專利名稱：干涉儀和采用干涉儀的測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種干涉儀和采用這種干涉儀的測(cè)量方法，尤其涉及測(cè)量頂端標(biāo)準(zhǔn)如塊規(guī)或量棒的長(zhǎng)度的干涉儀。
在對(duì)用于校正各種類型的測(cè)量設(shè)備的塊規(guī)和量棒進(jìn)行高精度測(cè)量時(shí)，采用傳統(tǒng)的的干涉儀。這種干涉儀是這樣工作的，首先在半個(gè)波長(zhǎng)或更小的精度下對(duì)頂端標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行初步測(cè)量而算出干涉條紋的整數(shù)N、用激光干涉法通過主測(cè)量獲得干涉條紋比值ε，最后由等式L＝λ/2(N+ε)確定頂端測(cè)量的長(zhǎng)度L。
在半個(gè)波長(zhǎng)或更小的精度下測(cè)量頂端標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，在具有多波長(zhǎng)的場(chǎng)合進(jìn)行所謂的重合法，對(duì)每一波長(zhǎng)進(jìn)行初步測(cè)量，并使用不依賴特定波長(zhǎng)而重合的值。例如，采用Twyman-Green這樣一種干涉儀。
然而，即使在采用重合法的時(shí)候，也必須采用與激光干涉儀分開的比較儀，并且必須進(jìn)行分開的測(cè)量，而且這樣又需要使初步測(cè)量和主測(cè)量(主測(cè)量是用激光干涉儀進(jìn)行的測(cè)量)之間的溫度平衡(通過使物體放置后停止工作幾個(gè)小時(shí)，去除工件(頂端測(cè)量)內(nèi)因人體溫度和環(huán)境溫度而產(chǎn)生的溫度的非均勻性。這里，工件指的是要測(cè)量的物體)。這樣就使得測(cè)量步驟變得復(fù)雜，因而效率低。
另外，在進(jìn)行高精度的測(cè)量時(shí)，還需要考慮因頂端測(cè)量按照線性膨脹系數(shù)的伸長(zhǎng)而需要進(jìn)行的溫度補(bǔ)償。但是，如果初步測(cè)量和采用激光干涉進(jìn)行的主測(cè)量是分開進(jìn)行的，則用于初步測(cè)量的溫度計(jì)中產(chǎn)生的誤差和用于主測(cè)量的溫度計(jì)中產(chǎn)生的誤差可能是不同的，這樣就增加了確定干涉條紋整數(shù)N的難度。
本發(fā)明的目的是解決上述問題，并提供一種能夠連續(xù)在同一干涉儀內(nèi)進(jìn)行初步測(cè)量和主測(cè)量、并且能夠快速、高精度測(cè)量如頂端尺寸的工件的干涉儀，以及采用這樣一種干涉儀的測(cè)量方法。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種用激光干涉法測(cè)量工件尺寸的干涉儀，它包含激光光源、白光光源、將激光從所述激光光源引導(dǎo)到工件上的第一光學(xué)組件以及用作激光干涉的基準(zhǔn)的第一基準(zhǔn)面、用來將白光從所述白光光源引導(dǎo)到工件上的第二光學(xué)組件以及用作白光干涉的基準(zhǔn)的第二基準(zhǔn)面、調(diào)整工件相對(duì)于所述第一基準(zhǔn)面的傾斜的工件調(diào)整裝置、檢測(cè)所述第一光學(xué)組件產(chǎn)生的激光干涉條紋和所述第二光學(xué)組件產(chǎn)生的白光干涉條紋的干涉條紋檢測(cè)裝置，以及控制所述第一和第二光學(xué)組件、工件調(diào)整裝置、干涉條紋檢測(cè)裝置的控制裝置，用以采用激光干涉的方法連續(xù)進(jìn)行工件的位置調(diào)整、用白光干涉的方法對(duì)工件進(jìn)行初步測(cè)量，以及用激光進(jìn)行工件的主測(cè)量。
采用進(jìn)行位置調(diào)整和工件主測(cè)量的第一光學(xué)組件以及在同一干涉儀中進(jìn)行工件初步測(cè)量的第二光學(xué)組件，可以在相同的環(huán)境條件下進(jìn)行初步測(cè)量和主測(cè)量，可以防止在初步測(cè)量和主測(cè)量之間產(chǎn)生溫度差，并且可以對(duì)工件的測(cè)量做到既快、精度又高。
本發(fā)明中，所述第一光學(xué)組件最好包括一個(gè)將來自激光光源的激光束分離成入射到所述工件上的激光和入射到所述第一基準(zhǔn)面上的激光的第一分束器，而所述第二光學(xué)組件包括將來自所述白光光源的白光分離成入射到所述工件上的白光和入射到所述第二基準(zhǔn)面上的白光的第二分束器。
所述第一和第二分束器最好是單個(gè)的分束器。采用單個(gè)的分束器，可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，并且由于采用了一條共同的光路，同時(shí)使初步測(cè)量的精度提高。
本發(fā)明中，最好還具有一個(gè)將從分束器輻射的激光引導(dǎo)到所述第一基準(zhǔn)面上以及將從所述分束器輻射的白光引導(dǎo)到所述第二基準(zhǔn)面上的裝置。采用這樣的裝置，確保了第一和第二基準(zhǔn)面不同時(shí)激光或白光引導(dǎo)到各個(gè)基準(zhǔn)面上，并且會(huì)產(chǎn)生干涉。
本發(fā)明中，最好在所述激光光源和所述第一光學(xué)組件中的所述第一分束器之間的光路上配備一個(gè)打開或關(guān)閉激光的第一光閘，以及在所述白光光源和所述第二光學(xué)組件中的所述第二分束器之間的光路上配備一個(gè)打開或關(guān)閉白光的第二光閘，并且所述控制裝置在工件的位置調(diào)整和主測(cè)量期間通過使第一光閘打開而所述第二光閘關(guān)閉而引導(dǎo)激光，在所述初步測(cè)量期間通過使所述第一光閘關(guān)閉而所述第二光閘打開而引導(dǎo)白光。
本發(fā)明還包含一個(gè)改變從所述第二分束器到所述第二基準(zhǔn)面的光學(xué)距離的移動(dòng)裝置和檢測(cè)所述移動(dòng)裝置的移動(dòng)距離的裝置。通過改變光學(xué)距離，可以在對(duì)應(yīng)于工件的兩個(gè)頂端的位置產(chǎn)生白光干涉，并且通過檢測(cè)距離的變化，可以初步測(cè)量是工件尺寸的兩個(gè)頂端之間的距離。根據(jù)該初步測(cè)量，計(jì)算干涉的級(jí)別。
所述第二基準(zhǔn)面最好是一個(gè)平面鏡。
所述第二基準(zhǔn)面最好是一個(gè)角隅(corner cube)形反射面。通過將基準(zhǔn)面的形狀形成為角隅形狀，可以使入射的白光反射到入射的方向，并且即使在表面因移動(dòng)而出現(xiàn)小的變化時(shí)，也能產(chǎn)生干涉。
本發(fā)明中，所述第一和第二基準(zhǔn)面也最好是同一表面。使第一基準(zhǔn)面和第二基準(zhǔn)面為一個(gè)面可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明還提供了一種采用干涉儀測(cè)量工件的方法，該方法包含下述步驟將所述工件放置在所述干涉儀內(nèi)；將激光引入到所述干涉儀內(nèi)，并采用激光干涉的方法調(diào)整所述工件相對(duì)于一個(gè)基準(zhǔn)面的位置；將白光引入到所述干涉儀內(nèi)，并采用白光干涉的方法對(duì)所述工件進(jìn)行初步測(cè)量；以及將激光引入到所述干涉儀內(nèi)，并用激光干涉的方法對(duì)所述工件進(jìn)行主測(cè)量。位置的調(diào)整、初步測(cè)量和主測(cè)量是在同一干涉儀中連續(xù)進(jìn)行的。在同一干涉儀中進(jìn)行初步測(cè)量和主測(cè)量，只需一次設(shè)定工件數(shù)，使得工件的測(cè)量可以快速和高精度地進(jìn)行。
調(diào)整工件的位置的所述步驟最好包含下述步驟對(duì)所述基準(zhǔn)面和工件的針孔圖象之間的位置差異進(jìn)行粗調(diào)，以及將由所述激光干涉產(chǎn)生的所述工件表面的干涉條紋調(diào)至一預(yù)置值的細(xì)調(diào)。
圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)方框圖。
圖2是第一個(gè)實(shí)施例的整個(gè)過程的流程圖。
圖3是圖2中所示自動(dòng)校平過程的詳細(xì)流程圖。
圖4A說明圖3中所示過程所采用的光學(xué)組件(例如用于粗調(diào)的情況)。
圖4B說明圖3中所示過程所采用的光學(xué)組件(例如用于細(xì)調(diào)的情況)。
圖5是說明基準(zhǔn)鏡面的針孔圖象和具有斜坡的工件表面的圖。
圖6是說明基準(zhǔn)鏡面的針孔圖象和不具有斜坡的工件表面的圖。
圖7是圖2中所示初步測(cè)量的詳細(xì)流程圖。
圖8是圖7中所示過程的模型圖。
圖9是圖2中所示主測(cè)量過程的詳細(xì)流程圖。
圖10是本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖11是本發(fā)明進(jìn)一步的實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
圖12是本發(fā)明又一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。
下面參照


本發(fā)明的較佳實(shí)施例。
圖1是本發(fā)明第一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖。本實(shí)施例中的測(cè)量是首先用激光調(diào)節(jié)工件(頂端標(biāo)準(zhǔn))的斜率、用由各種波長(zhǎng)組成的白光干涉的方法對(duì)工件進(jìn)行初步測(cè)量，隨后用激光干涉的方法進(jìn)行主測(cè)量來進(jìn)行的。激光干涉部分和白光干涉部分置于同一干涉儀中。
本例中，采用頻率穩(wěn)定的He-Ne激光光源10作為激光干涉的激光。在分束器12處，將來自光源10的波長(zhǎng)為633nm的激光分裂成用作激光干涉儀的激光和用作干涉條紋計(jì)數(shù)干涉儀的光。這里，數(shù)字干涉條紋計(jì)數(shù)干涉儀對(duì)工件進(jìn)行初步測(cè)量，這將在后文中詳述。另外，要求激光光源是可拆卸的，使得即使在因損壞或其他原因必須更換激光光源時(shí)，也能容易地調(diào)整光軸。
用于激光干涉儀的來自分束器12的激光通過傳輸光纖14傳送到干涉儀部分。用于數(shù)字干涉測(cè)量的來自分束器12的激光通過傳輸光纖16傳送到數(shù)字干涉測(cè)量部分。
傳輸光纖14和16是一種單模光纖，它含有一個(gè)相對(duì)于543到633nm的波長(zhǎng)帶的偏振面，在端面上配有準(zhǔn)直透鏡。傳輸光纖14和16傳送作為平行光而引入的激光。光纖和準(zhǔn)直透鏡用FC型連接器連接起來。傳輸光纖14的發(fā)送端配備有一個(gè)光隔離器(light isolator)18。
光隔離器18包含兩個(gè)偏轉(zhuǎn)元件(偏轉(zhuǎn)片和λ/4波片)。用光隔離器18中的兩個(gè)偏振元件將從傳輸光纖14傳送的線性偏振激光變換成圓形偏振光，而光隔離器18具有減小逆光(reversed light)的效果。在光隔離器18的端部有一個(gè)旋轉(zhuǎn)散射片20。
旋轉(zhuǎn)散射片20用電機(jī)22使具有良好透明度的光散射介質(zhì)如毛玻璃旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置在足以使得在視頻速率(video rate)下得到圖象時(shí)因散射片的表面粗糙而出現(xiàn)的斑點(diǎn)均化。來自旋轉(zhuǎn)散射片20的激光由透鏡24聚焦，隨后引入到用作第一光閘的光閘25(也稱為專用光閘1)。光閘25用來決定是否將激光引入到干涉儀室(booth)100內(nèi)，并且在初步測(cè)量期間是關(guān)閉的，將在下面描述。光閘25的開、閉操作是由從個(gè)人計(jì)算機(jī)68提供到驅(qū)動(dòng)器80的控制信號(hào)而自動(dòng)執(zhí)行的。穿過光閘25的激光被引入到針孔26和分束器32。
鹵素?zé)?8用作白光光源，它與激光光源10是分開的。來自鹵素?zé)?8的白光被引入到光閘29(也稱為專用光閘(2))，光閘29用作第二光閘。光閘29用來決定是否要將白光引入到干涉儀室100內(nèi)，在初步測(cè)量期間開啟用來引入白光。穿過光閘29的白光隨后被引入到針孔30內(nèi)，接著再引入到分束器32中。光閘29的開、閉也是通過將控制信號(hào)從個(gè)人計(jì)算機(jī)68提供到驅(qū)動(dòng)器82來自動(dòng)進(jìn)行的。
分束器32或者呈片狀，或者是一個(gè)立方體，讓激光通過而反射白光。透射光與反射光的比值是1∶1或2∶1。
來自分束器32的激光在準(zhǔn)直透鏡34處變換成平行光，在反射鏡36處反射，隨后引入工件室(work booth)200。來自分束器32的白光也由準(zhǔn)直透鏡34變換成平行光，在反射鏡36處反射，并引入到工件室200。
工件室200有一個(gè)安置架，上面可以安裝多個(gè)工件。圖中，有三個(gè)工件安裝在安置架上，分別標(biāo)記為工件1、工件2和工件3。還配備有用作第一分束器而將激光分成用作工件的激光和用作基準(zhǔn)鏡面42(下文中說明)的第一分束器的分束器38、工件選擇反射鏡52以及用作第一基準(zhǔn)面而作為激光干涉的基準(zhǔn)的基準(zhǔn)鏡面42(基準(zhǔn)鏡面)。正如從圖中可以看到的那樣，分束器38還用作第二分束器，用來將引入工件室200的白光分成用于工件的白光和用于基準(zhǔn)鏡面50的白光。即，在本實(shí)施例中，第一分束器和第二分束器構(gòu)成同一個(gè)分束器，并且激光和白光從波疊加分束器(wave addition beam splitter)32到分束器38的光路是共同的。
工件頂端標(biāo)準(zhǔn)的截面形狀可以是如尺寸為9mm*35mm的用于塊規(guī)的矩形形狀，或者是直徑為22mm的用于量棒的圓形形狀。環(huán)繞用于測(cè)量的工件底面的臺(tái)板(platen)(底板)54的截面形狀是直徑為45mm的圓形。臺(tái)板54用來得到工件底面一側(cè)的干涉條紋數(shù)據(jù)，并且可以通過測(cè)量臺(tái)板表面的位置來測(cè)量工件底面的位置。工件安置架構(gòu)成使得3個(gè)工件中的每一個(gè)工件相對(duì)于基準(zhǔn)鏡面42的傾斜角可以通過使它們沿水平和垂直方向旋轉(zhuǎn)來調(diào)節(jié)。工件的支承點(diǎn)可以是處在相對(duì)于工件的停靠尺寸(call dimension)的Airy點(diǎn)或Bessel點(diǎn)，也可以將工件支承在其他的任意點(diǎn)處。也可以將工件放置在使得從分束器38到工件和基準(zhǔn)鏡面42的中心位置的光學(xué)距離是共軛的。對(duì)于工件相對(duì)于基準(zhǔn)鏡面42的角度調(diào)整，采用PZT(未圖示)進(jìn)行粗調(diào)和細(xì)調(diào)的手動(dòng)校平(manual leveling)66。角度細(xì)調(diào)是通過將控制信號(hào)從個(gè)人計(jì)算機(jī)68輸出到PZT驅(qū)動(dòng)器86、88和90而自動(dòng)進(jìn)行的。當(dāng)然，除了采用人工調(diào)節(jié)以外，也可以用個(gè)人計(jì)算機(jī)68自動(dòng)進(jìn)行粗調(diào)。下面將更詳細(xì)地說明工件的校平。
還包括一個(gè)工件選擇鏡面52，用來從多個(gè)放置的工件(圖中示出了三個(gè)工件)中選擇出一個(gè)工件作為測(cè)量目標(biāo)。工件選擇鏡面52沿圖中箭頭所示的方向運(yùn)動(dòng)使激光通過分束器38引導(dǎo)到一個(gè)工件上。工件選擇鏡面52的運(yùn)動(dòng)是用來自個(gè)人計(jì)算機(jī)68的指令驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器102來完成。
分束器38將一部分激光通過透射而引導(dǎo)到工件上，并將其余部分的激光引導(dǎo)到基準(zhǔn)鏡面42上。分束器38呈5到10分傾斜的楔形，以避免受反向反射而引起的干涉條紋的影響。同時(shí)，為了避免受楔形角產(chǎn)生的散射的影響，在下一個(gè)分束器38的地方，有一個(gè)相位補(bǔ)償片56，它由同一材料制成，具有相同的厚度，并且具有與分束器38相同大小但方向相反的楔形角。
基準(zhǔn)鏡面42(基準(zhǔn)鏡面1)是一個(gè)鏡面，用作激光干涉測(cè)量的基準(zhǔn)面?；鶞?zhǔn)鏡面42的支架有一個(gè)功能，是在組裝裝置時(shí)對(duì)光軸進(jìn)行調(diào)整期間調(diào)整基準(zhǔn)鏡面42的傾斜角。基準(zhǔn)鏡面42由基準(zhǔn)鏡面42背面上提供的PZT 44沿平行于圖中箭頭所示的方向運(yùn)動(dòng)，而使干涉條紋移動(dòng)?；鶞?zhǔn)鏡面42的移動(dòng)距離是2.5μm(與8個(gè)條紋周期對(duì)應(yīng)，在4次平行移動(dòng)以后總的移動(dòng)距離等于0.3μm，而在采用633nm的激光時(shí)，移動(dòng)0.3μm使條紋移動(dòng)一個(gè)周期)。PZT 44是用個(gè)人計(jì)算機(jī)68通過驅(qū)動(dòng)PZT驅(qū)動(dòng)器92來驅(qū)動(dòng)的。
光路切換鏡面40是一個(gè)在激光的光路與白光的光路之間切換的鏡面。用個(gè)人計(jì)算機(jī)68驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)器98，光路切換鏡面改變圖中位置A和位置B之間的位置。在初步測(cè)量期間，將光路切換鏡面40設(shè)置在位置B處，從而將來自分束器38的白光通過鏡面46引導(dǎo)到角隅棱鏡CC1上。主測(cè)量期間，將光路切換鏡面40設(shè)置在位置A上，而將激光從分束器38引導(dǎo)到基準(zhǔn)鏡面42上。
工件室的構(gòu)造如上所述。另外，干涉儀室100還配備有一個(gè)角隅棱鏡移動(dòng)架48(用來移動(dòng)角隅棱鏡CC1)、用作白干涉光基準(zhǔn)的第二基準(zhǔn)面的基準(zhǔn)鏡面50(基準(zhǔn)鏡面2)和準(zhǔn)直透鏡58。
角隅棱鏡移動(dòng)架48使用于白光干涉儀的角隅棱鏡CC1在圖中所示的點(diǎn)C和D之間移動(dòng)，以改變從分束器38到第二基準(zhǔn)面的光學(xué)距離。同時(shí)，角隅棱鏡移動(dòng)架48還配備有數(shù)字干涉測(cè)量角隅棱鏡CC2，用來測(cè)量移動(dòng)架的移動(dòng)距離。角隅棱鏡移動(dòng)架48是通過將控制信號(hào)從個(gè)人計(jì)算機(jī)68提供到電機(jī)驅(qū)動(dòng)器100來自動(dòng)驅(qū)動(dòng)的。角隅棱鏡移動(dòng)架48的移動(dòng)是用來自傳輸光纖16的數(shù)字干涉測(cè)量激光來測(cè)量的。具體說來，由光接收元件53接收透過分束器51并由角隅棱鏡移動(dòng)架48上的角隅棱鏡CC2反射的激光與角隅棱鏡CC反射的激光的干涉光，并測(cè)量其移動(dòng)距離。
準(zhǔn)直透鏡58接收白光或作為平行光而入射的激光，并將接收的光聚焦到針孔60內(nèi)。
干涉箱100的構(gòu)造如上所述，其特征是，它在同一干涉儀箱100內(nèi)具有激光和白光兩條光路。用于激光的第一光學(xué)組件包含光纖14、光閘25、分束器32、準(zhǔn)直透鏡34、鏡面36、分束器38和工件選擇鏡面52。用于白光的第二光學(xué)組件包含第二光閘29、分束器32、準(zhǔn)直透鏡34、鏡面36、分束器38、工件選擇鏡面52、光路切換鏡面40、鏡面46和角隅棱鏡CC1。
下面說明干涉條紋檢測(cè)部分。干涉條紋檢測(cè)部分包含針孔60、自動(dòng)準(zhǔn)直部分62、CCD 64和個(gè)人計(jì)算機(jī)68。針孔60在用于白光干涉的1.5mm的直徑與用于激光干涉的0.6mm的直徑之間轉(zhuǎn)換。自動(dòng)準(zhǔn)直部分62包括光源、透鏡和十字線，并且用來在必須進(jìn)行光軸調(diào)節(jié)時(shí)檢查和調(diào)節(jié)基準(zhǔn)面和塊規(guī)之間的傾斜角。在本實(shí)施例的自動(dòng)校平、初步測(cè)量和主測(cè)量期間，不采用自動(dòng)準(zhǔn)直部分62。CCD 64是一個(gè)觀察個(gè)人計(jì)算機(jī)68的監(jiān)視器上的干涉條紋和針孔圖象的照相機(jī)，并且可以在必要時(shí)方便地用目鏡來代替。
干涉儀室100有一個(gè)阻擋來自整個(gè)干涉儀的干擾的熱絕緣結(jié)構(gòu)。為了防止熱絕緣特性變壞，只有很小一部分是采用了能夠透過熱絕緣室內(nèi)外的金屬。具體說來，只有穿透金屬(penetrating metal)集中在如用于干涉補(bǔ)償?shù)膫鞲衅鬈浘€(sensor cord)，以及如工件安置架等用于在干涉條紋觀察條件下從外部進(jìn)行細(xì)調(diào)的機(jī)構(gòu)。同時(shí)，這些金屬還配有低熱導(dǎo)構(gòu)件，減小了從每個(gè)調(diào)節(jié)撥盤流入干涉儀的熱量。
工件室200是用金屬制成的，從而能夠使工件上的溫度分布均勻?；鶞?zhǔn)鏡面42還放置在工件室200內(nèi)，從而避免在分束器38到基準(zhǔn)鏡面42的光學(xué)距離和從分束器38到工件測(cè)量面的光學(xué)距離之間產(chǎn)生差異。所采用的金屬是高熱導(dǎo)金屬，如銅或鋁。
溫度計(jì)72、濕度計(jì)76和氣壓計(jì)78是測(cè)量周圍環(huán)境的傳感器。溫度計(jì)包含溫度計(jì)多路復(fù)用器(thermometer multiplexer)70、溫度計(jì)72和標(biāo)準(zhǔn)電阻74，并且測(cè)量工件以及干涉儀內(nèi)的溫度，并將結(jié)果提供給個(gè)人計(jì)算機(jī)68。濕度計(jì)76測(cè)量干涉儀內(nèi)的濕度，并將結(jié)果提供給個(gè)人計(jì)算機(jī)68。氣壓計(jì)78測(cè)量干涉儀內(nèi)的空氣壓力，并將結(jié)果提供給個(gè)人計(jì)算機(jī)68。
本實(shí)施例的工件(頂端標(biāo)準(zhǔn))測(cè)量過程的整個(gè)流程圖如圖2所示。首先，選擇要測(cè)量的工件(頂端標(biāo)準(zhǔn))(S101)。具體說來，這一選擇是用來自個(gè)人計(jì)算機(jī)68的指令將工件選擇鏡面52移動(dòng)到所要求的工件位置來進(jìn)行的。隨后，使光閘25打開，并使光閘29關(guān)閉，使激光進(jìn)入工件室200。同時(shí)，將光路切換鏡面40設(shè)置在位置A處，用激光干涉光進(jìn)行工件的自動(dòng)校平(S102)。自動(dòng)校平使得工件表面幾乎與基準(zhǔn)鏡面42的鏡面平行。如上所述，這包含粗調(diào)步驟和細(xì)調(diào)步驟。在完成工件的自動(dòng)校平以后，光閘25關(guān)閉，而光閘29打開，使白光從鹵素?zé)?8引入干涉室100。同時(shí)，將光路切換鏡面40設(shè)置在位置B處，并用白干涉光進(jìn)行初步測(cè)量(S103)。在初步測(cè)量期間測(cè)量工件的尺寸。隨后，再次打開光閘25，并關(guān)閉光閘29，將激光引入工件室200，并且同時(shí)，將光路切換鏡面40設(shè)置在位置A處，并進(jìn)行工件的主測(cè)量(S104)。在進(jìn)行工件的主測(cè)量時(shí)，計(jì)算干涉條紋比值ε，并用干涉級(jí)N以及該干涉條紋比值ε，高精度地計(jì)算工件尺寸L。圖2中進(jìn)行的每一個(gè)過程是由個(gè)人計(jì)算機(jī)68執(zhí)行安裝程序而自動(dòng)進(jìn)行的。
圖3示出如圖2中S102所示的自動(dòng)校平過程的詳細(xì)流程圖。首先，打開光閘25，關(guān)閉光閘29。將光路選擇鏡40置于位置A，并把光學(xué)組件切換至自動(dòng)校平粗調(diào)(為便于說明，把這種粗調(diào)稱為“用于自動(dòng)準(zhǔn)直儀”，而從其上的細(xì)調(diào)稱為“自動(dòng)準(zhǔn)直”。然而應(yīng)當(dāng)指出，這些調(diào)節(jié)與圖1所示的自動(dòng)準(zhǔn)直儀部分62和在該自動(dòng)準(zhǔn)直儀部分62上執(zhí)行的基準(zhǔn)鏡42的光軸調(diào)節(jié)是不同的)(S201)。
圖4A與4B分別示出自動(dòng)校平的粗細(xì)調(diào)的光學(xué)組件。在細(xì)調(diào)光學(xué)組件中，圖像聚焦至寬聚焦范圍的攝像機(jī)CCD64，而在粗調(diào)光學(xué)組件中，圖像則聚集至窄聚焦范圍的CCD64。
再參照?qǐng)D3，在光學(xué)組件切換至粗調(diào)(用于自動(dòng)準(zhǔn)直儀)后，自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像(基準(zhǔn)鏡42反射的激光源和工件端面反射的激光源的小孔成像)從CCD64傳入個(gè)人計(jì)算機(jī)68(S202)。在個(gè)人機(jī)68處，分析自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像的亮度，產(chǎn)生如圖5和6所示的自動(dòng)準(zhǔn)直峰圖，并計(jì)算出基準(zhǔn)鏡42與工件表面自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像的峰位置(坐標(biāo))(S203)。在組裝時(shí)(最好應(yīng)用自動(dòng)準(zhǔn)直儀部分62每年重調(diào)一次)，雖然把基準(zhǔn)鏡42的自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像調(diào)節(jié)到總是位于中心，如圖5所示，但是工件表面(沒有環(huán)形臺(tái)板54的端面)的自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像卻在中心以外的位置上產(chǎn)生峰值，當(dāng)工件置于工件安置架上時(shí)，具體位置取決于工件的傾斜狀態(tài)。另一方面，當(dāng)工件相對(duì)于基準(zhǔn)鏡42的鏡面不傾斜時(shí)，兩個(gè)峰值位置就重合于中心，且中心變高，如圖6所示。
于是，確定基準(zhǔn)鏡42與工件表面的自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像的峰位置是否重合(S204)，若不重合，則計(jì)算出工件表面相對(duì)于基準(zhǔn)鏡42的峰位置的峰位置，即這兩個(gè)峰位置(θx，θy)的差值。工件安置架構(gòu)成可以水平與垂直兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)轭A(yù)先確定了每個(gè)支承點(diǎn)的操縱點(diǎn)并能預(yù)先算出該峰位置相對(duì)于操縱量的偏移量，所以很容易根據(jù)兩峰值(θx，θy)之差算出水平與垂直兩個(gè)方向的操縱量。于是用這一操縱量驅(qū)動(dòng)工件安置架，用(θx，θy)校正該位置，使兩峰值重合(S218)。用這種方式，基準(zhǔn)鏡與工件表面的自動(dòng)準(zhǔn)直儀圖像相重合，從而完成自動(dòng)校平的粗調(diào)。
接著，過程進(jìn)到自動(dòng)校平的細(xì)調(diào)。首先，把光學(xué)組件切換至如圖4B所示的光學(xué)組件作細(xì)調(diào)(用于干涉)(S205)，并把激光干涉條紋圖像輸入個(gè)人機(jī)68(S206)。干涉條紋圖像是重復(fù)的亮暗圖形。因?yàn)樵诠ぜ恢么终{(diào)處理后的調(diào)節(jié)仍顯然不充分，所以干涉條紋可能是傾斜的(圖像中右側(cè)更高或左側(cè)更高)，或者干涉條紋數(shù)在視野中可能太多(干涉條紋的節(jié)距窄)或太少(干涉條紋的節(jié)距寬)。為進(jìn)行校正，用已知的圖像處理方法從干涉條紋圖像中提取干涉條紋圖形，計(jì)算出干涉條紋的斜率與節(jié)距并將它們存入存儲(chǔ)器(S207)。這種干涉條紋處理是在工作表面的干涉條紋(在圖像中有臺(tái)板表面與工件表面的干涉條紋)上進(jìn)行的。
接下來，要確定計(jì)算與存儲(chǔ)的干涉條紋的斜率與節(jié)距是否滿足預(yù)置條件(水平方向，節(jié)距數(shù)等于4～5)(S208)。若它們滿足這一預(yù)置條件，自動(dòng)校平處理就告完成。另一方面，若它們未滿足預(yù)置條件，則將工件安置架傾斜Δy(S209)。至于干涉條紋的節(jié)距，當(dāng)在基準(zhǔn)鏡42與工件表面之間無相對(duì)傾斜時(shí)(當(dāng)它們平行時(shí))，由于無法從CCD64捕獲的觀察圖像中看到干涉條紋，因?yàn)楦缮鏃l紋的亮暗作為一個(gè)點(diǎn)而使整個(gè)觀察表面具有同樣的亮度，所以干涉條紋是通過稍微傾斜工件表面而產(chǎn)生的。然而，鑒于干涉條紋特性，將觀察到同樣的條紋，而與工件表面的傾斜方向無關(guān)。換言之，例如若將工件表面在長(zhǎng)度方向設(shè)置得很長(zhǎng)，則在傾斜工件表面的情況下，工件表面的上部就高于基準(zhǔn)鏡42的鏡面，而在相反的情況下，如果傾斜的絕對(duì)值相同，則出現(xiàn)的干涉條紋相同。在稍微改變工件表面時(shí)，通過觀察干涉條紋數(shù)的增或減，就可確定工件表面原來的傾斜方向。這同樣適用于干涉條紋的傾斜?？紤]到這些因素，在該步驟中，工件以垂直方向傾斜Δy，稍微改變一下干涉條紋節(jié)距。在稍微傾斜工件而改變干涉條紋后，捕獲作出這一改變后的干涉條紋圖像(S210)，并再次計(jì)算改變后的干涉條紋的斜率與節(jié)距(S211)。同樣地，使工件安置架傾斜Δx(水平方向)而取得干涉條紋圖像(S212和S213)，并計(jì)算改變后的干涉條紋的斜率與節(jié)距(S214)。
通過比較S207和S211的結(jié)果，計(jì)算出工件表面相對(duì)于基準(zhǔn)鏡42的鏡面在垂直方向上的斜率，并計(jì)算出在垂直方向上的傾斜校正量Cy。通過比較S207和S214的結(jié)果，計(jì)算出工件表面相對(duì)于基準(zhǔn)鏡42的鏡面在水平方向上的斜率，并計(jì)算出在水平方向上的傾斜校正量Cx(S215)?；谶@樣獲得的校正量(Cx，Cy)，個(gè)人機(jī)向驅(qū)動(dòng)器86提供控制信號(hào)(在工件1的情況下)，細(xì)調(diào)工件位置。然后從S206開始重復(fù)該過程，檢查干涉條紋的斜率與節(jié)距是否滿足預(yù)置條件，若已滿足，就完成了自動(dòng)校平過程。
個(gè)人機(jī)68按程序自動(dòng)地執(zhí)行S202～S204和S217～S217的全部粗調(diào)處理及S206～S216的細(xì)調(diào)處理，但是也可由操作員以手動(dòng)方式執(zhí)行粗調(diào)處理，而利用個(gè)人機(jī)68只作自動(dòng)的細(xì)調(diào)處理。
圖7示出在圖2中S103所示的自動(dòng)校正處理后執(zhí)行的初步測(cè)量處理的詳細(xì)的流程圖。首先，關(guān)閉光閘25，打開光閘29，把白光引到干涉室100上，同時(shí)，把光路切換鏡40置于位置B，把來自分束器38的反射光導(dǎo)入直角CC1(S301)。接著，把直角移動(dòng)架48移至圖1所示接近位置D的某一位置，并檢測(cè)對(duì)應(yīng)于臺(tái)板54的位置上的白光干涉條紋(S302)。把直角移動(dòng)架48移至靠近位置D的某一位置，目的在于使從分束器38到基準(zhǔn)鏡50的光距與從分束器38到臺(tái)板54的光距相一致。當(dāng)這兩個(gè)光距一致時(shí)，就產(chǎn)生了臺(tái)板54的白光干涉條紋。從干涉條紋圖像中檢測(cè)出白光干涉條紋信號(hào)，并把直角移動(dòng)架48置于干涉條紋變成最暗的位置(本例中，為便于說明，假定這種狀況出現(xiàn)在位置D上)。
然后在直角移動(dòng)架48移至圖1所示靠近位置C的某一位置，并檢測(cè)對(duì)應(yīng)于工件端面(臺(tái)板54不成環(huán)形的表面)的位置上的白光干涉條紋(S303)。把直角移動(dòng)架48移至靠近位置C的某一位置，是為了使從分束器38到基準(zhǔn)鏡50的光距與從分束器38到工件端面的光距相一致，當(dāng)這兩個(gè)光距一致時(shí)，便產(chǎn)生工件端面的白光干涉條紋。從干涉條紋圖像中檢測(cè)白光干涉條紋信號(hào)，并把直角移動(dòng)架48置于干涉條紋最暗的位置上(為便于說明，假定這種狀況出現(xiàn)在位置C上)。
當(dāng)確定了對(duì)應(yīng)于臺(tái)板54的位置(位置D)和對(duì)應(yīng)于工件端面的位置(位置C)時(shí)，利用干涉條紋計(jì)數(shù)法測(cè)量C與D之間的距離，即直角移動(dòng)架48所移動(dòng)的距離(S304)。具體地說，光接收單元53接收了直角移動(dòng)架48上配備的另一個(gè)直角CC2所反射的激光的干涉光和直角CC所反射的激光，并根據(jù)相位差測(cè)出C與D的距離。因?yàn)楣ぜ叽绲扔谥苯且苿?dòng)架48移動(dòng)距離(C與D的距離)的兩倍，所以通過把測(cè)出的C與D的距離加倍即可計(jì)算出工件的初步測(cè)量尺寸(S305)。因?yàn)榕c激光不同，白光所包含的波長(zhǎng)范圍很大，也不同于激光，只有在從分束器38到基準(zhǔn)鏡50的距離幾乎等于(差值在1μm以內(nèi))在分束器38與測(cè)量表面(臺(tái)板53或工件端面)之間的距離時(shí)才會(huì)出現(xiàn)干涉條紋，而且能執(zhí)行高精度的初步測(cè)量。
圖8示出的模型圖用于說明上述的初步測(cè)量。圖9從上到下示出了臺(tái)板54與工件端面各自的白光干涉條紋、檢測(cè)信號(hào)、用于產(chǎn)生基板54與工件端面各自的干涉條紋的直角移動(dòng)架48的位置(位置D與C)，以及干涉條紋計(jì)數(shù)法中的檢測(cè)信號(hào)。直角的移動(dòng)距離CD等于L/2，其中L是工件的尺寸和基板54到端面的距離。
圖9示出圖2中步驟S104的詳細(xì)流程圖，它是完成了初步測(cè)量后的主要測(cè)量過程。首先，打開光閘25，關(guān)閉光閘29，把激光導(dǎo)入干涉儀室100，同時(shí)，把光路切換鏡40置于位置A，將激光引到工件與基準(zhǔn)鏡42上(S401)。然后，把以基準(zhǔn)鏡42作為基準(zhǔn)而產(chǎn)生的激光干涉條紋送入個(gè)人機(jī)68并分析該圖像，以便計(jì)算干涉條紋比值ε(S402)。干涉條紋比值ε是基于在基板54區(qū)域產(chǎn)生的干涉條紋與CCD64獲得的干涉條紋圖像中在工件端面區(qū)域產(chǎn)生的干涉條紋之間的差值計(jì)算的。具體地說，比值ε等于比率b/a，其中a是在基板54區(qū)域產(chǎn)生的干涉條紋的節(jié)距，而b是在兩個(gè)區(qū)域的每個(gè)區(qū)域的干涉條紋之間的相位差。
接著，從工件的初步測(cè)量值中算出干涉條紋的整數(shù)N(S403)。干涉的級(jí)數(shù)，例如可以利用日本專利待公開出版編號(hào)Hei 10203130中描述的公式(2)來計(jì)算。在算出于干涉條紋整數(shù)N與干涉條紋比值ε后，利用L＝λ/2(N+ε)的關(guān)系式計(jì)算工件尺寸L(S404)。
如上所述，在本實(shí)施例中，向同一個(gè)干涉儀室100不斷導(dǎo)入激光與白光，并在同一個(gè)干涉儀室100中連續(xù)地執(zhí)行利用激光作工件的位置調(diào)節(jié)，利用白光作工件的初步測(cè)量，利用激光作工件的主要測(cè)量。因此，只需放置工件和設(shè)置步驟諸如溫度均衡一次就行了(通常，對(duì)初步測(cè)量作工件的放置和測(cè)量，繼后再對(duì)主要測(cè)量作工件的放置與測(cè)量)，從而導(dǎo)致工件尺寸的快速測(cè)量。
另外，因?yàn)槭抢猛粋€(gè)干涉儀室100進(jìn)行初步和主要測(cè)量的，對(duì)初步和主要測(cè)量而言并不出現(xiàn)諸如溫差一類的環(huán)境差別，所以能改善初步測(cè)量的可靠性與精密度，并能運(yùn)用單波長(zhǎng)作激光干涉測(cè)量。
圖10是一構(gòu)成方框圖，示出根據(jù)本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例的干涉儀。圖示結(jié)構(gòu)與圖1結(jié)構(gòu)的不同之處在于，它沒有基準(zhǔn)鏡50(基準(zhǔn)鏡2)，直角CC1還起著基準(zhǔn)鏡的作用。
當(dāng)把起到第二基準(zhǔn)面作用的基準(zhǔn)鏡50構(gòu)成如圖1所示情況的平面鏡時(shí)，必須應(yīng)用大型直角CC1以對(duì)應(yīng)干涉光通量的大小。通過用直角CC1本身作為基準(zhǔn)鏡來代替前述實(shí)施例中的平面鏡，可以減小直角的大小，并在初步測(cè)量期間對(duì)移動(dòng)涉及到的位置變化帶來好處。
其它結(jié)構(gòu)與測(cè)量方法同上述實(shí)施例的一樣，在此不作復(fù)述。
圖11是本發(fā)明又一實(shí)施例的干涉儀的構(gòu)成方框圖。該結(jié)構(gòu)與圖1結(jié)構(gòu)的差別在于，把起到第一基準(zhǔn)面作用的基準(zhǔn)鏡42和起到第二基準(zhǔn)面作用的基準(zhǔn)鏡50構(gòu)成為同一塊基準(zhǔn)鏡43。結(jié)果，圖1中所需的光路切換鏡40、鏡46和直角CC1都不需要了。由第一實(shí)施例的描述可知，不再同時(shí)使用激光與白光，部分激光光路與部分白光光路可共用。因此，可對(duì)起到第一基準(zhǔn)面作用的基準(zhǔn)鏡42和起到第二基準(zhǔn)面作用的基準(zhǔn)鏡50使用一塊鏡面。這樣，與圖1或圖10所示的結(jié)構(gòu)相比較，該結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步作簡(jiǎn)化。通過以圖示箭頭方向移動(dòng)基準(zhǔn)鏡43，進(jìn)行初步測(cè)量。
圖12示出根據(jù)本發(fā)明再一個(gè)實(shí)施例的干涉儀的構(gòu)成方框圖。該結(jié)構(gòu)又與圖11的結(jié)構(gòu)不同，即它從直角45構(gòu)成基準(zhǔn)鏡43，起著第一與第二基準(zhǔn)鏡的作用。因此，與圖1或圖10所示的結(jié)構(gòu)相比較，其結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步簡(jiǎn)化，而且與圖11所示的采用平面鏡的結(jié)構(gòu)相比較，它在涉及到移動(dòng)的位置變化方面具有附加的優(yōu)點(diǎn)。
如上所述，可以在同一臺(tái)干涉儀內(nèi)連續(xù)并行初步和主要測(cè)量，能快速地測(cè)量工件(端部標(biāo)準(zhǔn))，具有高精度。
權(quán)利要求
1.一種應(yīng)用激光干涉測(cè)量工件尺寸的干涉儀，其特征在，它于包括激光源，白光源，第一光學(xué)組件，用于將來自所述激光源的激光引到工件上和用作激光干涉基準(zhǔn)的第一基準(zhǔn)表面上，第二光學(xué)組件，用于將來自所述白光源的白光引到工件上和用作白光干涉基準(zhǔn)的第二基準(zhǔn)表面上，工件調(diào)節(jié)裝置，用于調(diào)節(jié)工件相對(duì)于所述第一基準(zhǔn)表面的斜率，干涉條紋檢測(cè)裝置，用于檢測(cè)所述第一光學(xué)組件產(chǎn)生的激光干涉條紋和所述第二光學(xué)組件產(chǎn)生的白光干涉條紋，以及控制裝置，用于控制所述第一與第二光學(xué)組件、工件調(diào)節(jié)裝置和干涉條紋檢測(cè)裝置，以便連續(xù)執(zhí)行應(yīng)用激光干涉作工件位置調(diào)節(jié)，應(yīng)用白光干涉作工件初步測(cè)量，及應(yīng)用激光作工作主要測(cè)量。
2.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述第一光學(xué)組件包括第一分束器，用于將來自所述激光源的激光分成投射在所述工件上的激光和投射在所述第一基準(zhǔn)表面上的激光，以及所述第二光學(xué)組件包括第二分束器，用于將來自所述白光源的白光分成投射在所述工件上的白光和投射在所述第二基準(zhǔn)表面上的白光。
3.如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于，所述第一與第二分束器是同一個(gè)分束器。
4.如權(quán)利要求3所述的干涉儀，其特征在于，它進(jìn)一步包括一裝置，用于將所述分束器輻射的激光引到所述第一基準(zhǔn)表面上，而將所述分束器輻射的白光引到所述第二基準(zhǔn)表面上。
5.如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于配備的第一光閘用于在所述第一光學(xué)組件中的所述激光源與所述第一分束器之間的光路上接通與切斷激光，配備的第二光閘用于在所述第二光學(xué)組件中的所述白光源與所述第二分束器之間的光路上接通與切斷白光，以及所述控制裝置在所述工件位置調(diào)節(jié)步驟與主要測(cè)量步驟期間通過控制所述第一光閘打開和所述第二光閘關(guān)閉而導(dǎo)入激光，并在所述初步測(cè)量步驟期間通過控制所述第一光閘關(guān)閉和所述第二光閘打開而導(dǎo)入白光。
6.如權(quán)利要求2所述的干涉儀，其特征在于，它進(jìn)一步包括一移動(dòng)裝置，用于改變從所述第二分束器至所述第二基準(zhǔn)表面的光路，以及檢測(cè)光距變化的裝置。
7.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述第二基準(zhǔn)表面是一平面鏡。
8.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述第二基準(zhǔn)有面是一直角形反射平面。
9.如權(quán)利要求1所述的干涉儀，其特征在于，所述第一與第二基準(zhǔn)表面是同一個(gè)表面。
10.一種應(yīng)用干涉儀測(cè)量工件的方法，其特征在于，所述方法包括把所述工件置于干涉儀內(nèi)，將激光導(dǎo)入干涉儀，并應(yīng)用激光干涉調(diào)節(jié)工件相對(duì)于基準(zhǔn)表面的位置，將白光導(dǎo)入干涉儀，并應(yīng)用白光干涉對(duì)工件作初步測(cè)量，以及將激光導(dǎo)入所述干涉儀，并應(yīng)用激光干涉對(duì)所述工件作主要測(cè)量，其中，在同一臺(tái)干涉儀中連續(xù)進(jìn)行位置調(diào)節(jié)、初步測(cè)量和主要測(cè)量。
11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，調(diào)節(jié)工件位置包括以下步驟粗調(diào)，用于調(diào)節(jié)所述基準(zhǔn)表面小孔成像與工件小孔成像之間的位置差，以及細(xì)調(diào)，用于將所述激光干涉產(chǎn)生的工件表面的干涉條紋調(diào)節(jié)至預(yù)置值。
全文摘要
提供了高精度快速初步與主要測(cè)量的干涉儀和方法。激光與白光連續(xù)導(dǎo)入同一個(gè)干涉儀室。激光從激光源導(dǎo)入,利用CCD與個(gè)人機(jī)檢測(cè)以基準(zhǔn)鏡作為基準(zhǔn)的干涉條紋。把干涉條紋置成預(yù)置值,調(diào)節(jié)工件位置。然后導(dǎo)入白光,移動(dòng)直角移動(dòng)架,檢測(cè)以基準(zhǔn)鏡作為基準(zhǔn)的干涉條紋,執(zhí)行工件的初步測(cè)量。再導(dǎo)入激光,檢測(cè)以基準(zhǔn)鏡作為基準(zhǔn)的干涉條紋,作工件的主要測(cè)量。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1254088SQ9912488
公開日2000年5月24日 申請(qǐng)日期1999年11月17日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月17日
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