[发明专利]利用衍射光学显现表面轮廓的方法和装置

说明书

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 Malacara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.opt 7(9)1858—1859(1968)公开在文章“Rough Surface in-terferometry 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.RenéBenoit在文章“Application desphénomènes a des déterminations métrologiques”(J.dePhys，3(7)，57—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.Nuss-meier)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 wavefrontreconstruction”(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净结果是构成干涉的轮廓间隔的外形。然而，这种方法用在实示应用中有困难。

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改镜扫描，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.Joenethan，B.Franze，和H.J.Tiziani(Applied optics 33(31)，7307—7311，(1994))的文章“Oblique incidence and observation electronicspeckle—pattern interferometry”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Λ，它可能是光的实际波长的许多倍。等效波长Λ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。