專利名稱：利用頻率掃描干涉儀對多表面測試物體的測量的制作方法
技術領域：
本發明涉及在多個測量光束頻率下收集干涉測量數據的頻移干涉測量法，以及利用從在多個測量光束頻率下生成的所得干涉圖案所顯現的關系來測量測量光束的諸干涉部分之間的光程長度差的處理方法。
背景技術：
用于測量測試物體表面拓撲的干涉圖案一般被捕捉為由共用的相干光束的不同部分照射的測試表面和基準表面的重疊圖像。在兩光束部分的相干長度內，取決于形成重疊圖像的光束部分的局部相位，干涉圖案內每個像素的強度在相長和相消周期內發生變化。如果需要一個光束部分行進的光程長度比另一個光束部分的略長或略短，則兩個光束部分的相干波形可彼此異相地到達圖像平面。當像素由通過傳輸相等光程長度或相差光束部分的共同波長的整數倍的光程長度而相長干涉的光束部分形成時，像素最亮。當像素由通過傳輸相差公共波長的一半或比一半多波長的整數倍的光程長度使得光束部分保持180度異相而相消干涉的光束部分形成時，像素最暗。因此，像素強度可用作物體和基準光束之間的局部相差的度量，且作為2 π波周期的角度部分的相差可被轉換成光束波長的分數部分，作為距離變化。因為相長和相消干涉的每個周期產生重復的像素強度變化圖案，所以干涉圖案內各像素的強度值提供了限于測量光束的一個波長的度量，該限制被稱為模糊間隔 (ambiguity interval)。表示為測試表面和基準表面之間的相對高度變化的用于測量表面形貌的模糊間隔一般限于二分之一波長，因為在反射下測量的高度變化使光束部分的光程長度差翻倍。高度逐漸改變超過二分之一波長的測試表面仍可通過稱為“相位展開”的方法來測量，該方法假設相鄰像素之間的變化在二分之一波長模糊間隔內。然而，利用對于可見光范圍內的測量光束小于400納米的模糊間隔，只有非常光滑的表面滿足這類測量。像素強度轉化為光束部分之間的相差是有問題的，因為除干涉外像素強度還受到多種影響。例如，由于照明條件或者甚至是測試表面的局部反射性，像素強度可在成像場中改變。已經開發出相移干涉儀，它通過以遞增變化的光程長度差形成連續干涉圖案以使每個像素移動通過相長和相消干涉周期來克服該問題。因此，可將每個像素的強度與其自身的相長和相消干涉周期內的強度變化范圍相比較。來自少至三個遞增相移干涉圖案的數據可用于將像素強度轉換成高度變化的可用測量。具有超過光學性能的形貌變化(諸如機械加工的金屬表面)的測試表面一般不能通過常規干涉測量方法來測量。對于很多這類表面，像素與像素的強度變化非常高，以至于在干涉圖案內看不到干涉條紋。不能將相位展開用于在測試表面上使像素高度彼此相關，因為相鄰像素之間的像素與像素變化可能超過模糊間隔。頻移干涉儀是可用于測量“粗糙”或不連續測試表面的替代干涉測量方法之一，該 “粗糙”或不連續測試表面被定義為相鄰像素變化超過常規干涉儀的通常模糊間隔的表面。 一序列的干涉圖案通過改變每個圖案之間的測量光束頻率來捕獲。已知隨著光束頻率變化各像素強度在相長和相消干涉之間變化的速率是物體和基準光束部分之間的光程長度差的函數。在較大的光程長度差上，波長變化的累積影響較大。不管光束頻率在捕捉的干涉幀之間遞增地變化還是光束頻率連續變化且遞增地采樣干涉幀，所捕捉的干涉幀之間的光束頻率差建立與像素經歷單個相長和相消干涉周期的光程長度差相對應的合成波長。合成波長可被定義為光速除以光束頻率的遞增變化，且可比測量光束的波長要長很多并可提供擴大的模糊間隔。較大的合成波長對于擴大測量范圍(即，增加模糊間隔)是優選的，且大量的樣本干涉幀(即，在干涉圖案中捕捉的遞增光束頻率步長數量)對于提高測量的分辨率(即可辨別的最小高度差)是優選的。然而，頻率步長的大小和頻率步長的數量同時受到光源(通常是可調激光源)的可調范圍的限制。增加頻率步長的數量既增加捕捉干涉圖案的時間又增加處理所捕捉的數據所需的時間。具有不連續表面或彼此偏離表面的測試物體甚至可超過頻移干涉儀的放大模糊間隔。盡管可單獨測量偏移表面，但可能需要附加的測量以將偏移表面彼此相關。表面的單獨測量和表面之間的附加測量可能是耗時的且難以彼此精確相關，用于提供相對共用數據的測量表面的整體測量。
發明內容
本發明在一個或多個優選實施例中將關于測試物體的某些“先驗”信息與關于頻移干涉儀的特定信息相關，用于將測試物體相對于頻移干涉儀安裝在適當位置，以便同時測量彼此偏移超過通常的干涉儀模糊間隔的多個表面。本發明還勝任抑制誤差源對測量的影響，包括系統性強度變化和輔助腔的貢獻，即，源自并非想要測量的表面的干涉圖案。對于具有多個表面的很多測試物體，可在單個測量周期內相對共用數據以期望精確度測量多個表面。根據本發明可實現較快測量、簡化處理和較低測量制造成本的優點。本發明的一個表現在于一種利用頻移干涉儀測量測試物體的多個表面中的形貌變化的方法，包括獲取關于測試物體和頻移干涉儀的信息。所獲取的關于測試物體的信息包括測試物體的多個表面之間沿基準軸的間距。所獲取的關于頻移干涉儀的信息包括其中可不模糊地測量形貌變化的沿測量軸的頻移干涉儀的模糊間隔序列。此外，標識與模糊間隔之間的邊界相鄰的排除區。相對于頻移干涉儀安裝測試物體，使得測試物體的多個表面位于干涉儀的預定模糊間隔內且在排除區之外。獲得關于多個表面之間的間距的充分信息，使得知曉與各表面對準的特點模糊間隔。該信息允許模糊間隔本身能被插值，且在一個已知的模糊間隔內獲得的數據與在另一個已知的模糊間隔內獲得的數據相比較，并且來自這兩個模糊間隔的數據與公用數據相比較。優選地，安裝測試物體，使測試物體的基準軸與干涉儀的測量軸對準。優選地設置安裝位置使得測試表面在模糊間隔內相對居中。從與頻移干涉儀的預定光束頻率步長相關聯的合成波長導出模糊間隔。以局部表面高度為單位，模糊間隔對應于合成波長的四分之一。每個模糊間隔優選地跨越像素強度調制頻率范圍，每個調制頻率與光束頻率變化總范圍上的若干相長和相消干涉周期相對應。將像素強度調制頻率的子集優選地定義為分開測量區的序列，其中調制頻率接近從測量區排除的模糊間隔的一個或多個邊界。將測試物體的多個表面優選地定位在多個測量區內。每個模糊間隔與由不同光束頻率的范圍所限制的調制頻率的類似集合相關聯，其中頻移干涉儀步進通過該不同光束頻率的范圍以收集干涉數據。根據模糊間隔內測試表面的預期位置從模糊間隔排除額外的調制頻率。例如可獲取關于預期多個表面的間距變化不會超過的變化范圍的信息，以及可針對每個測試表面限定匹配這些范圍的測量區。安裝測試物體使得測試物體的多個表面的測量區位于排除區之外。與測試物體的不同表面相對應的不同像素集合可與測量區內的不同調制頻率集合相匹配，以便確定最接近每個像素的調制速率的調制頻率。本發明的另一個表現涉及一種相對共用數據來測量測試物體的多個表面的方法。 將具有多個測試表面的測試物體安裝在適當位置，用于通過頻移干涉儀進行測量。利用相干光束成像多個測試表面以及基準表面，形成將測試表面與基準表面相對比的干涉圖案。 遞增地移動測量光束的頻率，以便再次成像測試表面和基準表面并獲取在不同測量光束頻率下的一系列不同干涉圖案。基于遞增移位的光束頻率的模糊間隔對應于測量范圍，在所述測量范圍內可不模糊地確定相對于基準表面的測試表面高度變化。將測試表面共同定位在多個模糊間隔內，使得測試表面與模糊間隔的邊界分離。優選地，限定與模糊間隔的邊界相鄰的排除區，優選地將測試表面定位在模糊間隔的排除區之外。測量光束頻率的遞增移位包括使光束頻率移位通過與遞增頻率移位之和相對應的頻率范圍。可包括捕捉干涉圖案作為像素強度陣列，其中在調制頻率下每個像素強度貫穿相長和相消干涉情況而改變。每個模糊間隔跨越像素強度調制頻率的范圍。優選地，每個模糊間隔與由遞增光束頻率移位數量所限定的調制頻率的類似集合相關聯。優選地從模糊間隔排除接近與遞增光束頻率移位數量的二分之一相等的頻率的調制頻率。優選地，從模糊間隔排除接近0頻率的調制頻率。根據測試表面的預期位置從模糊間隔排除額外的調制頻率。本發明的又一表現涉及利用頻移干涉儀測量測試物體的多個表面的方法。獲取有關測試物體的表面的數據，包括每個測試表面的測量區。確定與干涉儀的基準表面有關的模糊間隔。確定測試物體相對于干涉儀的安裝位置，以便將測試表面的測量區共同地裝配在各模糊間隔內。將測試物體安裝在安裝位置，并且標識與每個裝配的測量區相關聯的模糊間隔。在遞增改變的測量光束頻率下形成測試表面和基準表面之間的一系列干涉圖案。 將來自一系列干涉圖案的像素強度數據轉換成調制頻率，并進一步轉換成與測試表面所處的模糊間隔有關的測試表面內以及之間的高度變化。轉換像素強度數據包括排除測量區外的數據。安裝測試物體較佳地包括關于干涉儀的基準表面相對地調節測試物體，以將測試物體定位在基準安裝位置中。附圖簡述
圖1是根據本發明的實施例的斐索型(Fizeau-type)結構的頻移干涉儀的視圖。
圖2是具有三個相對偏移表面的測試物體的俯視圖。圖3描繪示出從三個相對偏移表面與基準表面的重疊圖像獲取的斑點干涉圖案的相機幀。圖4是描繪像素調制頻率相關于以干涉儀的合成波長為單位的像素高度的視圖。圖5是基于50GHz光束頻率步長和總共1 個光束頻率步長，繪制像素調制頻率相關于像素高度的類似視圖。圖6重新定向圖5的視圖，以供與測試物體的測試表面的位置進行比較。圖7是描繪在重復的面元序列內像素調制頻率的放大圖，該面元序列示出圍繞測試物體表面的預期位置的有限測量區。詳細描述在圖1中示出共用路徑(例如斐索)結構的頻率掃描干涉儀10，用于測量如圖2 所示的具有第一、第二和第三測試表面14、15和16的測試物體12。在全部三個表面14、15 和16上的點之間的高度變化是與基準表面18相比較通過在多個測量光束頻率下收集和評價每個點的干涉數據來測量的。干涉儀10的優選相干光源是模式選擇頻率可調激光器20，其包括激射腔22和反饋腔M。示為角度可調衍射光柵26的利特羅(Littrow)結構的頻率調節器形成反饋腔M 的一端，且可根據驅動器30的指示在角度α范圍內圍繞樞軸觀調節，以調節頻率可調激光器20的光束頻率輸出。角度可調衍射光柵沈將第一衍射級的光向后反射回激射腔22， 以便使激光激射頻率受到最小損耗。不同的頻率相關于衍射光柵26的傾斜角α返回到激光激射腔22。為了簡化頻移干涉儀10的數據處理操作的目的，衍射光柵沈旋轉通過數個角位置，以便在激射腔22偏愛的光束頻率模式間進行選擇，來以模式間距的間隔遞增地改變頻率可調激光器20的頻率輸出。衍射光柵沈的零級反射沿與頻率可調激光器20的輸出不同的方向反射測量光束32。折疊式反射鏡(未示出)與衍射光柵沈一起移動以維持測量光束 32 的單一輸出方向。在題為 TUNABLE LASER SYSTEM HAVING AN ADJUSTABLE EXTERNAL CAVITY (具有可調外腔的可調激光器系統)的美國專利No. 6，690，690中示出這種折疊式反射鏡，該專利通過弓I用結合于此。在題為MODE-SELECTIVE FREQUENCY TUNING SYSTEM (模式選擇頻率調諧系統)的共同轉讓美國專利No. 7，209，477中給出了這種頻率可調激光器的附加細節，該專利通過引用結合于此。根據本發明還可使用其它頻率可調激光器，包括連續可調激光器，可將其布置成輸出多個離散光束頻率。如通過引用結合于此的題為OPTICAL FEEDBACK FROM MODE SELECTIVE TUNER(來自模式選擇調諧器的光學反饋)的共同轉讓美國專利No. 7，259，860 所描述的反饋系統(未示出)可用于進一步調節頻率可調激光器的輸出或參與干涉數據的后續處理。頻率可調激光器20輸出的測量光束32沿共用光路傳播到基準表面18和測試物體12的三個測試表面14、15和16。測量光束32的一部分從基準表面18反射為基準光束， 而測量光束32的另一部分透過基準表面18并從三個測試表面14、15和16反射為物體光束。允許測量光束32通過基準表面18和三個測試表面14、15和16的分束器34將返回基準光束和物體光束定向到相機36，其包括成像光學器件38和檢測器陣列40(例如，電荷耦合二極管陣列)，用于記錄作為測試物體12的三個測試表面14、15和16與基準表面18的重疊圖像的基準光束和物體光束之間的干涉圖案。在覆蓋在檢測器陣列40上的圖像平面42內，三個測試表面14、15和16與基準表面18的重疊圖像形成如圖3所示的干涉圖案60。干涉圖案60被描繪為反映接近測量光束的二分之一波長或更大的表面粗糙度的斑點干涉圖案。由頻率可調激光器20輸出的每種不同測量光束頻率形成不同的斑點干涉圖案。計算機44(也控制激光器20的操作)逐像素地處理相機幀62內捕捉的不同干涉圖案，作為遍及檢測器陣列40的圖像平面42進行參考的光束強度的局部測量。在多個干涉圖案(n = 1至N)上收集檢測器陣列40的每個像素(i，j)的強度數據I(i，j，η)，作為強度數據集。在每個強度數據集內，各個像素(i，j)關聯于與在N個不同測量光束頻率ν下產生的干涉圖案相對應的N個強度值。諸如傅立葉變換之類的計算將強度數據集轉換成局部測試表面高度H(i，j)的近似形貌測量。傅立葉變換可用于以峰值振幅正弦曲線的形式將每個集合的強度值描述為規律變化的光束頻率ν的函數，其本身具有與測試表面14、15或16之一上相應點的局部高度 H(i，j)直接相關的調制頻率F。每個不同的局部高度H(i，j)關聯于與采樣光束頻率ν的范圍上的各個像素中實現的相長和相消干涉的周期數相對應的唯一調制頻率F，并且該調制頻率F從傅立葉變換顯而易見為峰值振幅正弦曲線的頻率F或其假信號。這種處理的示例可在題為MULTI-STAGE DATA PROCESSING FOR FREQUENCY-SCANNING INTERFEROMETER(用于頻率掃描干涉儀的多級數據處理)的美國專利No. 6，741,361中找到，該專利通過引用結合于此。盡管來自不均勻間距的測量光束頻率的強度圖案也可變換成基準光束和物體光束之間的局部光程長度差的類似測量，但根據每組單個像素的數據計算測試物體12的近似局部高度H(i，j)可通過在相等間距的光束頻率間隔Δ ν下生成不同干涉圖案并利用快速傅立葉變換(FFT)找到峰值振幅正弦曲線來簡化。測試物體12安置在可沿運動臺50的軸48移動的工作臺46上，該軸48與測試物體12的基準軸52和干涉儀10的測量軸M —致。計算機44還控制運動臺50，用以調節三個測試表面14、15和16相對于基準表面18的位置。計算機44的輸入設備56 (例如，鍵盤)用于將關于測試物體12的信息輸入到計算機44。例如，優選地根據包括測試表面14、 15和16沿基準軸52的相對偏移的特定說明來安排測試物體12。將偏移信息連同光束頻率步長Δ ν優選地輸入到計算機44，用于沿測量軸M相對于基準表面18相對定位測試物體12。在計算機44內，將來自N個捕捉干涉圖案60的強度測量逐像素地與表示條紋數 (相長和消息干涉周期)的調制頻率F相配合，由此各個像素的強度在采樣光束頻率ν的整個范圍上(計算為N和Δν的乘積)變化。在采樣光束頻率的范圍ΝΔν上的條紋數F與各個像素距基準表面18的高度的關系如下
Γ 2ΗΝΑν _4] F =⑴其中c是光速。干涉儀10的光束頻率ν以相等的頻率步長Δ ν移動總共N步。頻率步長大小Δ ν將調制頻率F的有效波長λ eff定義為使像素強度移動通過一個相長和相消干涉周期所需的物體光束和基準光束之間的光程長度差。可將有效波長Xrff計算如下
權利要求
1.一種準備用于測量測試物體的多個表面中的形貌變化的方法，包括獲取關于測試物體的多個表面之間沿基準軸的間距的信息，獲取關于其中可不模糊地測量形貌變化的沿測量軸的頻移干涉儀的模糊間隔序列的 fn息，標識與模糊間隔之間的邊界相鄰的排除區，以及相對于頻移干涉儀安裝測試物體，使得測試物體的多個表面位于干涉儀的預定模糊間隔內且在排除區之外。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，安裝步驟包括將測試物體的基準軸安裝成與干涉儀的測量軸對準以及設定安裝位置使得測試表面在模糊間隔內相對居中。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，獲取關于模糊間隔序列的信息的步驟包括從與頻移干涉儀的預定光束頻率步長相關聯的合成波長導出模糊間隔。
4.如權利要求3所述的方法，其特征在于，以局部表面高度為單位的模糊間隔對應于合成波長的四分之一。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，每個模糊間隔跨越像素強度調制頻率范圍， 每個像素強度調制頻率與光束頻率變化范圍上的若干相長和相消干涉周期相關聯。
6.如權利要求5所述的方法，其特征在于，包括將作為測量區的序列的像素強度調制頻率的子集與從測量區排除的排除區內的調制頻率相關聯。
7.如權利要求6所述的方法，其特征在于，相對于頻移干涉儀安裝測試物體的步驟包括將測試物體的多個表面定位在多個測量區內。
8.如權利要求7所述的方法，其特征在于，包括標識模糊間隔內圍繞測試表面中的至少一個的預期位置的調制頻率的更有限子集的步驟。
9.如權利要求8所述的方法，其特征在于，標識調制頻率的更有限子集的步驟包括標識模糊間隔內圍繞每個測試表面的預期位置的調制頻率的更有限子集。
10.如權利要求9所述的方法，其特征在于，與不同測試表面相關聯的調制頻率的更有限子集彼此不同。
11.如權利要求5所述的方法，其特征在于，每個模糊間隔與由收集干涉數據所采用的不同光束頻率的范圍所限制的調制頻率的類似集合相關聯。
12.如權利要求11所述的方法，其特征在于，包括根據模糊間隔內測試表面的預期位置從模糊間隔排除調制頻率的步驟。
13.如權利要求12所述的方法，其特征在于，根據模糊間隔內測試表面的預期位置從不同模糊間隔排除不同調制頻率。
14.如權利要求1所述的方法，其特征在于，獲取關于測試物體的多個表面之間的間距的信息的步驟包括獲取關于預期多個表面的間距變化不會超過的變化范圍的信息以及針對每個測試表面限定相應的測量區。
15.如權利要求14所述的方法，其特征在于，相對于頻移干涉儀安裝測試物體的步驟包括安裝測試物體使得測試物體的多個表面的測量區位于排除區之外。
16.一種相對共用數據來測量測試物體的多個表面的方法，包括將具有多個測試表面的測試物體安裝在適當位置，用于通過頻移干涉儀進行測量，利用相干光束成像多個測試表面以及基準表面，形成將測試表面與基準表面相對比的干涉圖案，遞增地移動測量光束的頻率，以便再次成像測試表面和基準表面并獲取在不同測量光束頻率下的一系列不同干涉圖案，以及限定與對應于測量范圍的遞增移位的頻率相關聯的模糊間隔集合，在所述測量范圍內可不模糊地確定相對于基準表面的測試表面高度變化，其中安裝測試物體的步驟包括將測試表面共同定位在多個模糊間隔內，使得測試表面與模糊間隔的邊界分離。
17.如權利要求16所述的方法，其特征在于，包括限定與模糊間隔的邊界相鄰的排除區的步驟，且安裝步驟包括將測試表面定位在模糊間隔的排除區之外。
18.如權利要求16所述的方法，其特征在于，遞增移位測量光束的頻率的步驟包括使測量光束的頻率移位通過與遞增的頻率移位之和相對應的頻率范圍，且包括捕捉干涉圖案作為像素強度陣列的步驟，其中在光束頻率范圍上的調制頻率下每個像素強度貫穿相長和相消干涉情況改變，并且每個模糊間隔跨越像素強度調制頻率范圍。
19.如權利要求18所述的方法，其特征在于，每個模糊間隔與由若干捕捉的干涉圖案所限定的調制頻率的類似集合相關聯。
20.如權利要求19所述的方法，其特征在于，包括從模糊間隔排除接近與捕捉的干涉圖案數的二分之一相等的頻率的調制頻率的步驟。
21.如權利要求20所述的方法，其特征在于，排除步驟包括從模糊間隔排除接近0頻率的調制頻率。
22.如權利要求21所述的方法，其特征在于，排除步驟包括根據測試表面的預期位置從模糊間隔排除附加調制頻率。
23.一種利用頻移干涉儀測量測試物體的多個表面的方法，包括 獲取有關測試物體的測試表面的數據。標識用于每個測試表面的測量區， 確定與干涉儀的基準表面有關的模糊間隔，確定測試物體相對于干涉儀的安裝位置，以便將測試表面的測量區共同地裝配在各模糊間隔內，標識與每個裝配的測量區相關聯的模糊間隔， 將測試物體安裝在安裝位置中，在遞增改變的測量光束頻率下形成測試表面和基準表面之間的一系列干涉圖案， 將來自一系列干涉圖案的像素強度數據轉換成調制頻率，以及將關于模糊間隔的調制頻率轉換成測試表面內以及之間的高度變化測量。
24.如權利要求23所述的方法，其特征在于，轉換像素強度數據的步驟包括排除測量區外的數據。
25.如權利要求23所述的方法，其特征在于，安裝步驟包括關于干涉儀的基準表面相對地調節測試物體，以將測試物體定位在安裝位置中。
全文摘要
頻率掃描干涉儀(10)被配置成貫穿寬范圍的預期偏移同時測量測試物體(12)的多個表面(14、15、16)。將知曉的測試表面的預期位置與基于合成測量波長(λeff)的模糊間隔(U)序列相比較，以使測量表面在模糊間隔內居中。
文檔編號G01B9/02GK102341669SQ201080010629
公開日2012年2月1日 申請日期2010年1月29日 優先權日2009年1月30日
發明者C·A·李, M·J·特羅諾洛恩 申請人:康寧股份有限公司