CN116507877A - 单帧斜波干涉仪 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于测量光学平滑测试对象(122)的表面(108)或光学厚度的干涉仪(10)，其中干涉仪(10)被配置成利用彼此具有不同波长的多个物体波(14.1，14.2，14.3)同时照射光学平滑测试对象，并且将由照射的测试对象变形的物体波(14.1，14.2，14.3)在图像捕获装置(K)上叠加到相干参考波上，以及将叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

Description

单帧斜波干涉仪

技术领域

本发明涉及一种用于面测量光学平滑测试对象的表面或光学厚度的干涉仪和方法。干涉仪可用于测量光学表面，并且是精确和快速的测量装置。

背景技术

干涉仪利用光的波特性。当已知的参考波叠加在与其相干并且通常由于测试对象的表面而变形的物体波上时，出现具有消光的区域和具有光放大的区域。所得到的强度图像和干涉图包含关于测试对象与期望形状的偏差的信息，并且可以被评估。

具有权利要求1前序部分的特征的干涉仪以及根据权利要求10的前序部分的方法认为是已知的。

已知的干涉仪在一个实施例中例如在[Garbusi,Eugenio；Pruss,Christof；Osten,Wolfgang:“Interferometer for precise and flexible asphere testing”，《光学快报》，33,2973-5(2009),10.1364/OL.33.002973]中用于光学平滑部件的表面或光学厚度的面测量，其中干涉仪被配置为利用多个照明构造来照射光学平滑的测试对象，并且在至少一个图像捕获装置(K)上将物体波叠加到与物体波相干的参考波上，以便产生干涉图，其中该物体波通过在被测量的表面处自测试对象的反射或通过穿过测试对象的透射而被改变。

结果，每个照明构造是同时照射测试对象的物体波的总体。每个物体波优选从发光点光源发出。因此，照明构造也可以理解为发射所述物体波的发光点光源的总体。光学平滑表面应理解为是指反射表面。

在光学设计领域中越来越多地使用非球面或自由曲面允许光学系统具有更高的成像质量和更紧凑的尺寸，但同时需要用于生产过程的测量技术，所述测量技术可伴随生产。具有前述精度要求的光学器件的生产只有在生产机器获得来自测量技术的反馈的情况下才有可能，使得随后的校正步骤可以以目标方式发生。在最终质量控制领域中，例如在复制光学器件的情况下，表面测量必须确认光学器件的质量，并且必须尽快检测制造过程中的偏差。对于这种反馈，快速、灵活并且仍然高度精确的测量技术是必要的。

先前的解决方案可以被分为扫描系统和面测量系统。扫描系统逐点地(例如，触觉或光学坐标测量机)或在随后通过计算组合的单独的小面积区域中(例如，Zygo Verifire非球面扫描干涉仪，QED SSiA拼接干涉仪)测量测试对象。

由于固有的顺序方法，需要稳定的测量环境，并且测量过程持续数分钟至数小时。因此，与生产的整合变得更加困难；大量100％的测试率(例如，精密光学器件的注射成型)是不可能的。

所谓的零透镜对于快速测量技术应用具有很高的潜力。这些是为每种新类型的非球面或自由曲面重新计算和制造的透镜，其将干涉仪的波阵面适配于特定的测试对象。然而，潜在的速度优势被零透镜的高成本和长交货期所买断。

一种可用于快速测量非球面和自由曲面透镜并具有低测量不确定性的柔性干涉测量技术是Institut für Technische Optik发明的倾斜波干涉仪(TWI)。

TWI通过特殊照明和仪器的系统误差的全面检测和计算消除，在小于一分钟的时间内实现测试对象的测量，而不必使用复杂的零透镜。

光学部件的尺寸精度的测量需要在所使用的波长A的几分之一的范围内的分辨率(例如，A/100，其中A例如在可见光范围中为400nm至800nm)。因此，这意味着在单位数纳米范围内的分辨率。由于使用以面方式测量表面的干涉仪，这对于涉及球形或平面表面的应用可以被认为是解决的问题。

然而，与球面和平面表面的测量相反，非球面的干涉测量代表了在光学测量技术领域中的问题，在许多领域中仍然不能令人满意地解决该问题。这些问题的根源在于，对非球面的零点测试总是需要生产特殊的折射或衍射透镜作为适合于非球面的零透镜。

已经可以生产用于非球面的标准化折射和衍射零透镜；衍射结构用于以产生适合于测试对象的波的方式来成形干涉仪透镜的球形物体波。由于非球面是以各种各样的形式产生的，所以产生自适应零透镜需要花费大量的时间和成本支出。

现有技术的解决方案都不能仅在一次照相机曝光中测量非球面或自由曲面。必须捕获许多连续的单个测量，这使得已知方法易受环境影响。只有零透镜的测量才有可能在单个相机曝光周期中进行测量；然而，由于单个零透镜，这种方法对于许多应用来说过于复杂和昂贵。

已知的是，由于两个波阵面的叠加而产生的干涉图可以通过不同的方法来评估，即，两个波阵面之间的相位差(以下简称为相位)可以根据可以用照相机记录的强度分布来确定。在干涉测量中，该相位携带关于测试对象的信息，这就是为什么它的确定对于任何干涉测量技术都是必要的。用于确定相位的已知方法包括非常普遍的相移方法，其中必须捕获多个相机图像。然而，还已知仅可从一个相机图像确定相位的方法。

根据WO2005052502A2的摘要，已知一种测量正交偏振参考和测试波阵面之间的空间分辨相位差的相位差传感器。该传感器被构造为与像素化检测器阵列对准，并在其上成像的像素化相位掩模。相位掩模的每个相邻像素测量圆形正交偏振参考光束和测试光束之间的预定相对相移。这样，通过组合具有相同相移的像素，可以同时合成多个相移干涉图。应当能够组合多相移干涉图，以便计算参考波阵面和测试波阵面之间的相位差。可以将产生正交偏振的参考光束和物体光束的干涉仪的任何构造与相位差传感器组合，以便提供用于同时相移的单触发测量。

可以仅从一个相机图像确定相位的另一种方法是所谓的载波频率方法，其中可以根据边带调制原理获得相位，参见例如Mitsuo Takeda,Hideki Ina,以及SeijiKobayashi，“Fourier-transform method of fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry”，J.Opt.Soc.Am.72,156-160(1982)。

最新的最快灵活的方法，即TWI，通常需要在不同照明分布中的四个相位测量，每个相位测量需要5个相机捕获。

出版物(X.Tian等人的《Snapshot multi-wavelength interferencemicroscope》，Opt.Express 26,18279–18291(2018),DOI:10.1364/OE.26.018279)公开了一种用于表面的面测量的单图像多波长干涉仪，其中用从相同方向入射的不同色彩的光照射表面，并且其中由表面发射的光被分解为波长指示的部分干涉图。Tian等人因此实现了如下一种方法，在每个像素中同时获得关于多波干涉测量所需的所有三个波长的相位的信息。

发明内容

针对该背景，本发明的目的是提供一种开头所述类型的方法和测量装置，利用该方法和测量装置可以在没有零透镜的情况下以减少时间花费的方式精确地测量光学表面。

该目的通过具有权利要求1的特征的干涉仪和具有权利要求10的特征的方法来实现。

根据本发明的干涉仪的特征在于每个照明构造都通过单独的色彩通道和/或通过具有连续波长范围的波长的物体波来实现，该连续波长范围具有特定于该波长范围的中心波长，其中照明构造中的第一照明构造仅具有波长范围具有第一中心波长的物体波，并且其中照明构造中的第二照明构造仅具有波长范围具有第二中心波长的物体波，其中，照明构造中的第三照明构造仅具有波长范围具有第三中心波长的物体波，第一中心波长不同于第二中心波长，第三中心波长不同于第一中心波长和第二中心波长，并且其中干涉仪被配置为利用第一照明构造的物体波、第二照明构造的物体波和第三照明构造的物体波从离散地不同(即，非平行)方向同时照射测试对象，并且在与测试对象相互作用之后，将从所述测试对象返回的物体波在图像捕获装置上进行叠加，并且其中图像捕获装置被配置为将叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

通过本发明，通过使用光谱信息在时间上并行地进行从一个照明构造到先前所使用的下一个照明构造的按时间顺序的顺序切换。

每个照明构造由单独的色彩通道和/或单独的中心波长实现。这意味着该结构不仅被光源照射，而且被例如三个或四个不同波长的激光光源照射。本发明允许在非常短的时间内以低测量不确定性测量诸如非球面和自由曲面的精密光学器件。因此可以将光学器件生产所需的测量过程集成到生产中，这可以通过节省测试后勤和测量时间而大大提高生产率。通过在一次曝光中检测整个测试对象形貌，不稳定环境条件的影响被减小到最小。使诸如移动测试对象的测量的新测量方法成为可能。单帧TWI测量技术能够实现可变测试对象的干涉测量，例如连续生产中的移动测试对象。形状可变的测试对象，例如角膜、振动表面，或天文镜的动态行为也可以利用根据本发明的单帧TWI测量技术以高测量精度的方式来测量。

仅在一次曝光中灵活地测量高度非球面和自由曲面而不使用特殊的零透镜的能力是新颖的。本发明使得采用并行的、波长分离的照射方案替换TWI所需的照射构造中的顺序改变成为可能，这同时实现了基于单独图像的相位评估方法。

还优选的是，照明构造中的第四照明构造仅具有波长范围具有第四中心波长的物体波，其中第四中心波长不同于第一中心波长、第二中心波长和第三中心波长，并且其中，干涉仪被配置为利用第一照明构造的物体波、第二照明构造的物体波、第三照明构造的物体波以及第四照明构造的物体波从离散的不同方向同时照射测试对象，并且在与测试对象相互作用之后，将从所述测试对象返回的物体波在图像捕获装置上进行叠加，并且其中，图像捕获装置被配置为将由叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

另一优选实施例的特征在于，干涉仪被配置为利用第一照明构造和第二照明构造同时照射光学平滑部件，或者利用第一照明构造、第二照明构造以及第三照明构造同时照射光学平滑部件，或者利用第四照明构造同时照射光学平滑部件。每个照明构造都可以具有物体波或物体波组，其中该物体波组也可以具有多达几百个物体波。

优选地提供的是，物体波在最接近的相邻方向上传播，即，所述物体波例如从彼此相邻布置的两个点光源发出，并且不包含来自相同波长范围的波长。原则上，点光源是虚拟点光源的构造也是可以想到的。

进一步优选地，干涉仪被配置为使用合适的滤色器分离干涉图，使得照相机检测器的每个像素基本上仅检测仅一个波长范围的干涉图信息。

优选地提供的是，物体波源自点光源。

一个进一步优选的实施例的特征在于，点光源被布置为使得每个光源都被布置在假想正六边形的中心，其中，六边形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且所述点光源被布置为使得在中心设有具有中心波长的光的光源或发射波长范围中的具有中心波长的一个波长范围的波长的光的光源仅与中心处设有具有不同波长的光或具有波长范围中的另一个波长范围的波长的光的六边形相邻。

还优选的是，点光源被布置成使得每个光源被布置在假想规则正方形的中心，其中正方形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且其中，在中心设有发射具有中心波长的光的光源或发射具有波长范围中的一个波长范围的波长的光的光源的正方形仅与中心设有具有另一波长的光或另一波长范围的光的正方形相邻。

此外，优选的是，除了滤色器之外，图像捕获装置(K)在其各个像素上还具有依像素而取向不同偏振滤光器。

另一优选实施例的特征在于，用于每个中心波长和/或用于每个波长范围和/或用于每个色彩通道的多个点光源是相干激光源、开普勒望远镜和由透明基板(例如玻璃基板)组成的点光源阵列的额，其中，设有微透镜，所述微透镜的光入射侧面向望远镜，并且所述微透镜的焦点位于基板的光出射侧的平面中，孔径阵列位于所述平面中，从所述微透镜发射所述波长范围中的一个波长范围的物体波。微透镜可以例如被设计为折射的，也就是说具有连续表面，或者被设计为衍射的，也就是说作为菲涅耳波带片，或者作为这些实施例的混合设计。

还优选的是，用于每个中心波长和/或用于每个波长范围的多个点光源具有通过一个或多个光耦合器耦合到激光源的光纤端部的结构，所述激光源发射具有中心波长的光。

在说明书和附图中可以发现其它优点。

应当理解，在不北里本发明的范围的情况下，上述特征和下面仍将解释的那些特征不仅可以以分别指定的组合使用，而且可以以其它组合或单独使用。

附图说明

本发明的实施例在附图中示出并且在以下描述中更详细地解释。附图以示意性的形式示出了以下：

图1示出了已知干涉仪的实施例的示例；

图2示出了点光源阵列的光出射侧，其中点光源排列成行和列；

图3示出了到达光学平滑表面的相对于彼此倾斜的三个物体波阵面；

图4a示出了每一行和每一列利用四个点光源捕获的干涉图的轮廓，其中所有点光源同时接通；

图4b示出了利用同一干涉仪捕获的四个干涉图块的图案，导致按时间顺序的捕获；

图5是具有点光源的第一排列的彩色马赛克点光源阵列的平面图；

图6示出了彩色马赛克点光源阵列的侧视图；

图7是基于光纤的替代点光源阵列的侧视图；

图8是具有点光源的第二排列的彩色马赛克点光源阵列的平面图；

图9示出了泰曼格林倾斜波干涉仪；

图10示出了斐索倾斜波干涉仪；

图11示出了马赫－曾德干涉仪；以及

图12示出了作为根据本发明的方法的实施例的示例的流程图。

具体实施方式

图1详细示出了利用倾斜波阵面操作的干涉仪。仅具有一个中心波长(定义为具有最大强度的窄波长范围的波长)的相干激光源L的光被偏振第一分束器ST1分成测试光束路径和参考光束路径。测试光束路径中的光被由第一显微镜物镜M1和准直透镜L1组成的开普勒望远镜扩束，并且照射点光源阵列PLQA。PLQA由石英玻璃基板组成，其中衍射微透镜被定位成在其光入射侧上面向准直透镜。微透镜的焦点位于形成光出射侧的基板后侧的平面中，其中铬被气相沉积在基板后侧上。铬层具有对应于每个微透镜的空间滤波器孔径，所述空间滤波器孔径去除微透镜的不希望的衍射级并用作波阵面的空间滤波器。另外，在PLQA之后，存在针孔阵列AA，其可相对于PLQA移位并且仅透射每一第四微透镜的光。

图2示意性地示出了点光源阵列的光出射侧的平面图，其中点光源被布置成行和列，每个点光源具有微透镜中的一个和针孔阵列的一个孔径。针孔孔径的数量是微透镜数量的四分之一。

行和列彼此成直角排列。针孔阵列覆盖所有其他点光源。通过平行于行和列移动针孔阵列，可以形成四点光源结构。这样，可以产生相对于彼此倾斜的四个照明构造。

作为示例，图3示出了到达光学平滑表面的物体波的相对于彼此倾斜的三个波阵面14.1、14.2、14.3。

图1还示出了从点光源发出的光经过第二分束器ST2，并由准直透镜L2被准直，从而产生具有不同倾斜的物体波的波阵面阵列。

物体波的波阵面通过干涉仪物镜O被变换成球面波阵面，以便补偿测试对象SUT的基本曲率。在测试对象SUT上反射之后，波阵面传播回到第二分束器ST2，波阵面被第二分束器ST2反射到图像捕获光束路径中。具有正方形开口的孔径A位于干涉仪10的傅立叶平面中，并且以超过图像捕获装置K(例如，照相机)的奈奎斯特频率的条纹密度遮蔽波阵面的所有区域。在孔径A之后，光穿过成像光学器件AO并到达图像捕获装置K。

在参考光束路径中，从偏振第一分束器ST1出射后的光的偏振被λ/2小板W旋转π，使得参考波的偏振与在测试对象SUT上反射的物体波(测试波)的偏振相匹配。光束被两个反射镜S1、S2偏转，其中一个反射镜安装在压电致动器PS上，以便能够通过相移方法评估波阵面。光被由第二显微镜物镜M2和透镜L3组成的开普勒望远镜扩束，并且随后通过透镜L4被变换成球面波阵面。参考波阵面的焦点位于孔径A的中心。随后，光穿过成像光学器件AO并到达图像捕获装置K，在图像捕获装置K的平面中，光与测试波阵面的光进行干涉。

每个点光源通常在图像捕获装置K上产生小干涉图(“块”)形式的测量范围。针孔阵列AA移位四次以完成测量。在四个位置的每一个中，通过借助于相移干涉测量法(PSI)确定相位，即，由物体波和参考波的不同光程长度在块区域中引起的物体波和参考波之间的相位差，来执行部分测量。

选择PLQA中的光源12之间的距离，使得光线在位于干涉仪物镜O的数值孔径NA内的测试对象表面的所有点上到达图像捕获装置，并且由相邻点光源覆盖的图像捕获装置的区域稍微重叠。这确保了关于测试对象的整个表面的信息被包含在测量中。

随后计算四个部分测量以产生整个测量结果。分成四个部分测量的原因是为了避免不同点光源的各个区域的重叠——所谓的部分测量的图块。只有这样，部分测量的干涉图才能用低的测量不确定性来评估。

根据测试对象的形式，每个照明构造(点光源构造)产生一个或多个图块。图块的精确分布取决于测试对象的形状，其位置和所使用的干涉仪设计。

然而，不可能使用干涉测量的标准方法来评估这些重叠区域，因为所得到的干涉图不再是由两个波阵面产生的，而是产生多重光束干涉。

图4a示意性地示出了图像捕获装置K上的干涉图，所述干涉图已经用每行和每列四个点光源被捕获，其中所有点光源被同时接通。然后，利用各个点光源的光产生的干涉图块重叠。在阴影重叠区域中，不能评价干涉图。

图4b示出了利用同一干涉仪捕获的干涉图块18的四个图案，它们仅在每隔一个点光源被接通以用于四种不同的照明构造时产生。这些图案被顺序捕获，在每种情况下一次一个。例如，如果在点光源笛卡尔排列的每一行和每一列中只开启偶数点光源，就会产生一个照明构造的例子(其他构造：行中的偶数点光源与列中的奇数点光源接通；行中的奇数点光源与列中的偶数点光源接通；行中的奇数点光源与奇数点光源接通)。然后不叠加图块18，因此可评价。图4a的图案是在图1b的图块18全部放置在彼此的顶部上时，或者在图4b的图块18与其同时产生的所有点光源18有助于图像捕获装置的曝光时产生的。

根据四个相位测量，可以确定测试对象SUT与其标称形状的形状偏差。由于与上述允许仅利用一个图像进行相位测量的载波频率方法相比，必须捕获用于相移干涉测量的相位测量的至少三个图像捕获(通常为5个或更多)，并且因此对于完整的测量需要必须顺序捕获的至少12个或更合理地20个相机图像，因此迄今为止需要位于半分钟范围内的测量时间段。在该时间段内，诸如振动、漂移和空气湍流之类的不稳定环境条件会使测量结果失真。

在根据本发明的方法中，代替在每种情况下产生的具有单个中心波长的干涉图的顺序捕获，发生具有彼此具有不同波长的物体波并且因此产生彼此不同的干涉图的相机图像的单个捕获，其可以通过波长相关的滤波彼此分离。

具体地，根据本发明的干涉仪的特征在于沿第一离散不同方向传播的第一物体波具有第一中心波长，沿第二离散不同方向传播的第二物体波具有第二中心波长，沿第三离散不同方向传播的第三物体波具有第三中心波长，并且干涉仪被配置为利用第一物体波、第二物体波和第三物体波同时照射光学平滑部件，或者利用四个物体波同时照射光学平滑部件。该照明构造例如在图3中产生三个物体波14.1，14.2，14.3作为第一物体波、第二物体波和第三物体波，其中这些物体波具有彼此不同的波长。

因此，本发明的基本思想是通过使用光谱信息来并行化照明构造的顺序选择，并且因此利用单个捕获来代替多个照明构造的非并行捕获。

在根据本发明的干涉仪中，每个照明构造由单独的色彩通道和/或由具有中心波长的波长范围实现。色彩或波长通过波长选择滤波器与图像捕获装置K处的其它照明构造/波长分离。

在这种情况下，照明构造不限于一个物体波；相反，照明构造可以包含相对于彼此离散地倾斜的多个物体波阵面。在离散的不同方向上倾斜的波阵面与作为传播方向的彼此不平行的波法线相关联。这些物体波在离散的不同角度下，或从离散的不同且因此非平行的方向照射测试对象。这意味着一个或多个波阵面到达被测量的测试对象的每个点，并且所述波阵面的传播方向不同。

这意味着在一个时间点曝光的干涉仪不仅由照明构造和/或具有中心波长的物体波照射，而且同时由例如三个或四个不同波长的物体波照射。

每个激光光源以这样的方式被集成到该构造中，使得其光以不同于其它激光光源的角度照射测试对象。这导致如图3所示的波阵面，其属于具有不同波长/色彩的物体波。期望的结果是在图像捕获装置上产生彩色的重叠干涉图块。

图像捕获装置K优选地被设计为使得其可以通过空间分辨的波长选择来分配从其波长得到的干涉图。以这种方式可以解决干扰叠加。一种示例性图像捕获装置由Sony生产并以名称“Polysens”广而告之。

为此，有必要选择各个照明构造的照明角度，使得相邻的干涉图块18不具有相同的色彩/波长，因为否则将出现具有相同波长的干涉叠加区域。

图5示出了根据本发明的干涉仪的点光源阵列20的平面图。点光源阵列20的特征在于点光源12被布置为使得每个点光源12被布置在假想正六边形的中心，其中六边形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且使得在中心设有发射具有中心波长的光的点光源12的六边形仅与在中心设有发射另一波长的光的点光源的六边形相邻。发射相同波长的光的点光源由其相关六边形的相同阴影表示。这使得可以将照明构造的所需数量减少到三个。

不同的波长可以在可见光的色谱或相邻光谱范围(近红外或紫外)的相互不同的范围中，使得中心波长表示不同色彩的光。这适用于实施例的所有示例，因此通常适用于根据本发明的干涉仪。

在点光源布置在具有六边形单位单元的二维网格上的这种布置中，不同波长的三个光源足以符合邻近必须具有不同色彩的条件，同时完全照射测试对象。如果使用红光光(例如，630nm-690nm)，绿色光(例如，532nm)和蓝色光(例如，440nm-460nm)，则所有三种照明构造可仅在一个图像捕获中被配准，假定RGB彩色相机用作图像捕获装置K，例如，在相机像素之前具有拜耳滤波器阵列的相机。点光源阵列20也可以称为彩色马赛克点光源阵列。

图6示出了彩色马赛克点光源阵列20的侧视图。彩色马赛克点光源阵列产生仅具有一个中心波长的点状光源。这些被准直透镜5转换成相对于彼此倾斜的近似平面的波阵面。彩色马赛克点光源阵列由微透镜阵列2和可选的滤光器阵列4组成，微透镜阵列2将到达的光聚焦到孔径阵列3上，滤光器阵列4仅允许具有n个波长之一的光通过每个微透镜。对于每个微透镜，n个波长中只有一个理想地聚焦在孔径平面中。在优选实施方案的上下文中，n＝3或4。在图5所示的彩色马赛克点光源阵列的情况下n＝3。因此，彩色马赛克点光源阵列从具有n个不同波长的到达光波阵面产生多个点光源。

作为图5的基于微透镜的彩色马赛克点光源阵列20的替代，也可使用由n＝3或4或甚至更多个不同波长的光源馈送的光纤阵列。图7示出了基于光纤的点光源阵列。来自不同波长的n＝3的激光器6的光被耦合到光纤7中，光纤7在1/m耦合器8处被分成m个光纤。光纤6的光出口端形成点光源并如图5和8所示布置。这里，发射相同波长的光的点光源也由相同的符号表示。因此，图7示出了一个实施例，在该实施例中，针对每个中心波长的多个点光源12具有光纤端部的结构，其通过光耦合器8耦合到发射具有中心波长的光的激光源6。

耦合到激光器6之一的每组点光源12形成照明构造。然而，根据图5的布置结合三个照明构造可以保持干涉图块不重叠的状态。在仅一次捕获中，这三种照明构造的并行捕获是成功的，因为这三种照明构造被同时激活，并且测试对象因此被特定于相应照明构造的波长(或色彩通道)同时照射，并且图像捕获被光谱滤波。

因此，例如通过在每个像素之前的局部滤色器，可以在图像捕获装置K上再次分离叠加的但色彩可区分的干涉图块18。

作为有利的结果，所有三个/四个照明构造可以仅在一个图像捕获中显示。

相位评估传统上可以通过移相器进行；然而，这需要捕获例如可以以快速序列捕获的五个单独的图像，使得可以实现大约一秒的典型测量时间。

另一实现方式使用先前的照明结构，其中点光源布置在具有正方形单位单元的二维网格上。然而，这需要四个不同波长的光源(或四个色彩通道)。在这种情况下，图像捕获装置上的色彩/波长通道也可以由图像捕获装置像素前面的滤波器阵列分开。在这种情况下，滤光器阵列被设计成使得每个像素的滤光器主要仅透射一个波长，而其它波长被阻挡。

图8示出了彩色马赛克点光源阵列，其中点光源被布置成使得每个光源布置在假想规则正方形的中心，其中正方形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且其中在中心设有发射具有中心波长的光(即，一个色彩通道的光)的点光源的正方形仅与在中心设有发射另一波长的光(即，另一色彩通道的光)的正方形相邻。发射相同波长的光的点光源12由其相关正方形的相同阴影表示。因此，该实施例与四个照明构造和/或色彩通道一起工作。

除了所提到的规则布置之外，照明构造还可以与点光源的不规则结构一起使用，只要确保没有两个相邻的点光源使用相同的波长。对于一些测试构造，有利的是将点光源定位成使得所述点光源不位于平坦表面上，而是例如位于弯曲表面上，或位于圆锥形、圆柱形或金字塔形表面上。

本发明实现了在仅一个相机图像中捕获测试对象形式，如下：由测试对象SUT反射或透射的光(测试波，或由测试对象SUT反射或透射的物体波)由相应的偏振器和相位延迟板以圆偏振光落在图像捕获装置K上的方式修改。

以圆偏振光落在图像捕获装置K上的方式修改干涉所需的参考波阵面。物体波和参考波之间的相对相位在图像捕获装置K的像素之前由不同取向的偏振器改变，使得可以使用常规相移算法来确定被测量的相位。

技术上，本发明可以通过使用已经面世几个月的Sony的色彩传感器来非常紧凑地实现，除了滤色器之外，该色彩传感器还在图像捕获装置的各个像素上具有不同取向的偏振滤光器。

可替换地，代替基于偏振的相位评估，也可以使用基于载波频率的相位评估方法(参见Mitsuo Takeda,Hideki Ina,以及Seiji Kobayashi的“Fourier-transform methodof fringe-pattern analysis for computer-based topography and interferometry”,J.Opt.Soc.Am.72,156-160(1982))。

本发明不限于这里作为应用示例描述的干涉仪，并且还可以例如与Fizeau型、Michelson型或Mach-zehnder型的倾斜波干涉仪结合使用。

图9示意性地示出了具有照明单元100、分束器102、准直透镜104、干涉仪物镜106、测试对象表面108、干涉仪孔径110、成像透镜112和图像捕获装置K的泰曼格林干涉仪。

图10示意性地示出了具有照明单元100、分束器102、准直透镜104、斐索干涉仪物镜114、测试对象表面108、干涉仪孔径110、成像透镜112和图像捕获装置K的斐索倾斜波干涉仪。

这里描述的干涉仪利用从测试对象反射的光来操作。图11示出了马赫－曾德干涉仪，其使用由测试对象透射的光来操作，该干涉仪具有照明单元100、准直透镜104、第一分束器118、第一反射镜120、透射光的测试对象122、第二分束器124、干涉仪孔径的成像透镜、图像捕获装置，以及参考光束路径中的第二反射镜126。

根据干涉仪类型，产生所需光波的照明单元100的光在不同路径上到达透射测试对象122和/或反射测试对象表面108。照明单元100例如是上面进一步描述的彩色马赛克点光源阵列20。在那里，光与测试对象122/测试对象表面108相互作用，并因此携带期望的信息。例如，如果正在测量测试对象表面的表面形貌，则可以选择泰曼格林型或斐索型的结构，或者如果正在测量的变量是其光学厚度，则选择马赫－曾德型的结构并将测试对象用于透射。在与测试对象相互作用之后，由该相互作用产生的不同波长的测试波阵面到达图像捕获装置K，在图像捕获装置，波阵面被叠加在相应的相干参考波阵面上。通过使用不同波长的光，所有点光源可以在图像捕获装置的曝光期间在至少一部分曝光时间内同时发光。由于所有点光源同时接通，因此在整个测试对象上的图像捕获中同时产生测量信息。

由在图像捕获装置K上的叠加产生的干涉图的光谱分离可以通过各种技术实现来实现。除了上面在图像捕获装置的像素之前已经提到的滤光器掩模之外，可以通过用于每种色彩或中心波长的单独的照相机/图像捕获装置来实现光谱通道。在这种情况下，来自测试对象的光由分束器分配到不同的图像捕获装置上，并且或者由二向色分束器层在分束器处进行光谱选择，或者由直接在图像捕获装置前面的吸收滤光器进行光谱选择。

由滤色器分离的干涉图块首先示出正弦强度带，在相位评估期间根据正弦强度带计算相位差，并由此计算参考波和物体波之间的路径差，根据路径差确定被测量的测试对象特性。

根据现有技术，相位评估可以借助于时间移相器来进行，即借助于对干涉图序列的捕获来进行，其中在捕获之间选择性地插入对象和参考波之间的相位变化，典型地通过光束路径中的反射镜的位移来进行。这需要捕获例如可以以快速序列捕获的五个单独的图像，使得可以实现大约一秒的典型测量时间。

在仅一个图像捕获中的测试对象形式的捕获通过本发明如下实现。

三个或更多照明构造的光谱叠加的干涉图优选地通过光谱选择分成单独的干涉图，其中每个单独的干涉图对应于一个照明构造。这些单独的干涉图各自通过用于单独干涉图评估的方法来评估。单个干涉图评估的优选实施例是经由偏振方法的评估(例如，美国专利第7,777,895号，美国专利第6,304,330号，美国专利第6,552,808号，美国专利第7,230,717号)。在这种情况下，来自测试对象的光被偏振器和相位延迟板以圆偏振光落在图像捕获装置上的方式修改。干涉所需的参考波阵面以这样的方式修改，使得相对的圆偏振光落在图像捕获装置上。物体波和参考波之间的相对相位在图像捕获装置的像素之前由不同取向的偏振器改变，使得可以使用常规相移算法来确定从一组四个像素测量的相位。

技术上，通过使用现在从Sony可获得面世几个月的偏振图像传感器可以非常紧凑地实现本发明，该偏振图像传感器除了滤色器之外还具有在各个像素上具有四个不同取向的偏振滤光器，其中偏振滤光器布置在图像捕获装置芯片的光电二极管层和透镜层之间。

在另一优选实施例中，各个干涉图的相位由载波频率方法确定，参见例如MitsuoTakeda,Hideki Ina,以及Seiji Kobayashi的“用于基于计算机的地形与干涉测量的条纹图分析的傅立叶变换方法”,J.Opt.Soc.Am.72,156-160(1982)。在这种情况下，物体波叠加在相对于物体波强烈倾斜的参考波上。然后通过来自高频干涉图频带的解调方法进行相位评估。

图12示出了作为根据本发明的用于测量光学平滑测试对象的表面或光学厚度的方法的实施例的示例的流程图。

在第一步骤130中，用来自离散不同方向的多个物体波照射光学平滑测试对象。在这种情况下，从第一方向到达的第一物体波具有第一中心波长。沿离散不同方向中的第二方向传播的第二物体波具有第二中心波长，沿离散不同方向中的第三方向传播的第三物体波具有第三中心波长。第一中心波长不同于第二中心波长，第三中心波长不同于第一中心波长和第二中心波长。利用第一物体波、第二物体波和第三物体波同时照射测试对象。在与测试对象的相互作用之后，在步骤132中，源自测试对象的物体波在图像捕获装置上进行叠加。在第三步骤134中，叠加产生的干涉图被光谱分解为波长特定的部分干涉图。

在优选实施例中，干涉仪10被配置成利用多个照明构造来照射光学平滑的测试对象，其中每个照明构造是由测试对象被照射的多个物体波产生的，并且将通过在正被测量的表面108上的反射或通过穿过测试对象122的透射而受测试对象影响的物体波在至少一个图像捕获装置K上叠加到与物体波相干的参考波上，从而产生干涉图。在这种情况下，每个照明构造由单独的色彩通道和/或单独的中心波长实现，其中照明构造中的第一照明构造仅具有物体波14.1、14.2、14.3，所述第一照明构造的物体波14.1、14.2、14.3具有第一中心波长，并且其中照明构造中的第二照明构造仅具有物体波14.1、14.2、14.3，所述第二照明构造的物体波14.1、14.2、14.3具有第二中心波长，其中照明构造中的第三照明构造仅具有物体波14.1、14.2、14.3，所述第三照明构造的物体波14.1、14.2、14.3具有第三中心波长，其中第一中心波长不同于第二中心波长，其中第三中心波长不同于第一中心波长和第二中心波长，并且其中干涉仪10被配置成从离散不同的方向利用第一照明构造的物体波、第二照明构造的物体波以及第三照明构造的物体波同时照射测试对象122，并且在与测试对象122相互作用之后，将从测试对象122返回的物体波在图像捕获装置K上进行叠加，并且其中图像捕获装置K被配置为将叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

还优选的是，第四照明构造仅具有的物体波，所述物体波具有第四中心波长，并且第四中心波长不同于第一中心波长、第二中心波长以及第三中心波长。

进一步优选的是，在最接近的相邻方向上传播的物体波不具有相同的中心波长。

另一优选实施例的特征在于图像捕获装置K被配置成通过滤色器分离干涉图，使得图像捕获装置K的每个像素仅检测仅一个波长的干涉图信息。

还优选的是，干涉仪具有多个点光源12，从点光源12同时发射照明构造的物体波。

进一步优选地，点光源12被布置为使得每个点光源12布置在假想的正六边形的中心，其中六边形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且使得在其中心设有发射具有中心波长的光的点光源12的六边形仅与在中心设有发射另一波长的光的点光源12的六边形相邻。

另一优选实施例的特征在于，点光源12被布置为使得每个点光源12布置在假想规则正方形的中心，其中正方形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且使得在中心设有发射具有中心波长的光的点光源12的正方形仅与在中心设有发射另一波长的光的点光源12的正方形相邻。

还优选的是，除了滤色器之外，图像捕获装置K还在其各个像素上还具有依像素而取向不同的偏振滤光器。

此外，优选的是，针对每个中心波长的多个点光源12是相干激光源L、开普勒望远镜以及由透明基板组成的点光源阵列PLQA的布置，其中设有微透镜，所述微透镜的光入射侧面向望远镜，并且所述微透镜的焦点位于基板的光出射侧的平面中，孔径阵列位于所述平面中，从所述微透镜发射具有中心波长的物体波。

另一优选实施例的特征在于，根据权利要求1至8中任一项所述的干涉仪的特征在于用于每个中心波长的多个点光源12具有通过一个或多个光耦合器8耦合到激光源6的光纤端部的结构，所述激光源6发射具有所述中心波长的光。

在该方法的优选实施例中，利用多个照明构造14.1、14.2、14.3照射光学平滑的测试对象122，其中每个照明构造由多个物体波产生，利用这些物体波照射测试对象。将通过被测量的表面108上的反射或通过穿过测试对象122的透射而受测试对象122影响的物体波在至少一个图像捕获装置K上叠加在与物体波相干的参考波上，从而产生干涉图。每个照明构造通过单独的色彩通道和/或单独的中心波长实现，其中照明构造中的第一照明构造仅具有带第一中心波长的物体波14.1、14.2、14.3，并且其中照明构造中的第二照明构造仅具有带第二中心波长的物体波14.1、14.2、14.3，其中照明构造中的第三照明构造仅具有带第三中心波长的物体波14.1、14.2、14.3，其中第一中心波长不同于第二中心波长，其中第三中心波长不同于第一中心波长和第二中心波长，并且其中测试对象122被第一照明构造的物体波、第二照明构造的物体波以及第三照明构造的物体波从离散不同的方向同时照射，并且在与测试对象122相互作用之后，从测试对象122返回的物体波在图像捕获装置K上进行叠加，并且其中图像捕获装置K被配置为将叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

Claims (10)

1.一种用于光学平滑测试对象(122)的表面(108)或光学厚度的面测量的干涉仪(10)，其中，所述干涉仪(10)被配置为利用多个照明构造来照射所述光学平滑测试对象，其中，每个照明构造都由照射所述测试对象的多个物体波(14.1、14.2、14.3)产生，并且所述干涉仪(10)被配置为将通过在正被测量的所述表面(108)上的反射或通过穿过所述测试对象(122)的透射而受所述测试对象影响的物体波在至少一个图像捕获装置(K)上被叠加到与所述物体波(14.1、14.2、14.3)相干的参考波上，从而产生干涉图，其特征在于，每个照明构造由具有连续波长范围的波长的物体波实现，所述连续波长范围具有特定于所述波长范围的中心波长，其中，所述照明构造中的第一照明构造仅具有波长范围具有第一中心波长的物体波(14.1、14.2、14.3)，并且其中，所述照明构造中的第二照明构造仅具有波长范围具有第二中心波长的物体波(14.1、14.2、14.3)，并且其中，所述照明构造中的第三照明构造仅具有波长范围具有第三中心波长的物体波(14.1，14.2，14.3)，其中，所述第一中心波长不同于所述第二中心波长，其中，所述第三中心波长不同于所述第一中心波长和所述第二中心波长，其中，在最接近的相邻方向上传播的物体波不包含相同波长范围的波长，并且其中，所述干涉仪(10)被配置为利用所述第一照明构造的物体波、所述第二照明构造的物体波和所述第三照明构造的物体波从离散的不同方向同时照射所述测试对象(122)，并且在与所述测试对象(122)相互作用之后，将从所述测试对象(122)返回的物体波在所述图像捕获装置(K)上进行叠加，并且其中，所述图像捕获装置(K)被配置为将由所述叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

2.根据权利要求1所述的干涉仪(10)，其特征在于，所述照明构造中的第四照明构造仅具有波长范围具有第四中心波长的物体波，其中，所述第四中心波长不同于所述第一中心波长、所述第二中心波长和所述第三中心波长，并且其中，所述干涉仪被配置为利用所述第一照明构造的物体波、所述第二照明构造的物体波、所述第三照明构造的物体波以及所述第四照明构造的物体波从离散的不同方向同时照射所述测试对象，并且在与所述测试对象相互作用之后，将从所述测试对象返回的物体波在所述图像捕获装置上进行叠加，并且其中，所述图像捕获装置被配置为将由所述叠加产生的干涉图光谱分解为波长特定的部分干涉图。

3.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪，其特征在于，所述干涉仪具有多个点光源，从所述点光源同时发射照明构造的物体波。

4.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪(10)，其特征在于，所述图像捕获装置(K)被配置为使用滤色器分离干涉图，使得所述图像捕获装置(K)的每个像素仅检测仅一个波长范围的干涉图信息。

5.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪(10)，其特征在于，所述点光源(12)被布置为使得每个点光源(12)都被布置在假想正六边形的中心，其中，所述六边形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且所述点光源(12)被布置为使得在中心设有发射所述波长范围中的具有中心波长的一个波长范围的波长的光的点光源(12)的六边形仅与中心设有所述发射波长范围中的另一波长范围的波长的光的点光源(12)的六边形相邻。

6.根据权利要求3所述的干涉仪(10)，其特征在于，所述点光源(12)被布置成使得每个点光源(12)都被布置在假想规则正方形的中心，其中，所述正方形在一个平面中彼此相邻且没有间隙，并且其中，在中心设有发射所述波长范围中的具有中心波长的一个波长范围的波长的光的点光源(12)的正方形仅与中心设有发射所述波长范围中的另一波长范围的波长的光的点光源(12)的正方形相邻。

7.根据权利要求4所述的干涉仪(10)，其特征在于，除了所述滤色器之外，所述图像捕获装置(K)在其各个像素上还具有依像素而取向不同的偏振滤光器。

8.根据前述权利要求中任一项所述的干涉仪(10)，其特征在于，用于所述波长范围中的每一个的所述多个点光源(12)是相干激光源(L)、开普勒望远镜以及由透明基板组成的点光源阵列(PLQA)的排列，其中，设有微透镜，所述微透镜的光入射侧面向所述望远镜，并且所述微透镜的焦点位于基板的光出射侧的平面中，孔径阵列(AA)位于所述平面中，从所述微透镜发射所述波长范围中的一个波长范围的物体波。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的干涉仪，其特征在于，用于所述波长范围中的每一个的多个点光源(12)具有通过一个或多个光学耦合器(8)耦合到激光源(6)的光纤端部的结构，所述激光源(6)发射具有所述中心波长的光。

10.一种用于光学平滑测试对象(122)的表面(108)或光学厚度的面测量的方法，其中，利用多个照明构造(14.1，14.2，14.3)来照射所述光学平滑测试对象(122)，其中，每个照明构造由多个物体波组成，利用所述物体波来照射所述测试对象，并且由所述多个点光源(12)发射所述物体波，并且其中，通过在正被测量的所述表面(108)上的反射或通过穿过所述测试对象(122)的透射而受所述测试对象影响的物体波在至少一个图像捕获装置(K)上被叠加到与所述物体波相干的参考波上，从而产生干涉图，其特征在于，每个照明构造由具有连续波长范围的波长的物体波实现，所述连续波长范围具有特定于所述波长范围的中心波长，其中，所述照明构造中的第一照明构造仅具有波长范围具有第一中心波长的物体波(14.1、14.2、14.3)，并且其中，所述照明构造中的第二照明构造仅具有波长范围具有第二中心波长的物体波(14.1、14.2、14.3)，其中，所述照明构造中的第三照明构造仅具有波长范围具有第三中心波长的物体波(14.1，14.2，14.3)，其中，所述第一中心波长不同于所述第二中心波长，其中，所述第三中心波长不同于所述第一中心波长和所述第二中心波长，其中，由两个最靠近的相邻点光源发射的物体波不包含相同波长范围的波长，并且其中，所述测试对象(122)被所述第一照明构造的物体波、所述第二照明构造的物体波以及所述第三照明构造的物体波从离散的不同方向同时照射，并且在与所述测试对象(122)相互作用之后，从所述测试对象(122)返回的物体波在所述图像捕获装置(K)上被叠加，并且其中，由所述叠加产生的干涉图被光谱分解为波长特定的部分干涉图。