專利名稱:探頭位置測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及使用干涉儀測(cè)量表面和外形的裝置。本發(fā)明還涉及由干涉儀的輸出確定位移的方法和裝置,例如,在被測(cè)的表面和外形上方使用探頭。
已知的裝置是通過(guò)測(cè)量一個(gè)物體的表面和外形,來(lái)推知該物體的紋理、粗糙度或形狀。這種裝置的一個(gè)例子是由RankTaylor Hobson有限公司(P.O.Box36,2New Star Road,LeicesterLE47JQ,UK)生產(chǎn)的FORM TAL YSURF(TM)測(cè)量系統(tǒng)。該裝置包括一個(gè)探頭部件,或探針,它們向下伸向被測(cè)的表面并與其接觸,該被測(cè)表面還與一個(gè)支承臂的一端相鄰,該支承臂安裝在一個(gè)支承結(jié)構(gòu)的樞軸上。
該支承結(jié)構(gòu)是這樣安裝的,它可做平行于(或幾乎平行于)被測(cè)物體表面的線性運(yùn)動(dòng),并可通過(guò)一個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以直線方式橫穿被測(cè)表面。支承臂超出樞軸支架并帶有一個(gè)反射面,該反射面限定了兩條光路的一端,沿著光路可引導(dǎo)出一個(gè)準(zhǔn)直光源(一個(gè)激光源)。
在被測(cè)表面上方的一個(gè)參考探頭位置上,兩條光路的長(zhǎng)度相等。但是,當(dāng)被測(cè)表面的高度變化時(shí),探頭在重力的作用下沿被測(cè)表面推進(jìn),位于樞軸支承臂另一端的反射表面也移動(dòng),從而改變了兩條光路中一條的光路長(zhǎng)度,這樣便會(huì)產(chǎn)生干涉的條紋圖案。
計(jì)算通過(guò)一個(gè)設(shè)定的光檢測(cè)器位置的條紋數(shù),從而測(cè)量探頭的位移。因此,采用一個(gè)條紋計(jì)數(shù)裝置以對(duì)通過(guò)一個(gè)固定的檢測(cè)器位置的條紋進(jìn)行計(jì)數(shù),并由此提供一個(gè)輸出信號(hào),該輸出信號(hào)代表在探頭結(jié)構(gòu)直線橫穿被測(cè)表面時(shí),探頭在被測(cè)表面上方的位移。當(dāng)然,也可以等效地移動(dòng)被測(cè)表面,而不是探頭。
為測(cè)量可旋轉(zhuǎn)物體的粗糙度和形狀,例如曲軸或輪軸,則使被測(cè)物體位于探針的下方,并被安裝成可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。當(dāng)被測(cè)物體旋轉(zhuǎn)時(shí),探頭測(cè)量被測(cè)物體的圓周,由此可以檢測(cè)任何與所需形狀的偏差或偏心度。
這種測(cè)量裝置在探頭位置(由此推知被測(cè)表面的高度)的測(cè)量方面要求具有極高的精度。上述裝置能夠獲得10nm數(shù)量級(jí)的位移分辯率。這種裝置的另一個(gè)重要的特性是探針?biāo)軠y(cè)量的最大位移;其需要相當(dāng)?shù)拇笠詼y(cè)量許多類型的表面或形狀,典型的大小在毫米數(shù)量級(jí)。這種測(cè)量設(shè)備所完成的一種有效的測(cè)量是“動(dòng)態(tài)范圍”,其定義為范圍R(毫米)/分辯率R(毫米)。其最好是盡可能地高。
雖然上述裝置具有出色的性能,但也產(chǎn)生了一些問(wèn)題。首先是采用邁克爾遜型干涉儀測(cè)量?jī)蓷l光路間在光程長(zhǎng)度上的差。這種測(cè)量關(guān)鍵依賴于穩(wěn)定的光的波長(zhǎng),而大氣壓力和溫度的變化都會(huì)引起光的波長(zhǎng)的變化,從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測(cè)量。由于兩條光程的長(zhǎng)度可以相差很多,所以,光源必須具有很長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度;這樣所提供的合適的光源就是那種既昂貴又龐大的激光器,并需要高壓電源和可觀的散熱設(shè)備。
US3726595圖8-1表示了一種采用光柵干涉儀的表面測(cè)量裝置。在一個(gè)光柵干涉儀中,光束照在光柵上并由此被衍射以產(chǎn)生一對(duì)第一級(jí)衍射光束(雖然可以使用更高級(jí)的)。這兩條光束被反射以傳插相等的路程并重合從而產(chǎn)生干涉圖案。當(dāng)光柵橫向移動(dòng)時(shí),每條光束的光程保持恒定但每條光束的相位發(fā)生變化,以移動(dòng)干涉圖案的條紋。因此,條紋的移動(dòng)就提供了光柵橫向移動(dòng)的一種測(cè)量。
在US3726595中,光柵垂直于一個(gè)表面放置并在其與表面接觸的端部裝有一個(gè)探頭,以便當(dāng)干涉儀沿該表面橫向移動(dòng)時(shí),光柵不得不垂直于該表面移動(dòng),并導(dǎo)致干涉圖案的變化,從而給出了探頭位置的測(cè)量結(jié)果。
這種裝置固有的特性是必需限定光柵只能作純直線移動(dòng),這種移動(dòng)還必需橫向于照射光束和兩條衍射極光束的等分線。但是,在粗糙或不規(guī)則的表面,或一般在由探頭接觸的上升緣的表面的測(cè)量中,這種安裝探頭的方法是不能令人滿意的,這是因?yàn)楫?dāng)探頭伸出與這樣的上升緣接觸時(shí),探頭從上升緣上面移過(guò)會(huì)加大探頭內(nèi)的壓應(yīng)力,這樣首先會(huì)有可能移動(dòng)光柵的準(zhǔn)線(干擾干涉圖案),第二會(huì)因與表面摩擦力的增大導(dǎo)致探頭趨于振動(dòng)。還會(huì)使探頭安裝架上的應(yīng)力趨于增大。
因此根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面,我們提供一種裝有光柵干涉儀的表面或外形測(cè)量裝置,其一部分與樞軸安裝的探頭相連。
但是,直接實(shí)現(xiàn)這樣一種裝置會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題;例如,如果把US3726595所示的裝置設(shè)置成光柵/探頭被裝到樞軸臂上,則光柵的旋轉(zhuǎn)與探頭一樣的轉(zhuǎn)動(dòng),由此光柵就會(huì)在被測(cè)表面上下起伏。這種轉(zhuǎn)動(dòng)或者阻礙所有衍射,或者使衍射光束的方向偏轉(zhuǎn),這兩者都會(huì)造成該裝置失去作用。
因此,在本發(fā)明的這個(gè)方面,裝置是這樣設(shè)置的,即衍射光柵的偏轉(zhuǎn)和位置相對(duì)于該光學(xué)系統(tǒng)有效地保持恒定以維持干涉。
所以,按照本發(fā)明的這個(gè)方面所提供的裝置,其機(jī)械性能適合測(cè)量含有上升緣的粗糙表面,但是在這種裝置中,其衍射光束的光程長(zhǎng)度保持恒定,而且其衍射圖案對(duì)照射光的波長(zhǎng)和其相干長(zhǎng)度依靠的程度非常低,以便能夠采用相對(duì)便宜和小功率的光源,諸如半導(dǎo)體激光器這樣的光源。
在一個(gè)最佳結(jié)構(gòu)中,光柵沿一個(gè)曲面放置,光柵相對(duì)于探頭是這樣放置和連接的,即部分光柵提供的衍射相對(duì)于干涉儀的其它光學(xué)元件保持恒定準(zhǔn)直。最好是,光柵在樞軸的另一側(cè)與支承臂相連,該樞軸是與探頭連接的。這樣就擴(kuò)大了在樞軸探頭一側(cè)的支承臂的有效長(zhǎng)度,這對(duì)測(cè)量象管子這樣的封閉體積很有好處。
但是,在這個(gè)實(shí)施例中光柵的彎曲會(huì)導(dǎo)致衍射光束的發(fā)散或會(huì)聚,其分別取決于光柵是凸形還是凹形的。因此,最好能提供光學(xué)校正由光柵所產(chǎn)生的發(fā)散或會(huì)聚的裝置。這個(gè)裝置最好包括一塊或幾塊校準(zhǔn)透鏡。這里采用一個(gè)象半導(dǎo)體激光器這樣的發(fā)散光源,校正裝置最好還對(duì)光源的發(fā)散進(jìn)行校正。另一種是,光源的發(fā)散可以用來(lái)補(bǔ)償由光柵產(chǎn)生的會(huì)聚。
在由US3726595的圖8-1提供的光柵干涉儀中,是這樣安排兩條衍射光束的,即通過(guò)采用一對(duì)平行的平面反光鏡而使它們經(jīng)過(guò)等長(zhǎng)的光程,反光鏡把每一條光束反射回分光器,分光器將兩條反射光束合成。
按照本發(fā)明進(jìn)一步講,一個(gè)干涉儀包括一個(gè)棱鏡,該棱鏡相對(duì)衍射光柵是這樣放置的,即棱鏡兩側(cè)的內(nèi)表面接收由大小相等方向相反級(jí)光柵衍射的一對(duì)相應(yīng)的光束,并使它們朝向光合成器,最好為等長(zhǎng)度光程,以在它們之間產(chǎn)生干涉圖案。最好是,光合成器(例如,分光器)還包括部分棱鏡,最好是提供一個(gè)分光器作為它的中央內(nèi)表面。棱鏡最佳的形狀、位置和材料應(yīng)這樣選擇,即它們按全內(nèi)反射所反射。通過(guò)提供光學(xué)元件作為一個(gè)單獨(dú)棱鏡的一部分,可以大大減少所需的高精度的準(zhǔn)直和校正操作的數(shù)量,以減少裝置的生產(chǎn)和維修費(fèi)用。
棱鏡最好是這樣放置,即使反射表面的入射角接近45°;這樣就能使用更簡(jiǎn)單的合成器。
兩個(gè)反射表面可以作成是平行的,以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)。
參考上面所討論的TALYSURF(TM)干涉儀,所提到的是通過(guò)記數(shù)通過(guò)一個(gè)光探測(cè)器位置的條紋數(shù)量來(lái)測(cè)量位移。這種方法提供了一種精確測(cè)量方法,但是卻受到條紋間距的限制,條紋的間距依次與光柵的柵距相對(duì)應(yīng)。但是,通過(guò)測(cè)量在檢測(cè)器部位的條紋間的光信號(hào)相位可獲得更高的精度;這被稱做條紋間的內(nèi)插法。
US4629886描述了一個(gè)光標(biāo)讀出器,它用于VLST生產(chǎn)平臺(tái)的位置控制,它裝有一個(gè)刻度盤(pán)或衍射光柵。平臺(tái)和刻度盤(pán)的線性位置由光柵干涉儀測(cè)量,而且采用兩個(gè)光檢測(cè)器,它們能產(chǎn)生相位差90°的信號(hào)。該裝置還可以進(jìn)行條紋計(jì)數(shù),并采用一個(gè)內(nèi)插器,該內(nèi)插器通過(guò)選擇兩個(gè)信號(hào)中無(wú)論哪個(gè)被認(rèn)為是更接近線性的一個(gè)信號(hào)進(jìn)行工作(在這點(diǎn)上,正弦信號(hào),對(duì)于小數(shù)值,近似為線性信號(hào)),把該信號(hào)數(shù)字化,并采用該數(shù)字化信號(hào)作為對(duì)內(nèi)插值的測(cè)量。
但是,這種內(nèi)插器的精度受到限制,除非在數(shù)字運(yùn)算上包含對(duì)兩個(gè)相位不同的信號(hào)進(jìn)行歸一化處理的步驟。還需要一個(gè)精度適宜的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器。模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換和任何隨后的運(yùn)算都會(huì)限制內(nèi)插器的工作速度。
相應(yīng)地,根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,提供了一個(gè)內(nèi)插器電路,該電路與干涉測(cè)量裝置或類似裝置一起使用,它包括產(chǎn)生參考信號(hào)的裝置,產(chǎn)生代表參考信號(hào)與從干涉儀取出的信號(hào)的相位差的信號(hào)的裝置,和改變參考信號(hào)以減小相位差的裝置。這樣參考信號(hào)在相位上跟蹤來(lái)自干涉儀的信號(hào),而且輸出的是參考信號(hào)的相位而不是來(lái)自干涉儀的信號(hào)的相位。
最好是產(chǎn)生參考信號(hào)的裝置包括產(chǎn)生控制信號(hào)的裝置和響應(yīng)該控制信號(hào)產(chǎn)生預(yù)定相位的信號(hào)的裝置。這種設(shè)計(jì)最好是這樣的,其中控制信號(hào)控制頻率(或相位變化的比率),因?yàn)檫@樣即使當(dāng)相位恒定時(shí)其也是準(zhǔn)確的(例如,探頭是靜止的)。
在旋轉(zhuǎn)機(jī)器跟蹤領(lǐng)域中,已知采用提供數(shù)字預(yù)算相位輸出的跟蹤裝置,其例子是模擬裝置1S74和2S81,這些裝置在Anolog Devices,Norwood,Massachassetts,USA現(xiàn)有的各自的數(shù)據(jù)表格有所說(shuō)明。但是,這些裝置不適合條紋內(nèi)插法,而且在高跟蹤速率的情況下頻率響應(yīng)差。
應(yīng)該了解的是,雖然上述最佳實(shí)施例主要用于干涉測(cè)量裝置,但是也可以在需要采用相位數(shù)字轉(zhuǎn)換器的地方使用,該轉(zhuǎn)換器在直到低頻或直流的情況下也能工作。
控制信號(hào)最好是數(shù)字信號(hào),這樣,控制信號(hào)能夠提供相位測(cè)量的直接數(shù)字輸出。產(chǎn)生控制信號(hào)的裝置最好是簡(jiǎn)單的數(shù)字計(jì)數(shù)器,當(dāng)參考信號(hào)與來(lái)自干涉儀的信號(hào)的相位差大于預(yù)定值時(shí),計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)增加;這樣就提供了一個(gè)具有簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的快速動(dòng)作數(shù)字相位輸出電路。
控制信號(hào)適宜地輸給一個(gè)數(shù)字函數(shù)發(fā)生器,它可以簡(jiǎn)單地是一個(gè)只讀存儲(chǔ)器,產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字參考信號(hào)值,然后由數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器把該參考信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)。在這種設(shè)計(jì)中,精度相當(dāng)和響應(yīng)快速的數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器代替了已有的數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器。
當(dāng)探頭受到突然振動(dòng)或機(jī)械碰撞時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具體問(wèn)題。在很高的探頭運(yùn)行速度下,內(nèi)插器可能會(huì)跟蹤不了來(lái)自干涉儀的信號(hào)。但是,一個(gè)條紋計(jì)數(shù)線路一般能夠在相當(dāng)高的速度下進(jìn)行工作,這樣即使發(fā)生由突然振動(dòng)導(dǎo)致的探頭快速運(yùn)動(dòng),也能基本上進(jìn)行跟蹤。
內(nèi)插器在相位上最好與條紋計(jì)數(shù)器同步,以便每一個(gè)條紋計(jì)數(shù)與內(nèi)插相位再同步,且內(nèi)插器與計(jì)數(shù)器相協(xié)調(diào)。
在上述的TALYSURF(TM)裝置中,探頭在重力的作用下,當(dāng)其通過(guò)被測(cè)表面上面時(shí)保持與該表面的接觸。因此,探頭必須直接向下對(duì)著被測(cè)表面,它限制該裝置的應(yīng)用只能在原處從下面或從側(cè)面測(cè)量該表面。
因此,根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面,提供了一個(gè)表面或外形測(cè)量裝置,該裝置包括一個(gè)探頭和使用探頭緊貼被測(cè)物體表面的裝置。
已有的裝置見(jiàn)US4669300,GB2085156和GB1429973,其中探頭是傾斜的。
這個(gè)裝置可以簡(jiǎn)單地是一種拉簧或壓簧,被設(shè)計(jì)成在一個(gè)方向上推進(jìn)探頭貼向被測(cè)表面。但是,由這種彈簧所施加的作用力與探頭的位移成比例。因此,該裝置向探頭所施加的推進(jìn)力最好基本上是恒定的。
另一種是,推進(jìn)力就如同探頭的阻尼振動(dòng),例如相對(duì)于探頭速度。
如果需要,該裝置還可以設(shè)計(jì)成能把探頭提離被測(cè)表面。
該裝置可以包含一塊電磁鐵,該電磁鐵包括一個(gè)相對(duì)移動(dòng)的線圈和極靴,由該電磁鐵施加的力基本上是恒定的而且/或者通過(guò)向線圈施加電流,這個(gè)力是可控制的。在另一種結(jié)構(gòu)中,該探頭可以受偏力到達(dá)中止位移位置,例如通過(guò)一對(duì)推進(jìn)裝置在相反方向上推進(jìn)探頭。
本發(fā)明的其它方面和最佳實(shí)施例將通過(guò)下述的說(shuō)明和權(quán)利要求表達(dá)清楚。
現(xiàn)將結(jié)合附圖,只通過(guò)舉例的方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明,其中
圖1是已知的一種表面測(cè)量裝置的示意圖;圖2是已知的一種圓度測(cè)量裝置的示意圖;圖3是表示的是用于圖1和圖2的一種已知的測(cè)量裝置的詳圖;圖4是一個(gè)光柵干涉儀的部件的示意圖;圖5是用于圖1或2的裝置的本發(fā)明最佳實(shí)施例的裝置的示意圖;圖6是圖5部分更詳細(xì)的示意圖;圖7是圖6的一部分的部件分解圖;圖8A和8B表示的是彎曲衍射光柵的作用,及一個(gè)透鏡對(duì)其的補(bǔ)償;圖9A-9C表示的是由圖6和7的裝置產(chǎn)生的輸出信號(hào);
圖10是用于圖5到圖7實(shí)施例的衍射光柵的示意圖;圖11是通過(guò)圖10所示衍射光柵的光柵表面的一部分的截面示意圖;圖12是圖10所示光柵的成品的示意圖;圖13是由圖12的方法生產(chǎn)的光柵的示意圖;圖14是用于圖5到7的裝置中的棱鏡按比例精確制作的正視圖;圖15是圖6裝置調(diào)準(zhǔn)的第一階段示意圖;圖16是圖6裝置調(diào)準(zhǔn)的第二階段示意圖;圖17是根據(jù)本發(fā)明的最佳實(shí)施例的圖6和7部分的更詳細(xì)的示意圖;圖18表示的是對(duì)圖17進(jìn)行變換的另一個(gè)實(shí)施例;圖19表示的是對(duì)圖17和18增補(bǔ)部分的實(shí)施例;圖20是圖5到7的第一變換實(shí)施例的示意圖;圖21是圖5到7的第二變換實(shí)施例的示意圖;圖22是圖5到7的第三變換實(shí)施例的示意圖;圖23是圖5到7的第四變換實(shí)施例的示意圖;圖24是圖5到7的第五變換實(shí)施例的示意圖;圖25是與上述實(shí)施例一起使用的第一信號(hào)處理線路的示意圖;圖26是和圖25線路一起使用的第二信號(hào)處理輸出線路的示意圖;圖27表示的是構(gòu)成圖26線路的一部分的一個(gè)計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)的詳圖;圖28是更詳細(xì)地表示圖27線路的一部分的示意29是在圖28線路的一些點(diǎn)上的信號(hào)的示意圖;圖30表示的是圖29線路的一部分的詳圖;圖31是形成圖26線路一部分的一個(gè)內(nèi)插器線路的通常結(jié)構(gòu)的示意圖;圖32表示的是圖31的部分線路的詳圖;圖33是按照第一實(shí)施例的內(nèi)插器的結(jié)構(gòu)的示意圖;圖34表示的是按照本發(fā)明的一個(gè)最佳實(shí)施例的內(nèi)插線路的示意圖,連同一個(gè)計(jì)數(shù)器線路的示意圖;圖35A-F是在圖34線路上不同點(diǎn)的信號(hào)的示意圖。
參考圖1,一個(gè)表面測(cè)量系統(tǒng)一般包括一個(gè)支承架100,該支承加又包括一個(gè)底座100a和一個(gè)支柱100b,在該支柱上可安裝一個(gè)橫向移動(dòng)部件110。該移動(dòng)部件可安裝在支柱100b的不同高度位置上。一個(gè)支承部分或臂120從橫向移動(dòng)部件110上延伸出來(lái)并帶有一個(gè)朝下的探針或探頭130,該探頭包括一個(gè)帶有一個(gè)錐形尖的棒。為橫穿物體140的表面測(cè)量其線性外形,在橫向移動(dòng)部件110上裝有一個(gè)精密電機(jī),以線性驅(qū)動(dòng)支承臂120和探頭130朝向物體140接觸其表面。,橫向移動(dòng)部件110還裝有一個(gè)輸出端150以適當(dāng)?shù)男问桨研盘?hào)傳送給顯示或處理裝置,如計(jì)算機(jī)的終端或工作臺(tái)160。
該信號(hào)一般包括這樣一個(gè)信號(hào),即代表探頭130的高度(因此也就代表了物體140表面的高度),和探頭在電機(jī)帶動(dòng)下沿被測(cè)物體移動(dòng)的距離。
參考圖2,為測(cè)量例如軸的偏心度或圓度,對(duì)于轉(zhuǎn)動(dòng)的物體140,橫向移動(dòng)部件110不需要線性驅(qū)動(dòng)電機(jī),而是可旋轉(zhuǎn)的電機(jī),還要提供一個(gè)代表物體旋轉(zhuǎn)位置的輸出170。
參考圖3,在一個(gè)已知干涉測(cè)量?jī)x中的橫向移動(dòng)部件110包括一個(gè)氦氖激光器111,一個(gè)平行被測(cè)表面的軸112(換句話說(shuō)一般是水平的),一個(gè)滑架部件113,它含有一個(gè)與軸112接合的電機(jī)以使滑架部件113沿軸112滑動(dòng)(通過(guò)減速齒輪箱),一個(gè)滑架位置傳感器(沒(méi)有表示),用于產(chǎn)生代表滑架113沿軸112的位置的信號(hào),和一個(gè)拾取管114,它形成一個(gè)相對(duì)不透光的外殼并與滑架113連成一體。
光導(dǎo)向器115a,115b把來(lái)自激光器111的光束引到拾取管114中。探針130安裝在支承臂120的端部,該支承臂120通過(guò)樞軸121樞軸地裝到拾取管114上。支承臂120從樞軸121伸出,在臂120另一端安裝了一個(gè)反射器122,該反射器包括一個(gè)角形反射器。該角形反射器限定了所說(shuō)的邁克爾遜干涉儀的一個(gè)臂的一端,其無(wú)需進(jìn)一步說(shuō)明,和一個(gè)分光器以及四分之一波片組件123,組件123是這樣設(shè)置的,即提供一對(duì)相位相差90°的輸出信號(hào)。這些信號(hào)提供給各自的光檢測(cè)器,這些檢測(cè)器相對(duì)于條紋計(jì)數(shù)提供各自的正弦和余弦電信號(hào)。這種干涉儀所需要的激光器和光學(xué)系統(tǒng)的大小從圖3中會(huì)看得更清楚。
由于探頭130是由在軸112上橫向移動(dòng)的滑架113牽引過(guò)物體140表面的,所以,探頭130在重力作用下貼在表面上并隨表面上下起伏;反射器122也相應(yīng)地分別上升和下降,改變邁克爾遜干涉儀光程的長(zhǎng)度,導(dǎo)致條紋通過(guò)分光器組件123并改變檢測(cè)器處的信號(hào)。檢測(cè)器信號(hào)由顯示或輸出裝置160處理以提供相對(duì)于被測(cè)外形的圖象,或數(shù)據(jù)。
參考圖4,現(xiàn)在將給出使用已知類型的光柵干涉儀進(jìn)行位置測(cè)量的簡(jiǎn)要說(shuō)明。
在已有技術(shù)中,一個(gè)衍射光柵200包括一塊平板,該平板的表面有許多平行的直線紋脊,這些直線紋脊相間的距離為衍射光柵所規(guī)定的柵距d。光柵200在其平面內(nèi)能垂直于紋脊的直線移動(dòng)。光柵200由光源210照射。如果光柵材料是透明的,則光可從平板的另一側(cè)照射到平板上,平板上帶有光柵。來(lái)自光源210的光最好是來(lái)自激光器的光,盡管由于不需要相干長(zhǎng)度很長(zhǎng),但還是可以采用一些其它具有明確頻率的準(zhǔn)直光源。當(dāng)光柵200的直線紋脊之間的間距和光源210的光的波長(zhǎng)是同一級(jí)時(shí),就會(huì)發(fā)生衍射;例如,在光的波長(zhǎng)為670nm(由激光二極管產(chǎn)生)和光柵間距或柵距為1/1200mm=833nm的情況下,在與光柵200的法線成+/-θ的角度處產(chǎn)生一對(duì)+1和-1第一級(jí)強(qiáng)光束;在這個(gè)例子中θ接近54°。
一對(duì)反光鏡220a,220b位于兩條光束的光路上,以便使光束會(huì)聚在空間的一點(diǎn)上,合成器230就位于該點(diǎn)上。反光鏡220a,220b無(wú)需平行;在另一種結(jié)構(gòu)中,每塊反光鏡可以相對(duì)各自光束傾斜相同的角度,但方向相對(duì)。進(jìn)一步講,反光鏡220a,220b到光柵200的距離無(wú)需相等。最好是每條光束通過(guò)反光鏡到達(dá)合成器230所經(jīng)過(guò)的光程應(yīng)該在長(zhǎng)度上相等,以便能夠使用相干長(zhǎng)度短的光源。
合成器230可以簡(jiǎn)單地是一種二色性的分光棱鏡,但也可以換成是一種半鍍銀反光鏡。在合成器230內(nèi)的反射表面235上,被反射的光束至少其中之一的一部分保持與經(jīng)反射表面235透射的第二條光束的光路相重合,這樣,由合成器輸出的光束c就包含了兩條來(lái)自光柵200的第一級(jí)衍射光束。但是,在采用分光合成器230的情況下,合成光束c的透射和反射部分將具有不同的偏振。因此,在合成光束c的光程上采用一個(gè)帶有偏振片的檢偏器240a,其偏振軸位于該光束的透射和反射部分的偏振方向之間,以便使這兩部分通過(guò)檢測(cè)器的部分相等;這樣,在通過(guò)檢偏器240a后,合成光束包含一個(gè)光束,它的幅度是來(lái)自光柵200的兩條衍射光束的幅度之和。因此在檢偏器240a之后,在光束的光路上采用了一個(gè)光檢測(cè)器或一些其它光學(xué)拾取或檢測(cè)器。
在合成器230是分光棱鏡的情況下,還可以產(chǎn)生第二合成光束D,它同樣包含兩條同級(jí)的衍射光束,但是它們的偏振的方向是正交的,第二檢偏器240b包括一個(gè)偏振器,該偏振器的偏振方向位于這兩條光束的偏振方向之間,相應(yīng)地采用第二檢偏器是為了給出響應(yīng)兩條衍射光束的幅度之和的第二輸出。利用這個(gè)第二輸出光束以提供一個(gè)第二信號(hào),通過(guò)采用一塊傳輸波片250,其厚度與光源210的波長(zhǎng)的相應(yīng)級(jí)數(shù)的光程長(zhǎng)度相對(duì)應(yīng),例如,一塊四分之一波片,以使該信號(hào)滯后檢偏器240a的輸出信號(hào)一個(gè)固定的相位差,例如90°。
在一個(gè)預(yù)定的橫向位置上,由衍射光柵200產(chǎn)生的兩條第一級(jí)光束同相,因此,在合成器240a輸出端的光束是正弦波,其幅度是兩條中任何一條衍射光束的兩倍。忽略光柵200有限的長(zhǎng)度,如果光柵200橫向移動(dòng)的距離等于一個(gè)光柵周期或它的整數(shù)倍,則光柵200將呈現(xiàn)出等同的光學(xué)性能,因此,在檢偏器240a之后的合成光束的幅度相等,而且當(dāng)光柵位于相隔一個(gè)光柵周期的位置上的時(shí)候,幅度最大。
另一方面,如果光柵200橫向移動(dòng)的距離不是光柵周期的整數(shù)倍,則兩條衍射光束的相位漂移相等但相反的量。換句話說(shuō),一個(gè)級(jí)的光束的相位向前漂移,而另一條同級(jí)光束的相位向后漂移。相位漂移的效果是,合成光束C的兩個(gè)部分的相位差是該相位漂移的兩倍,而且這會(huì)減小由檢偏器240a輸出的合成光束的幅度。如果一條光束向前移動(dòng)90°,而另一條向后移動(dòng)90°,則合成光束的兩部分的相位差為180°,而在檢偏器240a后面的合成光束的幅度接近0(或者在任何比率下都是最小的)。當(dāng)光柵移動(dòng)半個(gè)柵距時(shí),每條衍射光束的相位移動(dòng)180°,以使檢偏器240a合成輸出的兩部分的相位差為360°,換句話說(shuō),它們?cè)俅瓮唷?br>
總之,設(shè)置一個(gè)檢測(cè)器在衍射光柵200橫向移動(dòng)時(shí)測(cè)量檢偏器240a之后的光束的幅度,該檢測(cè)器在相隔半個(gè)光柵周期,被暗條紋分開(kāi)的光柵位置處可測(cè)量幅度最大值或最小值;光束幅度一般是正弦曲線,正向變化,是光柵200橫向位置的函數(shù)。
這樣,上述光柵干涉儀在光柵橫向移動(dòng)時(shí)測(cè)量其衍射的光束的相位變化是十分清楚的;因此,可以采用一對(duì)更高一級(jí)的衍射光束來(lái)代替第一級(jí)衍射光束的使用也是清楚的。相同地,除了使用一對(duì)級(jí)數(shù)相同但反相的衍射光束外,也可獲得衍射光束的相位漂移;例如,光源210的入射光束可以用作參考相位源。
但是,使用圖4所示的對(duì)稱設(shè)置型式的好處是,由兩條光束橫向經(jīng)過(guò)的光程長(zhǎng)度實(shí)際上可使其相等。為了產(chǎn)生干涉,由兩條光束橫向通過(guò)的光程長(zhǎng)度的光程差必須保持低于光源的相干長(zhǎng)度。這樣,雖然在采用具有相干長(zhǎng)度長(zhǎng)的激光光源(如氦氖激光器)時(shí)可以使用不同的光程長(zhǎng)度,但是,對(duì)稱的,幾乎相等的光程長(zhǎng)度的使用就使人們能夠使用象半導(dǎo)體激光二極管這樣相干長(zhǎng)度短的光源,它可以只具有幾分之一毫米數(shù)量級(jí)的相干長(zhǎng)度。在兩個(gè)光程長(zhǎng)度十分相近的情況下,可以采用基本不相干的光源代替激光器。
例如,可以采用一個(gè)工作在例如650nm波長(zhǎng)下的紅的LED(發(fā)光二極管),由該發(fā)光二極管發(fā)射的光束經(jīng)過(guò)一個(gè)帶寬為1nm左右的窄帶濾光器進(jìn)行濾光;這就提供了一個(gè)約為400μm的相干長(zhǎng)度,這在使用上述實(shí)施例時(shí)足以滿足要求,因?yàn)楣獬涕L(zhǎng)度的精度至少基本在這個(gè)數(shù)量級(jí)上。為了校準(zhǔn)來(lái)自LED的光束,在這個(gè)實(shí)施例中也可采用一個(gè)針孔。最好采用象LED這樣的單色光源,而不是完全不連續(xù)或?qū)拵Ч庠?,因?yàn)檫@避免了在干涉圖案中出現(xiàn)彩色條紋。
當(dāng)產(chǎn)生一對(duì)相互有相位差的輸出光束C、D時(shí),如圖4所示,可以對(duì)這兩條光束的幅度進(jìn)行處理,以獲得光柵200移動(dòng)方向的指示。
光柵200上的條紋的形狀影響不同級(jí)的衍射光束的相對(duì)強(qiáng)度;最好是幾乎為正弦曲線的形狀。因?yàn)樵谶@里需要的是強(qiáng)的第一級(jí)衍射光束??梢杂冒蟹瓷錀l紋和吸收條紋交替相間的振幅光柵來(lái)代替有許多條紋的衍射光柵。
因?yàn)閟inθ=mλ/d,其中λ是波長(zhǎng)。改變光源210的波長(zhǎng)的作用是改變衍射光束的衍射角θ。在遇到波長(zhǎng)有一些變化的情況下,反光鏡220a,220b,合成器230,和檢偏器240等應(yīng)做的足夠?qū)捯越邮昭苌浣堑念A(yù)計(jì)范圍。
最后,應(yīng)該注意,在垂直光柵200所在的平面的方向上移動(dòng)光柵200的作用是,將在相對(duì)應(yīng)的方向上一起移動(dòng)衍射光束;因此這最終會(huì)移動(dòng)光束的光路而不包括干涉儀的一個(gè)或更多的光學(xué)元件。但是,光柵200角度的旋轉(zhuǎn)的作用會(huì)更加顯著,這是因?yàn)檠苌涔馐慕嵌认蛳喾吹姆较蛞苿?dòng)。因此光束會(huì)很快在合成器230上有重合的顯示,從而導(dǎo)致該裝置工作失效。由此,圖4所介紹的干涉儀操作對(duì)光柵200與干涉儀其它元件間的角度不對(duì)準(zhǔn),比對(duì)光柵200的軸向移動(dòng),或光源210波長(zhǎng)的漂移更為敏感。
參考圖5,其與圖3大體相對(duì)應(yīng),在圖5中,相對(duì)應(yīng)的部分用相對(duì)應(yīng)的標(biāo)號(hào),一個(gè)橫向移動(dòng)部件110包括一個(gè)橫軸112和一個(gè)滑架113,滑架113通過(guò)電動(dòng)機(jī)可以沿橫軸112滑動(dòng)(例如,一個(gè)直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)一個(gè)減速齒輪箱驅(qū)動(dòng))。在靠近支承部件或臂120的一端裝有一個(gè)探頭或探針130,支承臂120通過(guò)樞軸軸承121安裝在拾取器主體組件114上,組件114與滑架113構(gòu)成一體。如下面討論的那樣,還可以設(shè)置一個(gè)信號(hào)處理線路155,以接收來(lái)自主體114的電信號(hào),和設(shè)置一個(gè)輸出端口150輸出由信號(hào)處理線路155提供的輸出信號(hào)。此外,還可設(shè)置電源,滑架電動(dòng)機(jī)的控制線,和一個(gè)提供代表滑架在軸112上的位置的信號(hào)的位置信號(hào)輸出線路,連同連接主體114的電源線以及信號(hào)處理線路155,但為了清楚起見(jiàn),這些都沒(méi)有表示。
參考圖6,在主體114內(nèi),設(shè)有一個(gè)光源310,光源310包括一個(gè)波長(zhǎng)約670nm的激光二極管,和一個(gè)在光束中的準(zhǔn)直透鏡。支承臂120從作為123的一個(gè)部分的樞軸軸承121處伸出,在123的端部裝有一個(gè)具有一個(gè)彎曲表面的光學(xué)元件,該彎曲表面的曲率與中心為樞軸軸承121的圓弧的曲率一致。在這個(gè)彎曲表面上裝有一個(gè)衍射光柵,該光柵包括許多平行的衍射條紋,這些條紋傾斜地平行于樞軸121。來(lái)自光源310的光直接直線通過(guò)棱鏡317,垂直照射在衍射光柵300的表面上。由衍射光柵300產(chǎn)生的兩條被衍射的第一級(jí)光束進(jìn)入棱鏡317,棱鏡317將在下面更詳細(xì)地討論,由棱鏡317產(chǎn)生兩條輸出光束,這兩條光束的每一條通過(guò)各自的輸出檢偏鏡340a,340b,每個(gè)檢偏鏡包括一塊分光棱鏡。在分光鏡之一340b之前設(shè)置了一塊四分之一波片350。在每個(gè)檢偏鏡的分光鏡340a,340b的兩個(gè)表面上安裝有各自的檢測(cè)器341a,342a,341b,342b(圖6中未表示)。每個(gè)檢測(cè)器包括一個(gè)光電二極管,該二極管響應(yīng)照在它上面的光的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的電輸出信號(hào)。
在光源310和衍射光柵300之間的光路上還可設(shè)置一塊透鏡318,其作用是會(huì)聚來(lái)自光源310的準(zhǔn)直光束,以便減少由于衍射光柵300的表面彎曲所造成的光束發(fā)散,如下面將詳細(xì)討論的那樣。
還可以設(shè)置一個(gè)與支承臂123相連的偏置力裝置400,該裝置包括一個(gè)線性電磁線圈410,該線圈繞在一塊線性磁銜鐵或極靴420上,420與支承臂123相連,以便響應(yīng)提供給線圈410的電流向支承臂123施加拉力或推力。
光柵的柵距和光柵到樞軸121的距離有某種程度的聯(lián)系,這是因?yàn)闇y(cè)量?jī)x的運(yùn)動(dòng)與探頭的運(yùn)動(dòng)之比取決于臂部分120和123之比,換句話說(shuō),取決于探頭130和光柵表面301的徑向位移之比。光柵的柵距在某種程度上取決于可用光源的波長(zhǎng),以及制造光柵的方法的局限性。
對(duì)于給定的光柵尺寸,光柵移動(dòng)的距離(和因此由該移動(dòng)產(chǎn)生的條紋的數(shù)量)和探頭移動(dòng)的距離按照它們各自到樞軸121的距離之比彼此對(duì)應(yīng)。由此需要一個(gè)相對(duì)較長(zhǎng)的臂部分123。另一方面,如果臂123過(guò)長(zhǎng),相應(yīng)樞軸121的慣性延長(zhǎng)了測(cè)量?jī)x的響應(yīng)時(shí)間。在所介紹的實(shí)施例中,部件123被選擇約為支承臂120長(zhǎng)度的一半。對(duì)于表面測(cè)量,支承臂120的典型長(zhǎng)度為60mm。
參考圖7,現(xiàn)在將仔細(xì)討論圖6所示裝置的工作。激光二極管311受激發(fā)從而發(fā)射一輸出激光光束,該光束由準(zhǔn)直透鏡312進(jìn)行校準(zhǔn)。由激光二極管和準(zhǔn)直透鏡產(chǎn)生的典型光束約為2mm寬。準(zhǔn)直的光束通過(guò)二分之一透明波片319,該波片用以調(diào)節(jié)光束的偏振方向。隨后該光束定向通過(guò)一塊圓柱形透鏡318,該透鏡會(huì)聚準(zhǔn)直光束。參考圖8a,在沒(méi)有圓柱形透鏡318的情況下,當(dāng)衍射是由凸形彎曲的衍射光柵300產(chǎn)生的時(shí)候,準(zhǔn)直光束就會(huì)變成發(fā)散的衍射輸出光束。
通過(guò)設(shè)置圓柱形透鏡318,以便對(duì)輸入光束進(jìn)行相應(yīng)的會(huì)聚,從而準(zhǔn)直來(lái)自衍射光柵的衍射光束,如圖8B所示。透鏡318還可校正來(lái)自光源310的光束的任何發(fā)散或會(huì)聚。
隨后,該光束被棱鏡317的端面垂直接收,并沿棱鏡317的中央對(duì)稱軸通過(guò)該棱鏡,垂直照射在衍射光柵300的表面上。
由于裝有衍射光柵的表面301被設(shè)置成以樞軸121為中心的圓柱形表面,所以,表面301被光束照射的部分(或,更準(zhǔn)確地說(shuō),一條表面301的切線)總是垂直于照射光束,而不管樞軸臂123相對(duì)樞軸121的取向。做個(gè)比較,如果光柵為一扁平表面,則光柵與光束所呈的角度將發(fā)生漂移,同樣隨著樞軸121的轉(zhuǎn)動(dòng),從光柵表面到光源310和棱鏡317的距離將發(fā)生變化。
一對(duì)第一級(jí)衍射光束呈θ角,該角度θ取決于照射光的波長(zhǎng)λ和光柵條紋間的柵距或間距;在柵距為1200條/每毫米和照射光的波長(zhǎng)為670nm的情況下,相對(duì)于光柵垂直軸的衍射角θ約為54°。兩條衍射光束進(jìn)入棱鏡317的后部平面并被折射,折射的光束量取決于棱鏡的折射率。每條折射光束分別照射在棱鏡的測(cè)面320a,320b上,且入射角大于構(gòu)成棱鏡的材料的全內(nèi)反射角的臨界角,這些折射光束被反射回棱鏡的中央。側(cè)面320a,320b向棱鏡中心傾斜的角度相等但方向相對(duì),以便兩條光束在棱鏡中心的同一點(diǎn)上相遇。
沿棱鏡縱向中心平面設(shè)置一個(gè)分光層335,該分光層通常在第一偏振面內(nèi)透射一部分入射光束,而在第二偏振面內(nèi)反射一部分入射光束(S和P偏振)。
因此,平面層335反射每條衍射光束的一部分,同時(shí)透射另一部分,以產(chǎn)生合成的輸出光束。但是,每條合成光束的反射和透射部分呈現(xiàn)出不同的偏振,因此,它們的幅度不是相加的。每條光束通過(guò)垂直于光束光路的一個(gè)端面射出棱鏡317。一條光束進(jìn)入一個(gè)檢偏鏡340a;第二條光束在進(jìn)入檢偏鏡340b之前先進(jìn)入一塊四分之一波片350。
每個(gè)檢偏鏡340還包括一個(gè)分光棱鏡,每個(gè)棱鏡包括一塊沿對(duì)角線平面切割的立方體棱鏡,每個(gè)立方體棱鏡在其兩個(gè)半部之間有一個(gè)分光層結(jié)構(gòu)。在每個(gè)分光鏡的45°對(duì)角線平面內(nèi)的分光層起一個(gè)分光鏡的作用,透射一個(gè)入射光束的一個(gè)部分并反射第二部分。分光鏡340a,340b的每個(gè)對(duì)角線平面的旋轉(zhuǎn)取向是這樣的,即由此產(chǎn)生的每條反射和透射光束包括來(lái)自棱鏡317的輸出光束的S和P偏振相等的部分,因此也就包含來(lái)自衍射光柵300的每個(gè)衍射級(jí)的一個(gè)相等的部分。所以,分光棱鏡340a,340b是與它們所面向的棱鏡317的平面呈45°傾角轉(zhuǎn)動(dòng)的。通常,分光鏡340a粘接在棱鏡317的一個(gè)端面上,而四分之一波片350和分光鏡340b按順序粘接在另一個(gè)端面上。
設(shè)置一個(gè)光檢測(cè)器(例如,光電二極管)341a,341b以接收來(lái)自各個(gè)檢偏鏡340a,340b的反射光束,并設(shè)置光測(cè)器342a,342b以接收來(lái)自各個(gè)分光鏡340a,340b的透射輸出。由于反射,在各種情況下反射輸出的相位漂移180°。
參考圖9,表示的是每個(gè)檢測(cè)器對(duì)于光柵300的旋轉(zhuǎn)位移θ對(duì)應(yīng)于相鄰光柵柵線間半位移的輸出的曲線圖。雖然理論上每個(gè)檢測(cè)器相對(duì)于光柵位移的輸出為0到最大值的范圍內(nèi)的正弦曲線,但實(shí)際上發(fā)現(xiàn)是在最大值與非零的最小值之間變化(這是因?yàn)榄h(huán)境的光與有限的光束以及光柵的大小都包括進(jìn)去了)。最小和最大強(qiáng)度為,或可設(shè)置成,與反射和入透射光束相等,但如上所述,正弦分量的相位相差180°。
在該實(shí)驗(yàn)例中不是直接使用反射或透射輸出信號(hào)中的一個(gè),而是通過(guò)設(shè)置這樣一對(duì)檢測(cè)器342a,341a,或342b,341b,并相互相減它們的電輸出信號(hào)以提供圖9C所示的相減信號(hào),從而簡(jiǎn)化計(jì)算條紋的信號(hào)處理。其結(jié)果(沒(méi)有表示大小)為一個(gè)正弦曲線變化信號(hào),其幅值是單個(gè)檢測(cè)器輸出的正弦曲線部分的兩倍,且以O(shè)為中心,這是因?yàn)閮蓚€(gè)信號(hào)直流部分在相減中被抵消了。
參考圖10,在所介紹的實(shí)施例中,光柵300包括一塊玻璃塊,其下表面接近于矩形,尺寸例如為6mm×4mm,而其上表面是精確研磨或鑄造的圓柱體外形,其半徑與玻璃塊的高度(典型的為5mm)加上臂123的長(zhǎng)度的和相對(duì)應(yīng),玻璃塊是安裝在臂123上的。這可能有例如30mm。參考圖11,在玻璃塊彎曲的表面上裝有一個(gè)衍射光柵,該光柵包括一個(gè)紋脊相距為0.8333μm(1/1200mm)的典型柵距的圖案。光柵最好為正弦曲線外形以提供強(qiáng)的第一級(jí)衍射光束。光柵凸起的表面涂有一層諸如鋁這樣的反射層以提供一個(gè)反射光柵。
參考圖12,提供這種光柵的一個(gè)方法是在玻璃坯的彎曲表面上覆蓋一層硬化成份層,并用一對(duì)相互不平行的激光束照射該表面,使用的激光束具有光柵所需要的數(shù)量級(jí)的波長(zhǎng)。這種全息技術(shù)能夠產(chǎn)生具有正弦曲線強(qiáng)度分布的非常清晰的干涉圖案,而且會(huì)在光敏層曝光產(chǎn)生相應(yīng)的條紋圖案。當(dāng)曝光完全后,對(duì)該表面進(jìn)行浸蝕或沖洗,以去掉光敏層曝光或沒(méi)曝光的部分,從而留下紋脊的圖案。然后對(duì)該具有紋脊的圖案表面可通過(guò)任何適宜的處理涂上鋁。另一種方法可利用紋脊的型式作為掩膜,通過(guò)這個(gè)掩膜以完成有選擇的浸蝕。
參考圖13,當(dāng)采用這個(gè)技術(shù)的時(shí)候,所提供的彎曲光柵的柵距絕對(duì)準(zhǔn)確地只位于基片的凸起上,而且在朝向光柵邊緣的地方會(huì)略有增加;在給出的例子中,如果在中心的柵距為0.8333μm,則在邊緣的柵距為0.8372μm(約高出0.5%)。由于光束的寬度在2mm的數(shù)量級(jí)上,光柵間距對(duì)每條衍射光束增長(zhǎng)的變化為1%的幾分之一,盡管如此,還是對(duì)光柵的性能有一些降低。
光柵柵距朝向光柵邊緣的增加還會(huì)使衍射角略有漂移。但是,由于衍射角的漂移是相對(duì)兩條衍射光束的,所以,這兩條光束仍具有相等的光程長(zhǎng)度并在棱鏡內(nèi)重合,這樣,這種效果對(duì)光學(xué)元件和檢測(cè)器的影響是很輕微的,這些光學(xué)元件和檢測(cè)器都具有一個(gè)有限的范圍。最后,光柵柵距朝向其邊緣的增加使得由檢測(cè)器檢測(cè)的條紋數(shù)目與光柵偏轉(zhuǎn)的角度的關(guān)系在朝向其邊緣處略呈非線性。但是,探頭的豎向移動(dòng)與光柵偏轉(zhuǎn)的關(guān)系在反指向上是非線性的,所以這種影響在某種程度上被減輕了。
對(duì)于給定的測(cè)量?jī)x的定標(biāo),任何剩存的非線性都能很好地測(cè)出并標(biāo)出,或通過(guò)對(duì)測(cè)量?jī)x的校準(zhǔn)來(lái)獲取。設(shè)置一個(gè)校正線路對(duì)來(lái)自干涉儀的輸出信號(hào)進(jìn)行校正是很簡(jiǎn)單的,正如下面所詳述的那樣,或者通過(guò)與測(cè)量?jī)x,連接的計(jì)算機(jī)或其它裝置160來(lái)完成校正。
盡管如此,還是希望通過(guò)采用這樣一種彎曲光柵300來(lái)提高該裝置的性能,該光柵的柵距變化被降低到上述水平以下(最好是消除這種變化)。
參考圖14,將更詳細(xì)地討論棱鏡317的結(jié)構(gòu)。
該棱鏡關(guān)于分光層335是對(duì)稱的,且包括一對(duì)傾斜的側(cè)面320a,320b其底面和頂面360,361垂直于分光層。在深度上,即往圖14的紙里方向,棱鏡317最好等于或略寬于光柵300;即至少為4mm深。一對(duì)出口平面370a,370b被設(shè)置成與中央平面335呈一個(gè)角度,以便使光束垂直于通過(guò)中央平面335的一點(diǎn),被320a或320b中相對(duì)的一個(gè)所全內(nèi)反射。
通常,棱鏡被制造成分別高于和低于圖14所示中央平面335的兩個(gè)部分,并在中央平面335處組裝在一起。
棱鏡的材料最好是玻璃,其尺寸穩(wěn)定并易于加工,其折射系數(shù)例如可以為1.51。在這種情況下,和柵距d=0。833μm的光柵配合使用,以使衍射角θd=mλ/d,其中m=+/-1且λ=660nm~680nm,圖14所示的棱鏡尺寸可以為如下大小
1 2λ 660nm 680nmθd(0) 52.37 54.69x1(mm) 3.753.75x2(mm) 4.865.29x3(mm) 22.50 22.50x4(mm) 9.559.55(d=0.8333μ)采用已知的方式對(duì)在平面335處的多層分光涂層進(jìn)行計(jì)算和敷涂,以形成這樣一種表面,即當(dāng)光束入射在該表面上時(shí)被分成具有基本相似幅度的不同偏振的反射和透射部分。
側(cè)面320a,320b向內(nèi)傾斜相同的角度,以使從側(cè)面320a,320b反射之后的衍射光束在光束分離中心平面335上的入射角接近45°。采用這種設(shè)計(jì),在光束分離層335內(nèi)的敷涂相對(duì)較簡(jiǎn)單。
通過(guò)仔細(xì)選擇棱鏡317材料的折射系數(shù),棱鏡317與光柵表面301之間的距離,和衍射光束的角度(它依次由入射光源的波長(zhǎng)和衍射光柵300的柵距所確定),還能夠采用具有平行側(cè)面320a,320b的棱鏡317和在中心層335上的45°的入射角。
對(duì)于入射角為45°的情況,選擇在中心層335上合適的涂層,以使在P偏振方向上透射和在S偏振方向上反射出幅度幾乎相等的光束,且在S平面的透射很低,而在P平面的反射很低。這是通過(guò)采用兩種具有不同折射率的交替夾層來(lái)實(shí)現(xiàn)的;例如,8層厚度為216nm的MgO層和7層厚度為264nm的MgF2層交替覆置??梢酝ㄟ^(guò)例如化學(xué)蒸發(fā)鍍膜或任何其他合適的處理方法對(duì)該涂層進(jìn)行敷涂,以提供一個(gè)相對(duì)均勻的透明層。同樣結(jié)構(gòu)的涂層也可用于分光棱鏡340a,340b。
在一個(gè)實(shí)施例中,探頭主體114分為兩個(gè)部分,114a,114b。第一部分114a包括激光光源和分光棱鏡317。第二部分114b包括光柵300和用于安裝支承臂123的樞軸121。棱鏡317固定在第一部分114a內(nèi),并在114a中安裝激光器和透鏡組件311,312以及半波片319,從而限制在所有三個(gè)平中面的運(yùn)動(dòng)和軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。
第一步是沿核鏡317的中心光軸集中激光器的光束。為此,第一部分114a安裝在一個(gè)夾具中,同樣還有一個(gè)準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡1000,望遠(yuǎn)鏡1000具有自動(dòng)反射裝置和x/y對(duì)中+字線。圓柱形透鏡318最開(kāi)始并不在組件中。運(yùn)用望遠(yuǎn)鏡1000的自動(dòng)反射調(diào)節(jié),主體114在夾具中被對(duì)中,以使棱鏡317的底面360垂直于望遠(yuǎn)鏡的軸。然后,調(diào)節(jié)114a在垂直于望遠(yuǎn)鏡的軸的平面內(nèi)(x/y平面)的位置,直到棱鏡底面360的中心對(duì)準(zhǔn)望遠(yuǎn)鏡的軸。
隨后,望遠(yuǎn)鏡聚焦在棱鏡的底面360上。打開(kāi)激光器311,提供一個(gè)橢圓光束光點(diǎn)。轉(zhuǎn)動(dòng)激光器直到該橢圓位于y/z平面內(nèi)。
隨后,望遠(yuǎn)鏡1000聚焦在無(wú)窮遠(yuǎn)。然后在x和y方向上調(diào)節(jié)第一部分114a內(nèi)激光器312的位置直到來(lái)自激光器312的光束的光點(diǎn)到達(dá)望遠(yuǎn)鏡1000的十字線的中心。然后固定激光器312在第一部分114a內(nèi)的位置,例如,用粘合劑把該激光器膠合在該位置上。
隨后,把圓柱形透鏡318放入114a中激光光束的光路內(nèi),并調(diào)節(jié)其在y方向上的位置,直到用望遠(yuǎn)鏡1000觀察到線聚焦。然后,調(diào)節(jié)透鏡318的對(duì)中,直到光束沿著望遠(yuǎn)鏡十字線的x軸?,F(xiàn)在圓柱形透鏡318位于正確位置上并被膠合或用其它方法固定就位。
現(xiàn)在第一部分114a已正確對(duì)中。下一步是組裝兩部分114a,114b。兩部分114a,114b通過(guò)一個(gè)連接機(jī)構(gòu)相連。該機(jī)構(gòu)最初允許在x和y方向有些移動(dòng),并能繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。例如,這兩個(gè)部分可以具有相對(duì)的法蘭盤(pán)彈性地連接在一起。第二部分114b安裝在一個(gè)夾具中,并在“x”方向調(diào)節(jié)第一部分114a的位置,同時(shí)觀察激光束的光點(diǎn),直到光束位于光柵300的中部。
移動(dòng)檢偏鏡340a中的一個(gè),或者通過(guò)眼睛看一張卡片,或者使用一個(gè)光能計(jì)來(lái)觀察分光層335分別反射和透射的兩條光束。旋轉(zhuǎn)半波片319直到兩條光束的強(qiáng)度相等。
然后,在“y”方向移動(dòng)本體部分114b,直到觀察到兩條光束在y方向?qū)χ?。在這一點(diǎn)上,激光光束垂直照射在光柵300的表面上。
隨后,圍繞“z”軸轉(zhuǎn)動(dòng)本體部分114b,以使光柵的條紋與分光棱鏡對(duì)準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)該部分直到觀察到在一張卡片顯示出來(lái)的兩條光束重合為止。現(xiàn)在這兩條光束應(yīng)該相干涉,而且在移動(dòng)的探針或探頭130上應(yīng)觀察到明暗的條紋。如果設(shè)有觀察到清楚的條紋,則重復(fù)上述在y方向的對(duì)準(zhǔn)和圍繞z軸轉(zhuǎn)動(dòng)的步驟。
當(dāng)看到清楚的條紋的時(shí)候,再一次把檢偏分光棱鏡240a膠合就位,并把一對(duì)探測(cè)器342a,342b的輸出端與示波器相連。然后移動(dòng)探頭130,并在示波器上觀察所產(chǎn)生的條紋;如果需要,可以調(diào)節(jié)半波片319,以改善條紋的幅寬,然后膠合就位。觀察兩個(gè)探測(cè)器輸出信號(hào)的相位,并旋轉(zhuǎn)四分之一波片350直到兩者的相位差準(zhǔn)確為90°為止;然后把四分之一波片350膠合就位。
然后把兩個(gè)部分114a,114b剛性地固定在一起,一般是通過(guò)膠合劑,這時(shí)測(cè)量?jī)x完全被對(duì)中了。
參考圖17,在這個(gè)實(shí)施例中,偏置或推進(jìn)力是由致動(dòng)裝置提供給探頭130的,而不象已有技術(shù)是通過(guò)重力。致動(dòng)裝置400包括一個(gè)電致動(dòng)器,該致動(dòng)器由一個(gè)線性線圈410繞在一個(gè)極靴或銜鐵420上組成,420包括一根與支承臂剛性連接的棒,樞軸121在支承臂123的內(nèi)心上。
線圈410可被勵(lì)磁以通過(guò)極靴420向臂123施加恒定的偏置力,從而也就向探頭130施加了偏置力,但如果需要,還可以控制激勵(lì)電流以連續(xù)改變所施加的力,例如響應(yīng)由應(yīng)變測(cè)量?jī)x或加速計(jì)響應(yīng)負(fù)載或探頭的加速所產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行這種控制。
還可以提供手動(dòng)改變施加力的裝置,以便,例如向基本剛性的被測(cè)表面施加相對(duì)大的力(以便產(chǎn)生良好的接觸),但對(duì)被測(cè)的彈性或塑性可變形的表面施加相對(duì)小的力,以避免使被測(cè)表面變形或損壞。
雖然電動(dòng)地控制偏置力很方便,但可以用例如機(jī)械彈簧(拉簧或壓簧)或空氣致動(dòng)器來(lái)代替線圈410和極靴420。
通過(guò)向用于對(duì)探頭旋加偏置力的裝置施加反向電流,以便在掃描后從工作面上提起探頭,從而使探頭返回,而不會(huì)損壞探頭或表面。
同樣地,應(yīng)該消楚本發(fā)明的這個(gè)方面并不局限于在干涉測(cè)量表面測(cè)量?jī)x器中的應(yīng)用,而且還可同樣地應(yīng)用于,例如,包含有一個(gè)探頭的感應(yīng)拾取型測(cè)量裝置。可設(shè)置偏壓裝置400以作用于樞軸121前面的支承臂120,而不是作用在樞軸121后面的支承臂上;但是,這會(huì)減少臂120的有效長(zhǎng)度,其限制該裝置在探測(cè)象管或孔調(diào)這樣的封閉表面的使用。
圖18表示的是另一種設(shè)計(jì),其中有一對(duì)相對(duì)作用的致動(dòng)器400a,400b,在這個(gè)實(shí)施例中,它們包括反方向勵(lì)磁的線圈410a,410b,和接在支承臂123相對(duì)兩側(cè)的相應(yīng)的極靴420a,420b。如果控制線圈410a,410b的勵(lì)磁,以使兩個(gè)致動(dòng)器400a,400b平衡施力(或者最好是由致動(dòng)器400a,400b施加的向上的力和向下的力與重力平衡),則探頭130被推進(jìn)處于中央停止或零的位置上。本實(shí)施例可用于測(cè)量這樣表面的裝置,即被測(cè)表面或者高于或者低于該測(cè)量裝置,或者與其垂直。
參考圖19,在該實(shí)施例進(jìn)一步的說(shuō)明中,設(shè)置致動(dòng)器以對(duì)探針臂的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行快速阻尼;連同其它優(yōu)點(diǎn),這會(huì)減小因測(cè)量裝置受到象意外碰撞這樣的外部影響而產(chǎn)生的振動(dòng)的程度。因此,輸給線圈410的電流含有與探頭位移變化的速率成比例的部分和一種極性,以便由此通過(guò)線圈410產(chǎn)生的力反抗指針的移動(dòng)。
例如,該電流可以通過(guò)第一電流源430提供恒定電流Im并由第二電流源440產(chǎn)生如上所述的與探頭位移信號(hào)的變化速率成比例的電流。
例如,可以由信號(hào)處理線路的輸出端產(chǎn)生代表探頭位移Z的數(shù)字輸出信號(hào),這在下面將更詳細(xì)的討論,并通過(guò)數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換器450把該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號(hào),然后通過(guò)一個(gè)模擬微分器460進(jìn)行微分,微分器460包括例如一個(gè)運(yùn)算放大器,其在(反相)輸入端有一個(gè)電容,且在反相輸入端的反饋回路中有一個(gè)電阻。
然后把來(lái)自微分器460的信號(hào)通過(guò)一個(gè)電流跟隨器變成一個(gè)電流信號(hào),該跟隨器包括電流源440,其輸出的電流與來(lái)自電流源430的恒定電流相加并輸送給線圈410。
但是,應(yīng)該認(rèn)識(shí)到,可以用數(shù)字微分器來(lái)代替摸擬微分器,在這種情況下,就要在數(shù)字微分器后面接數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器450提供一個(gè)信號(hào)控制致動(dòng)器410以阻止探針運(yùn)動(dòng)的其它方法同樣是很明顯的。
最好能控制由致動(dòng)器所施加的力的變化;在本實(shí)施例中,最好是不僅能改變由致動(dòng)器所施加的力的大小,而且還能夠改變?cè)谟擅總€(gè)致動(dòng)器施加的力之間的平衡,以便能夠或者向下推進(jìn)測(cè)量裝置以測(cè)量位于探頭130下面的表面,或者向上推進(jìn)測(cè)量裝置以測(cè)量位于探頭130上面的表面。本實(shí)施例同樣不局限于在于涉測(cè)量裝置中的應(yīng)用。
通過(guò)一個(gè)實(shí)施例的上述說(shuō)明,已經(jīng)清楚了交換和代替的次數(shù)會(huì)使光學(xué)系統(tǒng)具有更多或更少的等同效果?,F(xiàn)在參考圖20至24介紹一些這種改進(jìn)行和交換結(jié)構(gòu)的例子,其中與上述部分相同的部分標(biāo)號(hào)相同。為了說(shuō)明目的,在圖20,22,23和24中的棱鏡具有平行的側(cè)面;如果在涂層335上的入射角不是45°就需要更復(fù)雜的涂層,但其平行的側(cè)面會(huì)較易加工。
參考圖20,通過(guò)用透明或部分透明的光柵取代參考圖11所說(shuō)明的反射衍射光柵300從而改變了圖6和7中的光學(xué)裝置。光源310產(chǎn)生一條光束,該光束直接通過(guò)光柵元件的本體300到達(dá)光柵的內(nèi)表面301,它作為一個(gè)透射光柵,并沿著上面參考圖7所述的相同路徑透射被衍射的第一級(jí)光束進(jìn)入分光棱鏡317。這樣與圖21和23中所示的那些實(shí)施例相比較,就可以略微簡(jiǎn)化分光棱鏡317的結(jié)構(gòu),即不用做成凹形或不需要光束平移棱鏡316。
設(shè)置一個(gè)反光鏡500以把來(lái)自光源310的光束反射到衍射光柵上。由于彎曲的衍射光柵元件300現(xiàn)在實(shí)際上起一個(gè)透鏡的作用,所以其趨于會(huì)聚照射在它上面的入射光束,因此需用一個(gè)發(fā)散透鏡518代替圖7中的會(huì)聚透鏡318以對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償,并產(chǎn)生準(zhǔn)直衍射光束。另一種方法是,由于許多激光二極管產(chǎn)生發(fā)散光束,所以可這樣選擇激光二極管311,其能對(duì)衍射光柵元件300的會(huì)聚進(jìn)行發(fā)散補(bǔ)償,為此目的還可采用彎曲光柵300的自身的后部表面。
參考圖21,在一個(gè)最佳實(shí)施例中,除了棱鏡的頂點(diǎn)及其后形成凹形或光束平移棱鏡316和透鏡318的位置之外,該裝置與圖6,7和14的裝置基本相同。
參照?qǐng)D22,其把圖20所示裝置中的光源310和棱鏡等317互換位置;而且還采用了發(fā)散透鏡518或發(fā)散光源310以補(bǔ)償由于光柵彎曲所導(dǎo)致的會(huì)聚。
參考圖23,在光源310和衍射光柵300之間的光路中的圓柱形透鏡318被在衍射光束光路中的一對(duì)圓柱形透鏡318a,318b所取代,以加強(qiáng)相同的作用。
參考圖14,通過(guò)省去光束平移棱鏡316可簡(jiǎn)化把來(lái)自光源310的入射光引向光柵300的裝置,并且用一個(gè)垂直來(lái)自光源310的光束的平面取代317的棱錐脊,該光束沿著棱鏡317的中心平面335的中部被準(zhǔn)確校直。雖然這樣簡(jiǎn)化了裝置,但這需要光源310的入射光束與中心平面335準(zhǔn)確校直,以便中心平面335的分光特性不會(huì)影響入射光束。
除了以上所有的裝置外,還可在樞軸121向外的一側(cè)(即在支承臂120上)設(shè)置彎曲的衍射光柵。但是,這種設(shè)置會(huì)縮小支承臂120的有效長(zhǎng)度,因此會(huì)影響探頭在一些需要長(zhǎng)支承臂120的類型的元件(例如管子)中的使用。許多其它變化也是明顯的。
可以設(shè)置接收來(lái)自檢測(cè)器341a,341b,342a,342b的模擬信號(hào)的模擬信號(hào)輸出端口150,甚至可以設(shè)置光信號(hào)輸出端口150,該端口在探測(cè)器所在位置上接收通過(guò)光纖電纜傳輸?shù)墓馑?。另一種情況是,通過(guò)采用上述實(shí)施例中尺寸相對(duì)較小的激光器和干涉儀來(lái)實(shí)現(xiàn)這種緊密的結(jié)構(gòu),這使得能夠在同一部件內(nèi)進(jìn)行一些電信號(hào)的處理,以減小電的或射頻的干擾的可能,從而加強(qiáng)了該裝置的通用性能。由于上述裝置產(chǎn)生的輸出信號(hào)在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀測(cè)量裝置產(chǎn)生的輸出信號(hào)相似,所以,在該裝置中所采用的信號(hào)處理電路也可同樣用于上述最佳實(shí)施例。同樣,下面說(shuō)明的最佳信號(hào)處理裝置也可和傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀一起使用。
但是,參考圖25,在這個(gè)實(shí)施例的一個(gè)專門結(jié)構(gòu)中,檢測(cè)器341a,341b,342a,342b的輸出信號(hào)通過(guò)一對(duì)差分放大器線路相減以形成正弦和余弦信號(hào),且這兩個(gè)信號(hào)提供給橫移部件110的輸出端口150。然后,把信號(hào)處理部件155的大部分方便地一同連接到計(jì)算機(jī)終端160上。
參考圖26,在本發(fā)明這個(gè)方面的最佳實(shí)施例中,信號(hào)處理線路155包括一個(gè)條紋計(jì)數(shù)器線路600,其對(duì)代表前面所述的那種干涉測(cè)量?jī)x裝置的輸出端檢測(cè)到的幅值上的峰值或峪值的總數(shù)目進(jìn)行計(jì)數(shù),和包括一個(gè)內(nèi)插器700,其產(chǎn)生一個(gè)代表輸出信號(hào)的峰或峪之間的相位的輸出信號(hào)。來(lái)自計(jì)數(shù)器600的低分辨數(shù)據(jù)和來(lái)自內(nèi)插器700的高分辨數(shù)據(jù)被合成并提供給一個(gè)線性校正線路800和一個(gè)定標(biāo)線路810,然后,把輸出信號(hào)或者用于數(shù)據(jù)處理,或者輸送給存儲(chǔ)裝置,或者輸送給顯示裝置820,如圖所示。方便的話,校正線路800和定標(biāo)線路810兩者可由計(jì)算機(jī)160一起提供,計(jì)算機(jī)160在儲(chǔ)存程序的控制下進(jìn)行工作。
參考圖27,更詳細(xì)地表示了計(jì)數(shù)器線路600。計(jì)數(shù)器線路600包括一個(gè)具有寄存輸出的數(shù)字計(jì)數(shù)器610,諸如一個(gè)16位計(jì)數(shù)器,和一個(gè)判斷線路600,它控制計(jì)數(shù)器610或者向上計(jì)數(shù),或者向下計(jì)數(shù)。如下面所討論的那樣,這是需要的,因?yàn)樘筋^的位移是依據(jù)所計(jì)數(shù)的條紋的數(shù)目導(dǎo)出的,但是,響應(yīng)一個(gè)方向移動(dòng)的條紋計(jì)數(shù)需要減去響應(yīng)在相反方向移動(dòng)的條紋計(jì)數(shù),以獲得所測(cè)量的位移。
如上所述,在條紋計(jì)數(shù)是位置的非線性函數(shù)的情況下特別需要這樣。
因此,判斷線路620向計(jì)數(shù)器610輸出一個(gè)控制信號(hào),以指示響應(yīng)下一個(gè)條紋計(jì)數(shù),寄存計(jì)數(shù)是否應(yīng)該增加或減小。在條紋檢測(cè)方面,向計(jì)數(shù)器610提供一個(gè)啟動(dòng)信號(hào)以使計(jì)數(shù)相應(yīng)的增加或減小。
為了使判斷線路620能夠判定是否增加或減少計(jì)數(shù),它接收在相位上分開(kāi)的兩個(gè)分離的輸入信號(hào)。如果兩個(gè)信號(hào)相位相差90°,則可簡(jiǎn)化所需的信號(hào)處理。參考圖9C,很清楚,信號(hào)對(duì)于探頭位置x的幅度的變化一般是正弦的,并滿足關(guān)系式Y(jié)=sinθ,其中θ與距離x成比例,而且對(duì)于上面討論的光柵干涉儀,θ=4πx/D,其中D光柵的柵距。因此,由向上/向下判斷線路620接收的兩個(gè)信號(hào)Y1和Y2,相對(duì)一些隨機(jī)的初始相位,由Asinθ和Acosθ給定,而且在下面將分別稱為sinθ和cosθ信號(hào)。
參考圖28,在一個(gè)最佳實(shí)施例中,判斷電路620包括一對(duì)輸入放大器621a,621b,例如是反向運(yùn)算放大器線路,放大器的放大系數(shù)為k,以將輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成充分適合后面線路的電平。
例如,在和上述裝置一起使用時(shí),放大系數(shù)可為-2.4,從而使放大器621a,621b的峰—峰輸出為10V。放大器621a,621b還可包括帶寬限制濾波器,只允許0赫茲到最大極限(例如,5MHz,其理由下面討論)之間的頻率通過(guò)。
放大器621a,621b的輸出信號(hào)提供給比較器622a,622b(例如,設(shè)定反向比較器根據(jù)各自的輸入信號(hào)是分別低于0或高于0來(lái)分別提供邏輯高的輸出或是邏輯低的輸出)。一般講,這樣的比較器在閥值電平之間含有有限量的滯后;如果計(jì)數(shù)器線路采用下面將詳細(xì)討論的方式與內(nèi)插器線路700一起工作,則需要強(qiáng)行使閥值電平為內(nèi)插器線路700可分辨的最小電平。對(duì)于內(nèi)插器分辨率為360/256的級(jí)別上時(shí),閥值為(10/2)·sin(360/256)=123mv,其中峰—峰電壓為10v。
參考圖29,圖29A表示的是兩個(gè)關(guān)于探頭或干涉儀位置的輸入信號(hào)的圖形,并與圖9C相對(duì)應(yīng)。相應(yīng)地,圖29B表示的是放大器61a,61b的輸出信號(hào)對(duì)于探頭位置x或相位角θ的變化。同樣,圖29C表示的是比較器622a,622b相應(yīng)于探頭距離或相位的輸出信號(hào);比較器的輸出信號(hào)在輸入信號(hào)的過(guò)0點(diǎn)呈現(xiàn)出跳躍。
但是,圖29A-C并不代表線路在這些階段對(duì)于時(shí)間的信號(hào);每個(gè)信號(hào)可能是靜止的或變化的,這取決于探頭是靜止還是移動(dòng)的。如果探頭在第一方向上移動(dòng)而相應(yīng)地增加探頭距離x(例如探頭上升),并由此增加在恒定速率下的相位θ,輸入信號(hào),放大器61a和61b的輸出信號(hào),和比較器622a,622b的輸出信號(hào)將與圖29A-29C相對(duì)應(yīng)。如果探頭是靜止的,則所有信號(hào)都是恒定的。如果探頭改變方向并向回移動(dòng)(即沿負(fù)x方向),這時(shí),在放大器和比較器輸出端相應(yīng)的信號(hào)則會(huì)與圖29A-29C所表示的那些圖形的鏡面負(fù)像型式相對(duì)應(yīng)。
設(shè)置比較器622a,622b以對(duì)來(lái)自干涉儀的信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè);這使條紋計(jì)數(shù)基本不受輸入信號(hào)幅度變化的影響,所以,這是一種條紋計(jì)數(shù)非常好的方法,而且這能在計(jì)數(shù)每個(gè)條紋的信號(hào)中提供準(zhǔn)確確定的相位點(diǎn),并因此提高計(jì)數(shù)器的精度。進(jìn)一步講,由于除條紋計(jì)數(shù)外,線路600還提供基本確定的相位參考點(diǎn),所以,當(dāng)把這種類型的計(jì)數(shù)器與內(nèi)插器線路700一起使用時(shí)更具有特別的優(yōu)點(diǎn)。
第一個(gè)問(wèn)題是確定探頭移動(dòng)的方向,因此,就要確定響應(yīng)于過(guò)零計(jì)數(shù)是增加還是減少。如果sinθ輸入信號(hào)的過(guò)零點(diǎn)發(fā)生在θ=0°時(shí),且探頭沿正x方向(即,相位θ是增加的)移動(dòng),則信號(hào)的值在過(guò)零點(diǎn)之后立刻為正值。另一方面,如果過(guò)零發(fā)生在θ=π的情況下,則信號(hào)的值在過(guò)零之后立刻為負(fù)值。相反地,如果探頭沿相反的方向移動(dòng),則信號(hào)的幅值在θ=0過(guò)零之后立刻為負(fù)值,而在θ=π過(guò)零之后立刻為正值。
這樣,如果確定了相位相對(duì)于給定的過(guò)零點(diǎn)的位置,就能夠通過(guò)在過(guò)零之后立刻測(cè)量信號(hào)的幅值來(lái)確定探頭的移動(dòng)方向。為了確定零是在θ=0點(diǎn)上,還是θ=π點(diǎn)上,就要分析余弦信號(hào)。
這樣,圖28的線路還要包括兩個(gè)元件;即一個(gè)相位分辨線路623以產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)指示給定的過(guò)零點(diǎn)是0°還是π°,和一個(gè)方向確定線路624,該線路指示給定的過(guò)零點(diǎn)分別相應(yīng)于探頭的向前和向后移動(dòng)而向上或向下跳躍。
參考圖30,在一個(gè)最佳實(shí)施例中,過(guò)零相位判定線路623包括一對(duì)寄存器625a,625b,它們由D型觸發(fā)器組成,由來(lái)自晶控振蕩器的10MHz時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行計(jì)時(shí),以便在時(shí)鐘信號(hào)的起始緣位置寄存來(lái)自比較器622a,622b的信號(hào)的狀態(tài)。因此,寄存器的頻率響應(yīng)限制在5MHz,為防止混頻,高于這個(gè)頻率的頻率都被在放大器621a,621b中的濾波器濾掉。
sinθ寄存器625a的輸出信號(hào),通過(guò)一個(gè)包含有一對(duì)“與”門626a,626b和一對(duì)反相器627a,627b的邏輯網(wǎng)絡(luò),輸入“或”門628。第一“與”門626a的輸出信號(hào)跟隨寄存器625a的正向輸出信號(hào),而第二“與”門626b的輸出信號(hào)跟隨寄存器625a的反向輸出信號(hào)。
cosθ寄存器625b的反向輸出信號(hào)輸入“或”門628的第三輸入端。因此,在“或”門的這個(gè)輸入端的信號(hào)是圖29C所示的信號(hào)B的倒置。當(dāng)這個(gè)信號(hào)低的時(shí)候,在“與”門626a,626b的輸出都低的情況下,“與”門626a,626b在開(kāi)關(guān)時(shí)間的差別會(huì)導(dǎo)致一個(gè)短的時(shí)間間隔,另外還因此在“或”門628的高輸出端產(chǎn)生一個(gè)持續(xù)時(shí)間短的負(fù)脈沖。但是,當(dāng)寄存器625b的輸出信號(hào)高時(shí),“或”門628的輸出仍保持是高的。為接收Cosθ信號(hào)的平方形式而連接的寄存器625b的輸出信號(hào)的作用是選擇那些相應(yīng)于θ=0的過(guò)零點(diǎn)的信號(hào)。
如圖29D所示的“或”門628的輸出信號(hào)提供給又一個(gè)寄存器629的CLEAR輸入端,629通過(guò)反相器630輸入的時(shí)鐘信號(hào)再次被設(shè)置在高位,且由寄存器625b的非反相輸出端通過(guò)“與”門631控制。因此,寄存器629的輸出信號(hào)當(dāng)在“或”門628的輸出端上出現(xiàn)負(fù)脈沖時(shí)變低(接下來(lái)是對(duì)寄存器625a,625b計(jì)數(shù)的正向時(shí)鐘脈沖),并在后面的負(fù)向時(shí)鐘信號(hào)的邊緣上再次變高。因此,寄存器629的輸出信號(hào)是來(lái)自測(cè)量?jī)x的Sinθ輸入信號(hào)的每個(gè)0°相位過(guò)零的寬度為0.1微秒的負(fù)向脈沖。
用于選擇向上計(jì)數(shù)或是向下計(jì)數(shù)的線路624需要確定信號(hào)A在θ=0通過(guò)處是處于上升還是下降狀態(tài)。這可從寄存器625a的輸出信號(hào)簡(jiǎn)單地導(dǎo)出。
然后向數(shù)字計(jì)數(shù)器片相應(yīng)的輸入端提供如圖29E所示的時(shí)鐘信號(hào)和如圖29F所示的向上/向下計(jì)數(shù)控制信號(hào),該計(jì)數(shù)器片包括計(jì)數(shù)器610;例如,計(jì)數(shù)器片可以是一對(duì)74AS867。
參考圖31,根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)插器700包括一個(gè)從干涉儀接收sinθ信號(hào)的輸入端710,一個(gè)估算線路700,它用于產(chǎn)生代表在輸入端710上的輸入信號(hào)的相位θ的估算的信號(hào),并且產(chǎn)生一個(gè)估算的函數(shù)(這里表示為F()),和一個(gè)誤差發(fā)生線路730,它產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)δ,這個(gè)信號(hào)是輸入信號(hào)的估算相位和實(shí)際相位θ之間誤差的函數(shù),這個(gè)誤差輸出信號(hào)反饋控制估算線路720。
參考圖32,一種設(shè)置估算器和函數(shù)發(fā)生器720的最佳方法包括設(shè)置一個(gè)保持代表估算相位的計(jì)數(shù)的數(shù)字計(jì)數(shù)器721,并且提供一個(gè)改變計(jì)數(shù)的啟動(dòng)信號(hào)(CCK)和一個(gè)用于指示計(jì)數(shù)是增加,還是減少的方向指示信號(hào)(U/D)。這樣計(jì)數(shù)器的輸出信號(hào)是代表輸入信號(hào)的相應(yīng)θ的估算的數(shù)字信號(hào)。該輸出信號(hào)還送入數(shù)字函數(shù)發(fā)生器線路,這個(gè)線路一般包括一個(gè)只讀存儲(chǔ)器,這個(gè)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)一個(gè)查尋表,對(duì)每一個(gè)值,有一個(gè)相應(yīng)的函數(shù)F()的值。查錄表722的數(shù)據(jù)輸出耦連于數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器723的數(shù)字輸入端,數(shù)字—模擬轉(zhuǎn)換器723相應(yīng)地產(chǎn)生代表函數(shù)F()的值模擬輸出信號(hào)。
如果圖31所用的電路采用圖32所示的、函數(shù)F()=sin()的線路,并且誤差信號(hào)發(fā)生器730只起一個(gè)減法器的作用,則輸出信號(hào)δ為δ=sinθ-sin,或者δ=2cos((θ+)/2)·sin((θ-)/2由于θ接近,所以上式可以簡(jiǎn)化為δ=(cos)(θ-)。
換句話說(shuō),誤差信號(hào)δ的數(shù)值不僅是誤差測(cè)量需要的、估算相位和實(shí)際相位θ的差,而且是實(shí)際相位θ或的函數(shù)。這樣,為使用這個(gè)誤差信號(hào)作用為計(jì)數(shù)器721增加計(jì)數(shù)的控制信號(hào),就需要提供一個(gè)試驗(yàn)閥值,這個(gè)閥值隨著或θ的數(shù)值變化。
參考圖33,另一種實(shí)現(xiàn)圖31所介紹的原理的方法是獲得誤差信號(hào)δ,信號(hào)δ只是輸入相位θ與估算相位之間差的函數(shù)。為此,采用來(lái)自干涉儀的sinθ和cosθ的兩個(gè)輸入信號(hào)。如圖32所示,一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器721寄存一個(gè)代表估算相位數(shù)值的數(shù),而且這個(gè)數(shù)包含線路700的輸出信號(hào)。這個(gè)數(shù)還供給一對(duì)ROM722a,722b的地址總線,這兩個(gè)ROM(即只讀存儲(chǔ)器)分別存儲(chǔ)有與估算相位的余弦和正弦相對(duì)應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)目的查尋表(換句話說(shuō),在-1和1之間的常數(shù)表)。例如計(jì)數(shù)器721可以是一個(gè)8位計(jì)數(shù)器,且ROM722a,722b可以是含有256個(gè)8位數(shù)的ROM,每個(gè)數(shù)與每個(gè)可能的值相對(duì)應(yīng)。
ROM722a,722b的數(shù)據(jù)總線耦連于一對(duì)數(shù)字—模擬相乘轉(zhuǎn)換器(以下簡(jiǎn)稱乘法DAC)740a,740b的各自的數(shù)字輸入線上,每個(gè)轉(zhuǎn)換器包含一個(gè)梯形電阻,該梯形電阻根據(jù)其數(shù)字輸入信號(hào)進(jìn)行開(kāi)關(guān)以向所接收的電流提供相應(yīng)的電阻,并由此減小輸入乘法DAC中的電流,減小的量與數(shù)字輸入信號(hào)成比例。
乘法DAC740a耦連于內(nèi)插器700的sinθ輸入,并隨后產(chǎn)生一個(gè)與sinθcos成比例的模擬輸出電流。乘法DAC740b耦連于接收內(nèi)插器700的cosθ輸入,并相應(yīng)產(chǎn)生一個(gè)與cosθsin成比例的模擬輸出信號(hào)。誤差信號(hào)發(fā)生線路730包括一個(gè)減法器線路,其產(chǎn)生的輸入信號(hào)比例于sinθcos-cosθsin=sin(θ-)這個(gè)信號(hào)提供給比較器線路725,每當(dāng)誤差信號(hào)θ-超過(guò)一個(gè)預(yù)定的閥值的時(shí)候,該比較器就產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)以增加或減小計(jì)數(shù)器721的計(jì)數(shù),這個(gè)預(yù)定的閥值與相位計(jì)數(shù)器721內(nèi)的一個(gè)賦與了給定閥值的最低有效位相對(duì)應(yīng),如前所述,對(duì)于Vpp=10V的情況,該給定的閥值Vpp/2.sin(360/256)=123mv。最好使計(jì)數(shù)器721向上計(jì)數(shù),并由此把輸入信號(hào)的相位分成一個(gè)足夠高的數(shù),這個(gè)信號(hào)的值為δ=sin(θ-)接近等于θ-;例如,如果計(jì)數(shù)器721是一個(gè)4位計(jì)數(shù)器,每個(gè)計(jì)數(shù)器相應(yīng)于225°移相增加計(jì)數(shù),而且當(dāng)估算相位偏離真實(shí)相位22.5°的時(shí)候,比較器725將使計(jì)數(shù)器721增加計(jì)數(shù)。在22.5°,sinx不滿足接近等于x,而且計(jì)數(shù)器721將在一些點(diǎn)上增加計(jì)數(shù),這些點(diǎn)不能與規(guī)則的相位間隔準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)。另一方面,在計(jì)數(shù)器721是一個(gè)8位計(jì)數(shù)器的時(shí)候,在估算相位和信號(hào)相位θ之間的最大相位滯后將發(fā)生在sinθ=360/256=1.4°在這個(gè)范圍內(nèi)0-1.4°,sin(θ-)非常接近于θ-。
參考圖34,在查尋表722a,722b中最好只存貯正數(shù)。相應(yīng)地,在ROM中存貯的函數(shù)值可以由表達(dá)式1+cos和1-sin(具有0到+2之間的值)所取代。在乘法DAC740a,740b的輸出信號(hào)中的附加的sinθ和cosθ項(xiàng)通過(guò)從其輸出信號(hào)中減去輸入的sinθ和cosθ值而被去掉。
一個(gè)最低有效位的一半偏移可以是0.7°把這半個(gè)偏移加到中,從而使表格存貯1+cos(+ 0.7)和1-sin(+0.7),以提供恰好的數(shù)目。
相應(yīng)地,內(nèi)插器700還包括一對(duì)緩沖放大器741a,741b,緩沖放大器包括,例如,具有-1增益的反相運(yùn)算放大器線路。輸入的sinθ和Cosθ的信號(hào)連同放大器741a,741b的輸出信號(hào)在單位增益反相運(yùn)算放大器731的反相端相加,因此,運(yùn)算放大器731產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào),該信號(hào)對(duì)應(yīng)于sinθcos-cosθsim=sin(θ-)=θ-其中存貯的數(shù)值包括一個(gè)上面所述的偏移,輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)于θ-OFFSET。
這個(gè)誤差信號(hào)的極性(表示估算相位是超前還是滯后所需的相位θ)由比較器751檢測(cè),其邏輯輸出信號(hào)控制計(jì)數(shù)器721的向上/向下計(jì)數(shù)輸入。
這個(gè)誤差信號(hào)還輸送給比較器線路725,它包括第一比較器725a,比較器725a具有一個(gè)預(yù)定的閥值,這個(gè)閥值對(duì)應(yīng)于計(jì)數(shù)器721的一個(gè)最低有效位,725還包括一個(gè)第二比較器725b,它具有相同的閥值并前置一個(gè)具有單位增益的反相運(yùn)算放大器726。因此,當(dāng)誤差超過(guò)一個(gè)正的預(yù)定閥值時(shí),比較器725a產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào),且當(dāng)誤差信號(hào)超過(guò)一個(gè)相應(yīng)的負(fù)閥值時(shí),比較器725b產(chǎn)生一個(gè)輸出信號(hào)。
兩個(gè)比較器725a,725b的輸出信號(hào)輸入給一個(gè)邏輯線路727,邏輯線路727執(zhí)行一個(gè)“或”功能,以便當(dāng)任何一個(gè)比較器指示其閥值被超出時(shí),產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)EN以改變計(jì)數(shù)器721的計(jì)數(shù)。向同步邏輯線路760提供10MHz的母時(shí)鐘信號(hào),該線路相應(yīng)于母時(shí)鐘信號(hào)的校正相位對(duì)來(lái)自比較器線路725的信號(hào)重新定時(shí)(如寄存和延時(shí))。同步邏輯線路760與時(shí)鐘721的計(jì)數(shù)啟動(dòng)輸入端相連以使相應(yīng)的表示估算相位的寄存時(shí)鐘計(jì)數(shù)增加或減少。
設(shè)置同步邏輯線路760在把來(lái)自比較器線路725的一個(gè)信號(hào)提供給計(jì)數(shù)器721的輸入端之前將母時(shí)鐘頻率進(jìn)行10倍分頻,以便使計(jì)數(shù)器721只能每微秒增加一次計(jì)數(shù)這樣做的理由是阻止計(jì)數(shù)器721因誤差信號(hào)虛假的瞬時(shí)值而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換,這種虛假的瞬時(shí)值是由乘法DAC740a,740b內(nèi)的開(kāi)關(guān)引起的;沒(méi)有阻止這種瞬時(shí)值的裝置,則會(huì)改變計(jì)數(shù)器721的計(jì)數(shù)值,并在DAC740a,740b的輸出信號(hào)中產(chǎn)生轉(zhuǎn)換瞬時(shí)值,隨后,DAC740a,740b再次改變計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值。但是,還可能有其它裝置限制該系統(tǒng)對(duì)這種瞬時(shí)值的響應(yīng)(例如在模擬線路中的低通濾波器)。
在圖34的線路中,發(fā)現(xiàn)消除這種瞬時(shí)值所需設(shè)定的時(shí)間是限制內(nèi)插器速度的一個(gè)因素。一個(gè)1微秒的設(shè)定時(shí)間,和一個(gè)相鄰條紋間給出256個(gè)值的8位計(jì)數(shù)器,給出了一個(gè)最大跟蹤頻率3.9KHz(每秒條紋數(shù))。
通過(guò)提供相位的一個(gè)數(shù)字估算,并采用數(shù)定—模擬轉(zhuǎn)換以在模擬范圍內(nèi)將這種估算與輸入信號(hào)相比,與由輸入信號(hào)的模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器操作的裝置相比,這可以提供一個(gè)花費(fèi)有效且相對(duì)便宜的內(nèi)插器,因?yàn)楸阋说哪M—數(shù)字轉(zhuǎn)換器慢,而快速模擬—數(shù)字轉(zhuǎn)換器價(jià)格高。通過(guò)在數(shù)字輸出裝置中用一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器代替一個(gè)微處理器,同樣可以提高速度。
再參考圖34和26,就會(huì)看到計(jì)數(shù)器600和內(nèi)插器700的工作基本上是獨(dú)立的。因此當(dāng)輸入信號(hào)的相位θ接近零的時(shí)候可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題。當(dāng)內(nèi)插器700到達(dá)θ=0相位點(diǎn)的時(shí)候,它的輸出信號(hào)在0和它的最大值(例如256)之間變化。如果這沒(méi)有和這樣一點(diǎn)同步,在這一點(diǎn)上,條紋計(jì)數(shù)器600記錄零躍變并因此計(jì)數(shù)和附加條紋,則內(nèi)插器700和條紋計(jì)數(shù)器600的合成輸出信號(hào)將有一個(gè)條紋的誤差,直到計(jì)數(shù)器600滿足上述條件。由于線路是獨(dú)立的,每個(gè)零相位條件的記錄的點(diǎn)極可能是不同的。
再參考圖35A,其中表格存貯有當(dāng)相位θ通過(guò)0點(diǎn)時(shí)的偏移,θ-偏移值可能不會(huì)上升到改變極性之前就足以啟動(dòng)比較器725a,725b的值。相應(yīng)地,比較器線路725不提供增加計(jì)數(shù)器721計(jì)數(shù)和導(dǎo)致其重新置0所需的信號(hào)。為了使計(jì)數(shù)器600和內(nèi)插器700同步,并保證內(nèi)插器700響應(yīng)過(guò)零相位,如圖32所示,由計(jì)數(shù)器600內(nèi)獲得的時(shí)鐘信號(hào)(CCK)被提供給同步邏輯線路760,并如圖33C所示進(jìn)行反相以向計(jì)數(shù)器721提供一個(gè)附加轉(zhuǎn)換信號(hào)從而增加計(jì)數(shù)/減少計(jì)數(shù)。
對(duì)上述計(jì)數(shù)器和內(nèi)插器可能有多種改進(jìn)。例如,圖31的估算線路720包括的可不是一個(gè)由誤差信號(hào)δ增加計(jì)數(shù)的相位計(jì)數(shù)器,而是一個(gè)自由運(yùn)行計(jì)數(shù)器,這個(gè)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)頻率由誤差信號(hào)δ控制。但是,對(duì)于用于表面或外形測(cè)量的干涉測(cè)量?jī)x裝置這是不需要的,因?yàn)檫@種裝置在低頻或零頻條件下的響應(yīng)是不穩(wěn)定和不準(zhǔn)確的。
由于誤差信號(hào)sin(θ-)接近相位誤差θ-,所以能夠使這種誤差信號(hào)數(shù)字化以獲得更高的精度,并對(duì)內(nèi)插器的輸出附加更低的有效位。另一種方法是,通過(guò)減少計(jì)數(shù)器721位的數(shù)目也可保持同樣的精度,以便對(duì)條紋間的相位進(jìn)行更粗略的細(xì)分,使其處于這樣一個(gè)水平,在這個(gè)水平上,sin(θ-)仍保持相當(dāng)好地接近θ-,且恢復(fù)因?qū)Σ钪敌盘?hào)數(shù)字化而損失的精度。這可對(duì)內(nèi)插器的最大跟蹤頻率有一些提高。
參考圖34,在相位角計(jì)數(shù)器721把條紋間的相位分成一個(gè)2的冪的數(shù)的情況下,相位計(jì)數(shù)器721的輸出信號(hào)可以作為一個(gè)碼的更低級(jí)的位0-7輸給數(shù)字輸出數(shù)據(jù)總線,對(duì)于這個(gè)輸出信號(hào),條紋計(jì)數(shù)器610的二進(jìn)位輸出信號(hào)包括更高級(jí)的位。
在條紋計(jì)數(shù)的數(shù)目與探頭或類似裝置移動(dòng)的距離不是絕對(duì)線性關(guān)系的情況下,如在上面討論的干涉測(cè)量裝置中,這種數(shù)字輸出總線連接于圖26所示的非線性校正線路800,該線路可簡(jiǎn)單地包括一個(gè)只讀存儲(chǔ)器,數(shù)字輸出數(shù)據(jù)耦連于該線路的地址線上,并在其數(shù)據(jù)總線上產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的校正數(shù)字碼。
如果需要,一個(gè)定標(biāo)電路810包括一個(gè)數(shù)字乘法器(例如,還有一個(gè)只讀存儲(chǔ)器查尋表格),設(shè)置這個(gè)計(jì)數(shù)線路以一些方便的形式把校正線路800的校正輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換成距離單位。在上述實(shí)施例中,探頭距離相應(yīng)于每個(gè)條紋到條紋的間隔為0.833μm,這樣每個(gè)1/256相位間隔相應(yīng)為3.25nm以便把校正數(shù)變換成毫微米,乘法器810乘以1/3.25。
雖然為了清楚,校正和定標(biāo)線路800,810是分開(kāi)表示的,實(shí)際上它們可以方便地包括同一個(gè)執(zhí)行校正和換算的查尋表格ROM。通過(guò)對(duì)測(cè)量?jī)x大小和形狀的計(jì)算得出由定標(biāo)線路810提供的系數(shù),而且通過(guò)響應(yīng)于已知表面或外形的測(cè)量來(lái)測(cè)量計(jì)數(shù)器600和內(nèi)插器700的數(shù)字輸出碼,從而可方便地獲得在校正相位上的非線性校正。
從上面的討論中可以清楚的知道,含有條紋計(jì)數(shù)器600和內(nèi)插器700的信號(hào)處理線路150可和除那些前面已經(jīng)描述過(guò)的干涉測(cè)量?jī)x之外的其它類型的干涉測(cè)量?jī)x器一起使用,而且前面描述過(guò)的干涉測(cè)量裝置也可以和其它信號(hào)處理線路一起使用。
進(jìn)一步講,雖然把前面所述的過(guò)零檢測(cè)條紋計(jì)數(shù)器線路和前面所述的內(nèi)插器線路一起使用具有特別的好處,因?yàn)檫@樣可以提供準(zhǔn)確的相位參考,但是每一個(gè)條紋線路和內(nèi)插器線路也可分開(kāi)使用。
進(jìn)一步講,用于推進(jìn)探頭或探針與被測(cè)物體相接觸的偏置力裝置400也可用于除前面所述的那些測(cè)量?jī)x器之外的其它類型的測(cè)量?jī)x器;例如用于感應(yīng)讀出測(cè)量裝置。但是,當(dāng)一塊使用時(shí),上述具有信號(hào)處理輸出線路的測(cè)量裝置能夠提供一個(gè)非常緊湊的部件,這個(gè)部件能夠裝在一個(gè)單獨(dú)的橫動(dòng)部件110上而不會(huì)在它的立柱上增加負(fù)荷,采用一個(gè)低壓電源比至今用于氦氖激光器的電源更安全,并提供一種方便的數(shù)字輸出,提供的動(dòng)態(tài)分辨率例如為1.8×106∶1。
權(quán)利要求
1.干涉儀裝置,包括一個(gè)衍射光柵,和一塊棱鏡,來(lái)自光柵的一對(duì)大小相等方向相反級(jí)的衍射光束被導(dǎo)引到棱鏡里面,并從棱鏡的表面被反射到合成裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于從光柵到合成裝置的光程長(zhǎng)度基本相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于棱鏡的幾何形狀和折射率是這樣的,即從其表面上的反射是全內(nèi)反射。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于反射表面是平行的。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于棱鏡的幾何形狀和折射率是這樣的,即入射角和反射角為45°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于合成裝置包括所說(shuō)的棱鏡的一個(gè)半反射內(nèi)表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置,其特征在于所說(shuō)的半反射表面包括一個(gè)分光層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置,其特征在于光束在分光層上面的入射角接近45°。
9.根據(jù)前面任何一項(xiàng)權(quán)利要求的裝置,其特征在于還包括一個(gè)半導(dǎo)體激光二極管照射光源。
10.根據(jù)權(quán)利要求1到8的任何一項(xiàng)的裝置,其特征在于還包括一個(gè)照射光源,該光源包括一個(gè)通常由窄帶濾光器濾光的單色光發(fā)射裝置。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于還包括用于與一個(gè)表面接觸的探頭裝置,衍射光柵與探頭裝置相連接以對(duì)其位移進(jìn)行測(cè)量, 還包括偏置裝置用于沿預(yù)定方向偏置該探頭裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求11的裝置,其特征在于該預(yù)定方向是朝向表面的。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置,其特征在于該預(yù)定方向朝向預(yù)定位置的。
14.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于包括一個(gè)與表面相接觸的探頭裝置,衍射光柵布置成測(cè)量探頭位置,還包括偏置裝置用于向探頭施加力以抑制探頭的振動(dòng)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置,其特征在于力與探頭裝置的速度有關(guān)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置,其特征在于偏置裝置包括一個(gè)電磁致動(dòng)器。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的裝置,其特征在于電磁致動(dòng)器包括一個(gè)繞在芯片上的線圈。
18.根據(jù)權(quán)利要求13的裝置,其特征在于偏置裝置包括一對(duì)反向作用的偏置裝置。
19.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于合成裝置包括一個(gè)分光器用以產(chǎn)生反射輸出和透射輸出,以及配置了用于響應(yīng)所說(shuō)輸出之間的差而產(chǎn)生信號(hào)的裝置。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置,其特征在于所說(shuō)的差裝置包括一對(duì)用以產(chǎn)生各自電信號(hào)的光電傳感器和接收所說(shuō)的電信號(hào)并產(chǎn)生與它們之間的差成比例的電輸出信號(hào)的裝置。
21.用于處理從一個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1的干涉儀的輸出所獲得的信號(hào)的裝置,產(chǎn)生與所說(shuō)干涉儀的輸出的干涉條紋之間的角位置有關(guān)的輸出信號(hào),該裝置包括用于產(chǎn)生有關(guān)所述角位置的估算信號(hào)的裝置,用于根據(jù)所說(shuō)的估算信號(hào)產(chǎn)生所說(shuō)的輸出信號(hào)的裝置,用于從所說(shuō)的 估算信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)其自身函數(shù)信號(hào)的裝置,和用于根據(jù)所說(shuō)的產(chǎn)生的函數(shù)信號(hào)和輸入信號(hào)控制所說(shuō)的估算信號(hào)發(fā)生器以減小兩信號(hào)之間的差裝置。
22.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置,其特征在于所說(shuō)的估算信號(hào)是數(shù)字信號(hào),且所說(shuō)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生裝置包括數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換裝置。
23.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置,其特征在于所說(shuō)的估算信號(hào)是數(shù)字信號(hào),其中控制裝置包括用于當(dāng)所述差信號(hào)超過(guò)一個(gè)預(yù)定閾值時(shí)把所說(shuō)數(shù)字信號(hào)改變一個(gè)計(jì)數(shù)值,從而減小所說(shuō)的差信號(hào)的裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的裝置,其特征在于所說(shuō)的預(yù)定閾值是常數(shù),且所說(shuō)的差信號(hào)至少與所說(shuō)的角位置近似線性相關(guān)。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置,其所述差信號(hào)近似為估算信號(hào)與輸入信號(hào)之差的正弦。
26.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置,其特征在于所述控制裝置設(shè)置成在輸入信號(hào)沒(méi)有變化的情況下不改變估算信號(hào),以把裝置的頻率范圍擴(kuò)大到直流工作條件。
27.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置,其特征在于布置成接收一對(duì)相位不同的輸入信號(hào)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置,其特征在于所說(shuō)的一對(duì)信號(hào)包括相位差90°的正弦和余弦信號(hào)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28的裝置,其特征在于包括用于產(chǎn)生估算正弦和余弦信號(hào)的裝置,用于分別相應(yīng)所說(shuō)的估算正弦和余弦信號(hào)及所說(shuō)的輸入余弦和正弦信號(hào)的乘積而產(chǎn)生乘積信號(hào)的裝置,和用于從它們的差中產(chǎn)生代表所說(shuō)的輸入信號(hào)和所說(shuō)的估算信號(hào)之間的角位置差的信號(hào)的裝置,以控制所說(shuō)的估算信號(hào)發(fā)生裝置。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置,其特征在于所說(shuō)的估算信號(hào)發(fā)生裝置包括數(shù)字信號(hào)發(fā)生裝置,且所說(shuō)的乘法裝置包括乘法數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器。
31.根據(jù)權(quán)利要求21的裝置,其特征在于還包括用于對(duì)所說(shuō)的輸入信號(hào)中檢測(cè)的干涉條紋或最大值計(jì)數(shù)的裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求31的裝置,其特征在于還包括用于使所說(shuō)的估算信號(hào)發(fā)生器與所說(shuō)的計(jì)數(shù)器同步的裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置,其特征在于還包括用于接收光干涉儀的零平均輸出信號(hào)的裝置,和檢測(cè)它們過(guò)零的裝置。
34.根據(jù)權(quán)利要求33的裝置,其特征在于還包括用于接收與第一輸入信號(hào)相位不同的第二輸入信號(hào)的裝置,用于從所說(shuō)的第一和第二信號(hào)確定所說(shuō)的過(guò)零的相位的裝置,用于確定所說(shuō)的過(guò)零的方向的裝置,和用于根據(jù)所說(shuō)的方向和所說(shuō)的相位增加或減少一個(gè)條紋計(jì)數(shù)的裝置。
全文摘要
用于測(cè)量表面或外形或紋理的裝置包括一個(gè)光柵干涉儀,該干涉儀包括裝在一個(gè)樞軸支承臂上的一個(gè)彎曲光柵,在支承臂的另一端裝有一個(gè)探頭以和一個(gè)表面相接觸,探頭是由一個(gè)電磁線圈繞在一個(gè)銜鐵上或由一對(duì)這樣的偏置裝置施加偏置力而與表面接觸的。一個(gè)信號(hào)處理線路包括一個(gè)條紋計(jì)數(shù)器和一個(gè)內(nèi)插器;內(nèi)插器包括一個(gè)數(shù)字計(jì)數(shù)器。
文檔編號(hào)G01B21/00GK1118063SQ95103469
公開(kāi)日1996年3月6日 申請(qǐng)日期1995年4月19日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月30日
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