專利名稱：同時(shí)相移的斐索干涉儀的制作方法
同時(shí)相移的斐索干涉儀
相關(guān)申請(qǐng)
本發(fā)明基于且要求2003年8月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng) No. 60/498, 522的優(yōu)先權(quán)。
技術(shù),領(lǐng)域
本發(fā)明涉及電磁波前的測(cè)量。特別地，本發(fā)明涉及由斐索干涉儀 產(chǎn)生的干涉光束的定量瞬時(shí)測(cè)量。
背景技術(shù)：
光束測(cè)量和品質(zhì)鑒定在例如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)激光頭的許多光學(xué)部件的制 造中是重要的。因此，已經(jīng)設(shè)計(jì)出許多光學(xué)干涉測(cè)量系統(tǒng)用以提高測(cè) 量的精確性和可靠性。 一般而言，產(chǎn)生測(cè)試和參考光束的前端干涉測(cè) 量裝置與后端光學(xué)裝置相結(jié)合，用以解決光束之間的相位差。這可以 通過(guò)在前端編碼(或"標(biāo)記")光束來(lái)同時(shí)實(shí)現(xiàn)，諸如通過(guò)對(duì)于測(cè)試 和參考光束使用不同的偏振狀態(tài)，并且在后端在空間上解決它們?？?選地，可以在前端及時(shí)改變測(cè)試和參考表面之間的光路差，例如通過(guò) 相對(duì)于另一個(gè)表面掃描一個(gè)表面，并且在后端暫時(shí)地解決相位差。
現(xiàn)有技術(shù)中存在的若干問(wèn)題中的一個(gè)問(wèn)題是在斐索型干涉儀的測(cè) 量部分中適當(dāng)編碼參考和測(cè)試光束的能力。在美國(guó)專利No.4，872,755 中，Kuchel等人通過(guò)對(duì)同時(shí)和暫時(shí)相位測(cè)量采用不同的方法以克服該缺 陷。通過(guò)在干涉儀的測(cè)量部分中引入光延遲裝置，并且巧妙地選擇光 的相干長(zhǎng)度、延遲路徑的長(zhǎng)度、和斐索腔中的間隙的長(zhǎng)度，兩個(gè)相干 的測(cè)試和參考光束以及兩個(gè)不相干的光束同時(shí)產(chǎn)生。該延遲裝置用于 改變用于暫時(shí)相位測(cè)量的相干光束之間的光路差。可選地，測(cè)試和參 考光束在該裝置的測(cè)量部分中產(chǎn)生之后可被偏振，并且被引入用于同
時(shí)相位測(cè)量的空間解析接受器。
因此，Kuchd等人的方法需要延遲路徑的長(zhǎng)度的微調(diào)，實(shí)施這種 微調(diào)是困難并且昂貴的。此外，兩個(gè)不相干光束的存在產(chǎn)生了可能影 響測(cè)量的明顯的背景光。因此，仍然需要基于沒(méi)有這些缺點(diǎn)的斐索干 涉儀的相位測(cè)量系統(tǒng)。
Millerd等人的美國(guó)專利No.6，304,330描述了一種后端系統(tǒng)，其中 由干涉儀產(chǎn)生的測(cè)試和參考波前在單個(gè)檢測(cè)器或者多個(gè)檢測(cè)器陣列上 同時(shí)被校準(zhǔn)、分為子波前、相位移動(dòng)、合并以產(chǎn)生干涉并且沿著共有 軸檢測(cè)。如果希望的話，光束也可以在單個(gè)檢測(cè)器陣列上被按順序檢 測(cè)。Milkrd的光學(xué)系統(tǒng)也需要編碼后的測(cè)試和參考光束。因此，結(jié)合 前端斐索結(jié)構(gòu)，需要克服由Kuchel等人提出的同樣的編碼問(wèn)題。本發(fā) 明描述了一種新的方法，通過(guò)該方法，具有傾斜參考鏡的斐索腔的輸 出與偏振元件相結(jié)合，以產(chǎn)生適于如美國(guó)專利No.6， 304, 330中描述 的系統(tǒng)中同時(shí)進(jìn)行空間相位測(cè)量的相干的測(cè)試和參考波前。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用了斐索干涉儀的參考和測(cè)試鏡之間的傾斜關(guān)系，以在 空間上分離來(lái)自兩個(gè)表面的反射。如同時(shí)相位測(cè)量所需的，分離的光 束通過(guò)向光束提供不同偏振狀態(tài)的空間偏振元件過(guò)濾。該光束隨后被 重新結(jié)合以形成大體共線的光束，該共線的光束利用空間相移干涉儀 處理，該空間相移干涉儀允許在單個(gè)視頻幀中進(jìn)行定量的相位測(cè)量。
可選地，具有正交偏振的兩個(gè)光束在不同的角度被射入斐索腔， 使得它們?cè)趶膮⒖己蜏y(cè)試鏡片反射后大體共線。不想要的反射在焦平 面上通過(guò)使用圓孔阻斷。如Kuchel等人所教導(dǎo)的，可以使用短相干長(zhǎng) 度的光和延遲線以減輕散射、減少測(cè)量積分次數(shù)并且進(jìn)行暫時(shí)相位平 均。
本發(fā)明的各種其他目的和優(yōu)點(diǎn)從下面的說(shuō)明書(shū)的描述部分以及從 所附權(quán)利要求中特別指出新穎特征將變得更清楚。因此，為實(shí)現(xiàn)如前 述的發(fā)明目的，本發(fā)明由后面的附圖中示出的、在優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì) 描述中充分地描述的且在權(quán)利要求中特別指出的特征組成。然而，這 種附圖和說(shuō)明公開(kāi)只是可實(shí)施本發(fā)明的多種方式中的一種。


圖1A是根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量裝置的示意圖，該測(cè)量裝置構(gòu)造成使用 測(cè)試和參考表面之間的傾斜角產(chǎn)生測(cè)試和參考光束之間的空間分離， 且包括偏振濾光鏡以產(chǎn)生正交地偏振的測(cè)試和參考光束。
圖1B是具有相鄰的正交地偏振的部分的偏振濾光鏡的示意圖。
圖ic是具有包含在另一個(gè)正交地偏振的部分的第一偏振部分的 偏振濾光鏡的示意圖。
圖1D是偏振濾光鏡的示意圖，其中雙孔罩被添加到圖1B中的偏
振濾光鏡，以阻止由測(cè)試和參考平面之間的多重反射引起的額外的光 束。
圖2是適于與本發(fā)明的光學(xué)裝置結(jié)合的常用的空間相移干涉儀模
塊的示意圖。
圖3是相移干涉儀模塊的示意圖，其中正交地偏振的參考和測(cè)試 光束由透鏡聚焦至分光鏡上，該分光鏡產(chǎn)生多個(gè)子像光束對(duì)，然后， 該子像光束對(duì)被校準(zhǔn)并且通過(guò)相位干涉片由透鏡成像到檢測(cè)器上。
圖4示出利用檢測(cè)測(cè)試波前的相位變化的空間頻率載波方法的空 間相移干涉儀。
圖5是圖1的具有影響輸入光的光延遲線的裝置的示意圖。 圖6A是本發(fā)明另一實(shí)施例的示意圖，該實(shí)施例構(gòu)造成使用操作輸 入光束的偏振分光鏡來(lái)產(chǎn)生測(cè)試和參考光束之間的空間分離，并且包 括適合于傳遞軸上光束并且阻斷指向相移干涉儀模塊的離軸光束的 孔。
圖6B是圖6A的偏振分光鏡的替代物的示意圖。
圖7是圖6A的具有影響輸入光的光延遲線的裝置的示意圖。
圖8是本發(fā)明的另一示例性實(shí)施例的示意圖，其中測(cè)試和參考光 束之間的空間分離是使用分光鏡/反射鏡的結(jié)合來(lái)提供的。
圖9是本發(fā)明的又一示例性實(shí)施例的示意圖，其中偏振分光鏡的 位置和阻止孔的位置被重新定位在成像系統(tǒng)中的其它共軛像平面。
圖IO是光學(xué)裝置的示意圖，其中圖5中的延遲線和偏振分光鏡與 圖3中的空間相移千涉儀相結(jié)合以表征在斐索干涉儀結(jié)構(gòu)中與參考表 面平行設(shè)置的測(cè)試表面。
具體實(shí)施例方式
大體上，本發(fā)明在于以下想法在空間上分離由斐索型干涉儀產(chǎn) 生的測(cè)試和參考光束，并且使每一光束穿過(guò)編碼濾光鏡。通過(guò)使得測(cè) 試和參考光束產(chǎn)生偏振的正交狀態(tài)，測(cè)試和參考光束可重新結(jié)合并且 在空間相移干涉儀中得到處理，以實(shí)現(xiàn)同時(shí)的相位測(cè)量。
為了本發(fā)明的目的，"傾斜角"是指相對(duì)于理想的平行條件在斐 索干涉儀中被測(cè)量得的測(cè)試和參考表面之間的夾角。因而，在本發(fā)明 中傾斜角用于為手邊的干涉測(cè)量任務(wù)提供適當(dāng)分辨率的條紋。
本發(fā)明的構(gòu)思以圖IA的干涉儀裝置IO作為例子。準(zhǔn)直光L的光 源12通過(guò)擴(kuò)展透鏡14得到擴(kuò)展，反射離開(kāi)分光鏡16，由準(zhǔn)直透鏡18 校準(zhǔn)，并射向斐索結(jié)構(gòu)的干涉儀20。由于輸入光L包括水平和豎直偏 振，因此半波片22可以用于改變?cè)诿恳黄駹顟B(tài)(豎直或水平)的光 的比率。如本領(lǐng)域所熟知的，干涉儀中的光從參考表面24和測(cè)試表面 26被反射以分別產(chǎn)生相應(yīng)的參考和測(cè)試光束R和T。干涉儀的參考和 測(cè)試表面相對(duì)彼此傾斜，從而產(chǎn)生在空間上分離的參考和測(cè)試光束 R,T，如圖中所示(其中測(cè)試表面26與射入的準(zhǔn)直光束垂直并且測(cè)試 表面24向射入的準(zhǔn)直光束傾斜)。作為該傾斜的結(jié)果，從測(cè)試表面26 反射的光T順著入射光的光路傳播，并且在穿過(guò)分光鏡16之后聚焦在 準(zhǔn)直透鏡18的焦平面中的點(diǎn)28處。從參考鏡片的后表面24反射的光 R由于該表面的傾斜而移位并且因此聚焦在準(zhǔn)直透鏡的焦平面的不同
點(diǎn)30。
根據(jù)本發(fā)明，空間偏振濾光鏡32被放置在準(zhǔn)直透鏡18的焦平面 上。如圖1B所示，偏振濾光鏡32包括具有不同偏振分量(優(yōu)選地互 相垂直)的兩個(gè)區(qū)域，該兩個(gè)區(qū)域定位成使得測(cè)試光束T和參考光束R 通過(guò)不同的區(qū)域傳遞。因此，由于與該偏振元件的相互作用，每一個(gè) 光束都發(fā)生了正交偏振。在圖1B中的實(shí)施例中，偏振濾光鏡32由互 相鄰接并具有相互垂直地定向的偏振軸線的第一線性偏振器區(qū)域34和 第二線性偏振器區(qū)域36組成。在另一實(shí)施例38中，如圖1C所示，第 二偏振器區(qū)域36完全被第一偏振器區(qū)域34包圍。該類裝置可以被制 造例如作為圖案化偏振器(可從德國(guó)Barleben的Codixx獲得)。如圖 1D所示的優(yōu)選實(shí)施例中，雙孔罩33與圖1B中的線性偏振器區(qū)域34， 36結(jié)合使用，以阻斷在參考和測(cè)試表面24， 26之間產(chǎn)生的多重反射。
為了使得干涉儀能夠在寬的受光角上工作，偏振器的厚度應(yīng)該優(yōu) 選地小于(NA"，其中，A是指光的波長(zhǎng)，NA是指準(zhǔn)直透鏡18的 數(shù)值孔徑。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將輕易地理解的，更大的厚度將需要 更大的傾斜，這傾向于通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)引入更多的像差，并且因此將需 要更大的校準(zhǔn)。公知的是，可以使用其他的等同的偏振裝置以取代圖 1B-1D中所示的濾光鏡，例如它們各自的軸線定向成相對(duì)彼此成90度 的兩個(gè)四分之一波片。其他的雙折射和偏振元件的結(jié)合同樣是可能的 并且在本領(lǐng)域是熟知的。
在干涉儀裝置10的后端，成像透鏡40用于將測(cè)試和參考光束T,R 之間的空間分離轉(zhuǎn)換為角分離。偏振分光鏡42用于重新結(jié)合該光束， 以產(chǎn)生大致共線且共同延伸的波前。該光束然后由空間相移干涉儀模 塊44處理。圖2示出偏振相移干涉儀44，其中入射波前在保持它們的 共有路徑的同時(shí)經(jīng)過(guò)四個(gè)相繼的處理步驟。發(fā)生在干涉儀的分離/成像 部分46的第一步利用折射、衍射和/或反射分光器產(chǎn)生測(cè)試和參考波前 的多個(gè)副本T' ，R'。第二步利用相移部分48在參考和測(cè)試波前的副
本之間產(chǎn)生不同的相對(duì)相位移動(dòng)。在干涉部分50內(nèi)進(jìn)行的下一步組合 參考和測(cè)試波前的相移后的副本以通過(guò)與合適的偏振元件相互作用而 產(chǎn)生干涉圖。最后，在最后一步中，具有多個(gè)光檢測(cè)器的檢測(cè)器部分
5 2用于空間采樣作為結(jié)果的干涉圖。
如在此以參考的方式并入的共同待決的美國(guó)專利申請(qǐng)
No.10/652,903中所描述的，適合用于本發(fā)明的空間相移干涉儀模塊44 可以以各種布置實(shí)施。例如，圖3示出一個(gè)實(shí)施例54，其中正交地偏 振的參考和測(cè)試光束由透鏡56聚焦至合適放置的分光鏡元件58上。 該分光鏡通過(guò)反射、折射或者衍射元件產(chǎn)生多個(gè)子像光束對(duì)(參考加 測(cè)試)，該多個(gè)子像光束對(duì)被校準(zhǔn)并由透鏡60通過(guò)相干涉片62成像 至檢測(cè)器64上。該片60的發(fā)生相位移動(dòng)并且適當(dāng)?shù)刂丿B被校準(zhǔn)的子 像光束，借此將相移的干涉圖66輸送至檢測(cè)器64上。該片62包括大 體上平坦的雙折射波片和布置在平行和/或相鄰的層中的偏振元件，如 現(xiàn)有技術(shù)中所知曉的。
干涉儀54的入口區(qū)域優(yōu)選地插入場(chǎng)闌68，該場(chǎng)闌與輸入光瞳像 平面及檢測(cè)器64的平面共軛。場(chǎng)闌68的目的是限制在檢測(cè)器上的子 像之間的重疊。該檢測(cè)器64典型地是允許相移的干涉圖的高分辨率數(shù) 字采樣的非常規(guī)陣列。該數(shù)字化的干涉圖然后由計(jì)算機(jī)以常規(guī)方式處 理，以利用用于相位測(cè)定的許多熟知的算法中的一種表征測(cè)試表面。
在圖4中所示的另一實(shí)施例70中，空間像移干涉儀使用檢測(cè)測(cè)試 波前中的相位變化的空間頻率載波的方法。參考和測(cè)試光束如前所述 那樣被校準(zhǔn)并且被導(dǎo)向在干涉儀70內(nèi)的偏振元件72(它可以是雙折射 晶體，例如Wollaston棱柱，或者任何其他折射或衍射部件)。該元件 72起到偏振分光鏡的作用，因此在相應(yīng)的波前之間引入角分離。該波 然后由偏振器74干涉并且在單個(gè)檢測(cè)器76上成像。相應(yīng)的干涉圖的 對(duì)比度可通過(guò)旋轉(zhuǎn)該偏振器74得到調(diào)整，以補(bǔ)償成像的參考和測(cè)試波 的隨意偏振。數(shù)字化的千涉圖由計(jì)算機(jī)進(jìn)一步處理以計(jì)算相位并且表
征測(cè)試表面。
圖5中示出本發(fā)明的另一實(shí)施例80，光延遲線84用于產(chǎn)生由光 路延遲AL分離的兩個(gè)光束，如Kuchel等人所教導(dǎo)的。輸入光束L由 分光鏡86引向兩個(gè)反射鏡88和90，優(yōu)選地沿著在長(zhǎng)度上相差A(yù)L的 互相垂直的光路。然后，兩個(gè)反射的光束由分光鏡重定向并且射入圖1 所示的斐索干涉儀，在這里它們都從參考表面24和測(cè)試表面26被反 射。在主透鏡18的焦平面，反射光束通過(guò)空間偏振濾光鏡32被傳遞， 該偏振濾光鏡按照選定的正交偏振傳遞測(cè)試光束T和參考光束R，如 前所述。然后，該測(cè)試和參考光束被檢測(cè)暫時(shí)相位移動(dòng)，或者如圖2-4 中所示被相位移動(dòng)和處理。
在圖5中的實(shí)施例80中使用短相干光源導(dǎo)致由鏡片而不是測(cè)試和 參考表面產(chǎn)生的反射抑制。調(diào)整延遲線84的長(zhǎng)度以產(chǎn)生與斐索腔20 中的相同的路徑延遲，使得參考光束R和測(cè)試光束T暫時(shí)相干并且在 空間相移干涉儀44中產(chǎn)生高對(duì)比度的干涉條紋。因此，來(lái)自成像鏡片 的虛假反射大大減少。此外，寬帶光源由于其短的相干長(zhǎng)度而使它能 夠選擇測(cè)試鏡片的不同表面用于獨(dú)立的測(cè)量，該不同表面例如測(cè)試板 的前和后表面。使用寬帶光所產(chǎn)生的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，通常用在斐索 干涉儀中用以產(chǎn)生空間不相干的光束的旋轉(zhuǎn)毛玻璃可以被移除，因此 在檢測(cè)器上產(chǎn)生較高的亮度級(jí)并且需要相應(yīng)地較短的積分時(shí)間?？梢?對(duì)隨機(jī)相位偏差獲得多次測(cè)量并且取平均，以便減少系統(tǒng)內(nèi)殘留的依 賴于相位的誤差，如同序列號(hào)為No.10/652，903的專利申請(qǐng)中所教導(dǎo)的。
干涉測(cè)量裝置80也提供優(yōu)于Kuchel等人所公開(kāi)的系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。 由于在本發(fā)明的濾光鏡32后，只有兩個(gè)光束保持干涉，這獲得較高對(duì) 比度的干涉圖案。也可以提供進(jìn)口波片92用于為參考和測(cè)試目標(biāo)的反 射率的所有結(jié)合調(diào)整圖案的對(duì)比度以接近一致。最后，延遲線可以與 壓電或者其他掃描元件94結(jié)合以在延遲線中系統(tǒng)地引入小的相位移
動(dòng)，使得多個(gè)相位圖可以取平均以減小最后的相位圖中的依賴于相位 的誤差，或者為使用大型斐索干涉儀的應(yīng)用而使用傳統(tǒng)的暫時(shí)相位移 動(dòng)，在該應(yīng)用中，參考鏡片的壓電移動(dòng)是不可能的。
應(yīng)該注意的是，由延遲線84產(chǎn)生的光束也可以被偏振以具有正交 的偏振，盡管該特征對(duì)于實(shí)施本發(fā)明來(lái)說(shuō)并不是必要的。為此目的，
分光鏡需要是偏振的分光鏡，并且諸如波片94和98的另外的偏振元 件需要引入到分別指向延遲線的反射鏡88和90的兩光束的光路中。 如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將容易地認(rèn)識(shí)到的，這種構(gòu)造允許輸入光束L中 的所有光向著斐索腔傳遞，借此提高能量效率并且進(jìn)一步減低積分時(shí) 間需求。
圖6A顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例100，偏振分光鏡102放置在輸 入通道中，以產(chǎn)生兩個(gè)輸入光束104和106，該兩個(gè)光束具有正交的偏 振并且在空間上相對(duì)彼此移位開(kāi)。該兩個(gè)光束射入具有傾斜的參考表 面24的斐索腔20。明智地選擇兩光束的分離使得第一光束104從參考 表面反射以形成在軸線上指向空間相移干涉儀44的光束108，而第二 光束106被反射以形成離開(kāi)軸線指向干涉儀的光束110。因此，孔112 可以用于阻斷第二光束106(光束110)的反射，并且傳遞第一光束116 (光束108)的反射。測(cè)試表面26相似地反射第一輸入光束104以形 成離開(kāi)軸線的由孔112阻斷的光束114，并且反射第二輸入光束106以 形成在軸線上的由孔112傳遞的光束116。光束108和116大體共線且 正交地偏振。因此，它們能夠隨后由空間相移干涉儀模塊44處理。該 實(shí)施例具有不需要在干涉儀成像部分引入偏振分光鏡的優(yōu)點(diǎn)。 一個(gè)缺
點(diǎn)是被孔元件阻斷的光束中損失光。
圖6B顯示了本發(fā)明的另一實(shí)施例，該實(shí)施例與圖6A中的實(shí)施例 密切相關(guān)。在裝置的輸入處的偏振分光鏡102使用衍射光柵118、擴(kuò)展 透鏡14以及偏振濾光鏡罩120構(gòu)造。這些元件的組合產(chǎn)生了正交地偏 振的輸入光束104和108，然后，這些輸入光束被引入圖6A的傾斜的
斐索腔中。
圖7顯示了與圖6A中示出的實(shí)施例密切相關(guān)的另一實(shí)施例130。 偏振的輸入光束104和106從短相干長(zhǎng)度光源82產(chǎn)生，該短相干長(zhǎng)度 光源與光延遲線84相結(jié)合使用。輸入光束L由偏振分光鏡86在延遲 線內(nèi)分為兩個(gè)光束，如上參考圖5中的實(shí)施例80所描述的。因此，兩 光束通過(guò)正交偏振被編碼，并且光束104在其光路中引入了另外的光 延遲AL。此外，分光鏡86也用于在指向斐索腔的光束104和106上 產(chǎn)生空間分離。在延遲線中從反射鏡88和90反射之后，兩光束由兩 光束之間的具有合適角度的分光鏡86引向斐索腔，以實(shí)現(xiàn)阻斷來(lái)自每 一光束的不想要的反射所需要的空間分離，如上面參考圖6A中的實(shí)施 例90所述的。擴(kuò)展透鏡14用于將光束耦合至斐索腔中。該實(shí)施例具 有前述兩個(gè)實(shí)施例80和90的所有優(yōu)點(diǎn)。主要的缺點(diǎn)在于光損失以及 裝置的額外復(fù)雜性。
圖8顯示了本發(fā)明的又一實(shí)施例140，其中正交偏振的輸入光束 104和106利用分離的光路產(chǎn)生。光源的光L由偏振分光鏡142分為兩 個(gè)正交地偏振的光束104、 106，然后，這些光束被引向斐索腔。反射 鏡144用于提供實(shí)施本發(fā)明所必要的空間分離。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員在這里所描述和所附權(quán)利要求中所限定的本發(fā) 明的原理和范疇內(nèi)，可以進(jìn)行已經(jīng)被描述了的細(xì)節(jié)、步驟和部件中的 各種其它改變。例如，圖1A中偏振空間濾光鏡32的位置可以通過(guò)使 用一系列傳送鏡片重新定位。 一系列傳送鏡片可以用于重新定位圖6A 的實(shí)施例的偏振分光鏡42和阻斷孔112的位置到成像系統(tǒng)中的其他共 軛像平面，如圖9中所示。相似地，如圖10中所示，圖5中的延遲線 和偏振分光鏡可以與圖3中的空間相移干涉儀相結(jié)合以表征在斐索干 涉儀構(gòu)造中布置成與參考表面相平行的測(cè)試表面。
因此，盡管在這里已經(jīng)以被認(rèn)為是最實(shí)用且最優(yōu)選的實(shí)施例示出
并描述了本發(fā)明，但公知的是，在本發(fā)明的范疇內(nèi)可以偏離這些細(xì)節(jié)， 本發(fā)明并不限于所公開(kāi)的細(xì)節(jié)，而是與權(quán)利要求的整個(gè)范圍相一致， 以致包括任何和所有等同的方法及產(chǎn)品。
權(quán)利要求
1.一種聯(lián)接到空間相移干涉儀模塊的光學(xué)裝置，用于表征在光學(xué)腔內(nèi)相對(duì)于參考表面以一傾斜角度設(shè)置的測(cè)試表面，其中輸入光束由所述測(cè)試和參考表面反射以產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試和參考光束，該光學(xué)裝置包括用于產(chǎn)生所述測(cè)試和參考光束之間的空間分離的裝置；用于以各自正交的偏振狀態(tài)偏振所述測(cè)試和參考光束的裝置；以及用于消除該測(cè)試和參考光束之間的所述空間分離并且用于在準(zhǔn)直光束中產(chǎn)生其組合的裝置。
2. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，用于產(chǎn)生所述測(cè)試和參 考光束之間的空間分離的所述裝置包括該測(cè)試和參考表面之間的所述 傾斜角；以及其中用于偏振所述測(cè)試和參考光束的所述裝置包括具有 產(chǎn)生正交偏振狀態(tài)的兩個(gè)偏振元件的偏振濾光鏡。
3、如權(quán)利要求2所述的光學(xué)裝置，其中，所述偏振元件中的一個(gè) 被所述兩個(gè)偏振元件中的另一個(gè)包圍。
4. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，還包括光延遲線，該光延遲線 對(duì)所述輸入光束起作用以產(chǎn)生以預(yù)定光路延遲暫時(shí)分開(kāi)的兩光束。
5. 如權(quán)利要求4所述的光學(xué)裝置，還包括用于改變所述光路延遲 的裝置。
6. 如權(quán)利要求2所述的光學(xué)裝置，還包括光延遲線，該光延遲線 對(duì)所述輸入光束起作用以產(chǎn)生以預(yù)定光路延遲暫時(shí)分開(kāi)的兩光束。
7. 如權(quán)利要求6所述的光學(xué)裝置，還包括用于改變所述光路延遲的裝置。
8. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，用于消除該測(cè)試和參考 光束之間的所述空間分離并且用于在準(zhǔn)直光束中產(chǎn)生其組合的所述裝 置包括成像裝置和偏振分光鏡，該成像裝置將所述空間分離轉(zhuǎn)化為角 分離，該偏振分光鏡將該測(cè)試和參考光束重新結(jié)合以產(chǎn)生所述準(zhǔn)直光 束。
9. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，用于產(chǎn)生該測(cè)試和參考光束之間的空間分離的所述裝置包裙分光鏡，該分光鏡對(duì)所述輸入光 束起作用并且產(chǎn)生兩個(gè)在空間上分離的光束，使得所述光束的每一個(gè) 在從所述測(cè)試和參考表面反射后產(chǎn)生沿著所述空間相移干涉儀模塊的 光軸指向的軸上光束和指向離開(kāi)其所述光軸的離軸光束。
10. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)裝置，其中，用于偏振該測(cè)試和參考 光束的所述裝置包括在所述分光鏡中的偏振元件。
11. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)裝置，還包括傳遞所述軸上光束且阻 斷所述離軸光束的孔。
12. 如權(quán)利要求9所述的光學(xué)裝置，還包括光延遲線，該光延遲線 對(duì)所述輸入光束起作用以產(chǎn)生其間具有預(yù)定光路延遲的所述兩個(gè)在空 間上分離的光束。
13. 如權(quán)利要求12所述的光學(xué)裝置，還包括用于改變所述光路延遲的裝置。
14. 如權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其中，用于產(chǎn)生該測(cè)試和參考 光束之間的空間分離的所述裝置包括分光鏡和反射鏡，該分光鏡和反 射鏡對(duì)所述輸入光束起作用并產(chǎn)生兩個(gè)在空間上分離的光束，使得所 述光束的每一個(gè)在從所述測(cè)試和參考表面反射后產(chǎn)生沿著所述空間相 移千涉儀模塊的光軸指向的軸上光束和指向離開(kāi)其所述光軸的離軸光束。
15. 如權(quán)利要求14所述的光學(xué)裝置，其中，用于偏振該測(cè)試和參 考光束的所述裝置包括在所述分光鏡中的偏振元件。
16. 如權(quán)利要求14所述的光學(xué)裝置，還包括傳遞所述軸上光束且 阻斷所述離軸光束的孔。
17. —種借助聯(lián)接到空間相移干涉儀模塊的光學(xué)裝置表征測(cè)試表面的方法，其中，所述測(cè)試表面相對(duì)于光學(xué)腔內(nèi)的參考表面以一傾斜 角度設(shè)置，且輸入光束由所述測(cè)試和參考表面反射以產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試和參考光束，該方法包括以下步驟產(chǎn)生所述測(cè)試和參考光束之間的空間分離；以各自正交的偏振狀態(tài)偏振該測(cè)試和參考光束；消除該測(cè)試和參考光束之間的所述空間分離并且在準(zhǔn)直光束中產(chǎn) 生其組合；以及在該空間相移干涉儀模塊中處理所述準(zhǔn)直光束以進(jìn)行相位測(cè)量。
18. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，產(chǎn)生該測(cè)試和參考光束之 間的空間分離的所述步驟是借助利用在該測(cè)試和參考表面之間的所述 傾斜角來(lái)進(jìn)行的；以及其中偏振該測(cè)試和參考光束的所述步驟是借助 偏振濾光鏡來(lái)進(jìn)行的，該偏振濾光鏡包括產(chǎn)生正交偏振狀態(tài)的兩個(gè)偏 振元件。
19. 如權(quán)利要求18所述的方法，其中，所述偏振元件中的一個(gè)被 所述兩個(gè)偏振元件中的另一個(gè)包圍。
20. 如權(quán)利要求17所述的方法，還包括提供光延遲線的步驟，該 光延遲線對(duì)所述輸入光束起作用以產(chǎn)生以預(yù)定光路延遲暫時(shí)分開(kāi)的兩 光束。
21. 如權(quán)利要求20所述的方法，還包括用于改變所述光路延遲的裝置。
22. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，消除該測(cè)試和參考光束之間的該空間分離并且在準(zhǔn)直光束中產(chǎn)生其組合的所述步驟包括利用成像裝置將所述空間分離轉(zhuǎn)化為角分離，以及利用偏振分光鏡將該測(cè) 試和參考光束重新結(jié)合以產(chǎn)生所述準(zhǔn)直光束。
23. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，產(chǎn)生該測(cè)試和參考光束之 間的空間分離的所述步驟借助分光鏡進(jìn)行，該分光鏡對(duì)所述輸入光束 起作用以產(chǎn)生兩個(gè)在空間上分離的光束，使得所述光束的每一個(gè)在從 所述測(cè)試和參考表面反射后產(chǎn)生沿著所述空間相移干涉儀模塊的光軸 指向的軸上光束和指向離開(kāi)其所述光軸離軸光束。
24. 如權(quán)利要求23所述的方法，其中，偏振該測(cè)試和參考光束的 所述是借助所述分光鏡中的偏振元件來(lái)進(jìn)行的。
25. 如權(quán)利要求23所述的方法，還包括提供傳遞所述軸上光束且 阻斷所述離軸光束的孔的步驟。
26. 如權(quán)利要求23所述的方法，還包括提供光延遲線的步驟，該 光延遲線對(duì)所述輸入光束起作用以產(chǎn)生其間具有預(yù)定光路延遲的所述 兩個(gè)在空間上分離的光束。
27. 如權(quán)利要求26所述的方法，還包括提供用于改變所述光路延 遲的裝置的步驟。
28. 如權(quán)利要求17所述的方法，其中，產(chǎn)生該測(cè)試和參考光束之間的空間分離的所述步驟是借助分光鏡和反射鏡來(lái)進(jìn)行的，該分光鏡 和反射鏡對(duì)所述輸入光束起作用并產(chǎn)生兩個(gè)在空間上分離的光束，使 得所述光束的每一個(gè)在從所述測(cè)試和參考表面反射后產(chǎn)生沿著所述空 間相移干涉儀模塊的光軸指向的軸上光束和指向離開(kāi)其所述光軸的離 軸光束。
29. 如權(quán)利要求28所述的方法，其中，偏振該測(cè)試和參考光束的 所述步驟是借助所述分光鏡中的偏振元件來(lái)進(jìn)行的。
30. 如權(quán)利要求28所述的方法，還包括提供傳遞所述軸上光束且 阻斷所述離軸光束的孔的步驟。
31. —種光學(xué)裝置，用于表征與光學(xué)腔中的參考表面相對(duì)的測(cè)試表 面，包括光延遲線，它對(duì)輸入光束起作用以產(chǎn)生以預(yù)定光路延遲暫時(shí)分開(kāi) 的兩光束；用于以各自正交的偏振狀態(tài)偏振所述兩光束的裝置；用于將所述兩光束投射向所述光學(xué)腔以產(chǎn)生具有正交偏振狀態(tài)的 測(cè)試光束和參考光束的裝置；用于產(chǎn)生該測(cè)試和參考光束的多個(gè)副本的裝置；用于在該參考和測(cè)試光束的所述副本之間產(chǎn)生不同的相對(duì)相位移 動(dòng)的裝置；用于將該參考和測(cè)試光束的所述副本結(jié)合以產(chǎn)生干涉圖的裝置；以及用于檢測(cè)和空間采樣所述干涉圖的裝置。
32. 如權(quán)利要求31所述的光學(xué)裝置，還包括用于改變所述光路延 遲的裝置。
33.如權(quán)利要求31所述的光學(xué)裝置，其中，所述輸入光束具有小 于所述光學(xué)腔的長(zhǎng)度的兩倍的相干長(zhǎng)度。
全文摘要
利用斐索干涉儀的參考和測(cè)試鏡(24，26)之間的傾斜關(guān)系以在空間上分離來(lái)自兩個(gè)表面的反射(R，T)。分離的光束(R，T)通過(guò)為該光束提供不同的偏振狀態(tài)的空間偏振元件(32)而得到過(guò)濾。該光束(R，T)隨后被重新結(jié)合以形成大體共線的光束，該共線光束利用允許在單個(gè)視頻幀中進(jìn)行定量的相位測(cè)量的空間相位干涉儀(44)得到處理?？蛇x地，具有正交偏振的兩個(gè)光束(104，106)在不同的角度射入斐索腔(20)，使得它們?cè)趶膮⒖己蜏y(cè)試鏡片(24，26)反射之后大體共線。不需要的反射通過(guò)使用圓孔(112)在焦平面上被阻斷。短相干長(zhǎng)度的光和延遲線(84)可以用于減輕散射、減少測(cè)量積分次數(shù)且進(jìn)行暫時(shí)相位平均。
文檔編號(hào)G01B9/02GK101111739SQ200580047333
公開(kāi)日2008年1月23日 申請(qǐng)日期2005年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月27日
發(fā)明者詹姆士·C·懷恩特, 詹姆士·E·彌爾勒德 申請(qǐng)人:4D技術(shù)公司