在这个情况下，光程匹配通道60的两个光程中的一个光程上配置快门元件(挡光元件)，在实施低相干性测量时，可以防止高相干光通量传输通过，因此，高相干光通量单独传输通过其他的路径。
可以引导高相干光通量到光程匹配通道60的一个光程中低相干光通量的光程上。在这个情况下，理想的是，用于阻挡低相干光通量的元件在高相干性测量时插入到光程匹配通道60的光源侧。此外，作为光程匹配通道60的组成部分，任何的半反射镜4，5和全反射镜6，7可以配置成引导高相干光通量。
用于输出低相干光通量的光源1可以是这样的光源，它基本上相当于利用波长可变激光器输出低相干光通量的光源，以下解释这种光源。即，光源可以是能够波长扫描的光源，使单纵模激光发生振荡，把来自光源的激光调制成多个波长，利用调制成多个波长的激光，来自样本面12a的物光和来自参考面11a的参考光产生的干涉光可以被成像装置接收，并在光累积周期内积分干涉光。
如上所述，在构成光程匹配通道60的两个光程之间光程长差是可变时，最好是，利用测微计，激光长度测量装置等测量光程长。
如上所述，在构成光程匹配通道60的两个光程之间光程长差是可变时，最好是，为了便于测量时的调整，可以同步调整成像透镜13的焦点。
最好是，本发明的设备不仅可以测量平坦样本，而且也可以测量球面样本。在测量球面样本时，如以后所解释的，利用与样本面一致的球面参考透镜代替参考板。
不限制于上述的实施例，可以按照各种方式改变本发明的干涉仪设备。例如，在光程匹配光学系统中，可以采用单个立体角反射器以代替光程匹配光学系统中的两个全反射镜6，7，立体角反射器可以把来自半反射镜4的测量光返回到半反射镜5。
这种立体角反射器可以使调整旁路测量光光程长的移运动操作变得很容易。
可以交换半反射镜4的透射光和反射光，使它们分别变成旁路测量光和前进测量光。
若在样本面12a侧支承样本12，则样板12的支承装置可以有保持它固定的结构。若在后表面12b侧支承样本12，则要求支承装置有这样的结构，它可以根据样板12的厚度沿光轴方向移动样板12。在后一情况下，最好是，根据获得干涉条纹时样本12的厚度信息，样本12自动地移动到合适的位置。
可以利用半反射镜代替半棱镜9。然而，当半棱镜9用这个实施例中的发散光通量时，可以有较好的像散性。当然，可以利用半棱镜代替每个半反射镜4，5。
按照本发明干涉仪设备测试的样本不限于薄的玻璃片，也可以是各种薄的透明片，例如，塑料和石英制成的透明片。
第二个实施例
图2是按照本发明第二个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备示意图。
这个干涉仪设备150利用光源111实施低相干性测量和高相干性测量，光源111可以有选择地输出低相干光通量和高相干光通量。即，利用来自光源111的低相干光通量实施低相干性测量，它可以获得诸如样本117的表面117a形状的信息(反射波前信息)，而利用高相干光通量实施高相干性测量，它可以获得诸如样本117内的应力应变和折射率分布的信息(透射波前信息)。
通过改变光源111输出光波长的操作，实施从光源111输出的低相干光通量与高相干光通量之间的交换。
最好是，改变输出光波长的操作与操作员从外界完成低相干性测量与高相干性测量之间的交换操作是同步的。
设备配置
如图2所示，用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备150包括：斐索干涉仪110，根据干涉条纹观察透明平面平行玻璃片(样本厚度为t2)117样本面117a的表面形状；计算机120；监视器121，半导体激光器光源111使用的电源(LD电源)122；和函数发生器123，用于产生控制信号以调节电源(LD电源)122的输出电流值。
干涉仪110包括：准直透镜112，用于把半导体激光器光源111的相干光转换成平行光；发散透镜113；半棱镜114；准直透镜115，参考板116，其参考面116a与相对的样本117之间有工作空间；以及成像透镜118和CCD成像设备119，用于俘获光干涉产生的干涉条纹。
在这个实施例中，光程匹配光学系统(以下也称之为光程匹配通道160)包含两个半反射镜104，105和两个全反射镜106，107，用于旁路一部分测量光(有两个光程)，光程匹配通道160插入在准直透镜130与聚光镜113之间平行光通量区，如同上述第一个实施例。
一部分测量光被半反射镜104垂直反射，使它与其余的测量光分开。如此反射的光分量相继地被全反射镜106，107垂直反射，然后被半反射镜105反射，为的是与其余的测量光重新组合。此处，从半反射镜104到半反射镜105的旁路测量光的光程长L2(L2＝l1+l2+l3)比透射通过半反射镜104与105之间半反射镜104的测量光的光程长L1大l1+l3(l1＝l3)长度，因为两个半反射镜104与105之间的距离L1等于两个全反射镜106与107之间的距离。调整长度l1+l3，使它等于参考板116参考面116a与样本117样本面117a之间距离L的两倍。因此，光程匹配通道160的配置与上述第一个实施例中光程匹配通道60的配置相同。
在干涉仪110中的低相干性测量时，使半导体激光器光源111的激光130垂直入射到参考板116的参考面116a上，为的是在参考面116a上分成透射光通量和反射光通量。使透射光通量入射到平面平行玻璃片117的样本面117a，而采用从样本面117a反射的光作为物光。采用从参考面116a反射的光作为参考光。物光与参考光之间光的干涉产生的干涉光经准直透镜115，半棱镜114，和成像透镜118被引导到CCD成像设备119，因此，CCD成像设备119俘获干涉条纹。
计算机120分析如此俘获的干涉条纹，从而可以测量样本面117a的表面形状。在监测器121上显示俘获的干涉条纹和样本面117a的分析表面形状。
另一方面，在高相干性测量时，利用测量光辐照样本117，以及利用透射通过样本117，被其样本侧放置的参考反射面140反射，然后再透射通过样本117以到达参考面116a的部分光。即，如同在低相干性测量中，根据来自参考板116参考面116a和参考反射面140的各自反射光分量造成的干涉光，得到干涉条纹图像。
在高相干性测量时，快门元件170可拆卸地插入到光程匹配通道160中的一个光程。
经连接到未画出的PZT驱动电路的压电装置124，参考板116是由未画出的参考板支承件支承。根据来自计算机120的指令，预定的电压加到压电装置124以驱动压电装置124，从而使参考板116沿光轴Z的方向移动预定的相位。在这个运动之后干涉条纹变化的图像数据输出到计算机120，对如此得到的多片图像数据进行条纹图像分析。
现在相继解释第二个实施例中的高相干性测量和低相干性测量。
高相干性测量
在利用从半导体激光器光源111输出的高相干光通量辐照样本112实施高相干性测量时，来自光源111的输出光初始设置成固定在预定的波长(例如，λ＝660nm，约为60mW)。此外，快门元件170沿箭头C的方向移动，为的是插入到光程匹配通道160中的一个光程。最好是，移动快门元件170的这个操作与操作员从外界完成低相干性测量与高相干性测量之间的交换操作是同步的。
在这个干涉仪设备中，准直透镜112把半导体激光器光源111输出的测量光转换成平行光。平行光的光束直径被聚光镜117和准直透镜115放大。利用光束直径放大的光辐照透明参考板116，薄玻璃片制成的样本117，和参考反射面140。此处，参考板116的参考面116a和参考反射面140设置成与光轴Z垂直，而样本117的表面117a，117b相对于光轴Z略微倾斜。因此，来自参考反射面140的反射光返回到输入光程，从而与来自参考面116a的反射光发生干涉。与此对比，来自样本117表面117a，117b的各个反射光分量并不回到它们的输入光程，因此不与来自参考面116a的反射光发生干涉。
来自参考面116a和参考反射面140的各自反射光分量造成的干涉光被半棱镜114的半反射镜面垂直反射，以便经成像透镜118在成像摄像机119内的CCD上形成干涉条纹图像。根据CCD光电转换之后得到的干涉图像信息，计算机120使干涉条纹图像形成在监视器121上，例如，CRT。
来自参考反射面140的反射光传输通过样本117两次，从而携带样本内的透射波前信息，例如，有关内应力应变和折射率分布的信息，因此，这种透射波前信息出现在监视器121，例如，CRT，显示的干涉条纹图像中。
低相干性测量
在利用能够改变波长的半导体激光器光源111输出低相干光通量实施低相干性测量时，光源111的输出光设置成交替地采用两个(或三个或更多)波长值。此外，沿箭头C的方向移动快门元件170，为的是从光程匹配通道160的一个光程中撤回。最好是，移动快门元件170的这个操作与操作员从外界完成低相干性测量与高相干性测量之间的交换操作是同步的。
现在解释注意力集中到半导体激光器光源111时实施低相干性测量的情况。
作为半导体激光器光源111，可以利用配置温度控制功能的光源，以便能够使单纵模的激光(例如，λ＝约660nm)发生振荡。此外，半导体激光器光源111有普通半导体激光器光源的特征，在改变注入电流时，输出激光的波长和光强都发生变化。
CCD成像摄像机119利用光累积周期为1/30秒的CCD。
从函数发生器123输出的控制信号是矩形波(包括分段矩形波)，例如，其频率约为200Hz，为的是设置成这样的速度，在再现CCD俘获的图像信息时不发生闪烁。
在这个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备150中，利用单纵模的半导体激光器光源111，为的是把光源111输出的激光在足够短的周期内交替地调制成多个波长(例如，波长λ＝660.00nm和660.01nm)，该周期远远小于接收干涉条纹的装置(CCD成像摄像机119中CCD)的光累积周期，而来自样本117的干涉光被该装置接收，并在光累积周期内积分干涉光。
如上所述，该半导体激光器光源有这样的特征，其波长随注入电流的改变为发生变化。由于接收干涉条纹的装置有预定的光累积周期，在以足够高于光累积周期的速度下扫描波长时，可以同时得到类似于利用输出多个光波长光源观察干涉条纹情况下的效应。基于这种发现，在1995年5月的Proceedings of Meeting on LightwaveSensing Technology中公开一种用于合成相干性函数的技术，见pP.75-82。根据这种技术，注入电流可以由控制信号调节，在使它从参考电平(DC电平)上升和下降的同时，通过改变矩形波以得到如斜坡那样的注入电流。
本发明者还公开一种改进前一技术的技术(日本专利申请号No.2002-192619)。
低相干性测量时的其他技术与上述第一个实施例中低相干性测量时的其他技术相同，此处不再给以解释。
虽然快门元件170配置在半反射镜104与105之间，但是，它也可以设置在光程匹配通道160内的其他位置上。
第三个实施例
图3A至3D是用于解释按照本发明第三个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备图，该设备配置成利用按照上述第一个或第二个实施例设备的基本配置以测量光学器件的曲率半径。
此处，样本217是样本面217a为凹面的光学器件，我们测量凹面217a的曲率半径。
所以，利用参考透镜216代替上述第一个和第二个实施例中采用的参考板11，116。
现在参照图3A至3D解释测量过程。
首先，如图3A所示，利用高相干光通量作为测量光经准直透镜215(对应于上述的准直透镜10，115)和参考透镜216辐照样本217的样本面217a。
在这个状态下，在沿箭头D方向移动样本217的同时，找到来自参考透镜216参考面216a和样本217样本面217a各自的反射光分量造成的干涉条纹，并寻找干涉条纹数目最少的猫眼点。在检测到猫眼点时，设定样本217在这个位置。
随后，如图3B所示，测量光交换到低相干光通量，利用这个低相干光通量经准直透镜215和参考透镜216辐照样本217的样本面217a。此处，半棱镜204，205和全反射镜206，207构成光程匹配通道260，而两个全反射镜231，232设置在光程匹配通道260与准直透镜215之间。
在这个状态下，在沿箭头E方向整体移动光程匹配通道260的全反射镜206，207(以下称之为活动反射镜单元270)的同时，观察监视器121上显示的干涉条纹，并寻找干涉条纹对比度最大的对比度峰值位置。当检测到这个对比度峰值位置时，读出此时活动反射镜单元270的位置(第一标度)。
然后，如图3C所示，测量光交换到高相干光通量，利用这个高相干光通量经准直透镜215和参考透镜216辐照样本217的样本面217a。在这个状态下，沿箭头F的方向移动样本217，使来自参考透镜216参考面216a和样本217样本面217a各自反射光分量形成的干涉条纹出现在监视器121上，并寻找干涉条纹数目最少的位置。
此后，如图3D所示，测量光交换到低相干光通量，并利用这个低相干光通量辐照样本217的样本面217a。在这个状态下，在沿箭头G方向移动活动反射镜单元270的同时，观察监视器121上显示的干涉条纹，并寻找干涉条纹对比度最大的对比度峰值位置。当检测到这个对比度峰值位置时，读出此时活动反射镜单元270的位置(第二标度)。
最后，计算以上过程中得到的第一标度与第二标度之差值，并根据计算结果，得到样本217样本面217a的曲率半径。
由于在利用低相干光通量检测各个位置的操作(图3B和3D所示步骤中的操作)之前，利用高相干光通量实施样本217的位置调整操作(图3A和3C所示步骤中的操作)，可以容易地快速完成测量操作。如上所述，实现这种操作是由于该设备的基本配置中包含互相同轴的高相干性测量系统和低相干性测量系统，因此，测量时可以方便地交换低相干光通量和高相干光通量。
如上所述，虽然可以利用测微计，激光长度测量装置等测量活动反射镜单元270的位置，但利用干涉仪设备可以检测活动反射镜单元的移动距离或角偏移，并根据如此的检测值，可以定标读出位置。
虽然这个实施例涉及测量凹面构成样本面217a的情况，但是，本发明的设备同样可用于测量平坦薄片的厚度或各个元件之间的距离。
第四个实施例
图4A和4B是利用按照第四个实施例低的相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备解释测量方法的视图，在采用按照第一个或第二个实施例的设备基本配置的同时，该设备配置成定标利用低相干光源时发生的光程匹配通道60，160中的系统误差。
现在参照图4A和4B解释定标过程。
首先，如图4A所示，定标样本330设定在平台(未画出)上，并利用从低相干光源(低相干光源和光程匹配通道的附图标记为301)发射之后透射通过光程匹配通道(两个分支光程)的低相干光通量经准直透镜315和参考板316辐照定标样本330。
在这个状态下，沿箭头H的方向(沿光轴)移动定标样本330以产生干涉条纹。测量这些干涉条纹，并把测量结果定义为测量数据1。
随后，如图4B所示，测量光交换到高相干光通量(此处，高相干光源的附图标记为302)，并利用高相干光通量经准直透镜315和参考板316辐照定标样本330。测量这个状态下产生的干涉条纹，并把测量结果定义为测量数据2。得到的测量数据2没有分支到光程匹配通道，因此，它可以考虑成没有光程匹配通道的系统误差。所以，把测量数据2作为定标的参考。
其次，从测量数据1中减去测量数据2的算术运算是由没有画出的计算机执行，把算术运算的结果作为光程匹配通道的系统误差。
此后，在实施低相干性测量时，执行从测量结果中减去上述算术运算得到系统误差的修正运算，为的是定标测量数据。
在低相干光通量和高相干光通量有各自不同波长的情况下，系统误差的确定也考虑到这个波长差。
在已得到参考面316绝对形状的情况下，测量数据的定标也考虑到这个绝对形状造成的误差(参考面的系统误差)。
这个实施例可以容易地定标光程匹配通道的系统误差，因此，可以最后获得高精确和可靠的测量数据。
在这个实施例中，低相干光源和高相干光源可以是互相独立的光源，如同第一个实施例，或可以是单个光源，如同第二个实施例。
第五个实施例
图5是按照本发明第五个实施例的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备示意图。由于这个实施例的设备是基于图1所示第一个实施例的设备或图2所示第二个实施例的设备，与图2中元件功能基本相同的图5中元件采用的附图标记是在图2所示元件的附图标记上添加数字300，因此，不再对它们作详细的解释。
在图5所示的设备中，构成光程匹配通道460的两个全反射镜406，407安装到可沿箭头I方向移动的第一X平台470上，而成像透镜418(被半棱镜414分出并传输通过中继透镜435的相干光通量入射到成像透镜418)和CCD成像设备419安装到可沿箭头J方向移动的第二X平台480上。在初始设定之后的测量时，以后解释初始设定，根据计算机421的指令，平台控制器420使两个X平台470，480同步移动。(实际上，平台控制器420驱动X平台470和480各自的驱动电机。)作为光源411，利用能够输出低相干光通量的光源，例如，上述的SLD(超发光二极管)。虽然这个实施例可应用于配置有多个光源的设备，例如，上述第一个实施例中设备，和有单个光源的设备，例如，上述第二个实施例中设备，以下解释仅仅利用从光源411输出低相干光通量的测量，不详细描述(和展示)高相干光通量。
例如，初始设定有台阶形状的样本417是这样的，来自参考面416a和第一样本面417a的各自反射光分量产生干涉条纹。即，在初始设定中，相对于给定位置设置的第一样本面417a，例如，设置在由上述两个表面416a，417a产生干涉条纹的位置，沿箭头I的方向移动第一X平台470。随后，沿箭头J的方向移动第二X平台480，使它设置在焦点位置。此处，两个X平台470，480的驱动是互相独立的运动。
当这种初始设定把状态转换到观察第二样本面417b的干涉条纹状态时，产生干涉条纹的两个表面之间距离增大p(光辐照样本面的光程长增大2p)，其中p是第一样本面417a与第二样本面417b之间的距离。所以，不会产生干涉条纹，除非光程匹配通道460中两个光程之间的光程长差增大2p。
因此，沿箭头I的方向使第一X平台470移动p，为了使两个光程之间光程长差增大2p。然后，响应于第一X平台470的移动，根据计算机421的指令，第二X平台480自动地受平台控制器420的控制，使它移动到成像系统的焦点位置。此处，第二X平台480沿箭头J方向的移动量为p/α，其中α是光学设计确定的系数。
计算机421计算第二X平台480的移动量。上述系数α预先存储在计算机421的存储器中。当从平台控制器420输入第一X平台470的移动量p时，计算机421计算p/α。根据这个计算值，平台控制器420使第二X平台480移动p/α。
虽然以上涉及自动调整第二X平台480的运动以响应第一X平台470运动的情况，但是，可以自动控制第一X平台470的运动以响应第二X平台480的运动。
两个X平台470，480各自移动量之间的关系可以作为图表预先存储在计算机421的存储器中，且可以根据这个图表实施上述的控制。
在以上情况中，虽然CCD成像设备419安装在第二X平台480，可以利用CCD成像设备419中的焦点调整装置以代替第二X平台480。
因此，这个实施例的设备是这样配置的，产生指定样本面上干涉条纹的光学调整和成像系统的焦点调整是自动地同步实现的，从而可以容易和有利地观察有台阶的样本面上每个区域中的干涉条纹。
不受上述各个实施例的限制，可以按照各种方式改动本发明的干涉仪设备。例如，与参考面16a相对侧上的样本17表面(后表面17b)可以用作样本面17a。
当然，本发明的干涉仪设备还可以配置成斜入射型干涉仪设备。
光源不局限于半导体激光器光源，也可以利用其他的激光器光源。还可以利用适合在连续波激光(高相干光通量)与脉冲波激光(低相干光通量)之间交换的光源。不但可以通过改变注入电流而改变激光的振荡波长，也可以利用其他的技术，例如，改变外谐振腔的谐振频率。
以上解释的本发明干涉仪设备是低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备，该设备是斐索型干涉仪设备，它适合于利用光源的光辐照参考面和利用透射通过参考面的光辐照与参考面隔开预定距离的样本，并根据参考面与样本之间的光干涉产生该样本的波前信息。在这个干涉仪设备中，在利用光源输出的低相干光通量实施低相干性测量时，可以干涉测量样本，使低相干光通量传输通过把低相干光通量分成第一光程和第二光程的光程匹配通道，而传输通过这两个光程的各自光通量之间的光程长差等于干涉仪设备的参考面与样本之间光程的两倍。另一方面，在利用光源输出的高相干光通量实施高相干性测量时，在利用高相干光通量辐照参考面和样本的同时，使高相干光通量至少入射到与低相干光通量同轴的位置上光程匹配通道的样本侧。
所以，在测量样本面的形状时，利用传输通过光程匹配通道的低相干光通量，因此，在防止来自样本后表面反射光产生的干涉条纹的同时，可以得到无噪声的清晰干涉条纹。另一方面，在测量透明样本的透射波前时，利用高相干光通量可以容易地实现快速的测量。在交换这些测量操作时，不需要移动参考板和样本，从而可以连续和容易地实施低相干性测量和高相干性测量。
此外，在需要高精确度测量长度时，利用本发明的低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备，在低相干性测量之前可以容易地实施高相干性测量，从而大大减轻找到出现干涉条纹或其对比度峰值位置的麻烦。

Claims (13)

1.一种用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备，该设备是斐索型干涉仪设备，它适合于利用光源的光辐照参考面，利用透射通过参考面的光辐照与参考面隔开预定距离的样本，并根据参考面与样本之间光的干涉，产生该样本的波前信息；
其中，在利用从光源输出的低相干光通量实施低相干性测量时，利用干涉方式测量样本，使低相干光通量传输通过把低相干光通量分成第一光程和第二光程的光程匹配通道，而传输通过这两个光程的各自光通量之间光程长差等于干涉仪设备的参考面与样本之间光程的两倍；和
其中，在利用从光源输出的高相干光通量实施高相干性测量时，利用干涉方式测量样本，在利用高相干光通量辐照参考面和样本时，使高相干光通量在与低相干光通量同轴的位置上至少入射到光程匹配通道的样本侧。
2.按照权利要求1的干涉仪设备，其中光源包括：发射低相干光通量的第一光源单元和发射高相干光通量的第二光源单元；和
其中在实施低相干性测量时，完成光通量交换操作以防止样本被高相干光通量辐照。
3.按照权利要求2的干涉仪设备，其中第一光源包括：超发光二极管。
4.按照权利要求2的干涉仪设备，其中用于引导干涉光到达成像装置的光偏转装置设置在光程匹配通道与参考面之间；和
其中利用设置在第一光源单元与光偏转装置之间的光通量选择装置实现光通量交换操作，在实施高相干性测量时，光通量选择装置仅允许高相干光通量辐照样本，而在实施低相干性测量时，仅允许低相干光通量辐照样本。
5.按照权利要求1的干涉仪设备，其中高相干光通量和低相干光通量传输通过光程匹配通道的光源侧上公共光程；和
其中光程匹配通道的第一光程和第二光程中一个光程上配置挡光元件，用于防止实施高相干性测量时光通量的通过。
6.按照权利要求1的干涉仪设备，其中光源包括：发射低相干光通量的第一光源单元和发射高相干光通量的第二光源单元；和
其中与反射件形成整体的光通量选择装置，用于引导高相干光通量和低相干光通量中的一个光通量到另一个光通量的光程上，和用于阻挡另一个光通量的挡光元件可拆卸地插入到光程上，光通量选择装置设置在发射干涉光到成像装置的光偏转装置与光程匹配通道之间，光偏转装置设置在光程匹配通道与参考面之间。
7.按照权利要求6的干涉仪设备，其中第一光源包括：超发光二极管。
8.按照权利要求1的干涉仪设备，其中光源包括：发射低相干光通量和高相干光通量的单个光源单元；和
其中光程匹配通道的第一光程和第二光程中一个光程上配置挡光元件，用于防止实施高相干性测量时光通量的通过。
9.按照权利要求1的干涉仪设备，其中用于输出低相干光通量的至少一个光源能够波长扫描，使单纵模的激光发生振荡；
其中把光源的激光调制成多个波长，其周期远远小于接收干涉条纹装置的光累积周期；和
其中利用调制成多个波长激光的测量光辐照参考面和样本；来自样本的光和来自参考面的光产生的干涉光被该装置接收；并在光累积期间内积分干涉光。
10.按照权利要求1的干涉仪设备，其中构成光程匹配通道的两个光程之间光程长差是可变和可测量的。
11.按照权利要求6的干涉仪设备，还包括：光程长差改变装置，用于改变构成光程匹配通道的两个光程之间光程长差；焦点位置调整装置，用于调整成像系统的焦点位置，可以俘获来自参考面和样本的光引起的干涉条纹；和控制装置，用于同步驱动光程长差改变装置与焦点位置调整装置，从而使光程长差和焦点位置获得各自的最佳值。
12.按照权利要求1的干涉仪设备，其中干涉仪设备适合于测量任何的平面和球面样本。
13.一种用于低相干性测量和高相干性测量的干涉仪设备中测量方法，它适合于测量按照权利要求12的球面样本，该方法相继包括以下步骤：
第一步骤，利用高相干光通量作为测量光经干涉仪设备中参考透镜的参考面辐照样本，在如此辐照状态下沿光轴移动样本以检测这样一个位置，该位置产生来自参考面和样本的光引起最少数目的干涉条纹，并在如此检测到的位置上设置样本；
第二步骤，交换测量光到低相干光，利用低相干光经参考透镜的参考面辐照样本，改变传输通过光程匹配通道的两个光程上各自光通量之间光程长差以检测对比度峰值位置，该位置产生所得干涉条纹的最大对比度，并确定第一调整量作为检测时用于调整光程长差装置的调整量；
第三步骤，利用高相干光通量作为测量光经参考透镜的参考面辐照样本，在如此辐照状态下沿光轴移动样本以检测这样一个位置，该位置产生来自参考面和样本的光引起最少数目的干涉条纹，并在如此检测的位置上设置样本；
第四步骤，交换测量光到低相干光，利用低相干光经参考透镜的参考面辐照样本，改变传输通过光程匹配通道的两个光程上各自光通量之间光程长差以检测对比度峰值位置，该位置产生所得干涉条纹的最大对比度，并确定第二调整量作为检测时用于调整光程长差装置的调整量；和
第五步骤，计算第二步骤中得到的第一调整量与第四步骤中得到的第二调整量之差值，并根据计算结果获得该样本的曲率信息。
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