專利名稱：用于用干涉測量法測量物體的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1的前序部分所述的用于用干涉測量法測量物體的裝置，以及一種根據(jù)權(quán)利要求12的前序部分所述的用于用干涉測量法測量物體的方法。
背景技術(shù)：
用干涉測量法測量物體的裝置和方法以不同的設(shè)計(jì)已知:比如作為激光多普勒測振儀的常見構(gòu)造，它包括:激光器，作為用于產(chǎn)生輸出射線的輻射源；分光器裝置，用于將輸出射線分成測量射線和參考射線；以及光學(xué)疊加裝置和第一檢測器。測量射線被引導(dǎo)到物體上的測量點(diǎn)上并且至少部分地反射的測量射線與參考射線一起在檢測器的檢測器表面上疊加，從而通過分析評估干涉信號例如可以得出關(guān)于物體表面在測量點(diǎn)處沿測量射線的光軸的方向的運(yùn)動(dòng)的結(jié)論。此外還已知這樣的裝置，它們具有外差式的構(gòu)造，使得通過測量光中的相位解調(diào)得出被測量的表面的偏轉(zhuǎn)方向的結(jié)論。為了獲得二維或三維的振動(dòng)信息，已知這樣引導(dǎo)來自三臺激光多普勒測振儀的測量射線，使得測量射線分別相互傾斜地到達(dá)例如物體上的一個(gè)測量點(diǎn)上。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，實(shí)現(xiàn)一種用于用干涉測量法測量物體的裝置以及一種用于用干涉測量法測量物體的方法，使得相對于在先已知的單光束激光多普勒測振儀可以獲得附加的信息。同時(shí)應(yīng)實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)和高的測量精度。所述目的通過根據(jù)權(quán)利要求1的用于用干涉測量法測量物體的裝置以及根據(jù)權(quán)利要求12的用于用干涉測量法測量物體的方法來實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的裝置的優(yōu)選設(shè)計(jì)方案在權(quán)利要求2至11中給出；根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案在權(quán)利要求13至15中給出。因此所有權(quán)利要求中的措詞均通過明確的引用而包含在說明書中。依照本發(fā)明的用于用干涉測量法測量物體的裝置包括:用于產(chǎn)生輸出射線的輻射源，用于將輸出射線分成測量射線和第一參考射線的分光器裝置，以及光學(xué)疊加裝置和第一檢測器。所述光學(xué)疊加裝置和所述第一檢測器構(gòu)造成以如下方式相互協(xié)作，使得所述至少部分地由物體反射的測量射線和所述第一參考射線在第一檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加。在這種基本構(gòu)造方面，根據(jù)本發(fā)明的裝置對應(yīng)于在先已知的干涉測量儀，特別是常見的由現(xiàn)有技術(shù)已知的激光多普勒測振儀具有這樣的結(jié)構(gòu)。重要的是，在依照本發(fā)明的裝置中，分光器裝置構(gòu)造成用于將輸出射線分成測量射線、第一參考射線以及至少一個(gè)第二參考射線。此外，依照本發(fā)明的裝置還具有至少一個(gè)第二檢測器，光學(xué)疊加裝置和第二檢測器構(gòu)造成這樣相互協(xié)作，使得所述至少部分地由物體散射的測量射線和所述第二參考射線在第二檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加。
依照本發(fā)明的裝置因此包括至少兩個(gè)第二檢測器，用于干涉測量地分析評估的射線分別在所述第二檢測器上疊加。與在先已知的裝置不同，依照本發(fā)明的裝置只具有一個(gè)測量射線，一方面在所述至少部分地由物體反射的測量射線方面通過第一檢測器來進(jìn)行分析評估，另一方面，在至少部分地由物體散射的測量射線方面通過第二檢測器來進(jìn)行分析評估。依照本發(fā)明的裝置因此具有原理上不同的構(gòu)造，因?yàn)樵谙纫阎难b置對于每個(gè)檢測器分別具有一個(gè)測量射線。本發(fā)明特別是基于申請人的以下認(rèn)知:在在先已知的裝置中組合多個(gè)激光多普勒測振儀，由此例如在使用三個(gè)測振儀時(shí)有三各測量射線到達(dá)物體上，在這種裝置中，測量射線的焦點(diǎn)應(yīng)以最佳方式精確地重疊，因?yàn)榉駝t在物體繞測量點(diǎn)中心旋轉(zhuǎn)時(shí)會產(chǎn)生測量誤差。當(dāng)測量射線在物體上的疊加時(shí)，也就是說，在多臺測振儀測量點(diǎn)精確的一致時(shí)，也由每個(gè)單個(gè)傳感器接收另兩個(gè)測振儀的測量光線，因?yàn)椴粌H從觀察通道的測量光線中收集散射光線，也從另外通道中收集測量光線，并使其在檢測器上產(chǎn)生干涉(光學(xué)串?dāng)_)。因?yàn)橥ǔＫ褂眉す獾念l率在一個(gè)由調(diào)制帶寬和外差式的頻率偏移的和限定的頻率區(qū)間內(nèi)重合，會出現(xiàn)明顯的干擾效應(yīng)，所述干擾效應(yīng)會導(dǎo)致傳感器測量能力的完全失敗。如果通過使測量點(diǎn)在位置上略微并排設(shè)置來繞過這個(gè)問題，則可以減小前文所述的干擾效應(yīng)，然而還是不能完全避免。使用具有各自測量射線的多個(gè)測振儀的在先已知的方法原理上具有這樣的問題，即由于其他測振儀的測量射線的測量光線耦入而出現(xiàn)檢測器的光學(xué)串?dāng)_。因此在現(xiàn)有技術(shù)中大多存在必須將多個(gè)所`使用的測振儀的測量點(diǎn)在位置上彼此并排設(shè)置的必要性，以至少降低光學(xué)串?dāng)_。然而由此在測量點(diǎn)的直徑方面存在限制，因此通常測量點(diǎn)的直徑不能超過。但希望的是，實(shí)現(xiàn)對于小于35 μ m、特別是小于15 μ m、更為優(yōu)選小于5 μ m的測量點(diǎn)直徑實(shí)現(xiàn)多維的振動(dòng)信息。在根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中，利用每個(gè)測振儀通道進(jìn)行共軸測量。因?yàn)樵跍y量射線傾斜的入射時(shí)，散射光束功率的主要部分是射線的反射部分。相對于散射光束的軸線的檢測角因此為入射角的兩倍。因?yàn)閷τ谛〉慕裹c(diǎn)直徑需要高數(shù)值的孔徑(NA)，每個(gè)單個(gè)射線的希望的測量點(diǎn)的尺寸決定了所述測量射線的張角。這種關(guān)系在均勻照射時(shí)通過以下關(guān)系式給出顯微鏡物鏡的孔徑(射出光瞳):J = 1.22(公式 O)
NA給出，其中，d是焦點(diǎn)直徑，單位m，λ是所述測量射線的波長，單位m，NA是物鏡的數(shù)值孔徑。因?yàn)閺埥遣荒芟嘟?，因此?dǎo)致在射線間產(chǎn)生最小可能的角度。使用者的研究顯示，在現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中，當(dāng)設(shè)置垂直入射的測振儀射線時(shí)，傾斜入射的測振儀射線的敏感性對于大多數(shù)表面是不夠的，原因是此時(shí)傾斜入射的測振儀射線的入射角必然過大。因此對于兩個(gè)測振儀的情況必須實(shí)現(xiàn)小的傾斜角，由此一個(gè)測振儀的入射角才不會過大。因此通常不能在使用多個(gè)測振儀時(shí)使測量射線之一垂直地對準(zhǔn)樣品的表面。但當(dāng)一個(gè)通道直接測量Z方向上的運(yùn)動(dòng)時(shí)(測量頭垂直于測量表面的設(shè)定位置的定向)在測量技術(shù)上這是希望的，然而由于所述的散射光問題在由現(xiàn)有技術(shù)已知的裝置中這是不能實(shí)現(xiàn)的，或者，過少的光線在傾斜測量的檢測器中進(jìn)行信號評估時(shí)會導(dǎo)致過高的噪聲水平。在由現(xiàn)有技術(shù)已知的典型構(gòu)造中，對于每個(gè)測量射線使用自己的物鏡，由此不存用于另一個(gè)用于相機(jī)的物鏡的空間，所述相機(jī)用于拍攝空間解析的測量圖像。因此通常在由現(xiàn)有技術(shù)已知的裝置中借助于二色性分光器通過所使用的測振儀的一個(gè)物鏡對相機(jī)進(jìn)行饋入，以便為了調(diào)節(jié)目的而向使用者顯示測量點(diǎn)。因?yàn)橛捎谇懊嫠龅脑蛟谠谙纫阎难b置中物鏡相對于物體表面上具有傾斜的入射角，此外相機(jī)的圖像失真并且特別是不能均勻地銳化(對于不同的局部位置)。由此在使用使物體移動(dòng)的χ-y平臺的情況特別難以進(jìn)行掃描測量。根據(jù)本發(fā)明的裝置以及下面根據(jù)本發(fā)明的方法避免了上述所有的缺陷。因?yàn)閮H有一個(gè)測量射線從所述裝置出發(fā)對準(zhǔn)物體的待檢測面，并且一方面所述測量射線被反射的一部分以及另一方面所述測量射線被散射的至少一部分分別利用一個(gè)檢測器進(jìn)行分析評估，由此可以獲得在多個(gè)維度上的振動(dòng)信息，而不需要將多個(gè)測量射線對準(zhǔn)物體，如在先已知的裝置中那樣。由此由于光學(xué)串?dāng)_和在信號評估中相應(yīng)困難所產(chǎn)生的前述問題、在所使用的物體方面在物體上聚焦的位置問題以及在測量射線在物體上可能的入射角方面的限制均得到了克服。所述任務(wù)通過依照本發(fā)明的用于用干涉測量法測量物體的方法同樣也得到了解決，所述方法包括下列方法步驟:在方法步驟A中，通過光源產(chǎn)生輸出射線，在方法步驟B中，通過分光器裝置實(shí)現(xiàn)將輸出射線分離成測量射線和第一參考射線。在方法步驟C中實(shí)現(xiàn)第一參考射線與在權(quán)利要求12中所述的和至少部分的由物體反射的測量射線在第一檢測器的至少一個(gè)檢測面上的疊加。重要的是，在方法步驟B中，所述輸出射線附加地分出至少一個(gè)第二參考射線，所述第二參考射線以至少部分由物體與用于在第一檢測器上疊加的反射的測量射線相比以在不同的角度范圍內(nèi)在物體上散射的測量射線在第二檢測器的至少一個(gè)檢測面進(jìn)行疊加。所述在其他角度范圍內(nèi)散射的光在所述另一個(gè)檢測面上與第二參考光線相疊加，所述光在下面稱為接收光線，所屬的光學(xué)射線路徑稱為接收射線。依照本發(fā)明的方法具有依照本發(fā)明的裝置的上述優(yōu)點(diǎn)。依照本發(fā)明的裝置優(yōu)選構(gòu)造成用于實(shí)施依照本發(fā)明的方法或該方法優(yōu)選的實(shí)施例。構(gòu)建依照本發(fā)明的方法設(shè)計(jì)成優(yōu)選借助于依照本發(fā)明的裝置或其優(yōu)選實(shí)施形式來實(shí)施。優(yōu)選借助于第一檢測器主要測量測量射線從物體上反射出的部分，也就是說，與測量射線的光軸通軸的反射的光射線或光射束。相反的，優(yōu)選借助于第二檢測器測量測量射線(接收射線)的散射的部分，也就是說，優(yōu)選測量測量射線的相對于測量射線的光軸傾斜、即不平行的部分或相應(yīng)的射線束。本發(fā)明還基于申請人的這樣的認(rèn)知，即，散射的光在傾斜的角度上例如由物鏡會聚并投射到第二檢測器上，當(dāng)物體的表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，多普勒頻率發(fā)生偏移。但這里沒有不加改變地采用在已知的裝置中使用的用于分析評估檢測器的測量信號的方法。相反可以使用由所述文獻(xiàn)已知的、但目前為止還沒有在依照本發(fā)明的裝置中或者依照本發(fā)明的方法中使用的公式，以便依照公式I描述相位和/或頻率偏移:
權(quán)利要求
1.一種用于用干涉測量法測量物體的裝置，包括:用于產(chǎn)生輸出射線的輻射源，將輸出射線分成測量射線和第一參考射線的分光器裝置，光學(xué)疊加裝置和第一檢測器，其中，光學(xué)疊加裝置和第一檢測器構(gòu)造成這樣相互協(xié)作，使得由物體至少部分地反散的測量射線和第一參考射線在第一檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加，其特征在于， 分光器裝置構(gòu)造成用于將輸出射線分成測量射線、第一參考射線和至少一個(gè)第二參考射線， 所述裝置具有至少一個(gè)第二檢測器，光學(xué)疊加裝置和第二檢測器構(gòu)造成這樣相互協(xié)作，使得由物體至少部分地散射的測量射線作為第一接收射線和第二參考射線在第二檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括第一物鏡，所述第一物鏡在物體和第一檢測器之間設(shè)置在所述測量射線和所述第一參考射線的光程中，所述第一物鏡的數(shù)值孔徑大于0.1,優(yōu)選大于0.15,最好大于或等于0.2。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，所述第一物鏡還在物體和第二檢測器之間設(shè)置在第二參考射線的光程中。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，所述裝置包括第二物鏡，所述第二物鏡在物體和第二檢測器之間設(shè)置在所述第二參考射線的光程中，所述第二物鏡的數(shù)值孔徑小于0.15，最好小于0.1。
5.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述裝置構(gòu)造成用于借助于第一檢測器進(jìn)行外差法測量，其方式是，在測量射線和第一參考射線之間設(shè)置用于頻率偏移的頻率偏移裝置，優(yōu)選在測量射線和所有參考射線之間設(shè)置用于頻率偏移的頻率偏移裝置。
6.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述裝置在測量射線和第一參考射線的光程方面構(gòu)造成共焦顯微鏡。
7.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述分光器裝置構(gòu)造成用于將輸出射線分成測量射線、第一參考射線、第二參考射線和至少一個(gè)第三參考射線，所述裝置具有至少一個(gè)第三檢測器，光學(xué)疊加裝置和第三檢測器構(gòu)造成這樣相互協(xié)作，使得由物體至少部分地散射的測量射線作為第二接收射線和第三參考射線在第三檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加，所述裝置優(yōu)選構(gòu)造成，使得由測量射線和第二參考射線限定的第一平面與由測量射線和第三參考射線構(gòu)成的第二平面圍成大于45°、優(yōu)選大于85°的角度。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，在測量射線和至少一個(gè)接收射線之間的、優(yōu)選在測量射線和所有接收射線之間的角度分別小于30°。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述輻射源構(gòu)造成縱向單模激光器，優(yōu)先附加地構(gòu)造成橫向單模激光器，特別是構(gòu)造成M2因子小于1.5的激光器。
10.根據(jù)上述權(quán)利要求之一所述的裝置，其特征在于，所述輻射源構(gòu)造成波長在可見光范圍的激光器。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其特征在于，所述輻射源構(gòu)造成具有532nm波長的DPSS激光器。
12.一種用于用干涉測量法測量物體的方法，包括如下方法步驟: A借助于光源產(chǎn)生輸出射線； B借助于分光器裝置將輸出射線分成測量射線和第一參考射線；C使第一參考射線和由物體至少部分地反射的測量射線在第一檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加； 其特征在于， 在方法步驟B中，輸出射線額外地分成在至少一個(gè)第二參考射線，第二參考射線與由物體至少部分地散射的測量射線在第二檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述第一檢測器和第二檢測器的測量信號分別被相位調(diào)制，用以對物體表面的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行多維的分析評估。
14.根據(jù)權(quán)利要求12至13之一所述的方法，其特征在于，所述第一檢測器的測量信號被相位調(diào)制，以便分析評估物體測量表面的偏轉(zhuǎn)，所述第二檢測器的測量信號被振幅調(diào)制，以便分析評估散射的測量射線的強(qiáng)度。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于，確定物體的表面形貌，包含下列方法步 驟: -使物體相對測量射線運(yùn)動(dòng)，優(yōu)選基本上垂直于測量射線的光軸運(yùn)動(dòng)； -借助于第一檢測器測量偏轉(zhuǎn)，借助于第二檢測器測量散射光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于用干涉測量法測量物體的裝置，包括產(chǎn)生輸出射線的輻射源、將輸出射線分成測量射線和參考射線的分光器裝置、以及光學(xué)疊加裝置和第一檢測器，光學(xué)疊加裝置和第一檢測器構(gòu)造成這樣相互協(xié)作，使得由物體至少部分地反散的測量射線和第一參考射線在第一檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加。分光器裝置構(gòu)造成用于將輸出射線分成測量射線、第一參考射線和至少一個(gè)第二參考射線，所述裝置具有至少一個(gè)第二檢測器，光學(xué)疊加裝置和第二檢測器構(gòu)造成這樣相互協(xié)作，使得由物體至少部分地散射的測量射線作為第一接收射線和第二參考射線在第二檢測器的至少一個(gè)檢測面上疊加。此外本發(fā)明還涉及一種用于用干涉測量法測量物體的方法。
文檔編號G01B9/02GK103090786SQ20121043421
公開日2013年5月8日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月2日
發(fā)明者馬西亞斯·許斯勒, 克里斯蒂安·倫貝, 亞歷山大·德雷本施泰特, 羅伯特·科瓦爾施, 萬賈·奧赫斯 申請人:綜合工藝有限公司