在包括零件定位装置和具有聚焦台和多个不变的第一级特性参数的波前测量仪表的计量系统中，一种用于确定波前测量仪表的第一级光学参数和用等式描述的图像共轭的方法，该方法包括以下步骤：a)确定“ob_ref”，其是在所述仪表内从物方参考点到第一主面的偏移量；b)确定“ob”，其是从测试表面到所述物方参考点的位移量；c)确定“im_ref”，其是在所述仪表内从聚焦台机械原点Fo到第二主面的位移量；d)确定“im”，其是在所述仪表内聚焦台相对于聚焦台机械原点的位置；e)确定“f”，其是仪表光学系统的焦距。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及表面和波前测量的方法和装置；更具体地说，涉及这种测量的自动操作设备、校准、和采集；最具体地说，涉及提高非球面和波前测量的精度的方法。
技术介绍
现有技术已知对表面和光学波前进行精确测量的方法和设备。用于获得光学的量测量的优选装置(非出乎意料地)基于光学技术。尽管可应用一些其它技术，在这个领域最普遍公认的计量仪表基于干涉测量原理。这种设备能够获得非常精确的测量。利用菲佐干涉仪(FIzeau interferometer) 等，直径为-IOOmm的部分表面的等高线图能够精确到大约10纳米(在可见光波长的1/10 和1/100之间)。基于显微镜的干涉仪(例如，基于扫描白光技术的那些干涉仪)能够精确地测量特征的高度，在 Imm直径区域的范围内高于纳米。菲佐干涉仪和显微镜干涉仪的性能满足所有情况，除非最苛刻的应用。然而，随着时间的推移，应用要求变得更严格。例如，光刻具有精确散射(“闪光”)要求。这些需要在包括从0. 1-lOmm-x波带的空间频率范围内的次纳米精度测量。这个波带是在菲佐干涉仪的横向分辨能力的高端，但是，在干涉显微镜的低端。市场上可买到的干涉显微镜能够达到本申请的高精度(或接近)，但是，达不到横向范围要求。使用较低放大倍率的显微物镜增加横向范围，但这种方法仅仅对平坦(或接近平坦)表面有效。由于它们与仪表参考面的很大偏离(弯曲部分与平参考面相比)，不能测量曲面(球面或非球面)。市场上可买到的菲佐干涉仪能够很容易达到横向范围要求。然而，为了达到需要的分辨率(-100微米)，干涉仪需要更大的放大倍率是很平常的。相当简单的光学设计改型能够解决这个问题。更大的挑战是菲佐干涉仪的高精度，它的精度通常比干涉显微镜的低。更低精度的主要因素是更高的光相干性、不能精确地聚焦在测试表面、和校准系统误差的更大难度。需要新专利技术来提高本领域当前的状态。相关的挑战是当测量的表面为非球面时极高的要求。随着测量光源的相干性提高，所得到的测量结果对缺陷诸如擦痕、灰尘颗粒、斑点、和阴影反射更灵敏。这种缺陷会降低测量结果的重复性并且也带来系统误差(偏差)。 现有技术中存在有效降低光源相干性的各种技术，以降低这种误差，而不会过度降低其它性能。例如，参见 Kuechel 的美国专利 No. 5，357, 341 ；Freischlad 的 No. 6，061, 133 ；和 Deck 等的No. 6，643，024。然而，这些技术使系统对聚焦误差更灵敏。而且，越高的空间频率表面特征的分辨率对聚焦误差的也越灵敏。因此，测量系统的合适聚焦变得非常重要。最佳焦距位置取决于干涉仪光学系统和测试元件的曲率半径。对于给定的球面(钢琴)测试件，只有当干涉仪光学系统变化时这些参数才变化。当测试零件时，这种情况一般不出现，所以干涉仪操作者通常能够手工调焦到足够精度，以获得满足要求的测量结果。然而，非球面具有两个局部主曲率半径，它们根据要检测的非球面的部位而变化。因此， 对于任何给定的部位，在指定要测试的标定半径时存在一些自由度。改变标定曲率半径意味着改变最佳测试位置(相对于干涉仪的光学系统)。这种测试物体位置的改变(变化) 意味着最佳焦距位置也改变。因此，对于非球面，干涉仪的最佳焦距位置取决于当前要测量的表面部位。现有技术中，用户调整焦距的方法不足以实现在测试非球面的多点的自动测量 (即，在测量中不需要用户手工重调焦距)。自动聚焦机构也提高测量重复性，因为会消除操作者手工聚焦技术的振动。其它装置(诸如照相机)采用自动聚焦技术，但是，这些装置不能直接应用于光学表面的测量。所谓的“无源”方法依靠优化图像的结构对比度。因为光学表面通常没有明显的表面结构，即，它们非常光滑，这种方法失效(非常像试图对无特征的目标诸如无云的天空聚焦时的情况)。然而，“有源”自动聚焦方法测量用一些辅助仪表测量目标的距离，并且利用光学系统的知识来计算必需的焦距位置。尽管这个基本原理可应用于波前测量仪表，还有潜在改进的地方。因为波前测量仪表已经将发射照明光(和检测反射光)作为它的基本功能部分，为了测量距离，采用这种仪表而不采用其它系统的手段是理想的。而且，波前测量仪表的精确光学参数并不被人熟知。(例如，它可以使用市场上可买到的精确设计的透镜子组件。)因此，当它们符合焦距时，用于校准这些参数的方法要明显改进。具有高空间频率的系统误差的校准也是必须改进的地方。参考波前误差(在测量中的空间依赖高度偏差)是非常精确的限制。在现有技术中存在几种技术校准这种误差， 包括双球形、不规则球、和具有互锁补偿器的子孔径拼接(subaperture stitching)。例如， 参见 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，这些方法不适于参考波前中较高分辨率特征的极其精确的校准。高空间频率波前特征在空间传播是比低空间频率传播得快。因此，在要测量测试光学系统的共轭位置校准这些特征非常重要；否则，在参考波前中较高空间频率成分的测定不准确。例如，对50mm直径的球体进行的球校准不能准确地校准200mm曲率半径的测试件的较高空间频率。校准的曲率半径与测试件的曲率半径明显不同，因此，参考波前误差的较高空间频率成分也不同。对于球面测试件，通过对与测试件具有大约相同半径的零件简单地进行校准，或通过对测试件本身进行校准，球技术适合于准确地校准参考波前的较高空间频率。该零件可能是球形截面(而不是完整的球)，但是，如果该零件的尺寸超过测量区域的某个边缘 (近似地，表面结构具有的感兴趣的最长空间波长不适当地空间相关)，出于这个原因它起作用。如果完整的球形不用于校准，由于零件的表面轮廓的空间相关性，求平均值的技术不必集中于参考波前的正确值。然而，这种相关性很少延及较高空间频率，让它们利用不是完全球形的零件充分地校准。应该注意，在较低空间频率也很重要的情况下，包括具有互锁补偿器的子孔径拼接的方法与非球平均值先后起作用，以使在整个可测量空间频率的范围具有参考波的准确参数。然而，这种拼接技术通常不可应用于非球面。因此，需要另外的方法来获得非球面上较高空间频率波前误差的校准。因此，本领域需要的是自动设定测量装置焦距位置的方法，优选地，是需要比较少知道实际聚焦光学系统的方法。本领域还需要的是校准或另外减小测量装置的系统误差的本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．在包括零件定位装置和具有聚焦台和多个不变的第一级特性参数的波前测量仪表的计量系统中，一种用于确定波前测量仪表的第一级光学参数和用等式（ｍａｔｈ）??（ｍｒｏｗ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｏｂ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｏｂ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＿（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｒｅｆ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｒｏｗ）?（ｍｉ）ｉｍ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＋（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｉｍ（／ｍｉ）?（ｍｏ）＿（／ｍｏ）?（ｍｉ）ｒｅｆ（／ｍｉ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍｆｒａｃ）?（ｍｏ）＝（／ｍｏ）?（ｍｆｒａｃ）?（ｍｎ）１（／ｍｎ）?（ｍｉ）ｆ（／ｍｉ）?（／ｍｆｒａｃ）?（／ｍｒｏｗ）?（／ｍａｔｈ）描述的图像共轭的方法，该方法包括以下步骤：ａ）确定“ｏｂ＿ｒｅｆ”，其是在所述仪表内从物方参考点到第一主面的偏移量；ｂ）确定“ｏｂ”，其是从测试表面到所述物方参考点的位移量；ｃ）确定“ｉｍ＿ｒｅｆ”，其是在所述仪表内从聚焦台机械原点Ｆｏ到第二主面的位移量；ｄ）确定“ｉｍ”，其是在所述仪表内聚焦台相对于聚焦台机械原点的位置；ｅ）确定“ｆ”，其是仪表光学系统的焦距。...
【技术特征摘要】
...
【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·E·墨菲，德拉吉沙·米拉迪诺维克，格雷格·W·福布斯，加里·M·德弗里斯，乔恩·F·弗莱格，
申请(专利权)人：QED技术国际股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US
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