CN1060267C - 利用衍射光学显现表面轮廓的方法和装置 - Google Patents

Abstract

用于测量表面形貌的光学***，它包括光源(30)，由二个或多个衍射光栅，全息光栅等衍射光学元件(120、130；122、132；123、133)组成的衍射光学组件(70、72、73)，以及用于从干涉数据测定表面高度的电子探测装置和数字信号处理装置，衍射光学组件把入射光分成两束，并以不同的入射角射到物体(20)的表面(70)上的相同位置处，经过物体表面反射后，光束分开地向后通过衍射光学组件，之后他们再次复合在一起，形成代表表面形貌的干涉图样，最后干涉图样的等效波长大于照明光的波长。

Description

利用衍射光学显现表面轮廓的方法和装置

本发明涉及用于表面成像和分析的精密光学计量仪，尤其是对表面外形轮廓的干涉计量。

干涉计量仪是广泛用于测量表面轮廓的仪器，它利用光的波性质高精度地绘制物体表面高度的变化。例如，通常干涉仪的举例可参见由Daniel Malaeara编写(Wiley，NewYork，1992)的书“Optical Shop Testing”中第1、2和3章节。大部分惯用的干涉仪不能利用表面的高度变化及表面的粗糙度在超过源光波长的四分之一的变化来调节表面特性。这种表面特性将导致干涉相位的双值性，这种双值性是很难，甚至于是不可能解释的。另一困难是表面斜率很大，对分析干涉条纹造成困难。

由此限制了常用干涉仪的应用范围，已有技术提出过一些另外的方法和手段，企图降低测量的敏感性。一种显见的方法包括，通过使用不寻常的光源来增加光的波长。一种举例的方法和装置已由C．R．Munnerlyn和M．Latta(AppL．opt7(9)1858—1859(1968)公开在文章“Rough Surfaceinterferometry using a CO2 Laser source”中。然而，这种方法非常化钱和麻烦，因为该方法中用到了专门的光源、光学元件 和探测器。

其它克服常用干涉仪的限制范围的途径包括使用源光的多波长，如由R．René Benoit在文章“Application desphénomènes a des déterminations métrologiques”(J．de Phys，3(7)，67—68(1899))所述。对二个或二个以上波长的一系列测量提供一个相当大的等效波长，以克服常用单波长干涉仪的某些双值性问题。一个应用这种技术至表面计量上的方法公开在U．S．patent No．4，355，899(T．A．Nussmeier)中。然而，这些多波长技术用在表面斜率大到难以分析干涉条纹时仍然不正确。在已有技术，如由K．Haines和B．P．Hildebrand在文章“Contour generation by wavefront reconstruction”(Physics Letters，19(1)，10—11(1965))介绍的双波长全息照相方法中，双波长全息像再现的结果是构成干涉的轮廓间隔的外形。然而，这种方法用在实际应用中有困难。

一种利用扫描白光干涉法显现表面轮廓的已有方法公开在U．S．patent No．4，340，306(N．Balasubramanian)中，该专利描述一种白光干涉仪，它包括一个机械扫描参考镜，一个二维探测器阵列和计算机控制。该公开的已有技术方法包括，以分别的步骤或者对参考镜扫描，或者对物体扫描，对每个扫描位置测量图像中每个点的条纹反差，用这种方法对每个表面点测定最大条纹反差的位置。对反差是最大的扫描位置用于测量一个特殊表面点的相对高度。然而，该已有技术的工作非常缓慢，对于大的粗糙表面由于分析干涉条纹有困难，因此不能很好地测量。

已有技术也提供另一些不同的测量几何构形，企图减低对表面粗糙度、表面斜率和多次反射的测量敏感性。有关的具有代表性的已有技术介绍在U．S．Patent No．4，325，637(R．C．Moore)中，以及由C．Joanethan，B．Franze，和H．J．Tiziani(Applied Optics 33(31)，7307—7311，(1994))的文章“Oblique incidence and observation electronic speckle—patterninterferometry”中，在这些所谓的掠射入射干涉仪中，照明和观察的倾斜角相比于最普通的干涉仪来说将减少物体表面上的条纹密度，其中减少的条纹密度相当于一种等效波长∧，它可能是光的实际波长的许多倍。等效波长∧越大，则由仪器可以调节的表面粗糙度就越大。然而，出现在已有技术方法中的密度的明显降低将要求相对于垂直入射具有一个大的照明角度。这样一种大角度对正常的物体照明和成像将产生许多问题。也可能有由于表面特性，例如间隔和通道所带来的不希望的阴影。已有技术的其它附加的应用在于从需要适当平衡干涉仪的参考光束和物光束来补偿表面反射率的变化。

其它的用一个长的等效波长来产生干涉图样的方法可参见U．S．Patent No．3，958，884(F．H．Smith)。该方法所用的装置包括一个光学组件，它可以同时把两束相互相干的光，以不同的入射角射到表面上的一点。当这两束光复合时，最终的干涉图样对表面形貌的变化的敏感性降低很大。这种减感的条纹密度也可以用一个等效波长∧＞λ来表征；然而，这种方法不需包含大角度的照明。F．H．Smith提出几种利用折射和偏振元件的组合来对源光进行分和合的方法。这些方法包括使用一个Jamin干涉仪，一个双折射双合透镜，一个双折射合光棱镜，或一个Savart合光板。然而，这些现有技术方法中没有一种方法适合于大的表面面积，因为需采用麻烦和昂贵的光学部件和几何光学，以及不同孔径的光阑用于限定和分开光束，这种几何光学构形也是非常消耗光的。

其它形式的采用不同入射角工作的已有干涉仪已公开在U．S．patent No．4，498，771(G．Makosch)中，所公开的装置使用双折射晶体，例如一种Wollaston棱镜，和一组平面镜来把光束射向物体。在U．S．Patent No．4，498，771的图2a所示的实施例中，企图采用二个不同角度的光束进行照明来增加干涉图样中有效的条纹间隔，这个实施例在专利的第3和4栏中作出说明。然而，采用这样一种双折射晶体将把欲观察物体的尺寸限制在几个厘米的范围。此外，还要采用大角度照明(大于45°)的装置，所以具有如已有的掠射入射干涉仪那样的诸多不利点。这样的装置调整起来复杂且困难。

还有另外一些已有技术通过改变几何光学来简化光学干涉仪的敏感性，如由W．Jaeriseh和G．Makosch在文章“optical contour mapping of surfaces”(Applied optics 12(7))中所述。该文介绍一种已有的方法，即采用一种衍射光学元件，如衍射光栅，把它放置成几乎与测试表面相接触。用单色平面波对光栅照明，在二个不同衍射级的光束分量之间产生一个干涉图样。该图样受到反射，离开物体表面，反过来被重叠在光栅上，最后形成一个相似于物体表面的表面轮廓的条纹图样。这些轮廓可以比源光的波长大许多。一个类似的产生减感条纹的方法介绍在文章“Common—path interferometerfor flatness testing”(P．Jacquot，X．Colonna de Lega and P．M．Boone(SPEI 2248，optics for productivity in manufacturing，paper l8(1994))中。文中的干涉仪利用衍射光学元件的二个衍射级的相互作用来工作。然而，在这种情形下，所用的光学元件是一种球面波前的全息记录元件。

无论是Jaerisch and Makosch还是Jacquot等所述的已有技术方法都需要把衍射元件几乎与物体表面相接触地放置。这是因为在两种已有方法中，单个衍射元件把源光分成两束在不同方向上传播的光束，在物体表面上不是完全重叠。所以，这两束光不能合适地取向来产生所希望的干涉效应，尤其是在粗表面上。另一困难是，两束光在物体离开衍射元件运动时会形成增大的光程差，而所希望的干涉效应在光程差小的时候最容易取得。在已有的光学轮廓测量仪中为避免这种问题的唯一方法是，使物体非常靠近衍射元件的表面。然而，这种非常靠近的工作距离是不希望的，也是不现实的。真正的与元件接触可能使它受到严重的损坏，而一个靠近的工作距离将使部件的操作自动化，尤其是在工业环境中的操作的自动化很复杂。

已有干涉计量中还存在的困难在于当所测试的物体是部分透明的时候，因为最终的干涉图样常常是一种由平片的前和后表面反射所产生的复杂的条纹的混合。为了对这样一种物体上进行有意义的计量，通常做法是或者在物体的前表面涂上一层高反射材料的薄层，或者涂敷某种折射率匹配层来降低后表面的反射。这些表面处理对有规的检验和测试，尤其是对生产环境中的过程控制是非常不希望的。在待批的、共有的美国专利申请U．S．Patent″Method and apparatusfor profiling surfaces of transparent objects"(申请号No．08／153，146，申请日为1993年11月15日)中，公开了一种方法，在进行两次测量后，可以把该两个表面用数学方法隔开，但是这种方法需要复杂的装置和步骤。

由于干涉仪在多种重要的应用中其使用上有很大的困难，已有技术所提供的几种光学测量轮廓的技术不是基于光的波动性的。一种代表性的例子是Moiré条纹分析。这种已有技术已在“The book optical shop testing”一书(由DanielMalacara(Wiley，New York，1992)编写的，第二版)中第16章作过详细的介绍。已有的Moiré方法包括，把ronchi母线或类似的结构进行投影和成像，并使它与几何三角形等效。基于这种原理的商业产品是检验板块，已由Speedfam—Spitfire产业集团制造(地址为Des Plaines，IL60016)，虽然这种产品能够显现粗表面的轮廓，但把它与光学干涉仪相比较，其精度是非常低的，也不适用于眼镜表面的检测。

由此，已有技术不能提供一种装置和方法可以满意地用于显现粗的和光滑表面的轮廓，利用减感的在有效工作距离处的干涉条纹，也不能提供显现部分透明的平面平行物体的轮廓的方法和手段。这些已有技术的缺点将由本发明予以克服。

根据本发明的优选方法和装置，衍射光学元件用一个光源予以照明，这种光源可以是一种宽谱的空间相干或非相干光源，或一种窄谱的空间相干或非相干光源，例如：白炽灯泡，光发射二极管，激光器等。光学组件可以由二个或多个衍射光学元件，例如：衍射光栅，全息片等组成。衍射光学组件把源光分成两束光，他们以不同方向通过组件传播。在这些光束出组件时，用下述方法使他们定向，即，使他们在位于适当工作距离处的物体表面上重叠。在经过物体表面反射后，光束以不同方向向后通过衍射光学组件，之后再使他们复合，形成代表表面轮廓的干涉图样。然后，对干涉图样采用电子学方法或直视检验方法进行测定。由本发明产生的干涉图样的基本特征是，它对表面形变和表面粗糙度具有减感性。这种减感性可以利用把物体放置在一个便利的大的工作距离处来取得。本发明的另外优点是，可以使用几乎任何光源，包括白炽灯泡，光发射二极管，激光器，和漫射的白光光源，也能对部分透明、平面平行物体的表面之间进行区别。

在下述附图中，采用相同的标号表示类似的元件：

图1表示本发明优选实施例的附图，图中所示物体、光源、衍射元件、电子相机和附加的光学元件用于照明物体和监测干涉图样；

图2表示通过采用衍射光学组件的图1所示实施例的光束路径的详细说明；

图3表示图1的优选装置的一部分，用于对透明平面平行物体的前表面的轮廓测量；

图4表示图1的优选装置的一部分，用于对透明平面平行物体的后表面的轮廓测量；

图5表示图1所示装置的另一种实施例，它包括执行相移干涉测量的附加手段；

图6表示依据二相机像的重叠进行物体调准的方法；

图7表示图1所示本发明的另一种实施例，其中照明和反射光束共用一个准直透镜；

图8表示通过采用图7的衍射光学组件的另一实施例的光束路径的详细说明；

图9表示本发明图1的另一种实施例，其中衍射光学组件是由全息元件组成，它用来代替准直透镜；

图10表示通过图9的另一种实施例的光束路径的详细说明，该实施例采用全息光学元件的衍射光学组件；及

图11表示本发明图1所示的又一种实施例。

现参照附图作详细说明。图1表示本发明光学表面轮廓测量仪的一个优选实施例，用于测量物体20的表面轮廓。由光源30提供照明，光源可以是，例如一种宽谱空间相干或非相干光源。其中，宽谱空间非相干光源可以包括一个白光光源，一个白炽灯，或一个光发射二极管，或二极管；一个宽谱的空间相干光源可以包括通过针孔的白光或光发射二极管；一个窄谱空间非相干光源可以包括一个光发射二极管或与转动基体玻璃相连接的激光器；一个空间相干光源可以包括一个激光器。透镜40汇集来自光源30的光，并使它通过孔经50出射，出射光由透镜60准直，得到一束基本上平行的光束61。衍射光学组件70(详见图2)适当地把源光分成两束，并对他们的传播方向空间，使他们以不同的入射角射到物体表面上的相同地方。在从物体20的表面反射后，光束反向通过衍射光学组件70，并复合成为出射光束76。出射光束在通过透镜80和光阑90后，由透镜100汇集。透镜100最好被调节到使表面20被聚集到一个光探测器或光敏转换器110上，例如它可以是一种具有固体二维陈列的常用相机，一种线性陈列，一种单列光传感器等器件，以产生电子图像。然后，计算机显示图像，并对图像上的每个点计算其高度，最终得到一个物体表面的三维图像。

由两束光束之间的相对相移所产生干涉效应。这种相移正比于表面的轮廓。相移的物理原因可以参见图2予以证明，图中通过本实施例的衍射光学组件70的光程表示得非常清楚。照明光束140首先射到光栅120上，由光栅120根据已知的光学原理(例如由F．A．Jenkins和H．E．White(McGraw—Hill，New York，1976)撰写的“光学基础”一书所述，把光束140分成光束150和光束160。下一步，光束150和160由第二衍射光栅130衍射，并射向物体20的表面170。由表面反射，光束向后传播至光栅130，并衍射使他们在光栅120的表面上复合。经复合的光束再衍射成一个共同的出射光束180。

由已有技术可知，当光束被分成二部分并复合时，产生一个干涉效应，同时调制复合光束的强度g。调制公式为下：

g=g₀+vg₀ cos(φ)其中，v是干涉常数，φ是两束光之间的干涉相位差，g₀是一常数。相差φ与照明的平均波长λ以及两束光行进的光程差OPD有关： $\mathrm{\φ}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{OPD}}{\mathrm{\λ}}$ 从图2可见： $\mathrm{OPD}=2(h-h^{\′})(\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}-\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)})$

其中，θ是相对于物体20的表面170的光束160的入射角，φ是相对于物体20的表面170的光束150的入射角，h是从表面170至衍射光栅130之间的距离，h′是光栅120和130之间的距离，W是工作距离。在图3中，为简化起见，透明光栅基底的衍射效应予以忽略。从上述等式很明显看出，光程差OPD在距离h和h′趋于相等时几乎等于零。在这相同位置，两束光在表面上完全重叠。这些是使反差V最大的必要条件，从而可取得最高质量的干涉图样。通过合适地选择距离h′，几乎可以获得任何工作距离W，使其受限制的只是光栅的具体尺寸以及所设置的硬件的要求。

本发明光学表面轮廓测量仪对表面形变的敏感性可以用下述的有效波长来表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{d\φ}/d{h}^{\′}}$

其中，dφ是相当于距离h的小量变化dh时干涉相位的小量变化。由图2所示的实施例可以容易地进行上述计算。 $\frac{d}{\mathrm{dh}}\[\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}\]=h\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\frac{h}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)}$ 可以表示为： $\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\cos \left(\mathrm{\θ}\right)-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}$

在图2所示的实施例中，角θ和φ是由入射角α，波长λ和频率确定，光栅120和130的条纹数N₁和N₂通常以每毫米的刻槽数为单位测量。最好，N₂／N₁等于2。于是，可见，

θ=sin^-1 〔sin(α)—N₁λ〕

φ=sin^-1〔sin(α)+N₁λ〕

把θ和φ值代入上述等式，可见等效波长近似于与源波长λ无关； $\mathrm{\Λ}\≈\frac{1}{N_1\sin \left(\mathrm{\α}\right)}$

可见，在原则上任何有效波长∧≥λ可以通过适当地选择入射角来产生。

上述考虑通过下述举例将更为清楚。在此所用的术语和光学原理是基于由F．A．Jenkins和H．E．White(McGraw—Hill，New York，1976)所撰的“光学基础”一书。假设，选择图2所示的二个光栅，第一光栅120具有每毫米300条刻槽(gpm)，第二光栅130具有600gpm。例如，入射光束140以α=10．95°入射到光栅120上，所以图2中，+1衍射级是光束150，而-1衍射级是光束160。然后，光栅130衍射光束150为-1级，角度φ等于22．3°，光束160由光栅140衍射成为+1级，在这种情形下，光束160实际上是垂直入射到物体的表面，即θ=0。经表面170反射后，光束150由光栅130衍射成-1级，之后由光栅120衍射成+1级，最后光束150以α角出射光栅122。同时，光束160由光栅120衍射成为-1级，并以这种方式与光束150复合成为出射光束180。在该实例中，等效波长∧近似等于8．6μ。工作距离W等于距离h，小于光栅130的厚度。例如，如果光栅之间相距4cm，每个光栅1cm厚，则工作距离是3cm。

由于等效波长∧是入射角的函数，就有可能通过对称地以不同的入射角α₁，α₂……设置多个源和探测器来提供二个或多个同时等效的波长∧¹，∧²……，另一种可能性是对允许改变入射角α的装置提供一种调节。由此，允许使用者选择哪一个等效波长最适宜于实际应用。

由图2所示的优选几何构形也完全适用于漫射白光照明，如由普通的白炽灯光源等产生的白光。在此，“白光”一词是指，在与激光、低压汞灯等单色光源相比时具有大的光谱分布的任何照明光，例如从宽谱空间非相干光源的照明光，可以用相比激光具有大的光谱分布的光发射二极管。在图2中可见，光束150和160通过一个等量玻璃，基本上行进相等的光程，在表面上不受切变地重叠，这些是所谓白光干涉计量的基本条件。还有，由于等效波长∧几乎与波长无关，因此在相对固定值h′的宽的测量距离h范围内白光的干涉条纹是清楚的。利用白光光源实质上更简便，可减少本发明装置的成本，因为白光光源广泛可得，比激光光源花钱少，并且不产生不希望的乱真的干涉效应。

由于等效波长近似地与源波长无关，图2所示实施例是一种消色差的实例。消色差干涉条纹由“物理光学”一书的第181和182页定义(作者Robert W．Wood，1905年第一版，最近由美国光学协会再版(Washington，D．C．1988))。几个采用衍射光栅的消色差干涉仪的例子介绍在文章“Space—invariant achromatic grating interferometers：theory″(B．J．Chang，R．Alferness，和E．N．Leith(Appl．Opt．14(7))中，虽然在这些例子中设有一个采用一种大的等效波长。

所以，光源30用在本发明中不一定需要是空间的或光谱相干的。然而，不能排除使用空间和光谱相干的光源，例如激光光源。另，光源30不一定是单个光源，可以是几个光源的组合，或者一起工作，或者有选择地对光源供能，以使本发明使用时具有灵活性。由此，如前所述，光源30可以是宽谱或窄谱的，以及空间相干或不相干地用在本发明中。

本发明的附加优点是，能够独立地测量部分透明平面平行物体的前和后表面，不受已有技术F．Zeau干涉仪所表征的多次反射问题的影响。为此目的，本发明装置最好包括，一个空间展宽或漫射的光源，例如一个白炽灯泡，一个光发射二极管，或一个附带着减小激光空间相干性的光学元件的激光器，或者包括一个白光光源，使乱真反射不对干涉效应造成影响。在图3中，表示一个部分透明的平面平行物体26，它由一个能移动物体26来改变距离h的载物台予以架持。在距离h基本上等于光栅间距h′时出现空间非相干光源的干涉，而且具有物体26的前表面176对干涉图样作出贡献。在图3中从物体26的后表面177反射的光不对干涉图样有所贡献。然而，当物体由载物台202移动，使后表面177位于距离h处时，如图4所示，前表面176不再对干涉效应有所贡献。于是，本发明的装置和方法能够独立地测量部分透明物体的前表面和后表面的外形轮廓。

本发明的其它优点在于，瞬时直接产生的干涉图像实质上具有相同的性质，除了减感性这一点之外，与传统的已有干涉仪产生的干涉图像一样，但是克服了已有技术方法测量表面轮廓所存在的缺点。因此，几种已知的干涉条纹分析方法仍适用于本发明。这些分析方法可以在“Optical ShopTesting”一书中查看到；例如，投射至计算机10的监视器上的干涉图像可以采用直观方法，或利用分析干涉图样的方法予以说明。干涉图像最好适用于商用的计算机软件标准部件，譬如由Zygo公司(Middlefield，CT)提供的ZAPP条纹分析软件。

对于高精度的测量，最好提供精确移动衍射光学组件70或其元件之一、或物体本身的机械手段，以便在干涉图样中产生可控的相移。这种机械手段可参见已有相移干涉仪中的惯用方法进行(例如，“Opticel Shop Testing”一书中的第12章所述)。图5表示所用的机械装置如何能引入相移的。图中光栅120由机械载物台201支承，能变动光栅间距h′。根据上述等式(3)，改变光栅间距h′的影响是改变光程差OPD，因此改变干涉相位φ，可参见等式(2)。按本发明的优选方法，由干涉图样记录一系列利用机械载物台201通过改变光栅间隔h′而产生的等间距相移。这些干涉图样经过处理，产生一个代表从透明物体反射的光波前沿的精确相位像。用于探测、贮存和处理的装置最好采用如图1所示的装置，它们可以由相机110和计算机10组成。

本发明的光学表面轮廓测量仪的其它优点是，它很容易调准。由于大的等效波长∧，所以干涉图样很容易获得。另，在物体调准得不合适时，可以在计算机10(图1)的监视器区分出两个像。于是，一种获取近似调准的方法是，调节物体直至这两个像重叠。参见图6(a)可以更清楚地了解该步骤，图6(a)表示在调准前的像，而图6(b)表示调整后的像。一些已知的干涉仪调准技术也适用于本发明。对这种调准的许多教导可参见“Optical Shop Testing”一书。

除了图2所示的衍射光学组件的已选用的形式外，另几种实施方法也是可以的。例如，可以选用不同组合的衍射光栅，以对通过衍射光学组件70的光束150和160提供不同的光程，而在同时对光束150和160进行取向，使他们入射在物体表面170上的相同位置，但是以不同的入射角入射。其它一些实施例将参见图7—11予以考虑。

在图7中，表示另一种实施例，其中照明光束62和反射光束77共用一个准直器60。由分束器69把反射光束射向相机110。图8表示用于该构型的合适的衍射光学组件72。衍射光学组件72是由二个基本上具有相同数目的gpm的光栅122和132组成。例如，我们选用二个具有600gpm的光栅122和132。对此例，入射至光栅122上的入射光束142基本上是垂直入射。所以，光束152是零级衍射级，而光束162是-1级衍射级。然后，光栅132对光束152衍射成-1级，角φ等于22．3°。由光栅132对光束162衍射成+1级，在这种情形下，光束162基本上垂直入射至物体表面，由此θ=0。光束受表面170反射后，光束152由光栅132衍射成为-1级，然后由光栅122衍射成为+1级，所以该光束近似于垂直于光栅122的表面出射。同时，光束162从表面170反射，再由光栅132衍成为+1级，光束162通过光栅122，并与光束152复合成为出射光束182。

另一种可能性是使用全息图来代替衍射光栅，为获取相同的结果，但又可能具有简化光学设计和减少乱真衍射效应的好处。图9表示采用全息元件组成的衍射光学组件的实施例所使用的光学几何构型。在该实例中的全息元件不同于普通的全息元件之处，在于不仅把最终从表面反射的光束153和163分成不同的衍射级，而且采用类似于透镜的方式对光束进行准直和聚集。图1所示的准直透镜60和80对于图9所示的实施例是不需要的。图10表示在衍射光学组件73内两个全息元件123和133的布置。在先前由图2和图8所示的两个实施例中，衍射的净数等于零，而对于图10所示的全息实施例，出射光束183相当于全息元件123的未补偿的+1级衍射。该衍射级对光进行聚集，因而附加的准直光学元件不再需要。全息元件123的全息图可以通过使他曝光于二个发散的波阵面，按照已知的全息照相原理来产生，例如可参见“Optical Holography”一书(R．J．Collier，C．B．Burckhardt和L．H．Lin(Academic Press，Inc．New York，1971))。本实施例的附加优点是，乱真的衍射级不予以聚集。所以可获得好的成像。

图11表示本发明的另一种实施例，其基本上类似于图1所示的实施例，但其中增加了不同的光学元件，它对于仪器的商业化是有利的。参见图11，由激光光源34发射一光束39，并由透镜44聚集，形成一束发散光束39，光束39通过一个可变的中性密度滤光片54，该滤光片用于根据物体20的反射率来使光强度大小最佳化。图11也表示了两个光阑94和81，由他们控制照明光束的尺寸，并挡住乱真光束使其不能到达相机110。图11也表示一个图像监视器11，它允许连续地观察相机的信号。图11中装置250(未图示)用于在干涉图样中引进可控相移，采用的方式与图5所示的设置相同。本领域的技术人员将明白，对本发明公开的方法和装置进行附加的替代，删去和改变均可以在不偏离本发明的精神和范围内进行。

在本发明中所介绍的衍射光学组件也可以用于对已知的照明物体和物体成像用的光学和电子手段进行改进，以获取具有一个大的等效波长的干涉图样。例如，可以使衍射光学组件与常用的显微镜物镜和光学***一起使用来观看和显现显微物体的特征。

利用本发明的方法和装置，提供一种光学轮廓的测量方法，它能测量粗糙的表面；测量具有大的变形和大的斜度的表面，并可利用几乎任何光源，例如漫射的白光来测量表面；测量具有平面平行表面的部分透明的物体，所述的方法与已知的干涉条纹分析的方法具有相容性，容易调准，由于干涉光束是从物体表面反射的，所以具有很好的条纹反差，具有高的光利用率，对振动具有减感作用，可以测量具有高的和低的反射率的表面，同时提供一个实用的测量工作距离，并且不必依赖昂贵和笨重的元器件。

Claims (55)

1．一种在有效的工作距离处利用减感的干涉条纹来显现物体表面轮廓的方法，它包括下述步骤：

使用一光源照明衍射光学组件，

把照明所述衍射光学组件的源光分成两束，他们以不同的方向通过所述的衍射光学组件传播，所述的出自所述衍射光学组件的光束在位于适当工作距离处的所述物体表面上与以两个不同入射角射向物体表面相同位置处的光束重叠，

将所述的入射光束从物体的表面向后反射到所述的衍射光学组件，所述反射光束在不同的方向向后通过所述的衍射光学组件返回，

使向后通过所述衍射光学组件的所述反射光束复合，形成表示所述物体表面轮廓的干涉图样，所述的干涉图样对表面形变和粗糙度具有减感性。

2．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的照明步骤包括采用一个宽谱空间非相干光源照明所述衍射光学组件的步骤。

3．根据权利要求2的方法，其特征是，所述的宽谱空间非相干光源包括一个白光光源。

4．根据权利要求3的方法，其特征是，所述的白光光源包括一个漫射的白光光源。

5．根据权利要求2的方法，其特征是，所述的物体表面包括一部分透明的表面平行物体的表面。

6．根据权利要求2的方法，其特征是，所述的光源包括一个白炽灯泡。

7．根据权利要求2的方法，其特征是，所述的光源包括一个光发射两极管。

8．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的照明步骤包括采用一个宽谱空间相干光源照明所述衍射光学组件的步骤。

9．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的照明步骤包括采用一个窄谱空间非相干光源照明所述衍射光学组件的步骤。

10．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的照明步骤包括一个采用窄谱空间相干光源照明所述衍射光学组件的步骤。

11．根据权利要求10的方法，其特征是，所述的窄谱和空间相干光源包括一个激光器。

12．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的光束复合步骤还包括采用光敏转换所述的复合光束，以产生相当于所述干涉图样的电子图像的步骤。

13．根据权利要求12的方法，其特征是，还包括对所述电子图像进行数据处理，以提供一个所述物体表面图像的步骤。

14．根据权利要求1的方法，其特征是，还包括根据有关干涉图样的数据测定表面高度的步骤。

15．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的光源有一个有关的照明波长，所述的干涉图样有一个波长大于照明波长的相关等效波长，所述的有效波长取决一入射到物体表面上的入射角大小。

16．根据权利要求15的方法，其特征是，还包括改变所述的入射角，以提供一种所希望的最佳有效波长的步骤。

17．根据权利要求15的方法，其特征是，所述的有效波长由下式表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{d\ψ}/d{h}^{\′}}$

其中，A是有效波长，dψ表示从物体至所述衍射光学组件的距离h具有小量变化dh′时所引起干涉相位的小量改变，dψ表示入射到所述物体表面上的二个光束之间的干涉相位差，表示为 ： $\mathrm{d\ψ}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{OPD}}{\mathrm{\λ}}$

其中，λ是平均照明波长，OPD是二束光行进时的光程差。

18．根据权利要求17的方法，其特征是，所述的衍射光学组件包括一对衍射光栅，二束光行进的光程差可以表示为： $\mathrm{OPD}=2(h-h^{\′})\[\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\]$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述相对于物体表面通过衍射光学组件的一束光束的入射角，h是从物体表面至紧靠所述物体表面的衍射光栅的距离，h′是构成所述衍射光学组件的衍射光栅之间的距离，构成距离h的工作距离小于最靠近物体表面的衍射光栅的厚度。

19．根据权利要求15的方法，其特征是，所述的有效波长由下式表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\cos \mathrm{\θ}-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述相对于物体表面通过衍射光学组件的一束光束的入射角；由此，任何有效的波长∧≥λ可以通过适当的选择θ和φ角来取得。

20．根据权利要求5的方法，其特征是，所述的物体表面包括所述部分透光的表面平行物体的前表面，所述的物体具有前表面和后表面，所述的方法还包括独立测量所述部分透光的表面平行物体的前和后表面的步骤。

21．根据权利要求20的方法，其特征是，所述的衍射光学组件包括一对衍射光栅，由二束光行进的光程差表示如下： $\mathrm{OPD}=2(h-h^{\′})(\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)})$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述的相对于物体表面通过所述衍射光学组件的一束光束的入射角，h是从物体表面至最靠近物体表面的衍射光栅的距离，h′是构成所述衍射光学组件的衍射光栅之间的距离，构成距离h的工作距离小于最靠近物体表面的衍射光栅的厚度。

22．根据权利要求21的方法，其特征是，还包括把待测轮廓的物体表面放置在相对于所述衍射光学组件为距离h处的步骤。

23．根据权利要求21的方法，其特征是，所述的光源具有一个照明波长，所述的干涉图样具有一个有关的大于所述照明波长的等效波长，所述的有效波长取决于在物体表面上的入射角。

24．根据权利要求23的方法，其特征是，所述的有效波长由下式表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\cos \mathrm{\θ}-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中，θ是相对物体表面出射光束的入射角，φ是所述的相对于物体表面通过所述衍射光学组件的一束光束的入射角；由此，任何有效波长∧≥λ可以通过适当选择所述的角度Q和φ来取得。

25．根据权利要求1的方法，其特征是，还包括提供控制在所述干涉图样内相移的步骤。

26．根据权利要求23的方法，其特征是，产生控制相移的步骤包括，至少使一部分所述衍射光学组件相对于所述物体表面形成位移的步骤。

27．根据权利要求1的方法，其特征是，所述的衍射光学组件包括全息部件。

28．一种在有效的工作距离处利用减感的干涉条纹来显现物体表面轮廓的光学表面轮廓测量仪，所述的轮廓测量仪包括，一个照明光源；一个位于所述照明源和物体表面之间经光学调准的衍射光学组件，所述的照明源照射所述衍射光学组件，所述衍射光学组件包括用于把照明所述衍射光学组件的源光分成两束，以不同方向通过衍射光学组件传播的装置，所述的出自衍射光学组件的和射至物体表面的两束光在相同的位置具有二个不同的入射角，所述的物体表面反射从物体表面向后入射至衍射光学组件的光束，所述的反射光束在不同方向向后通过衍射光学组件；用于复合所述反射光束，形成表示所述物体表面的表面轮廓的干涉图样的装置。

29．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的照明光源包括一个宽谱空间非相干光源。

30．根据权利要求29的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的空间非相干光源包括一个白光光源。

31．根据权利要求30的光学轮廓测量仪，其特征是，所述白光光源包括一个漫射白光光源。

32．根据权利要求29的光学轮廓测量仪，其特征是，所述物体表面包括一个部分透光表面平行物体的表面。

33．根据权利要求32的光学轮廓测量仪，其特征是，所述物体表面包括一个所述部分透光表面平行物体的前表面，所述物体具有前和后表面，所述轮廓测量仪还包括，用于使物体有选择地位移并在一个公共面处设置所述后表面，或所述前表面的装置，在此公共面，所述的两束光以二个不同的入射角射到所述选择性设置的物体表面的相同位置处，而其它的物体表面从所述公共面受到位移；由此，所述部分透光表面平行物体的所述前和后表面可予以独立测量。

34．根据权利要求33的光学轮廓测量仪，其特征是，所述衍射光学组件包括一对衍射光栅，二束光束行进的光程差由下式表示： $\mathrm{OPD}=2(h-h^{\′})(\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)})$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述的相对于物体表面通过所述衍射光学组件的一束光束的入射角，h是从物体表面至最靠近所述物体表面的衍射光栅的距离，h′是构成所述衍射光学组件的衍射光栅之间的距离，构成距离h的工作距离包括小于最靠近所述物体表面的衍射光栅厚度。

35．根据权利要求34的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的移位装置用于把待测轮廓的物体表面设置在相对于所述衍射光学组件的距离h处，所述的距离h位于所述的公共面内。

36．根据权利要求34的光学轮廓测量仪，其特征是，所述源光具有一个照明波长，所述的干涉图样有一个大于所述照明波长的等效波长，所述有效波长取决于入射到所述物体表面上的入射角。

37．根据权利要求36的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的有效波长用下式表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\cos \mathrm{\θ}-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述相对于物体表面通过所述衍射光学组件的其中一束光束的入射角；由此，任何有效波长∧≥λ可以通过适当地选择θ和φ角来取得。

38．根据权利要求29的光学轮廓测量仪，其特征是，所述照明光源是一个白炽灯泡。

39．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，照明光源包括一个宽谱空间相干光源。

40．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，照明光源包括一个窄谱空间非相干光源。

41．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，照明光源包括一个窄谱空间相干光源。

42．根据权利要求41的光学轮廓测量仪，其特征是，所述窄谱空间相干光源包括一个激光器。

43．根据权利要求29的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的照明光源包括一个光发射二极管。

44．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，所述源光具有一个相应的照明波长，所述的干涉图样具有一个大于所述照明波长的等效波长，所述有效波长取决于入射至物体表面上的入射角。

45．根据权利要求44的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的有效波长可由下式表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{d\ψ}/\mathrm{dh}}$

其中，∧是有效波长，dψ是从物体至所述衍射光学组件的距离h具有小量变化dh′时所引起干涉相位的小量改变，ψ是入射到所述物体表面上的所述两光束之间的干涉相位差，可以表示为 $\mathrm{\ψ}=2\mathrm{\π}\frac{\mathrm{OPD}}{\mathrm{\λ}},$ 此处λ是平均照明波长，OPD是两束光行进的光程差。

46．根据权利要求45的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的衍射光学组件包括一对衍射光栅，两光束行进的光程差可由下式表示： $\mathrm{OPD}=2(h-h^{\′})\[\frac{1}{\cos \mathrm{\θ}}-\frac{1}{\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}\]$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述相对于物体表面通过衍射光学组件的两束光之一的入射角，h是从物体表面至最靠近所述物体表面的衍射光栅的距离，h′是构成所述衍射光学组件的衍射光栅之间的距离，构成距离h的工作距离小于最靠近物体表面的衍射光栅厚度。

47．根据权利要求44的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的有效波长由下式表示： $\mathrm{\Λ}=\frac{\mathrm{\λ}}{\cos \mathrm{\θ}-\cos \left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中，θ是相对于物体表面出射光束的入射角，φ是所述相对于物体表面通过衍射光学组件的之一束光束的入射角；由此，任何有效波长∧≥λ可以通过适当选取Q和φ角来取得。

48．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，还包括用于在所述干涉图样内产生可控相移的装置。

49．根据权利要求48的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的相移产生装置包括用于使所述衍射光学组件相对于所述物体表面位移的装置。

50．根据权利要求49的光学轮廓测量仪，其特征是，所述衍射光学组件包括至少二个间隔的衍射光栅，所述位移装置包括用于至少使一个衍射光栅相对于另一个位移的装置。

51．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，所述衍射光学组件包括全息元件。

52．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，所述衍射光学组件包括多个衍射光栅。

53．根据权利要求28的光学轮廓测量仪，其特征是，所述的复合装置还包括用于从复合光束产生相应于所述干涉图样的电子图像的装置。

54．根据权利要求53的光学轮廓测量仪，其特征是，还包括用于对所述的电子图像进行数据处理，以提供所述物体表面图像的数据处理装置。

55．根据权利要求44的光学轮廓测量仪，其特征是，还包括用于改变所述入射角，以提供所需最佳有效波长的装置。

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