光学间隙测量装置和方法

xiaoxiao2020-8-1  1

【专利下载】Tel:18215660330

专利名称:光学间隙测量装置和方法
技术领域
本发明涉及高速,高精度测量两表面之间的距离,其中一个表面基本上是一个透明的部件。尤其是,本发明涉及利用偏振光和干涉测量进行测试的装置和方法。
在工业检验和质量控制过程中经常遇到的问题是表面之间小距离的精确测量。例如,在磁性数据贮存系统中,需要测量靠近接触一个快速旋转刚性圆盘上的滑动器运行高度。在此处所述的运行高度是磁头极与旋转刚性圆盘之间的距离,如参见由M.F.Garnier等人于1974年12月17日公布的美国专利U.S.P NO.3,855,625。这种运行是由刚性圆盘的旋转所产生的气动效应所致,根据滑动器的设计,通常运行高度小于250nm(10μ-inch),有可能达到几十毫微米。本领域的发展趋势是朝着非常低的运行高度,即小于25nm。因此,测量的速度和可靠性尤为重要,因为通常一个滑动器制造者每月生产200,000-500,000个滑动器组件。
已有测量滑动器组件的运行高度的装置和方法已公开在由B.Bhushan所撰写的“Tribology and Mechanis of ma-gentic storage devices”一文的P765-797中(New YorkSpringer-Yerlag,1990)。某些最新的发展已在“Proceed-ings of the IDEMA Sub-2 micro inch Workshop”,May12,1993中作出介绍。
光学运行高度测试器几乎全部是依据干涉测量方法。干涉仪能够测定至某一物体的距离,物体的形貌,或其它包含物理长度的物理参数(例如,参见“Optical shop testing”书的第一章,由Daniel Malacara编写(Wiley,New York,1992)。光学技术的根本困难之一是,滑动器ABS和实际的硬盘之间的界面不能直接地予以检测。所以,基本上存在两种不同类型的OFHT,一种是对在实际硬盘上运行的滑动器后侧面进行相对测量,另一种是在实际硬盘位置用一块透明玻璃代替。
第一种OFHT的例子可参见文章“Measurement ofhead/disk spacing with a laser interferometer”(由L.Y.Zhu,K.F.Hallamasek和D.B.Bogy(IEEE Tran.Magn MAG-23,2379,1988))。所公开的装置是一种能够对滑动器的后侧面上许多点测量物理位置的外差干涉仪,即,滑动器的侧面上的许多点实际上不与硬盘相接触。这种装置的优点在于,它与实际的磁性硬盘一起工作,它能测量运行中滑动器的取向(斜度和起伏)以及高度。对零运行高度的标定是由使滑动器着落在硬盘上来进行的。这种系统装置的主要缺点是,滑动器和硬盘的交界面直接观察不到,运行高度只能从滑动器后侧面上的位置推想而知。于是,必须假设,滑动器的厚度和ABS的形状是恒定的,而实际上由于在运行时的机械和热应力会使滑动器存在明显的畸变。其它的缺点是,对许多滑动器组件的滑动器后侧通常不是随意可接近的。
首次报导利用干涉装置直接测量滑动器和硬盘界面的文章是“A proposed nethod for solving some problems inlubrication”(由W.Stone撰写,发表在(The Common-wealth Engineer,Nov.1921 and Dec.1921)中)。显然,作者Stone在1921年没有采用磁性存贮合质工作、但是基本的概念相同于现代OFHT的大部分设想。Stone的装置包括,一个直径约为125mm的玻璃圆盘,安装成在水平面内可以旋转。一个15mm的方块,其作用类似于一个滑动器的作用,利用一个合适的负载机构使该方块压在圆盘的下表面。由于圆盘是透明的,在运行中有可能通过圆盘观看到方块,用一个钠焰通过圆盘对方块照明,选用钠焰的目的在于采用一种近似单色的非偏振光源。反射光束是由从圆盘表面反射的光束和从方块反射的光束的复合光束组成。这二种反射光束的复合和同时探测导致涉及在圆盘上方块运行高度的一种干涉效应。方块与圆盘之间的间距以及方块的取向可以通过随着圆盘速度改变,目检干涉图样来推断。
现代商用的直接测量滑动器和圆盘界面的OFHT是基于许多类似于由Stone发明的装置的物理原理,其不同之处主要是光源的类型、探测器和数据处理装置的不同。一个透明的代用圆盘替代磁性硬盘,以及滑动器ABS的干涉效应提供运行高度的信息。所有现有的这类OFHF均采用垂直入射通过圆盘照明ABS,并且探测与偏振无关的反射光强度的改变。
一种形式的OFHT使用基本上单色的光源(侧如参见由G.L.Best,D.E.Horne,A.Chiou和H.Sussner公开的文章”Precise optical measurement of slider dynamics”,IEEE Trans.Magn,MAG-22,(1986)1017-1019)。反射光受到圆盘和滑动器ABS之间的薄膜效应调制。这种调制随着运行高度是周期性的,其周期等于源照明波长的二分之一。采用合适的探测和分析装置,有可能通过观察反射光强度的调制来追踪运行高度的变化。从调制曲线的某些部分,可能通过探测反射光强来测定相当精确的ABS和圆盘之间的间隙。原先,这样一种仪器包括一种纯粹的目检条纹推测。J.M.Fleischer和C.Lin首先把光电传感器用在单色的OFHT中,(参见“Infrared laser interferometer for measur-ing air-bearing separation”一文(IBM Journal of Researchand Development,186),1974,PP·529-533))。一个更先进的单色OFHT例子由T.Ohkubo和J.Kishegami介绍(参见“Accurate Measurement of Gas-Lubricated SliderBearing Separation using Laser interferometry”,Trans.ASME,voc 110,pp148-155(Jan.1988)。该文介绍FM8801和FM2000运行高度测试仪(由ProQuip公司,在美国出售)的操作基础。
所进行的测量依据一种周期性现象,单色OFHT的缺点是,进行测量的干涉环不清晰,因此存在干涉条纹模糊,运行高度测量局限于波长的范围内,即,通常小于150nm。还有一个困难是,运行高度的测量具有一个明显的范围,超过该范围测量灵敏度近似于零。在滑动器和圆盘之间的间隙小于25nm时,这种情况下的测量方法特别麻烦。最后,还需要对每个进行生产测试的滑动器作零运行高度的检验。
在文章“A Visible Interferometer for Air Bearing Sep-aration Measurement to Submicro Accuracy”(A.Niagam,Trans.ASME,vol.104,pp.60-65(1982))中,介绍了一种依据单色光的OFHT,还提供了测定干涉条纹级数的附加装置。该装置包括一个氙灯和一个圆形的可变波长滤光器。灯和波长滤光器结合一起作为一个在400-700nm范围内可调波长的光源。在波长移动时,干涉图样也以一种揭示绝对运行高度的方式受到移动,因此条纹级数可用于单色光测量。一旦条纹级数已被测定,则利用单色传感器的测量可在约2.5KHz的速度下进行。
另外几个已有技术中采用多个波长来避免单色干涉测量的模糊度问题。例如,一个通常形式的OFHT是依据干涉效应随着照明波长不同而改变之一点(参见D.A.Fridge等的美国专利U.S.P NO.4,593,368)。该专利中所述的装置包括一个计算机控制的分光光度计,用以分析从滑动器—圆盘的界面反射的白光的随波长而变的调制。这种技术可配用在商业上可获得的产品,例如由太平洋精密实验室(Inc(PPL)of Chatsworth,CA.)生产的自动数字运行高度测试仪。白光干涉测量有一个明显的优点,即在测量中不存在模糊度,因为光谱调制现象与运行高度不是周期性的。然而,依据分光仪的白光方法在使用中受到许多限制,最严重的和最难办的限制是测量的速度。这个问题的构成是由于需要对多到171个不同波长反射的相位改变进行补偿(参见,“Fly-ing height measurement System and Slider absorption”(R.Pavlat,IDEMA Insight 7(5),P·1(1994)一文。最后,白光技术对间隙大于所用最短波长(近似于200nm)的二分之一波长的测量最有效,而这趋向是有利于运行高度小于25nm的测量。
为了克服上述白光干涉测量法的某些限制,几个已有技术OFHT利用少数分立的光波长来提高测量速度和性能。在U.S.P NO.5,280,340(C.Lacey)中介绍一种光学分析小间隔的三波长方法,它包括一个高强度的多波长辐射光源,一个用于快速光谱分析的探测器组件。探测器组件包括波长区分分束器,对每个欲测波长滤光的滤光器和用于每波长的高速光探测器。所公开的装置还包括一个使探测头离开探测组件一个非常小的距离,约0.25μm的机械组件。该机构用于对装置的校准,包括测量二个或多个波长的强度,同时在滑动器部分卸载的情况下测定每个波长的最大和最小强度。当该系统得到校准后,就能在速度大干100KHZ的条件下测量运行高度。在上述专利中所公开的装置是由PhaseMetrics制造的动态运行高度测试仪的基础。
虽然三波长OFHT比老式的白光测量仪的测量速度快,但是他们仍然有许多相同的限制,最严重的限制是,在运行高度趋于零时测量灵敏度趋于零。这些限制在原则上是涉及在波长范围内垂直入射时反射光强的改变关系。这些改变在运行高度非常小的情况下是相当难测量的。所以,在垂直入射时对强度测量的依赖是上述引用的已有OFHT的主要不足。
如果对从滑动器ABS的反射,和对从圆盘表面的反射可以分别用某些方法予以分开,例如或者用光束的偏振及物理的分开,或用两者,则可在很大程度上避免在低运行高度时的测量困难。在美国专利U.S.PNO.4,606,638(G.Sommargren)所公开的装置使用一个透明的圆盘作为一个前表面偏振器,从而由该表面的反射可以与从ABS的反射区分开来。所公开装置的附加优点是,整个间隙可以用具有多个探测器的相机来测量,由此可能测定滑动器的形状和取向,以及对许多测量点所需的感兴趣的参数。然而,这种具有偏振涂层的特殊透明圆盘的制造,如Sommargren的专利中所述是非常花钱的,任何表面的不完善均能在低运行高度时造成各种问题。
其它的在光学运行高度测量仪中分开干涉光途的途径公开在美国专利U.S.P NO.5,218,424(G.Sommargren)中。所公开的装置使用具有正交偏振的两束平行光束。两束光以Brewster角入射到玻璃盘的表面上。一束光完全通过圆盘,没有反射,而另一束从圆盘的表面部分反射。把通过圆盘,没有反射的光束用于照明ABS。然后,使两束光复合,形成随运行高度正弦变化的干涉效应。由于上述专利中所述的装置是一个双光束干涉仪,所以有可能在不损失灵敏度和精度的情况下来测量相当小的间隙,由此消除了系统的一个主要缺点,即取决于从间隙内的多次反射而直接引起的干涉效应。所公开的装置还包括对整个ABS成象的阵列相机。
除上述优点外,由U.S.P NO.5,218,424所公开的方法和装置具有明显的限制,使它不适宜作为一种实用工具用于磁性存贮工业中对滑动器的运行特性进行自动的检验。这些限制包括,使用昂贵、复杂的高速相位调制器作为基本的部件;非常低的数据采集和近似15HZ的处理速率,这部分是由于采用相位调制的方法,和需要对透明圆盘的所有转动进行积分;以及一个非常低的滑动器动态运行特性的测定,另部分是由于使用全帧的成象相机进行所有的测量;一种对透明圆盘的均匀性和畸变的有害灵敏性;一种对圆盘的端部和倾斜的有害灵敏性;这些可能在运行高度测量中引进实质性的误差;干涉相位的总移动主要是由于高速相位调制器的存在,导致于一种双值的相位偏移。
美国专利U.S.P NO.5,218,424所公开的装置中的若干不足之处记述在待批的美国专利申请NO.08/38/232,1995年1月31日提交的名为“Interferometer and Methodfor measuring the Distance of an object Surface with Re-spect to the Surface of a Rotating Disk”的申请中。其中主要的改进是,加入补偿光束,允许高速操作,不用受到有关圆盘的体积、表面形状和取向的变化所带来的影响;一个高速相位测量系统;以及用非常高的速度对滑动器表面上的许多不同点的相位进行有效取样的方法和装置。除了这些起优点之外,待批美国专利申请NO.08/38/232所述的装置对某些相位的源,例如空气的湍流和光学元件的机械运动仍然是灵敏的。最成问题的是,所述装置十分复杂和昂贵。
除了上述许多已知运行高度测试方法的重要缺点之外,其它所有已有方法的困难是,在滑动器的反射表面出现相位的改变。这种相位变化很容易被误认为运行高度的变化,造成具有20nm之大的误差。为了纠正这种影响,我们必需利用已知的材料综合折射率的知识来知道确切的相位变化。如果OFHT使用多波长光,则综合折射率必需对这些波长的每一个进行独立的测量。例如可参见文章”Interferometricmeasurement of disk/slider spacingThe effect of Phaseshift on reflection”(C.Lacey,R.Shelor,A.Cormier(IEEE Transaction on Magnetics))。对折射率独立测量的要求无疑对所有已有光学运行高度测试的方法和装置增加了一个沉重的负担。
通常,利用已知的仪器,例如椭率计来测量折射率,椭率计分析倾斜于受测材料表面反射光束的偏振改变来测量。该测量的几何构型不同于所有已有运行高度测量的几何构型,它需要一个完全独立的测量仪。根据文章“ellipsometry,acentury old new technique”(R.F.Spanier(industrial Re-search,September 1975)所述,椭率计是一个偏振器、相位迟后板和探测器的组件,设计于测量以倾角入射至测试表面上光束的偏振变化。椭率计提供有关表面综合折射率的信息,也能提供有关多层介质,例如沉积在基板上的薄膜的有关信息。商用的椭率计包括那些由Gaerther Scientific Cor-poration(Chicago,lL.)制造的产品。虽然已有技术提供几种实验用椭率计的样品,它包括几种用于综合折射率高速测量的设计样品,但是没有一种仪器设计用于光学运行高度测试,或者类似的小间隙的测量。所以,综合折射率的测定是间隙测量中的又一个单独任务。
例如,在名为“an antomated s canning ellipsometer”(T.Smith(Surface science 56,212-220(1976))一文中,介绍一种没有运行部件的椭率测量装置。光以一个倾角入射至测试表面。双光束分束器设置于对空间不同部分的反射光束取样。其中一个分束器把垂直和平行于入射平面的偏振分出来,而另一个相对于入射平面成45°角放置。不同的光束由光探测器测量,依据一组三个数学式的数据处理提供表征受测表面的合适椭率参数。虽然所公开的装置能有高速的功能,但是它不适用于测量小间隙,例如在光学运行高度测试中新遇到的那种小间隙的测量。一个重要的问题是光束的空间取样,它会引进误差并阻止它作为聚焦光束的使用,即使采用附加透镜和类似的聚焦元件也不行。此外,在上述文章中没有提供一种方法适用于对二个表面(其中一个基个上是透明部件)之间距离的高速和高精度的测量。最后,没有提供一种方法用于测定由一个小间隙与另一表面隔开的表面的综合折射率,这种间隔如同于一个滑动器非常靠近一个透明圆盘的运行。所以,由Smith描述的装置不解决独立测量间隙和综合折射率的问题。
某些高速椭率计利用外差干涉测量法来产生信号。在文章“interferometric ellipsometry”(H.F.Hazebroek和A.A.Holscher(J.Phys.ESci.Instrum.6,822-6(1973))中介绍一种依据Michelson干涉仪和扫描后向反射器的特殊双路椭率仪。测试表面与一平面镜一起放置在干涉仪的一个臂上,而后向反射器放在另一臂上。扫描后向反射器对干涉仪内的二个正交偏振产生拍频信号。这些信号用光电方法进行测量,他们的相对相位和振幅提供合适的椭率常数。一个稍微不同的用于干涉椭率测定的装置由C.Lin,C.Chou和K.Chang在文章“Real time interferometric ellipsometrywith optical heterodyne and phase lock-in techniques”中予以介绍。该文章公开了一种包含Mach-Zehnder几何构型的光学外差技术和二个声光调制器来产生拍频信号。然而,这些外差椭率仪中没有一个被设计成适用于二个表面间距离的高速和高精度测量,二个表面中的一个是基本上透明的部件。同样,这些文章中没有提供一种方法用于测定由一个小间隙与另一表面隔开的表面综合折射率,这种间隔如同于一个滑动器非常靠近一个透明圆盘的运行。所以,由Hazebrok和Holscher描述的装置,以及由Lin描述的装置都没有解决独立测量间隙和综合折射率的问题。
其它形式的干涉测量椭率仪采用一个Zeeman激光器,它公开在文章“ellipsometry with a stabilized Zeemanlaser”(L.Singher,A.Brunfeld,J.Shamir)中,其中包括手控转动的检偏器,它不是一个严格的高速装置。在美国专利U.S.P NO.4,762,414(G.Grego)公开的椭率仪产生外差信号,但是只能在一个时间测量一个偏振,还有的困难是,干涉信号的参考部位必需防止机械和热效应。所以,这些装置不适宜于两表面间距离的高速、高精度测量,例如不适于光学运行高度的测试中所需的那种测量。
一种特别不寻常的包括多次通过测试表面的干涉椭率仪的形式被介绍在文章“interference ellipsometer”(D.P.Pilipko和I.P.Pugach(instruments and ExperimentalTechniques 26(4)951-952(1984))中。文中所公开的装置是基于扫描Fabry-Perot干涉仪。不寻常的多路几何构型简化了某些用于提取椭率数据的信号处理阶段。然而,该装置和方法特别不适用于测量二个表面之间的距离,如光学运行高度测试中所需的那种测量。
某些椭率仪的形式只适于某特殊的任何和某种表面。例如,U.S.P NO.5,170,049介绍一种用于测量涂在基衬表面铬层上氧化铬层厚度的专用椭率仪。另一个专用干涉椭率仪的例子公开在欧洲专利No.EP0075684(J.C.Chastang,W.W.Hildenbrand,M.Levanoni)中。该系统只测量两个正交偏振的强度,所以对小测量误差是高灵敏的,而且对所有45°入射角的测量不起作用。很清楚,这些现有技术中没有一个提出解决小间隙问题,例如在光学运行高度测试中所遇到问题的技术方案,也没有提出一种避免独立测量运行高度和滑动器ABS综合折射率的方法。
由引可见,现有技术没有提供任何不依赖于单独测量综合折射率的测量运行高度的方法或装置。所以,OFHT和类似间隙测量仪的主要困难在于,综合折射率的测定是一个与间隙测量无关的任务,这一点也适用于椭率仪或类似的装置。这种需求很明显提高了小间隙测量的化费和复杂性,同进也降低了测试结果的可信度。
所以,对高速、高精度测量两表面之间距离的装置和方法,如同光学运行高度测试所需那样,存在着一种不满足的需求。在现有技术中出现的某些困难,包括不能测量相当窄的间隙,即,造成接触等,这就需要使用多波长和有关的较复杂的光源和探测部件,解决某些方法对气流和机械形变的灵敏度,并且需要与椭率仪无关地测定综合折射率。这些不利将由本发明予以克服。
本发明提供高速,高精度测量两表面之间间隙的方法和装置。在此称为第一表面的一个表面基本上是一个透明的部件,而另一表面是指受测试物体的表面。两个表面由透明的介质例如空气分隔开,他们之间的间隙通常是小于所用光的一个波长。受测物体的表面可能是非常靠近透明部件的表面,譬如可能与透明部件的第一表面接触或几乎接触。此外,受测物体的表面可以相对于透明物体的第一表面是静止的,或者是运动的。
在本发明的一个实施例中,偏振光束以倾斜的角度射向透明部件的第一表面。入射光束的平面限定一个偏振基矢P,以及一个与其垂直的基矢S。入射光束具有S和P型的偏振。借助于从透明部件的第一表面和从受测物体表面反射光的合光效应,使光束通过透明部件作后向反射。于是,反射光束中的二种偏振S和P在光探测器上或复合光探测器上互相引起干涉,以如此方式提供有关两反射偏振分量的相对相位以及它们振幅的信息。在本发明的一个方法中,利用把反射光束分成两束或多束相同的光束,每一束通过一个偏振光学元件,然后入射到一个光探测器上的方法来提供上述信息。之后,电子处理装置利用来自光探测器的信号来计算两偏振分量的振幅和相对相位。再利用由干涉分析提供的信息,由计算机计算间隙的大小。
本发明还提供一种测定受测表面综合折射率的方法和装置。该方法包括,在等于或大于源光波长的范围内改变透明部件的第一表面和受测表面之间的间隙。可以通过调节受测表面位置的机械装置,或者改变某些控制间隙尺寸的物理参量来实现上述的改变。在间隙受到改变同时,以高速获取干涉测量数据。由计算机贮存该数据,譬如振幅和相位数据的最大和最小值,然后利用该数据计算受测表面的有效综合折射率。
本发明还提供测量相对于受测表面边界的受测表面上光束位置的方法和装置,以提供有意义的,可重复的间隙测量。监测装置包括一个光源,它可以是一个白炽灯泡,光发射两极管等,一个光学系统,一个电子照相机,以及从相机信号产生一个图象的装置。光以倾斜的角度通过受测透明部件入射。另一种方式,光可以采用类似于已有亮光场显微镜所采用的垂直入射方式,通过光学显微镜射向透明部件。从受测表面反射的光射到相机上,同时利用光学显微镜使从透明部件的表面反射的光以及受测表面反射的光入射到相机上。同时,一部分上述测量光束也射到相机上,以使测量点相对于受测表面边界的位置可以通过目视或电子学方法得到测定。当采用光学显微镜时,以斜角入射的测量光束位置由受测表面朝向显微镜散射,并且也在相机上成象。于是,监测装置表示受测点相对于受测表面边界的位置。
本发明上述的和其它的特性,包括计算步骤,选用实施例的详述以及实施方法的介绍,在结合附图和本发明的详细说明后更为清楚。
在下述附图中,相同的引用字符表示类似的部件。


图1是本发明用于测量物体表面相对于转动透明圆盘表面的距离的一个优选实施例;图2是从顶部表示图1的圆盘部分,表示图1实施例中物体的位置和各个不同测量点的位置;图3是图1实施例中所采用的强度和相位探测器组件的优选实施例;图4是图1所示本发明的另一实施例,表示用于测定受测表面上测量点位置的目视显微镜的放置部位;图5是表示S偏振分量强度作为两表面之间距离大小的函数变化的曲线图,其中φ=54°,ng=1.55,n′=2.5,λ=633nm;图6是表示P偏振分量强度作为两表面之间距离大小的函数变化的曲线图,其中(φ=54°,ng=1.55,n′=2.5,λ=633nm;
图7是表示所测的干涉相位作为两表面之间距离大小的函数变化的曲线图,其中φ=54°,ng=1.55,n′=2.5,ξ=0,λ=633nm;图8是表示本发明图1所示的另一种优选实施例,说明用一个在线的光学系统对受测表面上测量光束进行定位的最好方式。
图1表示本发明采用干涉测量装置测量几乎与一个旋转透明圆盘20相接触的物体30表面的距离的一个优选实施例。实施例中的装置适用于预示位于转动磁性存贮介质20的上方一个惯用滑动器的气动运行特性。本发明适用于测量一个转动透明圆盘20的表面25和一个测试物体30的表面35之间的间隙。所示的圆盘20安置至由马达22驱动的心轴21上,所以间隙的大小可以作为圆盘20转动速度的函数予以测定。测试物体30相对于心轴21的位置可以参见图2明白,图中表示圆盘20的顶视图,表示测试物体30的位置。
参见图1,用于测量的照明由光源1提供,光源可以是一个光发射两极管,一个激光两极管,一个气体激光器,一个放电灯等类似的光源。透镜2使光束3通过偏振部件4,偏振部件可以是线性双色偏振器。偏振光束5以一个倾斜的角度射向圆盘20的第一表面。光束的入射平面限定一个偏振基矢P,以及与其有关的垂直基矢S。最好使光束5的偏振是使S和P型偏振均存在。
光束5由圆盘20作为光束6后向反射,如图1所示。反射光束6是从圆盘20的表面25反射的光和从测试物体30的表面35反射的光的合光结果。两个表面25,35的合反射率与光束5的偏振状态有关,导致两个偏振S和P的相对相位改变,以及在每个偏振中光量的改变。这些改变是表面25和35之间间隔部分的函数。本发明装置最好还包括,一个偏振灵敏的强度测量计12,用于测量每个偏振的光量,一个相位探测器13,用于测定S和P偏振分量之间的相差。本发明的优选实例最好也包括,一个可移动的偏振元件14,它可以是一个偏振器或一个波片,用于校准和检验强度计12和相位探测器13的正确操作,对此详见图3所示。
为图3所示,分束器101把反射光束65分成二束光束102和103。如图3所示的强度测量计12包括一个起偏元件110,例如一个Wollaston棱镜或一个偏振分束器,把光束102的二个偏振S和P分开,再使它们分别射向二个光探测器111和112。由这些光探测器测量的强度用电子学方法传输到一个常用计算机99(见图1)现参见相位探测器13,详见图3所示,光束103被分成二束光104和105。一个偏振元件120,例如可以是一个Wollaston棱镜等元件,进行取向,使光束104的二个偏振分量S和P混合,形成相互正交偏振的二光束106和107。由偏振元件120混合二个偏振分量将导致二个偏振的相对强度的干涉效应特性,二个偏振之间的相对相位,偏振元件120的确切取向,以及其它因素的产生。光束106和107的强度由光探测器121和122测量,所测得的电信号被送至计算机99(见图1)光束105通过波片123,例如可以采用一个波片。波片123的作用是移动二个偏振分量S和P的相对相位。第三个偏振元件130,例如可用一个Wollaston棱镜,其取向使光束105的二个偏振S和P混合成为二个互相垂直偏振的光束108和109。由偏振元件130混合上述二个偏振,将导致二个偏振的相对强度的干涉效应。光束108和109的强度由二个光探测器131和132测量,电信号被送至计算机99(见图1)。
从现有技术可见,探测器111,112,121,122,131和132每个可以是独立的探测器,或线性阵列探测器,或二维阵列探测器。本技术领域的工作者也可知,只要不偏离本发明精神,也可采用其它的探测装置。例如,虽然本发明的详细说明介绍一种特殊形式的包含偏振元件和多个探测器的相位探测器,但是也可用其它形式的相位探测器来替代。另一种适用于本发明方法的估测相位的技术是一种外差干涉测量法(参见“Basics of interferometry”一书,PP、70、71、73、189(P·Hariharan,A cademic Press,Boston,1992))。
图4表示本发明的另一种实施例,其中,显微镜200用于观察测试物体,并在垂直入射系统内测定受测表面上测量点的位置,并通过图8所示的途径,用不同于图4所示垂直入射系统的在线光学系统来对测试表面上的测量光束进行定位。参见图4,在显微镜200内的分束器203把由光源201发出的光束202导向并通过透镜204。光束202通过透镜204后向反射,并入射至闭路电视摄象机的灵敏接收区上。由摄象机210产生的电子图象可以在监视器200上观看,也可以送至计算机(见图1),作进一步处理。
图8表示本发明的另一种实施例,其中加上一个双视系统,用以观察测试物体和在在线光学系统中测定受测表面上测量点的位置。现参见图8,类似图4中所示的部件采用相同参考号下加字母“a”表示,散射光源201a。它是一个白炽灯泡,光发射二极管等光源。由分束元件203a将光源201a发出的光束与源光束2a合光。来自光源201a的光照明测试物体30a的表面35a,并通过圆盘20a后向反射。分束器204a反射从光源201a出来的一部分光至相机210a上。同时,分束器204a也反射来自光源1a的部分光。相机210的电信号作为图象230a显示在电视监视器220a上。其中,来自光源1a的光被聚焦在表面35a上,监视器上的图象230a表示相当于表面35a上测量位置的明亮光点240a。相反,来自散射光源201a的光照明表面35a的主要区域,于是提供一个表示表面35a的主要部分的清晰图象。本领域的工作者了解到,附加的图象处理装置可用于自动确定有关表面35a上物理特性的点240a的位置。
本领域的工作者也可知,另一种装置和方法也可用于观察测试物体和确定受测表面上测量点的位置。尤其,照明和电子成象可以包括一个基本上独立的光学系统,例如一个显微镜,可以在垂直入射下操作,也可以在相对图4所示的在倾角下操作。这种独立的光学系统也可包括用于确定测量点或便于对测试物30a加载的独立处理装置;独立处理装置也可包括对表面35a和表面25a之间间隙的补充分析,以检验该间隙的测量或增加它的测量范围。例如,独立的光学装置可以包括,采用光源的显微镜,这将根据已知的现有技术,例如上面所介绍的,来产生干涉色。
现介绍根据本发明的一个装置的实施例,以及测量方法的说明。再次参见图1,偏振光束5以倾斜的角度φ≠0,通过圆盘20照明测试物体30。光束5可以被分成二束具有正交偏振的分量P和S,其中P是指平行于入射面的分量。所以,光束5的电场矢量可用下式表示E→(0)=aSS^+apP^-------(1)]]>此处,和 是二个偏振的单位矢量。
反射光束6可以用下式表示E→=Zsa′′sS^+Zpa′′pP^-------(2)]]>此处,Zs,p是滑动器—玻璃界面的的有效反射率,场分量a″s,p包括,二次透过玻璃的上表面的效应,以及任何其它具有独立偏振的光学分量的效应。有效的反射率Zs,p由下式给出Zp(β)=rp+r′pexp(iβ)1+rpr′pexp(iβ)------(3)]]>Zs(β)=rs+r′sexp(iβ)1+rsr′sexp(iβ)------(4)]]>其中,相位项β由下式给出β=2kh cos(φ)(5)
反射率rs,p用于圆盘20的表面25,而r′s,p指测试物体30的表面35。相位β取决于波数K=1/λ,入射角φ和表面25和35之间的距离。
现参见图3,反射光束6由强度测量计12分析。光探测器111,112测量由下式表示的强度Is,p(β)=A″s,pZs,p(β)(6)其中,A″s,p=|a″s,p|2(7)Zs,p=|Zs,p|2(8)测量强度随表面25和35之间距离的变化由图5和6表示。
相位探测器13用于测定二个偏振分量S和P之间的相差。这种相差可用下式表示θ(β)=arg[Zs(β)]-arg[Zp(β)]+ξ(9)其中,ξ=arg(a″s)-arg((a″p)(10)图7表示相对相位随着表面25和35之间距离变化的图示形式。
相位探测器13其作用通过对由图3所示的光探测器121,122,131,132测量的强度I1..4的数学分析来显现。现用的相位测量方法要求对偏振元件120,130以及波片123进行选择和安排,使四个强度I1..4相当于一组四个干涉信号,其相差正好是π/2弧度。于是有可能使S和P偏振之间的相差由下式表示θ=tan-1[I1-I3I2-I4]-----(11)]]>上述式子可参见用于相位估测的“四步算法”(例如参见“Optical shop testing”一书,第二版,P.511,DanielMalacara(Wiley,New York,1992))。其它已知的用于相位估测的算法也可利用,对此在“Optical shop Testing”一书中已有详细介绍。
强度Is,p(β)和相位θ(β)(见等式9)一起可以毫不含糊地在式0≤β<2π(12)所限定的范围内提供测定表面25和35之间距离h的足够信息。
计算机99把测量值Is,Ip和θ与在0≤β<2π范围内的理论预示值(见等式(6)和(9))作比较。对理论和实验之间提供最可能匹配的β值用来计算距离h(见等式(5))。在已有技术中已知多种用于寻找理论和实验之间最可能匹配的方法。现选用的方法是最小乘方拟合法(由“Numerical recipesin C”一书第659-661页说明(W.Press,S.Teukolsky,W.Vettering,B.Flanney(2nd Ed,Cambridge UniversityPress,1992)。本发明的一个明显的优点是,它对所有欲与之接触的材料,包括介电材料之间的距离h提供精确的测量。已有的基于以垂直入射的多波长强度的测量具很差精度的近似接触,尤其对介电材料的近似接触。
本领域的工作者了解,其它,与强度Is,p(β)和相位θ(β)有关的测量参数也可以取作测量和分析用的主要参数。例如,在相位探测器13中的干涉现象的对比度等于二倍强度Is,p(β)乘积的均方根。同样,由光探测器121、122、131、132(图3)测量的强度平均值等于二个强度Is,p(β)的和。所以本发明的另一实施例免除图1和图3所示的强度测量计12,完全依靠由相位探测器13所获得的数据。对这种实施例的主要测量参数是相对相位,平均强度和条纹的对比度。
本领域的工作者将了解,在此所提及的数据分析假定,装置本身包括一系列光学元件,例如透统,分束器等,对图1所示光束5和6的偏振状态的改变不明显。如果实际应用中,这种光学元件改变测试光束的偏振态,则这种光学元件对测量参数的影响需要予以减少或在数据处理时需考虑进去。例如,如果图1中的透镜7不是完全没有应力双折射,则它将改变光束6的偏振态,并影响测量参数Is,p(β)和θ(β)。因此,应对透镜7进行挑选和在安装时尽量减少应力双折射。
对本发明实际应用中需关心的是,为图1所示在图盘20中应力双折射的影响。圆盘20由于制造时的剩余应力,把圆盘夹到心轴时的应力,或由于快速转动时产生的向心力均可能形成双折射。这些效应也应该予以减少,或在数据处理时考虑到。例如利用与本发明的可靠和完全操作相一致的最小量的力来把圆盘架持到心轴21上。
本发明选用的实施例也包括测定表面35的综合折射率的方法和装置。所用方法包括,在相当于β量至少改变2π的范围内改变两个表面25和35之间的距离。参见图1,有一个机械臂31,用于将测试物体30对着圆盘20架特。机械臂31由载荷机构32致动,譬如采用在商业运行高度测试系统中通用的机构。在正常使用中,载荷机构32使测试物体30沿着垂直于表面25的方向逐步从大于源水的一个波长的距离位移,从而使测试物体30几乎与圆盘20相接触。这个过程在已有技术中通常称为“加载”。本发明方法包括在使测试物体30向圆盘20上加载时探测和记录下述量的最大和量小值,P偏振的强度,S偏振的强度,以及二个偏振之间的相差θ。在这种方法中所获取的最大和最小值可以用符号Is,pmax,Is,pmin,θmax,θmin来表示。为了测定综合折射率n,这些值最好在图1的计算机内进行运算,其所用的数学步骤由下面详述定义二个量us,p为us,p=Is,pmax-Is,pminIs,pmax+Is,pmin-----(13)]]>还定义=个基它量γs,pγs,p2=4Rs,p+us,p2(1-Rs,p)2------(14)]]>其中,Rs,p′=[-us,p(1-Rs,p)±γs,p2Rs,p]2------(15)]]>其次,计算S和P偏振之间的相差αΔ,用下式计算αΔ=12(θmax+θmin)-------(16)]]>现,定义P′量P′=R′PR′sexp(-iαΔ)------(17)]]>并从下述公式计算综合折射率n′n′=tan(φ)1-4P′(1+P′)2sin2(φ)------(18)]]>前面的计算表面35的综合折射率n′的数学步骤假定,图1中光束5的入射角φ是接近于或不等于对圆盘20的Brewster角。对于折射率ng=1.5的圆盘的合适入射角,例如φ接近于50°。
本领域的工作者将明白,另一种利用加载时进行数据采集的测定综合折射率n′的处理方法在不偏离本发明精神的情况下是可能的。例如,另一种步骤是基于向增加的方向调节n′值,直至在整个运行高度范围内取得理论与实验之间的尽可能的一致。作为一个附加的例子,另一种实施例包括,调节等式(17)中的 的比,直至在整个运行高度范围内取得理论与实验之间的尽可能的一致。这些不同的实施例都需要某些对n′值的初始估计,所述的初始估计值是从材料的性能,以及最大和最小值Is,pmax,Is,pmin,θmax,θmin中推导出来的。
一旦综合折射率n′已被测定,表面35的综合反射率可以用Fresnel公式来计算r′s=tan(φ-φ-)tan(φ+φ-)-----(19)]]>r′s=-sin(φ-φ-)sin(φ+φ-)-----(20)]]>
其中,φ是入射角,φ是综合折射角,可以从snell折射定理来计算n′sin(φ)=sin(φ)(21)因为在选用的方法中已知综合反射率γ′s,p,所以不存在由于反射的相位改变所产生的间隙测量的误差。
本领域的工作者应知道,本发明的几种不同的实施例在不偏离本发明精神的情况是可能的。例如,本发明用于运行高度测试的另一种实施例包括一个运行在涂有磁性介质的圆盘上的基本上透明的滑动器。在其它实施例中,透明部件包括许多表面来测量物体或受测目标上的不连续特性。在还有一个实施例中,透明部件起到一个用于测量物体表面轮廓的参照作用,这种物体可以是固定不动的,也可以作靠近透明部件的运动。
所有从本发明的优点中取得好处的实施例,它包括在相当宽的单波长光源范围内具有高灵敏度测量间隙的能力,在对表面间实际趋于接触的非常小的间隙的测量能力,测量和补偿测试物体的综合折射率的能力,以及本发明装置对气流和小的机械形变的不灵敏性。
权利要求
1.一种测量受测试物体的表面相对于基本上透明部件的表面之间距离的方法,所述的物体表面是非常靠近所述的透明部件表面,所述的方法包括下述各步将一束偏振光束以一个倾斜角度射向所述的圆盘表面,所述的光束其入射平面具有一个偏振基矢P和与其垂直的基矢S,所述的光束入射到所述的透明部件的表面并具有S和P型的偏振;使所述光束通过基本上透明的部件后向反射,以形成包括S和P偏振分量的反射光束,所述的反射S和P偏振分量互相具有相关的相位和幅度;使反射光束中的S和P偏振分量互相干涉,以提供有关所述相关的相位和幅度的信息;并基于所述的相关相位和幅度的信息来测定所述的距离。
2.根据权利要求1的测量方法,其特征是,所述的表面由基本上透明的介质分隔。
3.根据权利要求1的测量方法,其特征是,所述的欲测距离小于所述光束的一个光波长。
4.根据权利要求3的测量方法,其特征是,所述的反射步骤包括利用从所述物体表面和所述透明部件表面反射的合光效应来后向反射所述光束的步骤。
5.根据权利要求4的测量方法,其特征是,所述受测试物体的表面相对于所述圆盘表面是静止的。
6.根据权利要求4的测量方法,其特征是,所述受测试物体的表面相对于所述透明部件表面是运动的。
7.根据权利要求1的测量方法,其特征是,所述的反射步骤包括,利用从所述物体表面和所述透明部件表面反射的合光效应来后向反射所述光束的步骤。
8.根据权利要求1的测量方法,其特征是,所述受测试的物体的表面相对于所述的透明部件表面是静止的。
9.根据权利要求1的测量方法,其特征是,所述受测试物体的表面相对于所述透明部件表面是运动的。
10.根据权利要求1的测量方法,其特征是,还包括下列步骤在近似等于或大于所述光束的光波长范围内改变所述物体表面和所述透明部件表面之间的距离;在所述的距离受到改变提供所述幅度和相位信息的最大和最小值的同时提供所述幅度和相位的信息;根据所述最大和最小值测定受测试物体表面的有效综合折射率。
11.根据权利要求10的测量方法,其特征是,还包括,存贮所提供的最大和最小值的步骤,所述有效综合折射率是由所述存贮值来测定的。
12.根据权利要求1的测量方法,其特征是,还包括,监测入射在受测物体的表面上的入射光束相对于受测物体的表面边界的位置的步骤。
13.根据权利要求12的测量方法,其特征是,所述的监测步骤包括通过显微镜朝所述的透明部件表面提供垂直入射的第二光源;反射所述由通过显微镜从所述的圆盘表面和所述的受测物体表面提供的光,并把所述的反射光入射到一个照相装置,使受测物体的表面边界能予以观视;通过显微镜使所述入射光束的至少一部分射到所述相机上,使受测物体表面上的入射光束位置能予以观视;观视所述入射光束相对于受测物体表面边界的位置。
14.根据权利要求1的测量方法,其特征是,所述的相对相位差用下式表示θ(β)=arg[Zs(β)]-arg[Zp(β)]+ξ,其中,Zs,p(β)是受测物体和圆盘表面的有效折射率,ξ=arg(a″s)-arg(a″p),其中a″s,p是入射光束的S和P偏振的电场分量,β=2khcos(φ),其中k是源光的角波数,φ是入射角,h是受测物体相对透明物体表面的距离。
15.一种测量受测试的基本透明物体相对于基本不透明部件之间距离的方法,所述的物体表面是非常靠近所述圆盘表面,所述的方法包括下列步骤将一束偏振光束以一个倾斜角度射向所述受测的基本透明物体,所述的光束其入射平面内有一个偏振基矢P和与其垂直的基矢S,所述光束入射在所述透明部件表面上并均具有S和P型的偏振;通过受测的基本透明的物体后向反射所述的光束的以提供一个包含所述S和P偏振分量的反射光束,所述的反射的S和P偏振分量互相具有相关的相位和幅度;使反射光束中的S和P偏振分量互相干涉,以提供有关所述相关的相位和幅度的信息;并基于所述的相关相位和幅度的信息来测定所述的距离。
16.根据权利要求15的测量方法,其特征是,所述圆盘包括一个旋转的磁性存贮介质,所述的受测物体包括位于所述旋转磁性存贮介质的所述表面上方的滑动器;因此所述位于透明部件表面上方的所述滑动器的气动行程特性可予以预示。
17.根据权利要求15的测量方法,其特征是,所述的欲测距离小于包含所述光束的一个光波长。
18.一个用于测量受测物体的表面相对于一个基本透明部件表面的距离的装置,所述的物体表面十分靠近所述透明部件表面,所述的装置包括向透明部件的表面,以倾斜的角度提供具有互相垂直的偏振基矢P和S的平面偏振入射光的装置,所述偏振光束P有一个垂直于它的垂直基矢S,所述的偏振光束其偏振是以所述的S和P型偏振出现,所述的通过透明部件作为反射光束后向反射的光束包括反射的S和P偏振分量,具有一个该表面的复合反射率,所述的复合反射率取决于所述入射光束的偏振状态,并导致所述S和P偏振分量的相对相位改变,每个偏振分量的光束量作为表面之间间隔的函数;用于把所述的反射光束偏振分量混合的装置,以提供所述偏振分量的相对强度的干涉效应特性和所述S和P偏振分量之间的相位差的干涉效应特性,以及提供包含所述相位差和所述强度的信息;用于依据所述包含偏振分量的相位差和强度的信息来测定距离的装置;因此,受测物体表面与基本透明部件表面之间距离高速、高精度的测量可以完成。
19.根据权利要求18的测量装置,其特征是,所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的装置包括一个用于混合所述偏振分量的偏振元件。
20.根据权利要求19的测量装置,其特征是,所述偏振元件包括一个Wollaston棱镜状的装置。
21.根据权利要求19的测量装置,其特征是,所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的装置还包括用于测量所述强度的光探测装置。
22.根据权利要求21的测量装置,其特征是,所述的用于混合所述反射光束的偏振分量和提供信息的装置还包括使所述S和P偏振分量进行相对相移的装置,用于把所述相移的偏振分量混合成一对互相正交偏振光束,以提供使所述二个偏振分量的相对强度具有干涉效应特性的装置。
23.根据权利要求22的测量装置,其特征是,所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的装置还包括,用于测量所述混合相移偏振分量的强度的光探测器装置。
24.根据权利要求18的测量装置,其特征是,所述的用于混合所述反射光束偏振分量和提供所述信息的装置还包括,用于测量所述反射光束每个偏振光量的偏振灵敏强度测量计,用于测量S和P偏振分量之间相位差的相位探测装置,以及用于把所述的反射光束分成两束的分束装置,其中一束光射到所述偏振灵敏强度测量计;另一束射到所述的相位探测装置。
25.根据权利要求23的测量装置,其特征是,所述的用于混合反射光束偏振分量和提供所述信息的装置包括,用于测量每个反射偏振光束的光量的偏振灵敏强度测量计,用于测量S和P偏振分量之间相位差的相位探测器装置,以及用于把所述反射光束分成两束的分束装置,其中一束光束射到所述偏振灵敏强度计上,另一束光束射到所述的相位探测装置上,所述的相位探测装置包括所述的偏振部件,所述的光探测装置和所述的相移装置。
26.根据权利要求18的测量装置,其特征是,所述的用于提供偏振入射光束的装置包括,相对于所述物体表面设置的显微镜装置,用于确定在受测物体表面上测量点的位置。
27.根据权利要求18的测量装置,其特征是,所述的提供偏振入射光的装置包括一个光源和一个偏振元件,从光源发出的光经过所述偏振元件。
28.根据权利要求27的测量装置,其特征是,所述的偏振元件包括类似于双色线偏振器的装置。
29.根据权利要求27的测量装置,其特征是,所述的光源包括激光装置。
30.根据权利要求27的测量装置,其特征是,所述的光源包括光发射二极管装置。
31.根据权利要求27的测量装置,其特征是,所述的光源包括放电灯装置。
32.一个用于测量受测的基本透明物体的表面相对于一个基本不透明部件表面的距离的装置,所述的物体表面是非常靠近所述的圆盘表面,所述装置包括向受测的基本透明物体表面,以倾斜的角度提供入射光的装置,该入射平面具有互相垂直的偏振基矢P和S,所述偏振光束具有S和P型的偏振,所述的通过基本透明的受测物体作为反射光束的后向反射光束包括S和P偏振分量,并且所有的表面具有一个复合反射率,所述复合反射率取决于所述入射光束的偏振状态,并导致所述S和P偏振分量的相对相位变化,并以每个偏振分量的光量作为所述表面之间间隔的函数;用于混合所述反射光束偏振分量的装置,以提供所述偏振分量相对强度的干涉效应特性,和所述S和P偏振分量之间的相差的干扰效应特征,以及提供包含所述相差和强度的信息;用于依据所述的包含所述偏振分量的相差和强度信息测定所述距离装置,从而可以实现受测基本透明物体的表面和基本不透明部件的表面之间距离的高速、高精度测量。
33.根据权利要求32的测量装置,其特征是,所述的圆盘包括,一个旋转的磁性存贮介质,所述的测试物体包括在所述旋转确性存贮介质的表面上方的一个滑动器。
34.根据权利要求1的测量方法,其特征是,还包括泛光照明受测表面的步骤,以便能够精确确定相对于受测表面边界的测量点位置。
35.根据权利要求1的测量方法,其特征是,还包括,在整个近似等于或大于所述光束的光波长范围内改变所述物体表面和所述透明部件表面之间距离的步骤;在所述的距离改变的同时提供所述的幅度和相位信息;基于所述的信息确定受测物体表面的综合折射率。
36.根据权利要求15的测量方法,其特征是,还包括,泛光照明受测表面的步骤,从而能相对于受测表面的边界精确地确定测量点的位置。
37.根据权利要求15的测量方法,其特征是,还包括,在整个近似等于或大于所述光束的光波长的范围内改变所述物体表面和所述透明部件表面之间距离的步骤;在所述距离改变同时提供所述幅度和相位信息;依据所述信息确定受测物体表面的综合折射率。
38.根据权利要求36的测量方法,其特征是,所述的泛光照明步骤包括通过一个在线的光学系统对所述受测表面进行泛光照明的步骤。
39.根据权利要求34的测量方法,其特征是,所述的泛光照明步骤包括通过一个在线的光学系统对所述受测表面进行泛光照明的步骤。
全文摘要
高速测量两表面间距的光学方法和装置,其中第一表面是基本透明部件的部分,第二表面是测试物体表面,先用透镜将光束通过偏振部件以一个倾斜角度射到第一表面,并将测量光束定位在受测表面上,再利用从第一表面和受测物体表面上反射光束的合光效应使偏振光束通过透明部件后向反射,然后,用偏振灵敏强度探测器和相位探测器测量由入射平面限定的偏振分量的强度和相对相位,分析这些测量参数,测定两表面间隙,提供一附加方法和装置,由表面间隙测量物体表面的综合折射率。
文档编号G11B33/10GK1131741SQ9511829
公开日1996年9月25日 申请日期1995年11月22日 优先权日1995年3月22日
发明者彼德·德·格鲁特 申请人:载歌公司

最新回复(0)