等路径干涉仪 相关申请的交叉引用
依照 35USC§119(e)， 本申请要求在 2009 年 6 月 19 日提交的在先美国临时申请 61/218,703 的权益， 其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
本发明涉及等路径干涉仪及相关的方法。 背景技术 干涉仪使用干涉光束执行物体的测量。 干涉仪可被概括地分类成等路径， 其中， 干 涉光束越过几乎相等的光学距离 ( 例如， 在数十微米之内相等 )， 以及不等路径， 相较于可 见白光的同调长度， 其光学路径差很大 ( 例如， 大于 0.05mm 且可能达到数公里 )。 等路径系 统可被配置以用低同调 ( 光谱宽带及 / 或空间延伸的 ) 光源操作。不等路径干涉仪包括例 如激光菲索 (Fizeau) 干涉仪， 其可被用以测试光学元件。
等路径干涉仪在光学测试方面是受到关注的， 例如， 对于分别测量半透明物体 的前及后表面。等路径干涉仪也可被使用于干涉显微镜方法中， 其中可使用低同调卤素 灯及白光 LED 做为光源。例如， 干涉显微镜方法设计可根据路径平衡及色散补偿的米劳 (Mirau)、 麦克森 (Michelson) 或林尼克 (Linnik) 干涉仪。
发明内容 通常， 在一特征中， 干涉仪提供几乎相等的测量及参考路径长度， 测量路径延伸至 测试物体的表面， 参考路径延伸至参考元件的表面， 且允许使用来自低同调光源的光。 干涉 仪的一种应用是当实质上对其他物体表面无反应时对部分透明的物体被选择的表面描绘 其轮廓。在一些实施方式中， 不等路径激光菲索仪器适用于等路径几何。在一些实施方式 中， 干涉仪是作为显微镜的干涉物镜， 例如， 显微镜采用低同调光源的显微镜。
通常， 在另一特征中， 干涉仪被提供， 其中， 干涉仪包括光源、 参考元件、 干涉仪分 光器、 用于过滤不想要的反射的孔径光阑或其等价物、 及诸如照相机的成像装置。 进入源的 光的一部分通过参考元件的部分反射表面而到达干涉仪分光器。 分光器将此部分的源的光 分成参考及测量光束。参考光束接着从参考元件的部分反射参考表面反射， 行进回到干涉 仪分光器， 再一次从分光器反射， 然后通过参考元件， 最后并通过孔径光阑而到达照相机。 在透射通过分光器后， 测量光束从至少一物体表面反射， 使得测量光回到干涉仪分光器且 大约同延地且同轴地与参考光束结合， 而在照相机处产生一干涉图案。参考元件及分光器 被倾斜使得来自干涉仪组件的不同表面的寄生反射被孔径光阑或其等价物阻挡， 而在照相 装置处产生双光束干涉图案。
通常， 在另一特征中， 提供用于在干涉仪中的光学总成。 光学总成包括第一及第二 部分反射表面， 沿着光轴被定位且向着光轴被定向于不同的非法线角。第二部分反射表面 被配置以接收沿着光学路径传递通过第一部分反射表面的光， 将接收光的一部分传送至测
试物体以限定干涉仪的测量光且将另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以 限定用于干涉仪的参考光， 其中， 参考光在第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来 回的路径。
光学总成的实施方式可包括一或多个下列特点。 非法线角可使得参考光在第二部 分反射表面将参考光沿着光轴反射回去之前通过第一及第二部分反射表面之间至少一次。 非法线角可使得参考光在其中一次通过其间的期间以垂直入射接触其中一个部分反射表 面。
第一部分反射表面的非法线角可为第二部分反射表面的非法线角的一又二分之 一倍。
在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后， 第二部分反射表面可被配 置以结合在测量光从测试物体反射回到第二部分反射表面之后的测量光、 与在其至少一次 来回行进于第二与第一部分反射表面之间之后的参考光。
光学总成可包括 ： 第一光学元件， 具有第一部分反射表面 ； 及第二光学元件， 具有 第二部分反射表面。第一及第二光学元件， 各自可具有另一表面， 该表面具有一抗反射涂 层。部分反射表面可分别位于光学元件的外表面上。部分反射表面可被形成在光学元件内 的各自的内界面。 第一部分反射表面可与第二部分反射表面间隔一距离， 其大于捕获在参考光与测 量光之间的干涉图案的成像模块的焦深。 干涉仪的光学元件被定位使得参考光不通过在成 像模块的焦深内的玻璃。
第一光学元件可具有另一表面， 其具有一抗反射涂层。 第一光学元件可被定向， 使 得第一部分反射表面面向第二光学元件的第二部分反射表面， 且第一光学元件的抗反射涂 层背向第二部分反射表面。 第一部分反射表面及第二部分反射表面间的距离是大于用以捕 获在参考光及测量光间的干涉图案的成像模块的焦深。
光学总成可包括 ： 色散补偿器， 被定位在第一光学元件及第二光学元件的间以补 偿在测量光及参考光间的相位差， 色散补偿器被定位靠近第三光学元件且位于成像模块的 焦深之外。
第一光学元件可被定向， 使得第一部分反射表面背向第二光学元件的第二部分反 射表面， 且第一光学元件的抗反射涂层面向第二部分反射表面。
光学总成可进一步包括 ： 第三部分反射表面。第三部分反射表面可被配置以 ： i) 接收沿着光学路径透射通过第一部分反射表面的光 ； ii) 将部分的接收光传送至测试物体 以限定测量光 ； 及 iii) 将另一部分的接收光朝向第一部分反射表面反射回去以对干涉仪 限定第二参考光， 其中， 第二参考光在第二及第一部分反射表面间行进至少一次来回的路 径。
光学总成可进一步包括 ： 准直器， 接收来自光源的光并将准直光投射至第一部分 反射表面。 光学总成可进一步包括 ： 场镜， 接收来自光源的光并将光投射至第一部分反射表 面， 在参考光被第一部分反射表面反射之后及参考光被检测器检测之前， 场镜被定位于参 考光行进的成像路径之外。
第一部分反射表面可具有范围约 10％至约 30％的反射率。第二部分反射表面可 具有范围约 40％至约 60％的反射率。
一种干涉系统可包括上述的光学总成及干涉仪基座， 其包括光源及检测器。光源 可被配置以产生透射通过第一部分反射表面且由第二部分反射表面接收的光。 检测器可被 配置以接收包括测量光及参考光的结合光并提供关于结合光的空间分布的信息。 干涉仪基 座可包括 ： 孔径光阑， 被定位以阻挡来自干涉仪基座的光， 其沿着光轴接触第一部分反射表 面并且从第一部分反射表面反射回到干涉仪基座 ； 及底座， 用以支撑测试物体。 底座可被定 位以限定测量光的光学路径长度， 其大体上等于参考光的光学路径长度。
干涉基座可包括移相器， 用以改变在测量光及参考光间的光学路径长度的差。移 相器可机械地将干涉仪基座耦合至光学总成且可被配置以改变光学总成及测试物体间的 距离， 以改变测量光的光学路径长度。
光源可为一宽带光源， 用以提供低同调干涉术测量。
光源可为一窄频激光光源。
光源可在低同调干涉术的宽带模式及高同调干涉术的激光模式间进行调整。 光源 可为一激光二极管， 其当以低于其激光门限值的电流被驱动时在宽带模式中操作， 且当以 高于其激光门限值的电流被驱动时在激光模式中操作。
第一部分反射表面可包括非平面的表面。 通常， 在另一特征中， 一种干涉方法包括 ： 沿着光轴定位第一及第二部分反射表 面， 相对于光轴将第一及第二部分反射表面导向于不同的非法线角， 且沿着平行光轴的方 向将光通过第一部分反射表面传送至第二部分反射表面。在第二部分反射表面处， 将第一 部分的光传送至测试物体以限定测量光， 并且将第二部分的光朝向第一部分反射表面反射 回去以限定参考光。在第一部分反射表面处， 将第二部分的光的一部分朝向第二部分反射 表面反射， 使得参考光在第二与第一部分反射表面之间行进至少一次来回的路径。
干涉方法的实施方式可包括一或多个下列特点。 导向第一及第二部分反射表面可 包括将第一及第二部分反射表面定向于不同的非法线角， 以使得参考光在第二部分反射表 面沿着光轴将参考光反射回去之前至少一次通过第一及第二部分反射表面之间。
定向第一及第二部分反射表面可包括将第一及第二部分反射表面导向于不同的 非法线角， 以使得参考光在其中一次通过其间的期间以垂直入射接触其中一个部分反射表 面。
此方法可包括 ： 在第二部分反射表面， 结合在测量光从测试物体反射回到第二部 分反射表面之后的测量光、 与在其至少一次来回行进于第二及第一部分反射表面间之后的 参考光。关于结合光的空间分布的信息可被提供。孔径光阑可被提供以阻挡以远离第二部 分反射表面的方向从第一部分反射表面被反射的光。 具有反射表面的测试物体可被定位以 限定测量光的光学路径长度， 其大体上等于参考光的光学路径长度。在测量光及参考光间 的光学路径长度的差可被改变。 光学总成及测试物体间的距离可被变更以改变测量光的光 学路径长度， 其中， 光学总成包括第一及第二部分反射表面。
方法可包括将具有第一部分反射表面的光学元件定向于光学元件的外表面， 使得 具有第一部分反射表面的光学元件的外表面面向第二部分反射表面。 方法可包括不通过任 何玻璃元件而将参考光从第一部分反射表面传送至第二部分反射表面。 方法可包括将第二 部分反射表面定位于距第一部分反射表面一段距离， 此段距离大于检测在测量光与参考光 之间的干涉图案的成像模块的焦深。
方法可包括使参考光通过色散补偿器， 其补偿由于参考光与测量光行进的光学路 径长度之间的差造成的测量光与参考光之间的相位的差， 并且将色散补偿器定位在成像模 块的焦深之外。
方法可包括 ： 沿着光轴定位第三反射表面 ； 将第三部分反射表面导向以平行于第 二部分反射表面 ； 在第三部分反射表面处， 将由第一部分反射表面传送的光的第三部分传 送至测试物体以限定测量光， 并且将光的第四部分朝向第一部分反射表面反射回去以限定 第二参考光 ； 及在第一部分反射表面处， 将光的第四部分的一部分朝向第二部分反射表面 反射， 使得第二参考光在第二与第一部分反射表面之间进行至少一次来回的路径。
将光传送通过第一部分反射表面可包括将准直光传送通过第一部分反射表面。 方 法可包括在将光传送通过第一部分反射表面之前将光传送通过场镜， 并且在参考光被第一 部分反射表面反射之后及参考光被检测器检测之前将场镜定位于参考光行进的成像路径 之外。
虽然在此说明作为用于平坦表面测试的干涉仪， 利用适当地改变参考元件， 相同 的概念可推广至测量任何的表面形状。 附图说明 图 1 是用于测量物体的表面的示例性干涉仪的示意图。
图 2 及 3 是被布置以对参考光束及测量光束具有相等的路径长度的示例性光学总 成的示意图。
图 4 是相移干涉术的示例性干涉仪的示意图。
图 5 及 6 是图表。
图 7 是适用于干涉显微镜方法的示例性等路径干涉仪的示意图。
图 8 是示例性光学总成的示意图。
图 9 是用于测量非平面表面的示例性光学总成的示意图。
图 10 及 11 是用于测量物体的表面的示例性干涉仪的示意图。
图 12A 及 12B 是可在干涉仪中使用的示例性光学总成的示意图。
图 13 是可在干涉仪中使用的示例性光学总成的示意图。
图 14 是用于测量物体的表面的示例性干涉仪的示意图。
具体实施方式
参阅图 1， 示例性的干涉仪 100 被提供用以分析一物体的前表面形式或其它特征。 干涉仪 100 包括一光学总成以对测试物体 102 的表面提供一测量路径并且对一参考元件 104 的表面提供一参考路径， 其中， 测量及参考路径具有大约相等的路径长度。 在此范例中， 参考元件 104 是具有平坦表面的一玻璃板。光学总成包括多个部分反射表面， 其沿着干涉 仪 100 的光轴 106 被定位且以相对于光轴 106 的角度倾斜， 使得有用的测量及参考光沿着 光轴 106 被导引朝向一检测器 ( 例如， 照相机 108)， 而不想要的光则沿着与光轴 106 不平行 的方向被导引并滤出。这容许使用低同调光源 110 并且使得便于具有多个反射表面的透明 物体的测量。
在此， 名词” 光” 可指在紫外线、 可见光、 近红外线及红外线光谱区域的任一区域中的电磁辐射。
照明分光器 112 将光从光源 110 导引通过准直器 114， 其将光准直并且沿着与光轴 106 平行的方向将光导向参考元件 104 及干涉仪分光器 116。参考元件 104 在面对准直器 114 的表面上具有部分反射 (PR) 涂层 118， 且在面对分光器 116 的表面上具有抗反射 (AR) 涂层 120。因为 PR 涂层 118 及 AR 涂层 120 薄， 术语 “PR 涂层 118” 及 “PR 表面 118” 将可交 换地使用， 且术语 “AR 涂层 120” 及 “AR 表面 120” 将可交换地使用。分光器 116 在面对参 考组件 104 的表面上具有部分反射 (PR) 涂层 122， 且在面对测试物体 102 的表面上具有抗 反射 (AR) 涂层 124。因为 PR 涂层 122 及 AR 涂层 124 很薄， 术语 “PR 涂层 122” 及 “PR 表面 122” 将可交换地使用， 且术语 “AR 涂层 124” 及 “AR 表面 124” 将可交换地使用。
来自准直器 114 的光通过参考元件 104 的 PR 涂层 118。做为一个例子， PR 涂层 118 反射 17％的入射光并传递 83％的入射光。从而， 83％的光通过参考元件 104 的 AR 涂层 120 并且传播至分光器 124 的 PR 涂层 122， 在此例中， 其反射 50％的入射光并传递 50％的 入射光。反射的光形成一参考光束 126， 且经传递的光形成一测量光束 128。
参考光束 126 通过参考元件 104 的 AR 表面 120 并且从参考元件 104 的 PR 表面 118 部分地反射。从而， 参考元件 104 的 PR 表面 118 作为一参考表面。被反射的参考光束 126 接着回到分光器 116 的 PR 表面 122， 在该点其部分地反射进入一路径， 其与原始照明共 线且共同延伸 ( 且平行于光轴 106)， 但以相反方向行进， 最后在通过孔径光阑 130 及成像透 镜 136 之后到达照相机 108。
上述例子对于测量具有范围从 4％至 100％的表面反射率的测试物体是有用的。 根据应用， 反射率及透射率的值可与上面提供者不同。例如， 参考元件 104 的 PR 表面 118 可具有范围约 10％至约 30％的反射率， 且分光器 116 的 PR 表面 122 可具有范围约 40％至 约 60％的反射率。
在这个例子中， 参考光束 126 来回从分光器 116 的 PR 表面 122 行进至参考元件 104 的 PR 表面 118， 然后回到 PR 表面 122。如下说明 ( 图 8)， 参考元件 104 的倾斜角度可 被调整， 使得参考光束 126 在参考光束 126 与测量光束 128 结合之前在分光器 116 的 PR 表 面 122 与参考元件 104 的 PR 表面 118 之间来回行进二次或以上， 如下面说明。这使得当在 测量光束 128 及参考光束 126 之间维持等路径长度时， 从分光器 116 的 PR 表面 122 至测试 物体 102 的表面的距离可以增加。
测量光束 128 通过干涉仪分光器 116 的 AR 表面 124 到达测试物体 102， 在该处， 测 量光束 128 从测试物体 102 的至少一表面 ( 例如前表面 137) 反射回到干涉仪分光器 116， 在该处测量光束 128 的一部分沿着与原始照明大概共同延伸且共线的 ( 且平行于光轴 106) 路径传递通过剩下的组件， 最后到达照相机 108， 在该处测量光束 128 与参考光束 126 干涉。 结果是双光束干涉图案， 其对于例如决定测试物体 102 的表面轮廓是有用的。
在图 1 的例子中， 测量光束 128( 在从测试物体 102 的表面反射之后 ) 及参考光束 126( 在来回行进于 PR 表面 122 及 118 间之后 ) 在分光器 116 的 PR 表面 122 结合或重叠。 然后， 重叠的光束朝向照相机 108 行进。
除了被导引至照相机 108 的部分的参考光束 126 及测量光束 128 外， ( 在偶然反 射的其它可能来源中 ) 参考元件 104 及干涉仪分光器 116 可能产生不想要的反射 ( 诸如 139)。 为了隔离并移除不想要的反射 139， 参考元件 104 及干涉仪分光器 116 被稍微转向一角度， 如图所示， 以便将不想要的反射 139 导引至孔径光阑 130 的通光孔径之外。
图 1 显示来自参考元件 104 的 PR 表面 118 的不想要的第一反射 132 和参考光束 126 的不想要的部分 134 的例子， 该参考光束 126 的不想要的部分 134 透射通过参考元件 104 而非朝向干涉仪分光器 116 反射回去。不想要的第一反射 132 及不想要的部分 134 被 孔径光阑 130 阻挡。
在图 1 的例子中， 干涉仪分光器 116 相对于垂直该光轴 106 的定向被倾斜一角度 α。参考元件 104 被倾斜大体上等于 2α 的一角度， 使得参考光束 126 以大约垂直入射照 射至参考元件 104 的 PR 表面 118。
参阅图 2， 在一些实施方式中， 为了进一步抑制来自参考元件 104 及干涉仪分光器 116 的 AR 表面的不想要的反射， 参考元件 104 及分光器 116 可分别由楔形基板 210 及 212 制成。在此例中， 楔形基板 212 具有面对参考元件的 PR 表面 218 及面对测试物体 102 的 AR 表面 216， 其中， PR 表面 218 及 AR 表面 216 不平行。楔形基板 210 具有面对准直器 114 的 PR 表面 220 及面对分光器的 AR 表面 214， 其中， PR 表面 220 及 AR 表面 214 不平行。相 对垂直该光轴 106 的定向， PR 表面 218 及 PR 表面 220 分别倾斜大体上等于 α 及 2α 的角 度。经由使用楔形基板 210 及 212， 来自 AR 表面 214 及 216 的不想要的反射将以相对于测 量及参考光束的一角度的方向行进， 且最后被孔径光阑 130 阻挡。 在图 1 的例子中， 被观看或测量的表面是测试物体 102 的前表面 137。干涉仪 100 也可被用以观看或测量测试物体 102 的后表面 138。被测量的表面不必然需要是物体的外 表面。干涉仪 100 也可观看或测量光学元件内部的内界面。
由照相机 108 检测到的干涉图案可由例如计算机 ( 未示出 ) 执行程序加以分析。 干涉图案的分析可提供有关例如物体 102 的表面 137 是否与期望的表面轮廓匹配或偏离的 信息。
在图 1 的例子中， 干涉仪对于光的偏振不敏感。 照明分光器 112 将来自光源 110 的 光的一部分 ( 例如一半 ) 朝向准直器 114 反射， 并且将返回的光的一部分 ( 例如一半 ) 从 准直器 114 传送至照相机 108。在一些实施方式中， 干涉仪也可被配置以使用偏振光。一偏 振的照明分光器被使用， 且四分之一波板被定位于分光器及准直器 114 之间以旋转光的偏 振态。偏振的照明分光器将沿着第一方向 ( 通过四分之一波板 ) 偏振的基本上所有光导引 至准直器 114， 并且将沿着第二方向偏振的基本上所有返回光 ( 第二次通过四分之一波板 ) 传送至照相机 108。
参阅图 3， 参考元件 104 及干涉仪分光器 116 的创造性几何结构的益处在于它们 可被配置以对于参考光束 126 及测量光束 128 具有相等的路径长度， 并且在两个路径中具 有相等数量的玻璃。例如， 用于参考元件 104 的玻璃的厚度可与用于分光器 116 的玻璃的 厚度相同。在此例子中， 测量光束 128 从分光器 116 的 PR 表面 122 行进至物体 102 的前表 面 137 并且回到 PR 表面 122 的路径长度等于参考光束 126 从 PR 表面 122 行进至参考元件 104 的 PR 表面 118 并且回到 PR 表面 122 的路径长度。
诸如温度的环境条件的变化大体上在参考光束 126 及测量光束 128 中导致相同数 量的相位变化。这在例如低同调干涉术中是有用的， 其对于测量及参考光束维持相同的光 学路径长度是重要的。在一些例子中， 参考元件 104 及分光器 116 的厚度可能不同， 且额外 的光学元件可被使用以部分或完全修正由此种差异导致的相位差。
若测试物体 102 的后表面 138 或是在测试物体 102 的主体内的表面被测量， 在测 试物体 102 与分光器 116 之间的距离可被调整， 使得测量光束从 PR 表面 122 行进至要被测 量的表面的来回的光学路径长度等于参考光束从 PR 表面 122 行进至 PR 表面 118 的来回的 光学路径长度。 需要指出的是， 因为测试物体的折射率可与空气的折射率不同， 即使测量及 参考光束的光学路径长度相同， 测量光束行进的物理距离可与参考光束行进的物理距离不 同。
在图 2 的例子中， 参考元件 210 及分光器 212 也对测量及参考光束提供相等的路 径长度。
本发明设计的另一个益处在于其与商用的激光菲索 (Fizeau) 干涉仪的整体几何 与机械设计兼容， 诸如可由 Connecticut 的 Middlefield 的 Zygo Corporation 取得的 Zygo TM GPT 系列的干涉仪。
参考图 4， 示例性的等路径干涉仪 144 可被用于相移干涉术。 干涉仪 144 包括仪器 主机 142 及干涉仪次总成 140。 干涉仪次总成 140 是取决于应用而可附加至仪器的主机 142 或从其移除的附件。主机 142 包括光源 146、 照明分光器 112、 准直器 114、 孔径光阑 130、 成 像透镜 136、 及照相机 108， 类似于图 1 的例子中所示的那些。光源 146 可为激光光源或是 低同调光源。 在一些实施方式中， 光源 146 可在用于低同调干涉术的宽带模式及用于高同调干 涉术的激光模式间调整。例如， 光源 146 可为激光二极管， 其当以低于其激光门限值的电 流被驱动时在宽带模式中操作， 且当以高于其激光门限值的电流被驱动时在激光模式中操 作。
干涉仪次总成 140 包括一干涉仪分光器 116 及一参考元件 104， 类似于图 1 的例子 中所示者。次总成 140 的位置可由一机械移相器 148 调整 ( 由 147 表示 )， 其可具有例如 1 微米等级的准确度。移相器 148 改变在测量光束 128 及参考光束 126 之间的光学路径长度 的差。在此例中， 移相器 148 机械地将干涉仪次总成 140 耦合至仪器主机 142 上的基座并 且被配置以改变次总成 140 及测试物体 102 间的距离， 以改变用于测量光束 128 的光学路 径长度。
次总成 140 可被配置为可拆卸的附件， 其可通过附件安装凸缘 149 被安装在仪器 主机 142 上。在此例中， 干涉仪 144 是与任意偏振的照明相容。
在一些实施方式中， 其可配置干涉仪 144 以利用偏振光， 使得测量光束及参考光 束分别沿着测量路径及参考路径的特别部分具有特定的偏振。
当低同调光源 146 被使用时， 等路径干涉仪 144 可对例如具有多个反射表面的透 明物体的特定表面进行测量。在低同调干涉术中， 干涉效应被限制或局部化于等路径的情 况。
图 5 显示示例性干涉信号 150， 其当以一宽带 ( 中心波长为 600nm， 半最大值全宽 (FWHM) 为 15nm) 光源测量时， 如同用于透明物体的物体位置的函数一样变化。 ” 零” 的物体 位置相当于等路径的情况。在此例中， 干涉信号 150 的包络线的振幅在接近零的位置较高， 且在超出零的位置 12 微米的位置处显著地降低。
图 6 显示一示例性干涉信号强度 160， 其当以宽带 ( 中心波长为 600nm， 半最大值 全宽 (FWHM) 为 15nm) 光源测量时如用于 40 微米厚的熔融石英物体的物体位置的函数一样
变化。干涉信号 160 的第一峰值 162 出现在零的位置。干涉信号 160 的第二峰值 164 出现 在 -60 微米， 其对应于来自物体的后表面的反射。
如同可从图 5 及 6 的图式看到， 来自在远离被测量的表面超过例如 20 微米的测试 物体 102 上的表面的反射对于在等路径条件被满足 ( 亦即， 测量路径及参考路径大体上具 有相等的路径长度 ) 时产生的干涉图案的贡献将可忽略。在图 1-4 所示的例子中， 从测试 物体 102 的前表面 137 及后表面 138 反射的光可全部到达照相机 108。假定前及后表面间 的距离大于 20 微米。当干涉仪 100 被用以测量前表面 137 时， 从后表面 138 反射的光可能 对于在照相机 108 检测到的干涉图案没有任何明显的贡献。类似地， 当干涉仪 100 被用以 测量后表面 138 时， 从前表面 137 反射的光可能对于在照相机 108 检测到的干涉图案没有 任何明显的贡献。
参阅图 7， 等路径干涉仪可适用于其它的仪器平台， 诸如干涉显微镜方法。干涉显 微镜 170 包括主机 172 及可移动的干涉器物镜 174。主框架 172 包括光源 146 及透镜与场 光阑总成 176( 其包括透镜 173、 场光阑 (stop)175、 及照明孔径光阑 177) 以将来自光源 146 的光准直、 过滤、 扩张、 及导引朝向照明分光器 178。分光器 178 将光朝向干涉物镜 174 导 引。分光器 178 也接收从干涉物镜 174 返回的光， 并且将返回的光通过成像孔径光阑 180 及显像管 (tube) 透镜 182 导引至照相机 108。 干涉物镜 174 包括物镜 184、 干涉仪分光器 116、 及参考元件 104。为了观看 ( 或测 量 ) 物体 102 的特定表面， 机械扫瞄机构 186 沿着方向 188 扫瞄干涉物镜 174 以调整分光 器 116 的 PR 表面 122 与被观看的物体 102 的表面之间的距离。可移动的干涉器物镜 174 可取代在其它系统中使用的米劳、 麦克森、 或林尼克型的干涉物镜。因为显微镜 170 使用等 路径干涉仪， 其对于扫瞄白光干涉术是有用的。干涉物镜 174 可比麦克森或林尼克型的干 涉物镜更紧凑。
参阅图 8， 在一些实施方式中， 用于等路径干涉仪的光学总成 190 包括参考元件 192 及干涉仪分光器 194。干涉仪分光器 194 相对于垂直光轴 106 的方向倾斜一角度 α， 且 参考元件 192 相对于垂直该光轴 106 的方向倾斜一角度 1.5α。在此配置下， 参考光束 196 总共从参考元件 192 的 PR 表面 200 反射二次且从干涉分光器 194 的 PR 表面 202 反射三次。 在参考光束 196 与测量光束 198 结合之前， 参考光束 196 在分光器 194 的 PR 表面 202 及参 考元件 192 的 PR 表面 200 之间来回行进两次。
参考元件 192 的厚度 T1 是分光器 194 的厚度 T2 的一半， 使得参考光束 196 及测 量光束 198 通过相等数量的玻璃。在分光器 194 的 PR 表面 202 与被测量的物体 102 的前 表面 137 之间的距离可大约为分光器 194 的 PR 表面 202 与参考元件 192 的 PR 表面 200 之 间的距离的两倍。类似于图 4 中的例子， 光学总成 190 可与仪器主机一起使用， 或者类似于 图 7 中的例子， 可被使用于干涉显微镜中。
光学总成 190 的优点在于与图 1-4 及 7 中显示的例子相比， 其提供在分光器 194 与测试物体 102 之间增加的工作距离。
在一些实施方式中， 干涉仪分光器 ( 例如 116 或 194) 及参考元件 ( 例如 104 或 192) 可为非平面。例如， 若测试物体 102 是球面， 参考元件 ( 例如 104 或 192) 的 PR 参考表 面 ( 例如 118 或 200) 可为可比较的球面形状。
图 9 显示用以测量测试物体 222 的非平面 ( 例如球面凹面 ) 表面 224 的示例性干
涉仪 220。干涉仪 220 包括楔形参考元件 226 及楔形干涉仪分光器 228。分光器 228 具有 PR 表面 232 及 AR 表面 242。参考元件 226 具有 PR 表面 230 及 AR 表面 240， 其中， 测试物体 222 的 PR 表面 230 及表面 224 相对于分光器 228 的 PR 表面 232 是对称的。PR 表面 232 将 进入的光束 244 分开成测量光束 234 及参考光束 236， 其在 PR 表面 232 结合以形成重叠的 光束 238 之前行进相等的路径长度。重叠光束 238 的干涉图案可被分析以提供有关例如测 试物体 222 的表面 224 是否匹配或偏离由参考元件 226 的 PR 表面 230 表示的期望的表面 轮廓的信息。
在干涉仪 100 中， 用于捕取或记录干涉图案的成像模块或系统 ( 包括成像透镜 136 及照相机 108) 具有一定的焦深， 使得在焦深外的物体变成失焦而由照相机 108 捕取的影像 显得模糊。在一些实施方式中， 干涉仪可被配置以具有位于成像系统的焦深之外的某些部 件以放宽对部件质量的要求。 例如， 若玻璃基板位于成像系统的焦深之外， 则玻璃基板的疵 点变得失焦且对于由照相机 108 捕取的干涉图案具有小的或可忽略的影响。这容许使用较 低成本的部件以降低系统的总成本， 同时仍维持高性能。
参阅图 10， 在一些实施方式中， 除了干涉仪 250 包括参考元件 252， 其相较于干涉 仪 100 的参考元件 104 被翻转， 干涉仪 250 具有类似于干涉仪 100( 图 1) 的配置。 参考元件 252 在面对准直器 114 的表面上具有抗反射涂层 120 且在面对干涉仪分光器 116 的表面上 具有部分反射涂层 118。从光源 160 输入的光在碰到 PR 涂层 118 之前先碰到 AR 涂层 120。 此配置可具有优点， 即在干涉仪 250 的成像系统的焦深内没有玻璃元件。
在此例中， 焦深是由光的波长除以数值孔径的平方来定义。例如， 在 500nm 的波 长， 具有 0.005 的数值孔径的成像系统的焦深是 20mm。成像系统被设计以投影在从参考元 件 252 的 PR 表面 118 反射的光与从物体 120 上或物体 120 中的表面反射的光之间的干涉 的图案， 所以焦点的中心位于参考元件 252 的 PR 表面 118 及被测量的物体 120 的表面。当 分光器 116 及参考元件 104 被定位以分开超过焦深 ( 在此例中是 20mm) 时， 分光器基板变 成失焦。这可放宽对于在干涉仪 250 中使用的玻璃基板的质量要求， 特别是在高的空间频 率处。
参阅图 11， 在一些实施方式中， 干涉仪 260 具有配置， 其类似于干涉仪 250 的配置 ( 图 10)， 并具有额外的光学元件， 诸如色散补偿器 262， 被定位在参考元件 252 的 PR 表面 118 及分光器 116 的 PR 表面 122 之间。额外的光学元件可部分地或完全地补偿在参考光束 126 及测量光束 128 之间的相位差， 其由光束 126 及 128 碰到的材料的差异所导致。
例如， 在图 10 的干涉仪 250 中， 虽然光束 126 及 128 行进的距离相同， 测量光束 128 比参考光束 126 通过更多的玻璃。 做为另一个例子， 若参考元件 252 的厚度与干涉仪分 光器 116 的厚度不同， 即使光束行进相同的距离， 在光束 126 与 128 之间可能有一相位差。 额外的光学元件 ( 例如色散补偿器 262) 可部分地或完全地补偿光束 126 及 128 间的相位 差。 额外的光学元件可被放在成像系统的焦深之外， 以放宽对额外光学元件的质量的要求。 在图 11 的例子中， 色散补偿器 262 被放置以比参考元件 118 更靠近分光器 116， 使得色散补 偿器 262 是在成像系统的焦深之外 ( 焦点中心是位于参考元件 252 的 PR 表面 118)。
参阅图 12A， 在一些实施方式中， 干涉仪包括光学总成 270， 其择一使用来自干涉 仪分光器的前表面或后表面的反射以对于产生三光束干涉图案的一测量光束及二参考光 束提供通过玻璃的大体上相等的路径。光学总成 270 包括参考元件 252 及干涉仪分光器272。参考元件 252 具有抗反射表面 R1 及部分反射表面 R2( 具有大约 50％的反射率 )。分 光器 272 具有二个部分反射表面 R3 及 R4( 各自具有大约 12％的反射率 )。表面 R1、 R2、 R3 及 R4 依序被定位。
图 12A 中的例子被说明， 其不倾斜参考元件及分光器以排除不想要的反射， 且具 有不平行的输入及输出光束， 以使得光束路径更容易观察。第一部分的光被传递通过表面 R1 及 R2， 且在表面 R3 反射， 而形成第一参考光束 A278。第一参考光束 278 从表面 R2 部分 地反射并且回到表面 R4， 参考光束 A278 在该点部分地反射于一路径中， 其与原始照明大概 是共线且共同延伸的， 但行进于相反的方向。
参阅图 12B， 第二部分的光被透射通过表面 R1、 R2 及 R3， 且在表面 R4 被反射， 而形 成第二参考光束 B280。第二参考光束 280 从表面 R2 部分地反射并且回到表面 R3， 参考光 束 B280 在该点部分地反射于一路径中， 其与原始照明大概是共线且共同延伸的， 但行进于 相反的方向。
第三部分的光透射通过表面 R1、 R2、 R3 及 R4， 形成测量光束 M282。测量光束 M282 在表面 R4 与第一参考光束 A278 结合， 且在表面 R3 与第二参考光束 B280 结合。重叠的光 束朝向照相机 108 行进， 其检测在第一参考光束 A278、 第二参考光束 B280 及测量光束 M282 间的干涉。
下面说明确定表面 R2、 R3 及 R4 的反射率以获得三光束干涉图案的高 ( 例如最大 值 ) 的对比的方法。现在不管所有的寄生反射， 单一影像点的干涉强度是 ： 2
I ＝ |EA+EB+EM| (1)
在此 EA， EB， EM 分别是参考光束 A278、 参考光束 B280 及测量光束 M282 的复数电场 振幅。分别将表面 R1…R4 的复数反射率分别表示为 r1…4， 和将这些相同表面的透射率分别 表示为 t1… 4。追溯二参考光束 A 及 B 通过系统， 对于输入场 E0 得到
EA ＝ E0t1t2r3r2t3r4t3t2t1 (2)
在此 是有关于在二参考光束 A 及 B 之间的光学路径差 (OPD) 的相位偏移。方程 式 (2) 及 (3) 被简化为
假定分光器表面 R2 及 R3 是完美的平行， 与光学路径差相关的相位且二参考光束有建设性干涉， 我们可将一等价的参考光束场写成
ER ＝ 2EA. (6)
测量场是
方程式 (1) 中的强度 I 被简化成二光束等价物 I ＝ |ER+EM|2， (8) 导致熟悉的强度公式在此相应于
T1..4 ＝ |t1..4|2 (12) 2
R1..4 ＝ |r1..4| (13) 2
RM ＝ |rM| (14) 2
参考光束净强度 |ER| 是单独来看参考反射 (A) 或 (B) 中的一个的强度的 4 倍， 其 表示要获得良好的干涉条纹 (fringe) 对比， 分光器反射率 R3、 R4 不需要很高。将干涉条纹 对比定义为
最大的条纹对比 V ＝ 1 相应于 IR ＝ IM 而实现。使用方程式 (10) 及 (11)， 当
时， 可获得最大对比 其被简化成做为一特定的例子， 令物体 120 为一裸玻璃表面， 其具有 4％反射、 50％的参考表 面 (R2) 反射率、 且对于 R3 及 R4 相同的反射率、 以及介电涂层， 以对于 R1 达成 0％的反射 率。在此例子中， R1 ＝ 0 R2 ＝ 50％ R4 ＝ R3 (18) RM ＝ 4％ 相应于干涉条纹对比 V ＝ 1，
其具有解 R4 ＝ 12.4％。更高反射率物体可由较高的分光器反射率获利。例如， R3 ＝ R4 ＝ 28％的分光器反射率对于 30％的物体反射率提供最大的对比。
在上面的计算中， 已假定除了测量光束及二参考光束 A 及 B 之外没有其它反射到 达仪器成像系统。类似于图 10 及 11 所示的例子， 在光学总成 270 中的参考元件 252 及分 光器 272 可被倾斜以减少或消除不想要的反射并且导致平行的输入及输出光束。
参阅图 13， 在一些实施方式中， 光学总成 220 包括倾斜角度 α 的平面平行的分光 器 272 与倾斜大约等于 2α 的角度的参考元件 252。在此例中， 来自表面 R3 及 R4 的不想要 的单一表面的反射未平行于输出光束路径返回。
仍有来自表面 R4 的非计划中的光束从表面 R2 反射并且再次从表面 R4 进入至输
出光束。同样仍有来自表面 R3 的非计划中的光束从表面 R2 反射并且再次从表面 R3 进入 至输出光束。 当照明是低空间及时间同调时， 这些光束没有正确的路径长度以产生干涉 ； 因 此， 它们仅将背景光加到影像且不在其它方面扰乱要求的干涉图案。净效应在相对干涉条 纹对比中减少例如 20％。
参阅图 14， 在一些实施方式中， 经由修改干涉仪 100 以使用在成像路径之外的一 场镜 302 取代使用准直器 114 而提供干涉仪 300。 在此关键路径中没有准直器而使物体 120 直接成像于照相机 108。场镜 302 例如可被定位于光源 110 及照明分光器 112 之间。因为 场镜 302 未参与物体 120 及参考元件 104 的成像， 场镜 302 不需要具有与准直器 114 相同的 质量， 而仍使得干涉仪 300 可获得准确的测量。 场镜 210 可为例如绕射或菲涅耳 (Fresnel) 透镜。
在图 1 所示的例子中， 为了测量大的物体 120 的表面特性， 可需要使用大的准直器 114 以提供足够大的光场。大尺寸、 高质量的准直器是昂贵的。在图 14 所示的例子中， 经由 使用大口径场镜 300， 其显然比大口径准直器 114 便宜， 而在制造干涉仪 300 时可大幅地节 省成本。
图 4、 10 及 11 所示的干涉仪也可被修改以使用场镜取代准直器。 上述干涉仪可被使用以测量许多类型的物体表面的特性， 例如在硬盘驱动中使用 的玻璃盘片的盘片平坦度及盘片波纹。玻璃盘片具有前及后反射表面。上述干涉仪使用光 源， 其具有低空间同调， 使得来自后反射表面的反射对于由从前盘片表面反射的测量光及 从参考表面反射的参考光间的干涉产生的干涉图案具有可忽略的贡献。 干涉仪也可被用以 测量其它类型的盘片媒介表面。
其它的特征、 特点及优点是位于本发明的范畴内。例如， 在图 1 中， 可提供底座以 支撑测试物体 102。底座可为可调整且被配置以定位测试物体 102 以限定测量光束 128 的 光学路径长度， 其大体上等于参考光束 126 的光学路径长度。图 2 的楔形参考元件 210 的 定向可被翻转， 使得参考元件的 PR 表面 220 面对干涉仪分光器 212。图 8 的参考元件 192 和图 9 的参考元件 226 的方向可以被翻转使得参考元件的 PR 表面面对干涉仪分光器。在 图 4 的干涉仪次总成 140 中的参考元件及干涉仪分光器与图 7 的干涉物镜 174 的配置可由 其它配置取代， 诸如图 8、 9、 10、 11、 12A、 12B 及 13 所示者。参考元件及干涉仪分光器的倾斜 角度可与上述者不同。 参考元件及干涉仪分光器的部分反射表面可被形成在光学元件内的 各自的内界面， 且不必然需要是在如图 1-4 及 7-14 所示的外表面。