專利名稱：確定波前測(cè)量?jī)x表的第一級(jí)光學(xué)參數(shù)和圖像共軛的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面和波前測(cè)量的方法和裝置；更具體地說(shuō)，涉及這種測(cè)量的自動(dòng)操作設(shè)備、校準(zhǔn)、和采集；最具體地說(shuō)，涉及提高非球面和波前測(cè)量的精度的方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有技術(shù)已知對(duì)表面和光學(xué)波前進(jìn)行精確測(cè)量的方法和設(shè)備。用于獲得光學(xué)的量測(cè)量的優(yōu)選裝置(非出乎意料地)基于光學(xué)技術(shù)。盡管可應(yīng)用一些其它技術(shù)，在這個(gè)領(lǐng)域最普遍公認(rèn)的計(jì)量?jī)x表基于干涉測(cè)量原理。這種設(shè)備能夠獲得非常精確的測(cè)量。利用菲佐干涉儀(FIzeau interferometer) 等，直徑為-IOOmm的部分表面的等高線圖能夠精確到大約10納米(在可見(jiàn)光波長(zhǎng)的1/10 和1/100之間)。基于顯微鏡的干涉儀(例如，基于掃描白光技術(shù)的那些干涉儀)能夠精確地測(cè)量特征的高度，在 Imm直徑區(qū)域的范圍內(nèi)高于納米。菲佐干涉儀和顯微鏡干涉儀的性能滿足所有情況，除非最苛刻的應(yīng)用。然而，隨著時(shí)間的推移，應(yīng)用要求變得更嚴(yán)格。例如，光刻具有精確散射(“閃光”)要求。這些需要在包括從0. 1-lOmm-x波帶的空間頻率范圍內(nèi)的次納米精度測(cè)量。這個(gè)波帶是在菲佐干涉儀的橫向分辨能力的高端，但是，在干涉顯微鏡的低端。市場(chǎng)上可買到的干涉顯微鏡能夠達(dá)到本申請(qǐng)的高精度(或接近)，但是，達(dá)不到橫向范圍要求。使用較低放大倍率的顯微物鏡增加橫向范圍，但這種方法僅僅對(duì)平坦(或接近平坦)表面有效。由于它們與儀表參考面的很大偏離(彎曲部分與平參考面相比)，不能測(cè)量曲面(球面或非球面)。市場(chǎng)上可買到的菲佐干涉儀能夠很容易達(dá)到橫向范圍要求。然而，為了達(dá)到需要的分辨率(-100微米)，干涉儀需要更大的放大倍率是很平常的。相當(dāng)簡(jiǎn)單的光學(xué)設(shè)計(jì)改型能夠解決這個(gè)問(wèn)題。更大的挑戰(zhàn)是菲佐干涉儀的高精度，它的精度通常比干涉顯微鏡的低。更低精度的主要因素是更高的光相干性、不能精確地聚焦在測(cè)試表面、和校準(zhǔn)系統(tǒng)誤差的更大難度。需要新發(fā)明來(lái)提高本領(lǐng)域當(dāng)前的狀態(tài)。相關(guān)的挑戰(zhàn)是當(dāng)測(cè)量的表面為非球面時(shí)極高的要求。隨著測(cè)量光源的相干性提高，所得到的測(cè)量結(jié)果對(duì)缺陷諸如擦痕、灰塵顆粒、斑點(diǎn)、和陰影反射更靈敏。這種缺陷會(huì)降低測(cè)量結(jié)果的重復(fù)性并且也帶來(lái)系統(tǒng)誤差(偏差)。 現(xiàn)有技術(shù)中存在有效降低光源相干性的各種技術(shù)，以降低這種誤差，而不會(huì)過(guò)度降低其它性能。例如，參見(jiàn) Kuechel 的美國(guó)專利 No. 5，357, 341 ；Freischlad 的 No. 6，061, 133 ；和 Deck 等的No. 6，643，024。然而，這些技術(shù)使系統(tǒng)對(duì)聚焦誤差更靈敏。而且，越高的空間頻率表面特征的分辨率對(duì)聚焦誤差的也越靈敏。因此，測(cè)量系統(tǒng)的合適聚焦變得非常重要。最佳焦距位置取決于干涉儀光學(xué)系統(tǒng)和測(cè)試元件的曲率半徑。對(duì)于給定的球面(鋼琴)測(cè)試件，只有當(dāng)干涉儀光學(xué)系統(tǒng)變化時(shí)這些參數(shù)才變化。當(dāng)測(cè)試零件時(shí)，這種情況一般不出現(xiàn)，所以干涉儀操作者通常能夠手工調(diào)焦到足夠精度，以獲得滿足要求的測(cè)量結(jié)果。然而，非球面具有兩個(gè)局部主曲率半徑，它們根據(jù)要檢測(cè)的非球面的部位而變化。因此， 對(duì)于任何給定的部位，在指定要測(cè)試的標(biāo)定半徑時(shí)存在一些自由度。改變標(biāo)定曲率半徑意味著改變最佳測(cè)試位置(相對(duì)于干涉儀的光學(xué)系統(tǒng))。這種測(cè)試物體位置的改變(變化) 意味著最佳焦距位置也改變。因此，對(duì)于非球面，干涉儀的最佳焦距位置取決于當(dāng)前要測(cè)量的表面部位。現(xiàn)有技術(shù)中，用戶調(diào)整焦距的方法不足以實(shí)現(xiàn)在測(cè)試非球面的多點(diǎn)的自動(dòng)測(cè)量 (即，在測(cè)量中不需要用戶手工重調(diào)焦距)。自動(dòng)聚焦機(jī)構(gòu)也提高測(cè)量重復(fù)性，因?yàn)闀?huì)消除操作者手工聚焦技術(shù)的振動(dòng)。其它裝置(諸如照相機(jī))采用自動(dòng)聚焦技術(shù)，但是，這些裝置不能直接應(yīng)用于光學(xué)表面的測(cè)量。所謂的“無(wú)源”方法依靠?jī)?yōu)化圖像的結(jié)構(gòu)對(duì)比度。因?yàn)楣鈱W(xué)表面通常沒(méi)有明顯的表面結(jié)構(gòu)，即，它們非常光滑，這種方法失效(非常像試圖對(duì)無(wú)特征的目標(biāo)諸如無(wú)云的天空聚焦時(shí)的情況)。然而，“有源”自動(dòng)聚焦方法測(cè)量用一些輔助儀表測(cè)量目標(biāo)的距離，并且利用光學(xué)系統(tǒng)的知識(shí)來(lái)計(jì)算必需的焦距位置。盡管這個(gè)基本原理可應(yīng)用于波前測(cè)量?jī)x表，還有潛在改進(jìn)的地方。因?yàn)椴ㄇ皽y(cè)量?jī)x表已經(jīng)將發(fā)射照明光(和檢測(cè)反射光)作為它的基本功能部分，為了測(cè)量距離，采用這種儀表而不采用其它系統(tǒng)的手段是理想的。而且，波前測(cè)量?jī)x表的精確光學(xué)參數(shù)并不被人熟知。(例如，它可以使用市場(chǎng)上可買到的精確設(shè)計(jì)的透鏡子組件。)因此，當(dāng)它們符合焦距時(shí)，用于校準(zhǔn)這些參數(shù)的方法要明顯改進(jìn)。具有高空間頻率的系統(tǒng)誤差的校準(zhǔn)也是必須改進(jìn)的地方。參考波前誤差(在測(cè)量中的空間依賴高度偏差)是非常精確的限制。在現(xiàn)有技術(shù)中存在幾種技術(shù)校準(zhǔn)這種誤差， 包括雙球形、不規(guī)則球、和具有互鎖補(bǔ)償器的子孔徑拼接(subaperture stitching)。例如， 參見(jiàn) J. C. Wyant, "Absolute optical testing :better accuracy than the reference，，， Photonics Spectra,March 1991,97-101 ；J. C. Evans and R. E. Parks,"Absolute testing of spherical optics，，，Optical fabrication and Testing Workshop, OSA Technical Digest Series 13,185-187(1994)；和 P. Murphy，J. Fleig, G. Forbes，和 P. Dumas，“Novel method for computing reference wave error in optical surface metrology", SPIE Vol. TD02，138-140,2003。然而，這些方法不適于參考波前中較高分辨率特征的極其精確的校準(zhǔn)。高空間頻率波前特征在空間傳播是比低空間頻率傳播得快。因此，在要測(cè)量測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)的共軛位置校準(zhǔn)這些特征非常重要；否則，在參考波前中較高空間頻率成分的測(cè)定不準(zhǔn)確。例如，對(duì)50mm直徑的球體進(jìn)行的球校準(zhǔn)不能準(zhǔn)確地校準(zhǔn)200mm曲率半徑的測(cè)試件的較高空間頻率。校準(zhǔn)的曲率半徑與測(cè)試件的曲率半徑明顯不同，因此，參考波前誤差的較高空間頻率成分也不同。對(duì)于球面測(cè)試件，通過(guò)對(duì)與測(cè)試件具有大約相同半徑的零件簡(jiǎn)單地進(jìn)行校準(zhǔn)，或通過(guò)對(duì)測(cè)試件本身進(jìn)行校準(zhǔn)，球技術(shù)適合于準(zhǔn)確地校準(zhǔn)參考波前的較高空間頻率。該零件可能是球形截面(而不是完整的球)，但是，如果該零件的尺寸超過(guò)測(cè)量區(qū)域的某個(gè)邊緣 (近似地，表面結(jié)構(gòu)具有的感興趣的最長(zhǎng)空間波長(zhǎng)不適當(dāng)?shù)乜臻g相關(guān))，出于這個(gè)原因它起作用。如果完整的球形不用于校準(zhǔn)，由于零件的表面輪廓的空間相關(guān)性，求平均值的技術(shù)不必集中于參考波前的正確值。然而，這種相關(guān)性很少延及較高空間頻率，讓它們利用不是完全球形的零件充分地校準(zhǔn)。應(yīng)該注意，在較低空間頻率也很重要的情況下，包括具有互鎖補(bǔ)償器的子孔徑拼接的方法與非球平均值先后起作用，以使在整個(gè)可測(cè)量空間頻率的范圍具有參考波的準(zhǔn)確參數(shù)。然而，這種拼接技術(shù)通常不可應(yīng)用于非球面。因此，需要另外的方法來(lái)獲得非球面上較高空間頻率波前誤差的校準(zhǔn)。因此，本領(lǐng)域需要的是自動(dòng)設(shè)定測(cè)量裝置焦距位置的方法，優(yōu)選地，是需要比較少知道實(shí)際聚焦光學(xué)系統(tǒng)的方法。本領(lǐng)域還需要的是校準(zhǔn)或另外減小測(cè)量裝置的系統(tǒng)誤差的方法，特別是，測(cè)量非球面時(shí)具有較高空間頻率的方法。本發(fā)明的主要目的是，當(dāng)知道測(cè)試表面的局部曲率半徑時(shí)，能夠使計(jì)量系統(tǒng)對(duì)測(cè)試表面自動(dòng)聚焦。本發(fā)明的另一目的是，提高波前測(cè)量?jī)x表的精度，特別是，對(duì)于非球面和較高空間頻率。

發(fā)明內(nèi)容
簡(jiǎn)而言之，本發(fā)明提供用于提高計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量精度的方法，包括包括多軸元件定位裝置并嵌入波前測(cè)量?jī)x表的機(jī)器。這些方法包括以下步驟校準(zhǔn)未知光學(xué)系統(tǒng)的聚焦參數(shù)；僅僅知道測(cè)試件的標(biāo)定局部曲率半徑來(lái)自動(dòng)設(shè)定焦距；校準(zhǔn)用于非球面波前的參考波偏差；和減小未校準(zhǔn)誤差的影響。這些精確提高的方法主要應(yīng)用于非球面的較高空間頻率(高于測(cè)試件上很小波動(dòng))。本發(fā)明的一方面是校準(zhǔn)波前測(cè)量?jī)x表的聚焦參數(shù)。不需要成像系統(tǒng)的現(xiàn)有知識(shí)。 這種一次性校準(zhǔn)的結(jié)果結(jié)合測(cè)量區(qū)域中已知的測(cè)試件的標(biāo)定局部曲率半徑能夠自動(dòng)聚焦。本發(fā)明的第二方面是現(xiàn)有技術(shù)隨機(jī)平均技術(shù)的變化，其能夠應(yīng)用于一些潛在對(duì)稱性(underlying symmetry)情況下的非球面波前測(cè)量，(也許是作為球體、圓環(huán)等旋轉(zhuǎn))，在本文中稱為“環(huán)平均”。因?yàn)橄到y(tǒng)波前誤差隨著所測(cè)量的圖形而變化，在球面零位測(cè)試結(jié)構(gòu)中進(jìn)行的校準(zhǔn)不可應(yīng)用于非球面非零位測(cè)試。然而，將測(cè)量結(jié)果限制到標(biāo)定形狀相同的那些結(jié)果的平均值、提供非球面與在該環(huán)上對(duì)稱零件誤差混合的系統(tǒng)波前誤差的測(cè)定。本發(fā)明的第三方面是隨機(jī)平均技術(shù)的另一變化形式，其除了空間之外通過(guò)波前斜率求平均值。存在依賴于所測(cè)量波前斜率的波前誤差成分(這就是純隨機(jī)平均值對(duì)于非球面測(cè)試是無(wú)效的原因)。測(cè)量相同位置的測(cè)試件，但是有不同的斜率分布(例如，通過(guò)稍傾斜的測(cè)試件得到的)，讓這種斜率依賴誤差平均值連同普通空間依賴參考波偏差減小。本發(fā)明的第四方面抑制在拼接測(cè)量的中空間頻帶中的低空間頻率的影響。當(dāng)拼接時(shí)，任何低空間頻率誤差易于引起拼接結(jié)果的拼接假象(例如，在子孔徑邊緣的臺(tái)階)。這種邊緣具有明顯的較高空間頻率成分，因此，低空間頻率誤差能夠破壞較高空間頻率的特性。在拼接之前(通過(guò)擬合或?yàn)V除它們)消除低空間頻率成分，或?qū)嶋H使它們最佳化，因?yàn)槠唇又械难a(bǔ)償器能夠降低較高頻率的破壞。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)了在包括零件定位裝置和波前測(cè)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)中，一種用于獲得對(duì)具有設(shè)計(jì)規(guī)定的潛在對(duì)稱性的零件的表面或波前的高精度特征的方法，該方法包括以下步驟a)在零件和儀表的不同相對(duì)位置獲取多個(gè)測(cè)量結(jié)果，b)執(zhí)行以下步驟的一個(gè)或多個(gè)步驟i)利用設(shè)計(jì)規(guī)定的每個(gè)波前的局部曲率和儀表的校準(zhǔn)常數(shù)的知識(shí)，確定儀表用于每個(gè)測(cè)量的最佳焦距位置；ii)通過(guò)以下方法校準(zhǔn)在測(cè)量中的系統(tǒng)的儀表波前誤差平均具有儀表的相同測(cè)試條件和遵從潛在對(duì)稱性的測(cè)量的不同相對(duì)位置的測(cè)量結(jié)果，以使得如果零件與設(shè)計(jì)規(guī)定完全一致，在所有不同相對(duì)位置的儀表測(cè)量結(jié)果相同；iii)通過(guò)平均在零件的相同標(biāo)定位置獲得的測(cè)量結(jié)果，減小未校準(zhǔn)誤差，但其中，兩個(gè)或更多測(cè)量相對(duì)儀表具有不同的取向；和iv)通過(guò)將測(cè)量結(jié)果拼接在一起，減小未校準(zhǔn)誤差，其中在測(cè)量中，低空間頻率信息被明確濾除或用自動(dòng)補(bǔ)償器隱含地補(bǔ)償。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)了在包括零件定位裝置和具有聚焦臺(tái)和多個(gè)不變的第一級(jí)特性參數(shù)的波前測(cè)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)中，一種用于確定波前測(cè)量?jī)x表的第一級(jí)光
學(xué)參數(shù)和用等式7+-—^7 = +描述的圖像共軛的方法，該方法包括以下步 ob + ob _ rej im + im _rej j
驟a)確定“0b_ref”，其是在儀表內(nèi)從物方參考點(diǎn)到第一主面的偏移量；b)確定“ob”，其是從測(cè)試表面到物方參考點(diǎn)的位移量；c)確定“in_ref”，其是在儀表內(nèi)從聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn) Fo到第二主面的位移量；d)確定“im”，其是在儀表內(nèi)聚焦臺(tái)的位置；e)確定“f”，其是儀表光學(xué)系統(tǒng)的焦距。優(yōu)選地，該方法還包括以下步驟a)在理想的光學(xué)結(jié)構(gòu)中設(shè)置波前測(cè)量?jī)x表；b)在計(jì)量系統(tǒng)中設(shè)置具有已知半徑和離其共焦位置已知位移的測(cè)試表面的零件；C) 調(diào)整聚焦臺(tái)的位置，直到表面被精確聚焦；d)記錄得到的一對(duì)共軛位置的結(jié)果，其包括聚焦臺(tái)的位置和零件相對(duì)已知物方參考點(diǎn)的位置；e)重復(fù)步驟b至d，以獲得多個(gè)不同對(duì)的共軛位置；和f)通過(guò)以下方式對(duì)對(duì)共軛位置進(jìn)行擬合計(jì)算求出儀表光學(xué)系統(tǒng)的多個(gè)不變的第一級(jí)特性參數(shù)，至少包括焦距、從物方參考點(diǎn)到第一主面的位移、和從聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)到第二主面的位移。優(yōu)選地，該方法用于確定聚焦臺(tái)的位置，使得儀表聚焦在特定位置，該方法還包括以下步驟a)基于測(cè)試波前的局部曲率半徑和波前相對(duì)于物方參考點(diǎn)和第一主面的位置的知識(shí)，計(jì)算特定位置的物方共軛位置。b)基于物方共軛位置和所知道的儀表光學(xué)系統(tǒng)的焦距位置，計(jì)算像方共軛位置；和c)基于像方共軛位置和所知的從聚焦臺(tái)的原點(diǎn)到第二主面的位移，計(jì)算聚焦臺(tái)位置，其中儀表聚焦到特定位置。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)了在包括零件定位裝置和波前測(cè)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)中，一種在測(cè)試具有設(shè)計(jì)規(guī)定的潛在對(duì)稱性的特定表面或波前時(shí)、測(cè)定和計(jì)算系統(tǒng)儀表波前誤差的方法，該方法包括以下步驟a)確定表面或波前的對(duì)稱性；b)選擇要校準(zhǔn)的儀表和零件測(cè)量條件，包括儀表結(jié)構(gòu)和零件的位置；c)在零件和儀表的不同相對(duì)位置獲得多個(gè)測(cè)量結(jié)果，其中測(cè)量符合測(cè)量條件且不同相對(duì)位置遵從對(duì)稱性，使得如果零件與設(shè)定規(guī)定完全一致，在所有不同相對(duì)位置的儀表測(cè)量結(jié)果相同；和d)由測(cè)量結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)儀表波前誤差的校準(zhǔn)。其中，零件繞軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，多個(gè)測(cè)量位置是在繞軸的環(huán)上，且校準(zhǔn)計(jì)算是測(cè)量結(jié)果的平均。其中，平均從簡(jiǎn)單和加權(quán)中選擇。其中，校準(zhǔn)計(jì)算采用關(guān)于測(cè)量結(jié)果的知識(shí)， 方法包括進(jìn)一步的步驟a)計(jì)算測(cè)量結(jié)果的加權(quán)平均值，加權(quán)通過(guò)估計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的質(zhì)量來(lái)確定；和b)從加權(quán)平均值去除特征，特征具有在理想空間帶上與零件相同的對(duì)稱性。其中， 儀表具有潛在對(duì)稱性，包括其它的步驟a)確定儀表的對(duì)稱性；b)在儀表與零件的不同相對(duì)取向獲取多個(gè)測(cè)量結(jié)果，其中不同相對(duì)取向位置遵從對(duì)稱性，以使得如果零件與設(shè)計(jì)規(guī)定完全一致，在所有取向的儀表測(cè)量結(jié)果相同，c)由測(cè)量結(jié)果計(jì)算儀表對(duì)稱對(duì)系統(tǒng)儀表波前誤差所起的作用；和d)在系統(tǒng)儀表波前誤差的校準(zhǔn)中將零件的作用與混合的對(duì)稱誤差分開(kāi)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)了在包括零件定位裝置和波前測(cè)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)中，一種在從零件測(cè)試特定表面和波前時(shí)減小系統(tǒng)儀表波前誤差的效果的方法，該方法包括以下步驟a)選擇零件上要測(cè)量的標(biāo)定位置；b)在標(biāo)定位置獲得多個(gè)測(cè)量結(jié)果，測(cè)量具有公共數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中每個(gè)測(cè)量結(jié)果不同于在至少一個(gè)位置和取向的另一測(cè)量結(jié)果；c)平均多個(gè)測(cè)量結(jié)果，以形成公共坐標(biāo)系統(tǒng)，同時(shí)用來(lái)解釋測(cè)量結(jié)果的任何相對(duì)平移。在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中公開(kāi)了一種從表面的多個(gè)重疊子孔徑數(shù)據(jù)圖合成物方表面的全數(shù)值孔徑圖的方法，包括以下步驟a)選擇減小重疊子孔徑數(shù)據(jù)圖的測(cè)量誤差的至少一種方法；b)從多個(gè)區(qū)域采集多個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)圖，至少每個(gè)子孔徑數(shù)據(jù)圖的一部分與至少一個(gè)相鄰子孔徑數(shù)據(jù)圖的一部分重疊，以形成重疊數(shù)據(jù)區(qū)域；c)將多個(gè)重疊子孔徑數(shù)據(jù)圖投影到具有標(biāo)定畸變圖的球坐標(biāo)系統(tǒng)；d)從由具有自由放大率范圍的自由補(bǔ)償器和具有相同限制放大率的互鎖補(bǔ)償器組成的兩組中的至少一組選擇多個(gè)誤差補(bǔ)償器，以補(bǔ)償重疊子孔徑數(shù)據(jù)圖中的拼接誤差；e)同時(shí)通過(guò)選擇的誤差補(bǔ)償器的線性組合，將重疊子孔徑區(qū)域中數(shù)據(jù)圖的每一個(gè)的不一致最小化。該方法還包括過(guò)濾子孔徑數(shù)據(jù)圖，過(guò)濾發(fā)生在采集步驟之后、但在不一致最小化步驟之前，其中過(guò)濾從子孔徑數(shù)據(jù)圖中去除低空間頻率形式。該方法還包括優(yōu)化重疊數(shù)據(jù)區(qū)域中的低空間頻率偏差，其中低空間頻率偏差用數(shù)學(xué)基本函數(shù)表示，每個(gè)數(shù)學(xué)基本函數(shù)用自由補(bǔ)償器表示。該方法還包括平均斜率依賴誤差，其中子孔徑數(shù)據(jù)圖包括在重疊子孔徑數(shù)據(jù)圖中相同點(diǎn)上的不同局部斜率的重疊數(shù)據(jù)，以平均儀表的斜率依賴系統(tǒng)誤差。本發(fā)明的各個(gè)應(yīng)用方面總體或部分提供比現(xiàn)有技術(shù)更高的測(cè)量精度，特別是對(duì)于非球面上較高空間頻率結(jié)構(gòu)的測(cè)量。


下面結(jié)合附圖閱讀下面的說(shuō)明書(shū)，本發(fā)明的下列和其它目的、特征和優(yōu)點(diǎn)，以及目前優(yōu)選的實(shí)施例將更清楚，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的多軸計(jì)量系統(tǒng)的立體圖；圖加是圖1所示的儀表中包含的六軸的示意性立體圖；圖2b是圖1所示的儀表的旋轉(zhuǎn)軸之間的偏移的示意性立體圖；圖3是表示個(gè)中各種球面測(cè)試件的共焦/零位位置的示意圖(圖3a_3c)，其中測(cè)試件定位成測(cè)試表面的標(biāo)定中心精確地與從所包含的儀表出現(xiàn)的球面波前的中心一致；圖4是表示在所包含的儀表發(fā)射的校準(zhǔn)光場(chǎng)中各個(gè)平面測(cè)試件(圖位置的示意圖，其中測(cè)試件定位成該件表面法線與場(chǎng)的傳播方向平行；圖5是包括聚焦階段(“F”軸)的波前測(cè)量?jī)x表的樣品內(nèi)部圖；圖6是表示利用真實(shí)數(shù)據(jù)的焦距參數(shù)校準(zhǔn)的示例性測(cè)定結(jié)果和數(shù)據(jù)擬合的曲線圖；圖7a是從垂直于它的對(duì)稱軸看時(shí)，實(shí)例旋轉(zhuǎn)對(duì)稱非球面和樣品子孔徑測(cè)量區(qū)域的示意圖(側(cè)視圖)；圖7b是圖7a所示的實(shí)例非球面沿平行于其對(duì)稱軸方向的視圖(俯視圖)；圖7c是實(shí)例非球面的垂度的數(shù)學(xué)描述，其中‘r’是離旋轉(zhuǎn)對(duì)稱軸的距離；圖7d是實(shí)例非球面相對(duì)于波前測(cè)量?jī)x表定位的視圖，以最佳地看到樣品子孔徑測(cè)量區(qū)域；圖8a是樣品非球面的垂度(沿平行于其對(duì)稱軸的方向、從測(cè)試件頂點(diǎn)的正切面測(cè)量的偏差)為離對(duì)稱軸的表面點(diǎn)距離‘r’的函數(shù)的曲線圖；圖8b是樣品非球面的局部主曲率為λτ,的函數(shù)的曲線圖‘切向’主曲率在包含對(duì)稱軸和特殊表面點(diǎn)的表面法線的平面內(nèi)測(cè)量，而‘徑向’主曲率在包含表面法線還垂直于徑向曲率的平面內(nèi)測(cè)量；圖8c是樣品非球面與最佳擬合球面的橫距作為Λ—的函數(shù)的曲線圖，其中最佳擬合球面的表面通過(guò)非球面的中心和邊緣；圖8d是非球面與最佳擬合球面之間的斜率差作為K'的函數(shù)的曲線圖；圖9a是樣品非球面與離開(kāi)非球面軸20mm為中心的參考球面在IOmm直徑區(qū)域范圍內(nèi)的橫距的曲線圖，其中參考球面的曲率是局部半徑和離軸20mm的環(huán)形曲率的平均值， 優(yōu)選除垂直比例放大的局部表面缺陷之外；圖9b是參考表面與球面的橫距的曲線圖，優(yōu)選除垂直比例放大的單個(gè)局部表面缺陷之外；圖9c是利用圖7d所示的樣品測(cè)試設(shè)備，通過(guò)測(cè)試圖9a所示的表面與圖9b所示的參考表面獲得的樣品測(cè)量結(jié)果；圖9d是樣品環(huán)形平均值校準(zhǔn)，這個(gè)實(shí)例包括沿非球面20mm對(duì)稱環(huán)的不同位置的 5個(gè)無(wú)噪音測(cè)量結(jié)果的平均值；和圖9e是直接采用環(huán)平均校準(zhǔn)的測(cè)量結(jié)果實(shí)例(從圖9c的表面測(cè)量結(jié)果減去圖9d 的校準(zhǔn)結(jié)果)；
具體實(shí)施例方式本發(fā)明提供提高計(jì)量系統(tǒng)的測(cè)量精度的方法，所述計(jì)量系統(tǒng)包括包括多軸測(cè)試件定位裝置和嵌入波前測(cè)量?jī)x表例如菲佐干涉儀的機(jī)器。這些方法減小儀表波前的對(duì)稱誤差的誤差成分，特別是非球面波前的較高空間頻率誤差(大于測(cè)試件上的小波動(dòng))。參照?qǐng)D1和2，根據(jù)本發(fā)明的計(jì)量系統(tǒng)10包括安裝至(“嵌入”)多軸機(jī)器14上的波前儀表12，例如，干涉儀，多軸機(jī)器14限定具有在測(cè)試過(guò)程中容納和移動(dòng)測(cè)試件20的鏡臺(tái)18的工作臺(tái)。機(jī)器運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)被示出(圖加)，其中有六個(gè)機(jī)械軸；三個(gè)用于平移(X，Y， Ζ)，三個(gè)用于旋轉(zhuǎn)(A，B，C)。應(yīng)該理解，其它軸結(jié)構(gòu)(包括軸的不同數(shù)量和/或順序)可能在本方面的范圍內(nèi)。這六個(gè)軸的每個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)例如通過(guò)致動(dòng)器16獨(dú)立可控制，致動(dòng)器16 諸如是具有常規(guī)設(shè)備和齒輪裝置的步進(jìn)電機(jī)組。所有這些機(jī)械軸可以自動(dòng)或手動(dòng)控制?？刂频念愋筒皇翘幚淼谋匾糠?。如圖3所示，機(jī)器軸必須將測(cè)試件定位，使得嵌入儀表波前的焦距36名義上與非平面測(cè)試件表面的任何具體部分的曲率中心一致(或在標(biāo)定平面測(cè)試件的情況下，儀表波前的傳播方向34名義上平行于測(cè)試表面法線38)。在本文中這稱為表面“共焦”位置。共焦位置經(jīng)常也稱為“零位”，意指重新進(jìn)入儀表的波前與用于測(cè)試的儀表存在的波前近似或相同。圖4示出名義上的平面測(cè)試件的情況。應(yīng)該注意，當(dāng)用球面或平面波前測(cè)試時(shí)，非球面的大多數(shù)區(qū)域沒(méi)有唯一的零位或共焦位置。然而，它們具有最接近近似共焦的位置(雖然精確的位置某種程度上取決于使用的“接近”的定義；最小均方波前偏差和最小峰值波前斜率差是兩個(gè)實(shí)例)。參見(jiàn)圖7，它是實(shí)例非球面表面的示意圖。圖8b圖示非球面的局部曲率半徑的變化，以及最靠近共焦位置的曲率132，用于測(cè)試遠(yuǎn)離對(duì)稱軸20ram(圖7d中的簡(jiǎn)圖)。波前儀12最好包括(可能是電腦控制的)用于設(shè)定儀表像面的機(jī)構(gòu)(聚焦臺(tái)，在本文中稱為“F”軸)。圖5詳述包括這種F軸的示例性菲佐干涉儀。光源1 發(fā)射光束， 光束被透鏡12b聚焦，然后，部分地被分束器12c反射(部分透過(guò)分束器12c的光一般忽略不計(jì))，然后，被透鏡12d準(zhǔn)直。然后，光透過(guò)透射球面觀或透射平面32。對(duì)于透射球面， 優(yōu)選儀表內(nèi)部光軸31與儀表外部光軸34和Z軸傳播方向兩者相互平行。透射球面的最后表面，即，參考表面四，對(duì)齊，使得它的曲率半徑在平面上的入射波前的曲率半徑一致。有些光被透射，會(huì)聚到點(diǎn)36，而其余光反射回儀表(“參考波前”)。然后，透射的光從測(cè)試表面(例如，42，46a，或46b)并再進(jìn)入波前(“測(cè)試波前”)。參考波前和測(cè)試波前都通過(guò)透鏡12d返回并且部分地透過(guò)分束器12c (這次，從分束器12c部分反射的光一般忽略不計(jì))。 然后，光通過(guò)透鏡12e，該透鏡1 被優(yōu)先選擇用于準(zhǔn)直光(形成圖像空間的系統(tǒng)遠(yuǎn)心)。在通過(guò)所有光學(xué)系統(tǒng)之后，平面12i名義上與測(cè)試表面共軛。聚焦軸F提供所述裝置，以與沿名義上平行于光軸12f的軸將儀表檢測(cè)器平面12g移動(dòng)至12i，從而達(dá)到用于具體測(cè)試表面的最佳焦距。儀表檢測(cè)器平面12g的兩個(gè)實(shí)際實(shí)例包括CXD成像陣列(包括在包裝1 中的其它視頻電子設(shè)備)和散射盤(pán)(包括在包裝12h中的另外中繼成像光學(xué)元件)。通常，在現(xiàn)有技術(shù)中，波前測(cè)量?jī)x表是它的光學(xué)元件將波前成像到某個(gè)檢測(cè)平面 (其中記錄波前的強(qiáng)度和/或相位)的光學(xué)系統(tǒng)。這種儀表通常要求將表面(或光學(xué)系統(tǒng)) 放在離儀表特定距離的條件下測(cè)試，如圖3所示。該距離取決于儀表的光學(xué)系統(tǒng)以及測(cè)試表面的曲率半徑；共焦位置是在等于離儀表焦點(diǎn)36的表面曲率半徑的距離。因此，具有不同半徑的不同測(cè)試表面，諸如42，46a和46b，放在離儀表不同的距離(并具有不同的物方共軛)。儀
表檢測(cè)平面1 最佳^ (彡像方共軛Ui—致的12g)改變，結(jié)果，通常根椐等式 1: obJ + ims = f其中“obj”是從測(cè)試表面到儀表的第一主面12P1的位移量，“img”是從儀表的后主面12P2到像面的位移量(即，檢測(cè)平面的最佳位置)，“f”是儀表光學(xué)系統(tǒng)的焦距。通常，儀表操作者手工(和目視)調(diào)整檢測(cè)平面12g(并因此“劃圖”)，以對(duì)給定測(cè)試結(jié)構(gòu)(與測(cè)試表面圖像共軛12i—致的12g)實(shí)現(xiàn)最銳利的圖像。為了讓操作者看清楚， 當(dāng)達(dá)到最加焦距時(shí)，這一般需要物理邊緣或某另一高對(duì)比度特征(例如，測(cè)試件邊緣，或插入儀表波前以臨時(shí)提供聚焦邊緣的一張紙)。因此，現(xiàn)有技術(shù)的聚焦方法不需要知道物體的位置、儀表焦距、或儀表主面位置。根據(jù)本發(fā)明的自動(dòng)聚焦系統(tǒng)比現(xiàn)有技術(shù)的波前測(cè)量?jī)x表具有明顯改進(jìn)。本發(fā)明建立在所謂的“有源”聚焦系統(tǒng)的基本概念上，但是有兩個(gè)主要改進(jìn)1.本發(fā)明是自校準(zhǔn)，因此，不需要知道儀表光學(xué)設(shè)計(jì)；和2.它采用測(cè)試件標(biāo)定局部曲率半徑的現(xiàn)有知識(shí)計(jì)算物距，不需要另外的測(cè)距機(jī)構(gòu)。本發(fā)明沒(méi)有采用儀表光學(xué)系統(tǒng)的詳細(xì)知識(shí)，因此，等式1不能利用“原態(tài)”。相反， 本發(fā)明采用的模式由等式2給出。
等式
權(quán)利要求
1.在包括零件定位裝置和具有聚焦臺(tái)和多個(gè)不變的第一級(jí)特性參數(shù)的波前測(cè)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)中，一種用于確定波前測(cè)量?jī)x表的第一級(jí)光學(xué)參數(shù)和用等式7+-—^7 = 4描述的圖像共軛的方法，該方法包括以下步驟 ob + ob _ rej im + im _rej ja)確定“0b_ref”，其是在所述儀表內(nèi)從物方參考點(diǎn)到第一主面的偏移量；b)確定“ob”，其是從測(cè)試表面到所述物方參考點(diǎn)的位移量；c)確定“im_ref”，其是在所述儀表內(nèi)從聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)到第二主面的位移量；d)確定“im”，其是在所述儀表內(nèi)聚焦臺(tái)相對(duì)于聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)的位置；e)確定“f”，其是儀表光學(xué)系統(tǒng)的焦距。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，該方法還包括以下步驟a)在理想的光學(xué)結(jié)構(gòu)中設(shè)置所述波前測(cè)量?jī)x表；b)在所述計(jì)量系統(tǒng)中設(shè)置具有已知半徑和離其共焦位置已知位移的測(cè)試表面的零件；c)調(diào)整所述聚焦臺(tái)的位置，直到所述表面被精確聚焦；d)記錄得到的一對(duì)共軛位置的結(jié)果，其包括所述聚焦臺(tái)的位置和所述零件相對(duì)所述已知物方參考點(diǎn)的位置；e)重復(fù)步驟b至d，以獲得多個(gè)不同對(duì)的所述共軛位置；和f)通過(guò)以下方式對(duì)所述對(duì)共軛位置進(jìn)行擬合計(jì)算求出儀表光學(xué)系統(tǒng)的所述多個(gè)不變的第一級(jí)特性參數(shù)，至少包括焦距、從物方參考點(diǎn)到第一主面的位移、和從聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)到第二主面的位移。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，用于確定聚焦臺(tái)的位置，使得儀表聚焦在特定位置，該方法還包括以下步驟a)基于測(cè)試波前的局部曲率半徑和波前相對(duì)于物方參考點(diǎn)和第一主面的位置的知識(shí)， 計(jì)算所述特定位置的物方共軛位置；b)基于所述物方共軛位置和所知道的所述儀表光學(xué)系統(tǒng)的焦距位置，計(jì)算像方共軛位置；和c)基于所述像方共軛位置和所知的從聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)到第二主面的位移，計(jì)算聚焦臺(tái)位置，其中所述儀表聚焦到所述特定位置。
全文摘要
在包括零件定位裝置和具有聚焦臺(tái)和多個(gè)不變的第一級(jí)特性參數(shù)的波前測(cè)量?jī)x表的計(jì)量系統(tǒng)中，一種用于確定波前測(cè)量?jī)x表的第一級(jí)光學(xué)參數(shù)和用等式描述的圖像共軛的方法，該方法包括以下步驟a)確定“ob_ref”，其是在所述儀表內(nèi)從物方參考點(diǎn)到第一主面的偏移量；b)確定“ob”，其是從測(cè)試表面到所述物方參考點(diǎn)的位移量；c)確定“im_ref”，其是在所述儀表內(nèi)從聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)Fo到第二主面的位移量；d)確定“im”，其是在所述儀表內(nèi)聚焦臺(tái)相對(duì)于聚焦臺(tái)機(jī)械原點(diǎn)的位置；e)確定“f”，其是儀表光學(xué)系統(tǒng)的焦距。
文檔編號(hào)G01M11/02GK102288390SQ20111017046
公開(kāi)日2011年12月21日 申請(qǐng)日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月5日
發(fā)明者喬恩·F·弗萊格, 保羅·E·墨菲, 加里·M·德弗里斯, 德拉吉沙·米拉迪諾維克, 格雷格·W·福布斯 申請(qǐng)人:Qed技術(shù)國(guó)際股份有限公司