[发明专利]光针式共光路干涉共焦位移测量装置与方法

权利要求书

1.一种光针式共光路干涉共焦位移测量装置，其特征在于：线偏振光源(101)、1/2波片(102)组成的光源模块发出平行光，偏振方向与分光棱镜PBS(103)透光轴x向一致，光束经PBS(103)透射后经第一1/4波片(104)照射到环形参考反射镜(105)上，参考光按原光路返回；测量光经物镜(106)形成聚焦光针照射到样品表面(107)，然后再经样品表面反射按原光路返回；由于测量光和参考光均两次经过第一1/4波片(104)，所述第一1/4波片(104)光轴与x方向夹角45°，返回光束偏振方向变为y向，则返回光经PBS(103)反射；参考光经过环形1/2波片(108)，偏振方向旋转90°，而测量光由所述环形1/2波片(108)中心穿过，此时测量光与参考光偏振方向相互垂直；再经过第二1/4波片(109)分别变为左旋、右旋圆偏振光，经二维Ronchi光栅(110)与偏振移相阵列(111),参考光与测量光发生移相；进一步，光分别经过2对相互共轭的移焦光瞳阵列(112)，选出四路[±1,±1]衍射光，其中2束光经移焦光瞳滤波器后，经透镜(113)汇聚,其焦面位置会发生正移焦，而另外2束光经共轭移焦光瞳滤波器后，其焦面会发生负移焦；同时，测量光与参考光在透镜(113)焦面附近发生干涉，由变区域光强探测器(114)分别对四路干涉光进行探测，并经数据处理后获得位移测量值。

2.根据权利要求1所述的光针式共光路干涉共焦位移测量装置，其特征在于：环形参考反射镜(105)，其中心孔面积与外环面积相同，且放置于物镜前方。

3.根据权利要求1所述的光针式共光路干涉共焦位移测量装置，其特征在于：环形1/2波片(108)，其外轮廓半径和内孔半径均与环形参考反射镜(105)相同，波片快/慢轴与参考光偏振方向夹角45°。

4.根据权利要求1所述的光针式共光路干涉共焦位移测量装置，其特征在于：移焦光瞳阵列(112)，其结构中包括4个关于中心对称的子光瞳区，每个子光瞳滤波器为圆对称相位光瞳，二环或多环结构，子光瞳外轮廓半径与环形参考镜外轮廓半径相同，子光瞳之外的区域不透光，其作用是选出四路[±1,±1]衍射光；其中，相邻子光瞳为相位共轭光瞳可分别实现正向移焦和负向移焦。

5.根据权利要求1所述的光针式共光路干涉共焦位移测量装置，其特征在于：变区域光强探测器(114)，可由成像管镜(115)和CCD(116)构成。

6.根据权利要求1所述的光针式共光路干涉共焦位移测量装置，其特征在于：变区域光强探测器(114)，可由半反半透镜片(601)，4个针孔构成的针孔阵列(602)，第一四象限光电探测器PSD(603)和第二四象限光电探测器PSD(604)构成，其中针孔后的所述第一四象限光电探测器PSD(603)为共焦分系统探测器，所述第二四象限光电探测器PSD(604)为干涉分系统探测器。

7.一种使用权利要求1所述装置的测量方法，其特征在于：光强采集时，分别以四个干涉光斑重心为中心，通过采集设定的4个大区域内光强，获得干涉分系统输出，即为I_A，I_B，I_C，I_D；相应地，采集设定的4个小针孔内光强获得共焦分系统输出，即为：I'_A，I'_B，I'_C，I'_D，并通过公式(1)：

可获得测量光与参考光的相位差及其对应轴向光程差z；

通过公式(2)计算共焦分系统输出I_CMS(u)：

并可由共焦分系统轴向测量特性获得对应位移的粗测值u，其中u为归一化轴向光学坐标；进而可获得轴向离焦位置其中α是物镜数值孔径；

利用所述测量装置对物面当前a位置和b位置进行测量，从而获得其对应位置z_a、l_a和z_b、l_b；最后，利用公式(3)计算物面高度差H_ab：

H_ab＝kT+z_b-z_a (3)

其中，T＝λ/2为干涉分系统的测量周期，k是l_b-l_a所包含的干涉测量周期数，为整数。