TWI431243B - 使用於干涉儀中的光學總成、干涉系統及干涉方法 - Google Patents

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Description

使用於干涉儀中的光學總成、干涉系統及干涉方法
本發明係有關於等路徑干涉儀及相關的方法。
干涉儀使用干涉光束執行物體的量測。干涉儀可被概括地分類成等路徑，其中，干涉光束越過幾乎相等的光學距離(例如，在數十微米之內相等)，以及不等路徑，相較於可見白光的同調長度，其光學路徑差很大(例如，大於0.05mm且可能達到數公里)。等路徑系統可被配置以用低同調(寬頻及/或空間延伸的)光源操作。不等路徑干涉儀包括例如雷射菲索(Fizeau)干涉儀，其可被用以測試光學組件。
等路徑干涉儀在光學測試方面是受到關注的，例如，對於分別測量半透明物體的前及後表面。等路徑干涉儀也可被使用於干涉顯微術中，其中可使用低同調鹵素燈及白光LED做為光源。例如，干涉顯微術設計可根據路徑平衡及色散補償的米勞(Mirau)、麥克森(Michelson)或林尼克(Linnik)干涉儀。
通常，在一特徵中，干涉儀提供幾乎相等的測量及參考路徑長度，測量路徑延伸至測試物體的表面，參考路徑延伸至參考元件的表面，且可使用來自低同調光源的光。干涉儀的一種應用係當實質上對其他物體表面無反應時對部分透明的物體被選擇的表面描繪其輪廓。在一些實施方式中，不等路徑雷射菲索儀器適用於等路徑幾何。在一些實施方式中，干涉儀係做為顯微鏡(例如，採用低同調光源的顯微鏡)的干涉物鏡。
通常，在另一特徵中，一干涉儀被提供，其中，干涉儀包括一光源、一參考元件、一干涉儀分光器、用於過濾不想要的反射之一孔徑光闌或其等價物、及諸如照相機的一成像裝置。進入源的光之一部分通過參考元件的部分反射表面而到達干涉儀分光器。分光器將此部分的光分成參考及測量光束。參考光束接著從參考元件的部分反射參考表面反射，行進回到干涉儀分光器，再一次從分光器反射，然後通過參考元件，最後並通過孔徑光闌而到達照相機。在透射通過分光器之後，測量光束從至少一物體表面反射，使得測量光回到干涉儀分光器且大約同延地且同軸地與參考光束結合，而在照相機處產生一干涉圖案。參考元件及分光器係以來自干涉儀組件的不同表面之雜散反射被孔徑光闌或其等價物阻擋的方式被傾斜，而在照相機處產生雙光束干涉圖案。
通常，在另一特徵中，提供用於一干涉儀中的光學總成。光學總成包括第一及第二部分反射表面，沿著光軸被定位且對光軸被定向於不同的非法線角。第二部分反射表面被配置以接收沿著光學路徑透射通過第一部分反射表面的光，將部分的接收光傳送至測試物體以定義干涉儀的測量光且將另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以定義干涉儀的參考光，其中，參考光在第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
光學總成的實施方式可包括一或多個下列特點。非法線角可使得參考光在第二部分反射表面將參考光沿著光軸反射回去之前通過第一及第二部分反射表面至少一次。非法線角可使得參考光在其中一次通過其間的期間以垂直入射接觸其中一個部分反射表面。
第一部分反射表面的非法線角可為第二部分反射表面的非法線角的一又二分之一倍。
第二部分反射表面可被配置以結合測量光(在測量光從測試物體反射回到第二部分反射表面之後)及參考光(在參考光至少一次來回行進於第二及第一部分反射表面間之後)。
光學總成可包括：第一光學元件，具有第一部分反射表面；及第二光學元件，具有第二部分反射表面。第一及第二光學元件，各自可具有另一表面，其具有一抗反射鍍膜。部分反射表面可分別位於光學元件的外表面上。部分反射表面可被形成在光學元件內之各自的內界面。
第一部分反射表面可與第二部分反射表面間隔一距離，其大於捕獲在參考光及測量光間的干涉圖案之成像模組的焦深。干涉儀的光學元件被定位使得參考光未通過在成像模組的焦深內的玻璃。
第一光學元件可具有另一表面，其具有一抗反射鍍膜。第一光學元件可被定向，使得第一部分反射表面面向第二光學元件的第二部分反射表面，且第一光學元件的抗反射鍍膜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間的距離係大於用以捕獲在參考光及測量光間的干涉圖案之成像模組的焦深。
光學總成可包括：一色散補償器，被定位在第一光學元件及第二光學元件之間以補償在測量光及參考光間的相位差，色散補償器被定位靠近第三光學元件且位於成像模組的焦深之外。
第一光學元件可被定向，使得第一部分反射表面背向第二光學元件的第二部分反射表面，且第一光學元件的抗反射鍍膜面向第二部分反射表面。
光學總成可更包括：一第三部分反射表面。第三部分反射表面可被配置以：i)接收沿著光軸透射通過第一部分反射表面的光；ii)將部分的接收光傳送至測試物體以定義測量光；及iii)將另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以對干涉儀定義一第二參考光，其中，第二參考光在第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
光學總成可更包括：一準直器，接收來自光源的光並將準直光投射至第一部分反射表面。光學總成可更包括：一場鏡，接收來自光源的光並將光投射至第一部分反射表面，在參考光被第一部分反射表面反射之後及參考光被檢測器檢測之前，場鏡被定位於參考光行進的成像路徑之外
第一部分反射表面可具有範圍約10%至約30%的反射率。第二部分反射表面可具有範圍約40%至約60%的反射率。
一種干涉系統可包括上述的光學總成及一干涉儀基座，其包括一光源及一檢測器。光源可被配置以產生透射通過第一部分反射表面且由第二部分反射表面接收的光。檢測器可被配置以接收包括測量光及參考光的結合光並提供關於結合光的空間分佈的資訊。干涉儀基座可包括：一孔徑光闌，被定位以阻擋來自干涉儀基座的光，其沿著光軸接觸第一部分反射表面並且從第一部分反射表面反射回到干涉儀基座；及一底座，用以支撐測試物體。底座可被定位以定義測量光的光學路徑長度，其大體上等於參考光的光學路徑長度。
干涉系統可包括一移相器，用以改變在測量光及參考光間的光學路徑長度的差。移相器可機械地將干涉儀基座耦合至光學總成且可被配置以改變光學總成及測試物體間的距離，以改變測量光的光學路徑長度。
光源可為一寬頻光源，用以提供低同調干涉術量測。
光源可為一窄頻雷射光源。
光源可在低同調干涉術的寬頻模式及高同調干涉術的雷射模式間調整。光源可為一雷射二極體，其當以低於其雷射閾值的電流被驅動時在寬頻模式中操作，且當以高於其雷射閾值的電流被驅動時在雷射模式中操作。
第一部分反射表面可包括一非平面的表面。
通常，在另一特徵中，一種干涉方法包括：沿著光軸定位第一及第二部分反射表面，相對於光軸將第一及第二部分反射表面定向於不同的非法線角，且沿著平行光軸的方向將光通過第一部分反射表面傳送至第二部分反射表面。在第二部分反射表面，將第一部分的光傳送至測試物體以定義測量光，並且將第二部分的光朝向第一部分反射表面反射回去以定義參考光。在第一部分反射表面，將第二部分的光的一部分朝向第二部分反射表面反射，使得參考光在第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
干涉方法的實施方式可包括一或多個下列特點。定向第一及第二部分反射表面可包括將第一及第二部分反射表面定向於不同的非法線角，以使得參考光在第二部分反射表面沿著光軸將參考光反射回去之前至少一次通過第一及第二部分反射表面之間。
定向第一及第二部分反射表面可包括將第一及第二部分反射表面定向於不同的非法線角，以使得參考光在其中一次通過其間的期間以垂直入射接觸其中一個部分反射表面。
此方法可包括：在第二部分反射表面，結合測量光(在其從測試物體反射回到第二部分反射表面之後)及參考光(在其至少一次來回行進於第二及第一部分反射表面間之後)。關於結合光的空間分佈的資訊可被提供。一孔徑光闌可被提供以阻擋以遠離第二部分反射表面的方向從第一部分反射表面被反射的光。具有一反射表面的測試物體可被定位以定義測量光的光學路徑長度，其大體上等於參考光的光學路徑長度。在測量光及參考光間的光學路徑長度的差可被改變。光學總成及測試物體間的距離可被變更以改變測量光的光學路徑長度，其中，光學總成包括第一及第二部分反射表面。
方法可包括將具有第一部分反射表面的光學元件定向於光學元件的外表面，使得具有第一部分反射表面的光學元件的外表面面向第二部分反射表面。方法可包括不通過任何玻璃元件而將參考光從第一部分反射表面傳送至第二部分反射表面。方法可包括將第二部分反射表面定位於距第一部分反射表面一段距離，此段距離大於檢測在測量光及參考光間的干涉圖案之成像模組的焦深。
方法可包括使參考光通過一色散補償器，其補償由於參考光與測量光行進的光學路徑長度的差造成的測量光與參考光之間的相位的差，並且將色散補償器定位在成像模組的焦深之外。
方法可包括：沿著光軸定位一第三反射表面；將第三部分反射表面定向以平行於第二部分反射表面；在第三部分反射表面，將由第一部分反射表面傳送的光之第三部分傳送至測試物體以定義測量光，並且將光的第四部分朝向第一部分反射表面反射回去以定義第二參考光；及在第一部分反射表面，將光的第四部分的一部分朝向第二部分反射表面反射，使得第二參考光在第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
將光傳送通過第一部分反射表面可包括將準直光傳送通過第一部分反射表面。方法可包括在將光傳送通過第一部分反射表面之前將光傳送通過一場鏡，並且在參考光被第一部分反射表面反射之後及參考光被檢測器檢測之前將場鏡定位於參考光行進的成像路徑之外。
雖然在此係說明為用於平坦表面測試的干涉儀，利用適當地改變參考元件，相同的概念可推廣至測量任何的表面形狀。
參閱圖1，範例的干涉儀100被提供用以分析一物體的前表面形式或其他特徵。干涉儀100包括一光學總成以對測試物體102的表面提供一測量路徑並且對一參考元件104的表面提供一參考路徑，其中，測量及參考路徑具有大約相等的路徑長度。在此範例中，參考元件104係具有平坦表面的一玻璃板。光學總成包括多個部分反射表面，其沿著干涉儀100的光軸106被定位且以相對於光軸106的角度傾斜，使得有用的測量及參考光沿著光軸106被導向一檢測器(例如，照相機108)，而不想要的光則沿著與光軸106不平行的方向被導引並濾出。這容許使用低同調光源110並且使得具有多個反射表面的透明物體的測量變得容易。
在此，名詞”光”可指在紫外線、可見光、近紅外線 及紅外線光譜區域的任一區域中的電磁輻射。
一照明分光器112將光從光源110導引通過一準直器114，其將光準直並且沿著與光軸106平行的方向將光導向參考元件104及干涉儀分光器116。參考元件104在面對準直器114的表面上具有部分反射(PR)鍍膜118，且在面對分光器116的表面上具有抗反射(AR)鍍膜120。因為PR鍍膜118及AR鍍膜120很薄，名詞”PR鍍膜118”及”PR表面119”將可交換地使用，且名詞”AR鍍膜120”及”AR表面121”將可交換地使用。分光器116在面對參考元件104的表面上具有部分反射(PR)鍍膜122，且在面對測試物體102的表面上具有抗反射(AR)鍍膜124。因為PR鍍膜122及AR鍍膜124很薄，名詞”PR鍍膜122”及”PR表面122”將可交換地使用，且名詞”AR鍍膜124”及”AR表面124”將可交換地使用。
來自準直器114的光通過參考元件104的PR鍍膜118。做為一個例子，PR鍍膜118反射17%的入射光並透射83%的入射光。從而，83%的光通過參考元件104的AR鍍膜120並且傳播至分光器124的PR鍍膜122，在此例中，其反射50%的入射光並透射50%的入射光。反射的光形成一參考光束126，且透射的光形成一測量光束128。
參考光束126通過參考元件104的AR表面121並且從參考元件104的PR表面119部分地反射。從而，參考元件104的PR表面119係做為一參考表面。被反射的參考光束126接著回到分光器116的PR表面122，在該點其部分地 反射進入一路徑，其與原始照明同線且同延(且平行於光軸106)，但以相反方向行進，最後在通過孔徑光闌130及成像透鏡136之後到達照相機108。
上述例子對於測量具有範圍從4%至100%之表面反射率的測試物體是有用的。根據應用，反射率及透射率的值可與上面提供者不同。例如，參考元件104的PR表面119可具有範圍約10%至約30%的反射率，且分光器116的PR表面122可具有範圍約40%至約60%的反射率。
在這個例行中，參考光束126來回從分光器116的PR表面122行進至參考元件104的PR表面119，然後回到PR表面122。如下說明(圖8)，參考元件104的傾斜角度可被調整，使得參考光束126在參考光束126與測量光束128結合之前在分光器116的PR表面122與參考元件104的PR表面119之間來回行進二次以上，如下面說明。這使得當在測量光束128及參考光束126之間維持等路徑長度時，從分光器116的PR表面122至測試物體102的表面之距離可以增加。
測量光束128通過分光器116的AR表面124到達測試物體102，在該處測量光束128從測試物體102的至少一表面(例如前表面137)反射回到干涉儀分光器116，在該處測量光束128的一部分沿著與原始照明大概同延且同線的(且平行於光軸106)路徑透射通過剩下的元件，最後到達照相機108，在該處測量光束128與參考光束126干涉。結果得到雙光束干涉圖案，其對於例如決定測試物體102 的表面輪廓是有用的。
在圖1的例子中，測量光束128(在從測試物體102的表面反射之後)及參考光束126(在來回行進於PR表面122及118間之後)係在分光器116的PR表面122被結合或重疊。然後，重疊的光束朝向照相機108行進。
除了被導引至照相機108之部分的參考光束126及測量光束128外，(在偶然反射的其他可能來源中)參考元件104及干涉儀分光器116可能產生不想要的反射(諸如139)。要隔離並移除不想要的反射139，參考元件104及干涉儀分光器116被稍微轉向一角度，如圖所示，以便將不想要的反射139導引至孔徑光闌130的通光孔徑之外。
圖1顯示來自參考元件104的PR表面119之不想要的第一反射132的例子，且參考光束126之不想要的部分134透射通過參考元件104而非朝向干涉儀分光器116反射回去。不想要的第一反射132及不想要的部分134被孔徑光闌130阻擋。
在圖1的例子中，干涉儀分光器116相對於垂直光軸106的定向被傾斜一角度α。參考元件104被傾斜大體上等於2α的一角度，使得參考光束126以大約垂直入射照射至參考元件104的PR表面119。
參閱圖2，在一些實施方式中，要進一步抑制來自參考元件104及干涉儀分光器116的AR表面之不想要的反射，參考元件104及干涉儀分光器116可分別由楔形基板210及212製成。在此例中，楔形基板212具有面對參考 元件的PR表面218及面對測試物體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具有面對準直器114的PR表面220及面對分光器的AR表面214，其中，PR表面220及AR表面214不平行。相對垂直光軸106的定向，PR表面218及PR表面220分別傾斜大體上等於α及2α的角度。經由使用楔形基板210及212，來自AR表面214及216之不想要的反射將以相對於測量及參考光束具有一角度的方向行進，且最後被孔徑光闌130阻擋。
在圖1的例子中，被觀看或測量的表面係測試物體102的前表面137。干涉儀100也可被用以觀看或測量測試物體102的後表面138。被測量的表面不必然需要是物體的外表面。干涉儀100也可觀看或測量在光學元件中的內界面。
由照相機108檢測到的干涉圖案可由例如一電腦(未顯示)執行程式加以分析。干涉圖案的分析可提供有關例如物體102的表面137是否與期望的表面輪廓匹配或偏離的資訊。
在圖1的例子中，干涉儀對於光的偏振不敏感。照明分光器112將來自光源110的光的一部分(例如一半)朝向準直器114反射，並且將返回的光的一部分(例如一半)從準直器114傳送至照相機108。在一些實施方式中，干涉儀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於分光器及準直器114之間以 旋轉光的偏振態。偏振的照明分光器大體上將沿著第一方向(通過四分之一波板)偏振的所有光導引至準直器114，並且大體上將沿著第二方向偏振的所有返回光(通過四分之一波板)傳送至照相機108。
參閱圖3，參考元件104及干涉儀分光器116的發明幾何的益處在於它們可被配置以對於參考光束126及測量光束128具有相等的路徑長度，並且在兩個路徑中具有相等數量的玻璃。例如，參考元件104之玻璃的厚度可與分光器116之玻璃的厚度相同。在此例子中，測量光束128從分光器116的PR表面122行進至物體102的前表面137並且回到PR表面122的路徑長度係等於參考光束126從PR表面122行進至參考元件104的PR表面119並且回到PR表面122的路徑長度。
諸如溫度之環境條件的變化大體上在參考光束126及測量光束128中導致相同數量的相位變化。這在例如低同調干涉術中是有用的，其對於測量及參考光束維持相同的路徑長度是很重要的。在一些例子中，參考元件104及分光器116的厚度可能不同，且一額外的光學元件可被使用以部分或完全修正由此種差異導致的相位差。
若測試物體102的後表面138或是在測試物體102的主體內的表面被測量，在測試物體102及分光器116間的距離可被調整，使得測量光束從PR表面122行進至要被測量的表面之來回的光學路徑長度等於參考光束從PR表面122行進至PR表面119之來回的光學路徑長度。注意因為測試物體的折射率可與空氣的折射率不同，即使測量及參考光束的光學路徑長度相同，測量光束行進的物理距離可與參考光束行進的物理距離不同。
在圖2的例子中，參考元件210及分光器212也對測量及參考光束提供相等的路徑長度。
本發明設計的另一個益處在於其與商用的雷射菲索(Fizeau)干涉儀的整體幾何與機械設計相容，諸如可由Zygo Corporation,Middlefield,Connecticut取得的Zygo GPTTM 系統的干涉儀。
參考圖4，一範例的等路徑干涉儀144可被用於相移干涉術。干涉儀144包括一儀器主機142及一干涉儀次總成140。干涉儀次總成140係取決於應用而可附加至儀器的主機142或從其移除的附件。主機142包括一光源146、一照明分光器112、一準直器114、一孔徑光闌130、一成像透鏡136、及一照相機108，類似於圖1的例子中所示者。光源146可為一雷射光源或是一低同調光源。
在一些實施方式中，光源146可在低同調干涉術的寬頻模式及高同調干涉術的雷射模式間調整。例如，光源146可為一雷射二極體，其當以低於其雷射閾值的電流被驅動時在寬頻模式中操作，且當以高於其雷射閾值的電流被驅動時在雷射模式中操作。
干涉儀次總成140包括一干涉儀分光器116及一參考元件104，類似於圖1的例子中所示者。干涉儀次總成140的位置可由一機械移相器148調整(由147表示)，其可具有例如1微米等級的準確度。移相器148改變在測量光束128及參考光束126之間的光學路徑長度的差。在此例中，移相器148機械地將干涉儀次總成140耦合至儀器主機142上的一基座並且被配置以改變次總成140及測試物體102間的距離，以改變測量光束128的光學路徑長度。
次總成140可被配置為一可拆卸的附件，其可透過一附件安裝盤149被安裝在儀器主機142上。在此例中，干涉儀144係與任意偏振的照明相容。
在一些實施方式中，其可配置干涉儀144以利用偏振光，使得測量光束及參考光束分別沿著測量路徑及參考路徑的特別部分具有特定的偏振。
當低同調光源146被使用時，等路徑干涉儀144可對例如具有多個反射表面的一透明物體的特定表面進行測量。在低同調干涉術中，干涉效應被限制或局部化於等路徑的情況。
圖5顯示一範例干涉訊號150，其當以一寬頻(中心波長為600 nm，半高全寬為15nm)光源測量時係如同透明物體的物體位置的函數一樣變化。”零”的物體位置係相當於等路徑的情況。在此例中，干涉訊號150的波封的振幅在接近零的位置較高，且在超出零的位置12微米的位置處顯著地降低。
圖6顯示一範例干涉訊號強度160，其當以一寬頻(中心波長為600 nm，半高全寬為15nm)光源測量時係如同一40微米厚的熔融石英物體的物體位置的函數一樣變化。干涉訊號160的第一峰值162係出現在零的位置。干涉訊號160的第二峰值164係出現在-60微米，其對應於來自物體的後表面的反射。
如同可從圖5及6的圖式看到，來自在遠離被測量的表面超過例如20微米的測試物體102上的表面之反射對於在等路徑條件被滿足(亦即，測量路徑及參考路徑大體上具有相等的路徑長度)時產生的干涉圖案的貢獻將可忽略。在圖1-4所示的例子中，從測試物體102的前表面137及後表面138反射的光可全部到達照相機108。假定前及後表面間的距離大於20微米。當干涉儀100被用以測量前表面137時，從後表面138反射的光可能對於在照相機108檢測到的干涉圖案沒有任何重大的貢獻。類似地，當干涉儀100被用以測量後表面138時，從前表面137反射的光可能對於在照相機108檢測到的干涉圖案沒有任何重大的貢獻。
參閱圖7，一等路徑干涉儀可適用於其他的儀器平台，諸如干涉顯微鏡。一干涉顯微鏡170包括一主機172及一可移動的干涉器接物鏡174。主機172包括一光源146及一透鏡與場光闌總成176(其包括一透鏡173、一場光闌175、及一照明孔徑光闌177)以將來自光源146的光準直、過濾、擴張、及導引朝向一照明分光器178。分光器178將光朝向干涉物鏡174導引。分光器178也接收從干涉物鏡174返回的光，並且將返回的光通過一成像孔徑光闌180及一鏡筒透鏡導引至一照相機108。
干涉物鏡174包括一物鏡184、一干涉儀分光器116、及一參考元件104。要觀看(或測量)物體102的一特別的表面，一機械掃瞄機構186沿著一方向188掃瞄干涉物鏡174以調整分光器116的PR表面122與被觀看的物體102的表面之間的距離。可移動的干涉器接物鏡174可取代在其他系統中使用的米勞、麥克森、或林尼克型的干涉物鏡。因為顯微鏡170使用一等路徑干涉儀，其對於掃瞄白光干涉術是有用的。干涉物鏡174可比麥克森或林尼克型的干涉物鏡更小型。
參閱圖8，在一些實施方式中，用於等路徑干涉儀的光學總成190包括一參考元件192及一干涉儀分光器194。干涉儀分光器194相對於垂直光軸106的定向傾斜一角度α，且參考元件192相對於垂直光軸106的定向傾斜一角度1.5α。在此配置下，一參考光束196總共從參考元件192的PR表面200反射二次且從干涉分光器194的PR表面202反射三次。在參考光束196與測量光束198結合之前，參考光束196在分光器194的PR表面202及參考元件192的PR表面200之間來回行進兩次。
參考元件192的厚度T1係分光器194的厚度T2的一半，使得參考光束196及測量光束198通過相等數量的玻璃。在分光器194的PR表面202與被測量的物體102的前表面137之間的距離可大約為分光器194的PR表面202與參考元件192的PR表面200之間的距離的兩倍。類似於圖4中的例子，光學總成190可與一儀器主機一起使用，或者類似於圖7中的例子，可被使用於一干涉顯微鏡中。
光學總成190的一優點在於與圖1-4及7中顯示的例子相比，其提供在分光器194及測試物體102間增長的工作距離。
在一些實施方式中，干涉儀分光器(例如116或194)及參考元件(例如104或192)可為非平面。例如，若測試物體102係球面，參考元件(例如104及192)的PR參考表面(例如118或200)可為可比較的球面形狀。
圖9顯示用以測量測試物體222的非平面(例如球面凹面)表面224的範例干涉儀220。干涉儀220包括一楔形參考元件226及一楔形干涉儀分光器228。分光器228具有一PR表面232及一AR表面242。參考元件226具有一PR表面230及一AR表面240，其中，測試物體222的PR表面230及表面224相對於分光器228的PR表面232係非對稱的。PR表面232將一進入的光束244分開成測量光束234及參考光束236，其在PR表面232結合以形成重疊的光束238之前行進相等的路徑長度。重疊光束238的干涉圖案可被分析以提供有關例如測試物體222的表面224是否匹配或偏離由參考元件226的PR表面230表示之期望的表面輪廓的資訊。
在干涉儀100中，用於捕取或記錄干涉圖案的成像模組或系統(包括成像透鏡136及照相機108)具有一定的焦深，使得在焦深外的物體變成失焦而由照相機108捕取的影像顯得模糊。在一些實施方式中，干涉儀可被配置以具 有位於成像系統的焦深之外的某些組件以放寬對組件品質的要求。例如，若玻璃基板係位於成像系統的焦深之外，則玻璃基板的瑕疵變得失焦且對於由照相機108捕取的干涉圖案具有很小或可忽略的影響。這容許使用較低成本的組件以降低系統的總成本，同時仍維持高效率。
參閱圖10，在一些實施方式中，除了干涉儀250包括一參考元件252，其相較於干涉儀100的參考元件104被翻轉，干涉儀250具有類似於干涉儀100(圖1)的配置。參考元件252在面對準直器114的表面上具有一抗反射鍍膜120且在面對干涉儀分光器116的表面上具有一部分反射鍍膜118。從光源160輸入的光在碰到PR鍍膜118之前先碰到AR鍍膜120。此一配置可具有一優點，即在干涉儀250的成像系統的焦深內沒有玻璃元件。
在此例中，焦深係由光的波長除以數值孔徑的平方來定義。例如，在500nm的波長，具有0.005的數值孔徑之成像系統的焦深係20mm。成像系統被設計以投射在從參考元件252的PR表面119反射的光與從物體120上或物體120中的表面反射的光之間的干涉的圖案，所以焦點的中心係位於參考元件252的PR表面119及被測量的物體120的表面。當分光器116及參考元件104被定位以分開超過焦深(在此例中係20mm)時，分光器基板變成失焦。這可放寬對於在干涉儀250中使用的玻璃基板的品質之要求，特別是在高的空間頻率處。
參閱圖11，在一些實施方式中，一干涉儀260具有一 配置，其類似於干涉儀250者(圖10)，並具有一額外的光學元件，諸如一色散補償器262，被定位在參考元件252的PR表面119及分光器116的PR表面122之間。額外的光學元件可部分地或完全地補償在參考光束126及測量光束128之間的相位差，其係由光束126及128碰到的材料的差異所導致。
例如，在圖10的干涉儀250中，雖然光束126及128行進的距離相同，測量光束128比參考光束126通過更多的玻璃。做為另一個例子，若參考元件252的厚度與干涉儀分光器116的厚度不同，即使光束行進相同的距離，在光束126及128間可能有一相位差。額外的光學元件(例如色散補償器262)可部分地或完全地補償光束126及128間的相位差。額外的光學元件可被放在成像系統的焦深之外，以放寬對額外光學元件的品質之要求。在圖11的例子中，色散補償器262被放置以比PR表面119更靠近分光器116，使得色散補償器262係在成像系統的焦深之外(焦點中心係位於參考元件252的PR表面119)。
參閱圖12A，在一些實施方式中，一干涉儀包括一光學總成270，其擇一使用來自干涉儀分光器的前表面或後表面的反射以對於產生三光束干涉圖案的一測量光束及二參考光束提供通過玻璃之大體上相等的路徑。光學總成270包括一參考元件252及一干涉儀分光器272。參考元件252具有一抗反射表面R1及一部分反射表面R2(具有大約50%的反射率)。分光器272具有二個部分反射表面R3及R4(各 自具有大約12%的反射率)。表面R1、R2、R3及R4係依序被定位。
圖12A中的例子被說明，其不傾斜參考元件及分光器以排除不想要的反射，且具有不平行的輸入及輸出光束，以使得光束路徑更容易觀察。第一部分的光被透射通過表面R1及R2，且在表面R3反射，而形成第一參考光束278。第一參考光束278從表面R2部分地反射並且回到表面R4，參考光束278在該點部分地反射於一路徑中，其與原始照明大概是準直且同延的，但行進於相反的方向。
參閱圖12B，第二部分的光被透射通過表面R1、R2及R3，且在表面R4被反射，而形成第二參考光束280。第二參考光束280從表面R2部分地反射並且回到表面R3，參考光束280在該點部分地反射於一路徑中，其與原始照明大概是準直且同延的，但行進於相反的方向。
第三部分的光透射通過表面R1、R2、R3及R4，形成測量光束282。測量光束282在表面R4與第一參考光束278結合，且在表面R3與第二參考光束280結合。重疊的光束朝向照相機108行進，其檢測在第一參考光束278、第二參考光束280及測量光束282間的干涉。
下面說明決定表面R2、R3及R4的反射率以達成三光束干涉圖案的高(例如最大值)的對比之方法。現在不管所有的雜散反射，單一影像點的干涉強度係：I =|E A +E B +E M |2 (1)
在此E A ,E B ,E M 分別係參考光束278、參考光束280及 測量光束282的複數電場振幅。將表面R1．．．R4的複數反射率分別表示為r1．．．4 ，且將這些表面的透射率分別表示為t1．．．4 。追溯二參考光束A及B通過系統，對於輸入場E 0 得到E A =E 0 t 1 t 2 r 3 r 2 t 3 r 4 t 3 t 2 t 1 (2)
E B =E 0 t 1 t 2 t 3 r 4 t 3 r 2 r 3 t 2 t 1 e i φ (3)
在此φ係有關於在二參考光束A及B之間的光學路徑差(OPD)之相位偏移。方程式(2)及(3)被簡化為
E B =E A e i φ . (5)
假定分光器表面R2及R3係完美的平行，與光學路徑差相關的相位φ=0且二參考光束有建設性干涉，我們可將一等價的參考光束場寫成E R =2E A . (6)測量場係 方程式(1)中的強度I被簡化成二光束等價物I =|E R +E M |2 , (8)導致熟悉的強度公式 在此 而T 1..4 =|t 1..4 |2 (12)
R 1..4 =|r 1..4 |2 (13)
R M =|r M |2 (14)
參考光束淨強度|E R |2 係單獨來看參考反射(A)或(B)中的一個之強度的4倍，其表示要達到良好的條紋對比，分光器反射率R 3 、R 4 不需要很高。將條紋對比定義為 最大的條紋對比V =1對於I R =I M 被達成。使用方程式(10)及(11)，當 時，最大對比可被達成其被簡化成
做為一特定的例子，令物體120為一裸玻璃表面，其具有4%反射、50%的參考表面(R2)反射率、且對於R3及R4相同的反射率、以及介電鍍膜，以對於R1達成0%的反射 率。在此實例中，R 1 =0R 2 =50%R 4 =R 3 R M =4% (18)對於條紋對比V =1, 其具有解R 4 =12.4%。高反射率物體可由較高的分光器反射率獲利。例如，R 3 =R 4 =28%的分光器反射率對於30%的物體反射率提供最大的對比。
在上面的計算中，已假定除了測量光束及二參考光束A及B之外沒有其他反射到達儀器成像系統。類似於圖10及11顯示的例子，在光學總成270中的參考元件252及分光器272可被傾斜以減少或消除不想要的反射並且導致平行的輸入及輸出光束。
參閱圖13，在一些實施方式中，光學總成220包括傾斜一角度α的一平面平行之分光器272與傾斜大約等於2α的角度之參考元件252。在此例中，來自表面R3及R4之不想要的單一表面的反射未平行於輸出光束路徑返回。
仍有來自表面R4之非計劃中的光束從表面R2反射並且再次從表面R4進入至輸出光束。同樣仍有來自表面R3之非計劃中的光束從表面R2反射並且再次從表面R3進入至輸出光束。當照明係低空間及時間同調時，這些光束沒有正確的路徑長度以產生干涉；因此，它們僅將背景光加到影像且未以其他方式擾亂要求的干涉圖案。淨效應可為 將相對的條紋對比減少例如20%。
參閱圖14，在一些實施方式中，經由修改干涉儀100以使用在成像路徑之外的一場鏡302取代使用準直器114而提供干涉儀300。在此關鍵路徑中沒有準直器而使物體120直接成像於照相機108。場鏡302可被定位於例如光源110及照明分光器112之間。因為場鏡302未參與物體120及參考元件104的成像，場鏡302不需要具有與準直器114相同的品質，而仍使得干涉儀可獲得準確的測量。場鏡210可為例如一繞射或菲涅耳(Fresnel)透鏡。
在圖1所示的例子中，為了測量大的物體120的表面特性，可能需要使用大的準直器114以提供足夠大的光場。大口徑、高品質的準直器可能很昂貴。在圖14所示的例子中，經由使用一大口徑場鏡302，其顯然比大口徑準直器便宜，而在製造干涉儀300時可大幅地節省成本。
圖4、10及11所示的干涉儀也可被修改以使用場鏡取代準直器。
上述干涉儀可被使用以測量許多類型的物體表面的特性，例如在硬碟中使用的玻璃碟片的碟片平坦度及碟片波紋。玻璃碟片具有前及後反射表面。上述干涉儀使用光源，其具有低空間同調，使得來自後反射表面的反射對於由從前碟片表面反射的測量光及從參考表面反射的參考光間的干涉產生的干涉圖案具有可忽略的貢獻。干涉儀也可被用以測量其他類型的碟片媒介表面。
其他的特徵、特點及優點係位於本發明的範疇內。例如，在圖1中，可提供一基座以支撐測試物體102。基座可為可調整且被配置以定位測試物體102以定義測量光束128的光學路徑長度，其大體上等於參考光束126的光學路徑長度。圖2之楔形參考元件210的定向可被快速轉動，使得參考元件的PR表面面對干涉儀分光器。在圖4的干涉儀次總成140中的參考元件及干涉儀分光器與圖7的干涉物鏡174的配置可由其他配置取代，諸如圖8、9、10、11、12A、12B及13所示者。參考元件及干涉儀分光器的傾斜角度可與上述者不同。參考元件及干涉儀分光器的部分反射表面可被形成在光學元件內之各自的內界面，且不必然需要是在如圖1-4及7-14所示的外表面。
100、220、250、260、300．．．干涉儀
102、222．．．測試物體
104、118、192、210、226、252．．．參考元件
106．．．光軸
108．．．照相機
110、160．．．光源
112．．．照明分光器
114．．．準直器
116、178、194、212、228、272．．．分光器
120．．．物體
124、214、216、240、242．．．AR表面
122、200、202、218、220、230、232．．．PR表面
126、196、236．．．參考光束
128、198、234．．．測量光束
130、180．．．孔徑光闌
136．．．成像透鏡
137．．．前表面
138．．．後表面
140‧‧‧干涉儀次總成
142‧‧‧儀器主機
144‧‧‧等路徑干涉儀
146‧‧‧低同調光源
148‧‧‧移相器
149‧‧‧附件安裝盤
150‧‧‧干涉訊號
162‧‧‧第一峰值
164‧‧‧第二峰值
170‧‧‧干涉顯微鏡
172‧‧‧主機
173‧‧‧透鏡
174‧‧‧干涉物鏡
175‧‧‧場光闌
176‧‧‧透鏡與場光闌總成
177‧‧‧照明孔徑光闌
184‧‧‧物鏡
186‧‧‧機械掃瞄機構
190、220、270‧‧‧光學總成
210、302‧‧‧場鏡
224‧‧‧表面
238‧‧‧重疊光束
244‧‧‧光束
262‧‧‧色散補償器
圖1係用於測量物體的表面之範例干涉儀的圖式。
圖2及3係被佈置以對參考光束及測量光束具有相等的路徑長度之範例光學總成的圖式。
圖4係相移干涉術的範例干涉儀的圖式。
圖5及6係圖表。
圖7係適用於干涉顯微術的範例等路徑干涉儀的圖式。
圖8係範例光學總成的圖式。
圖9係用於測量非平面表面的範例光學總成的圖式。
圖10及11係用於測量物體的表面之範例干涉儀的圖式。
圖12A及12B係可被使用於干涉儀中的範例光學總成的圖式。
圖13係可被使用於干涉儀中的範例光學總成的圖式。
圖14係用於測量物體的表面之範例干涉儀的圖式。
100．．．干涉儀
102．．．測試物體
104．．．參考元件
106．．．光軸
108．．．照相機
110．．．光源
112．．．照明分光器
114．．．準直器
116．．．分光器
118．．．參考元件
120．．．物體
122．．．PR表面
124．．．AR表面
126．．．參考光束
128．．．測量光束
130．．．孔徑光闌
132．．．不想要的第一反射
134．．．不想要的部分
136．．．成像透鏡
137．．．前表面
138．．．後表面
139．．．不想要的反射

Claims (50)

  1. 一種使用於干涉儀中的光學總成，光學總成包括：沿著光軸定位的第一及第二部分反射表面，而且該第一及第二部分反射表面係定向於相對於光軸之不同的非法線角，其中，該第二部分反射表面被配置以：i)接收沿著光學路徑透射通過該第一部分反射表面的光；ii)將部分的接收光傳送至測試物體以定義干涉儀的測量光；及iii)將另一部分的接收光朝向該第一部分反射表面反射回去以定義干涉儀的參考光，其中，參考光在該第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
  2. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，非法線角使得參考光在該第二部分反射表面將參考光沿著光軸反射回去之前通過該第一及第二部分反射表面至少一次。
  3. 如申請專利範圍第2項的光學總成，其中，非法線角使得參考光在其中一次通過其間的期間以垂直入射接觸其中一個部分反射表面。
  4. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，該第一部分反射表面的非法線角係該第二部分反射表面的非法線角的兩倍。
  5. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，該第一部分反射表面的非法線角係該第二部分反射表面的非法線 角的一又二分之一倍。
  6. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，該第二部分反射表面被配置為，將測量光從測試物體反射回到該第二部分反射表面之後的測量光結合在參考光至少一次來回行進於該第二及第一部分反射表面間之後的參考光。
  7. 如申請專利範圍第1項的光學總成，包括：第一光學元件，具有該第一部分反射表面；及第二光學元件，具有該第二部分反射表面。
  8. 如申請專利範圍第7項的光學總成，其中，該第一及第二光學元件，各自具有另一表面，其具有一抗反射鍍膜。
  9. 如申請專利範圍第7項的光學總成，其中，該第一部分反射表面係與該第二部分反射表面間隔一距離，其大於捕獲在參考光及測量光間的干涉圖案之成像模組的焦深。
  10. 如申請專利範圍第9項的光學總成，其中，干涉儀的光學元件被定位使得參考光未通過在成像模組的焦深內的玻璃。
  11. 如申請專利範圍第7項的光學總成，其中，該第一光學元件具有另一表面，其具有一抗反射鍍膜。
  12. 如申請專利範圍第11項的光學總成，其中，該第一光學元件被定向，使得該第一部分反射表面面向該第二光學元件的該第二部分反射表面，且該第一光學元件的抗反射鍍膜背向該第二部分反射表面。
  13. 如申請專利範圍第12項的光學總成，其中，該第一部分反射表面及該第二部分反射表面間的距離係大於用以捕獲在參考光及測量光間的干涉圖案之成像模組的焦深。
  14. 如申請專利範圍第13項的光學總成，更包括：一色散補償器，被定位在該第一光學元件及第二光學元件之間以補償在測量光及參考光間的相位差，色散補償器被定位靠近第二光學元件且位於成像模組的焦深之外。
  15. 如申請專利範圍第11項的光學總成，其中，該第一光學元件被定向，使得該第一部分反射表面背向該第二光學元件的該第二部分反射表面，且該第一光學元件的抗反射鍍膜面向該第二部分反射表面。
  16. 如申請專利範圍第1項的光學總成，更包括：一第三部分反射表面。
  17. 如申請專利範圍第16項的光學總成，其中，該第三部分反射表面被配置以：i)接收沿著光軸透射通過該第一部分反射表面的光；ii)將部分的接收光傳送至測試物體以定義測量光；及iii)將另一部分的接收光朝向該第一部分反射表面反射回去以對干涉儀定義一第二參考光，其中，該第二參考光在該第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
  18. 如申請專利範圍第7項的光學總成，其中，部分 反射表面係分別在光學元件的外表面上。
  19. 如申請專利範圍第7項的光學總成，其中，部分反射表面係被形成在光學元件內之各自的內界面。
  20. 如申請專利範圍第1項的光學總成，更包括：一準直器，接收來自光源的光並將準直光投射至該第一部分反射表面。
  21. 如申請專利範圍第1項的光學總成，更包括：一場鏡，接收來自光源的光並將光投射至該第一部分反射表面，在參考光被該第一部分反射表面反射之後及參考光被檢測器檢測之前，場鏡被定位於參考光行進的成像路徑之外。
  22. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，該第一部分反射表面具有範圍約10%至約30%的反射率。
  23. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，該第二部分反射表面具有範圍約40%至約60%的反射率。
  24. 如申請專利範圍第1項的光學總成，其中，該第一部分反射表面包括一非平面的表面。
  25. 一種干涉系統，包括：如申請專利範圍第1項的光學總成；及一干涉儀基座，包括一光源及一檢測器；其中，光源被配置以產生透射通過該第一部分反射表面且由該第二部分反射表面接收的光，且其中，檢測器被配置以接收包括測量光及參考光的結合光並提供關於結合光的空間分佈的資訊。
  26. 如申請專利範圍第25項的干涉系統，其中，干涉儀基座更包括一孔徑光闌，被定位以阻擋來自干涉儀基座的光，其沿著光軸接觸該第一部分反射表面並且從該第一部分反射表面反射回到干涉儀基座。
  27. 如申請專利範圍第25項的干涉系統，更包括一底座，用以支撐測試物體。
  28. 如申請專利範圍第27項的干涉系統，其中，底座被定位以定義測量光的光學路徑長度，其大體上等於參考光的光學路徑長度。
  29. 如申請專利範圍第25項的干涉系統，更包括一移相器，用以改變在測量光及參考光間的光學路徑長度的差。
  30. 如申請專利範圍第29項的干涉系統，其中，移相器機械地將干涉儀基座耦合至光學總成且被配置以改變光學總成及測試物體間的距離，以改變測量光的光學路徑長度。
  31. 如申請專利範圍第25項的干涉系統，其中，光源係一寬頻光源，用以提供低同調干涉術量測。
  32. 如申請專利範圍第25項的干涉系統，其中，光源係一窄頻雷射光源。
  33. 如申請專利範圍第25項的干涉系統，其中，光源係可在低同調干涉術的寬頻模式及高同調干涉術的雷射模式間調整。
  34. 如申請專利範圍第33項的干涉系統，其中，光源係一雷射二極體，其當以低於其雷射閾值的電流被驅動時 在寬頻模式中操作，且當以高於其雷射閾值的電流被驅動時在雷射模式中操作。
  35. 一種干涉方法，包括：沿著光軸定位第一及第二部分反射表面；相對於光軸將該第一及第二部分反射表面定向於不同的非法線角；沿著平行光軸的方向將光通過該第一部分反射表面傳送至該第二部分反射表面；在該第二部分反射表面，將第一部分的光傳送至測試物體以定義測量光，並且將第二部分的光朝向該第一部分反射表面反射回去以定義參考光；及在該第一部分反射表面，將該第二部分的光的一部分朝向該第二部分反射表面反射，使得參考光在該第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
  36. 如申請專利範圍第35項的方法，其中，定向該第一及第二部分反射表面包括將該第一及第二部分反射表面定向於不同的非法線角，以使得參考光在該第二部分反射表面沿著光軸將參考光反射回去之前至少一次通過第一及第二部分反射表面之間。
  37. 如申請專利範圍第35項的方法，其中，定向第一及第二部分反射表面包括將第一及第二部分反射表面定向於不同的非法線角，以使得參考光在其中一次通過其間的期間以垂直入射接觸其中一個部分反射表面。
  38. 如申請專利範圍第35項的方法，包括：在該第二 部分反射表面，結合從測試物體反射回到該第二部分反射表面之後的測量光及至少一次來回行進於該第二及第一部分反射表面間之後的參考光以形成一結合光。
  39. 如申請專利範圍第38項的方法，包括提供關於該結合測量光及該參考光的空間分佈的資訊。
  40. 如申請專利範圍第35項的方法，包括提供一孔徑光闌，阻擋以遠離該第二部分反射表面的方向從該第一部分反射表面被反射的光。
  41. 如申請專利範圍第35項的方法，包括定位具有一反射表面的測試物體以定義測量光的光學路徑長度，其大體上等於參考光的光學路徑長度。
  42. 如申請專利範圍第41項的方法，包括改變在測量光及參考光間的光學路徑長度的差。
  43. 如申請專利範圍第42項的方法，包括改變光學總成及測試物體間的距離以改變測量光的光學路徑長度，光學總成包括該第一及第二部分反射表面。
  44. 如申請專利範圍第35項的方法，更包括定向一光學元件，其中該光學元件在一外表面具有該第一部分反射表面，上述定向該光學元件使得具有該第一部分反射表面的光學元件的外表面面向該第二部分反射表面。
  45. 如申請專利範圍第35項的方法，包括不通過任何玻璃元件而將參考光從該第一部分反射表面傳送至該第二部分反射表面。
  46. 如申請專利範圍第35項的方法，包括將該第二部 分反射表面定位於距該第一部分反射表面一段距離，此段距離大於檢測在測量光及參考光間的干涉圖案之成像模組的焦深。
  47. 如申請專利範圍第46項的方法，包括使參考光通過一色散補償器，其補償由於參考光與測量光行進的光學路徑長度的差造成的測量光與參考光之間的相位的差，並且將色散補償器定位在成像模組的焦深之外。
  48. 如申請專利範圍第35項的方法，更包括：沿著光軸定位一第三反射表面；將該第三部分反射表面定向以平行於該第二部分反射表面；在該第三部分反射表面，將由該第一部分反射表面傳送的光之第三部分傳送至測試物體以定義測量光，並且將由該第一部分反射表面傳送的光的第四部分朝向該第一部分反射表面反射回去以定義第二參考光；及在該第一部分反射表面，將光的該第四部分的一部分朝向該第二部分反射表面反射，使得該第二參考光在該第二及第一部分反射表面間行進至少一次來回的路徑。
  49. 如申請專利範圍第35項的方法，其中，將光傳送通過該第一部分反射表面包括將準直光傳送通過該第一部分反射表面，其中該準直光係由一率直器提供。
  50. 如申請專利範圍第35項的方法，更包括在將光傳送通過該第一部分反射表面之前將光傳送通過一場鏡，並且在參考光被該第一部分反射表面反射之後及參考光被檢 測器檢測之前將場鏡定位於參考光行進的成像路徑之外。
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