專利名稱：位置測量的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用干涉儀測量表面和外形的裝置。本發(fā)明還涉及由于涉儀的輸出確定位移的方法和裝置，例如，在被測的表面和外形上方使用探頭。
已知的裝置是通過測量一個物體的表面和外形，來推知該物體的紋理、粗糙度或形狀。這種裝置的一個例子是由RankTaylorHobson有限公司(P.O.Box36，2NewStarRoad，LeicesterLE47JQ，UK)生產(chǎn)的FORMTALYSURF(TM)測量系統(tǒng)。該裝置包括一個探頭部件，或探針，它們向下伸向被測的表面并與其接觸，該被測表面還與一個支承臂的一端相鄰，該支承臂安裝在一個支承結(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)被測物體表面的線性運動，并可通過一個驅(qū)動系統(tǒng)以直線方式橫穿被測表面。支承臂超出樞軸支架并帶有一個反射面，該反射面限定了兩條光路的一端，沿著光路可引導(dǎo)出一個準(zhǔn)直光源(一個激光源)。
在被測表面上方的一個參考探頭位置上，兩條光路的長度相等。但是，當(dāng)被測表面的高度變化時，探頭在重力的作用下沿被測表面推進(jìn)，位于樞軸支承臂另一端的反射表面也移動，從而改變了兩條光路中一條的光路長度，這樣便會產(chǎn)生干涉的條紋圖案。
計算通過一個設(shè)定的光檢測器位置的條紋數(shù)，從而測量探頭的位移。因此，采用一個條紋計數(shù)裝置以對通過一個固定的檢測器位置的條紋進(jìn)行計數(shù)，并由此提供一個輸出信號，該輸出信號代表在探頭結(jié)構(gòu)直線橫穿被測表面時，探頭在被測表面上方的位移。當(dāng)然，也可以等效地移動被測表面，而不是探頭。
為測量可旋轉(zhuǎn)物體的粗糙度和形狀，例如曲軸或輪軸，則使被測物體位于探針的下方，并被安裝成可旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。當(dāng)被測物體旋轉(zhuǎn)時，探頭測量被測物體的圓周，由此可以檢測任何與所需形狀的偏差或偏心度。
這種測量裝置在探頭位置(由此推知被測表面的高度)的測量方面要求具有極高的精度。上述裝置能夠獲得10nm數(shù)量級的位移分辯率。這種裝置的另一個重要的特性是探針?biāo)軠y量的最大位移;其需要相當(dāng)?shù)拇笠詼y量許多類型的表面或形狀，典型的大小在毫米數(shù)量級。這種測量設(shè)備所完成的一種有效的測量是“動態(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)生了一些問題。首先是采用邁克爾遜型干涉儀測量兩條光路間在光程長度上的差。這種測量關(guān)鍵依賴于穩(wěn)定的光的波長，而大氣壓力和溫度的變化都會引起光的波長的變化，從而導(dǎo)致不準(zhǔn)確的測量。由于兩條光程的長度可以相差很多，所以，光源必須具有很長的相干長度;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量裝置。在一個光柵干涉儀中，光束照在光柵上并由此被衍射以產(chǎn)生一對第一級衍射光束(雖然可以使用更高級的)。這兩條光束被反射以傳播相等的路程并重合從而產(chǎn)生干涉圖案。當(dāng)光柵橫向移動時，每條光束的光程保持恒定但每條光束的相位發(fā)生變化，以移動干涉圖案的條紋。因此，條紋的移動就提供了光柵橫向移動的一種測量。
在US3726595中，光柵垂直于一個表面放置并在其與表面接觸的端部裝有一個探頭，以便當(dāng)干涉儀沿該表面橫向移動時，光柵不得不垂直于該表面移動，并導(dǎo)致干涉圖案的變化，從而給出了探頭位置的測量結(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，這種移動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量中，這種安裝探頭的方法是不能令人滿意的，這是因為當(dāng)探頭伸出與這樣的上升緣接觸時，探頭從上升緣上面移過會加大探頭內(nèi)的壓應(yīng)力，這樣首先會有可能移動光柵的準(zhǔn)線(干擾干涉圖案)，第二會因與表面摩擦力的增大導(dǎo)致探頭趨于振動。還會使探頭安裝架上的應(yīng)力趨于增大。
因此根據(jù)本發(fā)明的一個方面，我們提供一種裝有光柵干涉儀的表面或外形測量裝置，其一部分與樞軸安裝的探頭相連。
但是，直接實現(xiàn)這樣一種裝置會產(chǎn)生一個問題;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，由此光柵就會在被測表面上下起伏。這種轉(zhuǎn)動或者阻礙所有衍射，或者使衍射光束的方向偏轉(zhuǎn)，這兩者都會造成該裝置失去作用。
因此，在本發(fā)明的這個方面，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)明的這個方面所提供的裝置，其機(jī)械性能適合測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度保持恒定，而且其衍射圖案對照射光的波長和其相干長度依靠的程度非常低，以便能夠采用相對便宜和小功率的光源，諸如半導(dǎo)體激光器這樣的光源。
在一個最佳結(jié)構(gòu)中，光柵沿一個曲面放置，光柵相對于探頭是這樣放置和連接的，即部分光柵提供的衍射相對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)的支承臂的有效長度，這對測量象管子這樣的封閉體積很有好處。
但是，在這個實施例中光柵的彎曲會導(dǎo)致衍射光束的發(fā)散或會聚，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)散或會聚的裝置。這個裝置最好包括一塊或幾塊校準(zhǔn)透鏡。這里采用一個象半導(dǎo)體激光器這樣的發(fā)散光源，校正裝置最好還對光源的發(fā)散進(jìn)行校正。另一種是，光源的發(fā)散可以用來補償由光柵產(chǎn)生的會聚。
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，即通過采用一對平行的平面反光鏡而使它們經(jīng)過等長的光程，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，一個干涉儀包括一個棱鏡，該棱鏡相對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光柵衍射的一對相應(yīng)的光束，并使它們朝向光合成器，最好為等長度光程，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。通過提供光學(xué)元件作為一個單獨棱鏡的一部分，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°;這樣就能使用更簡單的合成器。
兩個反射表面可以作成是平行的，以簡化結(jié)構(gòu)。
參考上面所討論的TALYSURF(TM)干涉儀，所提到的是通過記數(shù)通過一個光探測器位置的條紋數(shù)量來測量位移。這種方法提供了一種精確測量方法，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應(yīng)。但是，通過測量在檢測器部位的條紋間的光信號相位可獲得更高的精度;這被稱做條紋間的內(nèi)插法。
US4629886描述了一個光標(biāo)讀出器，它用于VLST生產(chǎn)平臺的位置控制，它裝有一個刻度盤或衍射光柵。平臺和刻度盤的線性位置由光柵干涉儀測量，而且采用兩個光檢測器，它們能產(chǎn)生相位差90°的信號。該裝置還可以進(jìn)行條紋計數(shù)，并采用一個內(nèi)插器，該內(nèi)插器通過選擇兩個信號中無論哪個被認(rèn)為是更接近線性的一個信號進(jìn)行工作(在這點上，正弦信號，對于小數(shù)值，近似為線性信號)，把該信號數(shù)字化，并采用該數(shù)字化信號作為對內(nèi)插值的測量。
但是，這種內(nèi)插器的精度受到限制。除非在數(shù)字運算上包含對兩個相位不同的信號進(jìn)行歸一化處理的步驟。還需要一個精度適宜的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器。模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換和任何隨后的運算都會限制內(nèi)插器的工作速度。
相應(yīng)地，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一個內(nèi)插器電路，該電路與干涉測量裝置或類似裝置一起使用，它包括產(chǎn)生參考信號的裝置，產(chǎn)生代表參考信號與從干涉儀取出的信號的相位差的信號的裝置，和改變參考信號以減小相位差的裝置。這樣參考信號在相位上跟蹤來自干涉儀的信號，而且輸出的是參考信號的相位而不是來自干涉儀的信號的相位。
最好是產(chǎn)生參考信號的裝置包括產(chǎn)生控制信號的裝置和響應(yīng)該控制信號產(chǎn)生預(yù)定相位的信號的裝置。這種設(shè)計最好是這樣的，其中控制信號控制頻率(或相位變化的比率)，因為這樣即使當(dāng)相位恒定時其也是準(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AnologDevices，Norwood，Massachassetts，USA現(xiàn)有的各自的數(shù)據(jù)表格有所說明。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，雖然上述最佳實施例主要用于干涉測量裝置，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。
控制信號最好是數(shù)字信號，這樣，控制信號能夠提供相位測量的直接數(shù)字輸出。產(chǎn)生控制信號的裝置最好是簡單的數(shù)字計數(shù)器，當(dāng)參考信號與來自干涉儀的信號的相位差大于預(yù)定值時，計數(shù)器計數(shù)增加;這樣就提供了一個具有簡單結(jié)構(gòu)的快速動作數(shù)字相位輸出電路。
控制信號適宜地輸給一個數(shù)字函數(shù)發(fā)生器，它可以簡單地是一個只讀存儲器，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字參考信號值，然后由數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器把該參考信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。在這種設(shè)計中，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)探頭受到突然振動或機(jī)械碰撞時可能會產(chǎn)生一個具體問題。在很高的探頭運行速度下，內(nèi)插器可能會跟蹤不了來自干涉儀的信號。但是，一個條紋計數(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)生由突然振動導(dǎo)致的探頭快速運動，也能基本上進(jìn)行跟蹤。
內(nèi)插器在相位上最好與條紋計數(shù)器同步，以便每一個條紋計數(shù)與內(nèi)插相位再同步，且內(nèi)插器與計數(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)其通過被測表面上面時保持與該表面的接觸。因此，探頭必須直接向下對著被測表面，它限制該裝置的應(yīng)用只能在原處從下面或從側(cè)面測量該表面。
因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供了一個表面或外形測量裝置，該裝置包括一個探頭和使用探頭緊貼被測物體表面的裝置。
已有的裝置見US4669300，GB2085156和GB1429973，其中探頭是傾斜的。
這個裝置可以簡單地是一種拉簧或壓簧，被設(shè)計成在一個方向上推進(jìn)探頭貼向被測表面。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，例如相對于探頭速度。
如果需要，該裝置還可以設(shè)計成能把探頭提離被測表面。
該裝置可以包含一塊電磁鐵，該電磁鐵包括一個相對移動的線圈和極靴，由該電磁鐵施加的力基本上是恒定的而且/或者通過向線圈施加電流，這個力是可控制的。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，例如通過一對推進(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施例將通過下述的說明和權(quán)利要求表達(dá)清楚。
現(xiàn)將結(jié)合附圖，只通過舉例的方式對本發(fā)明進(jìn)行說明，其中

圖1是已知的一種表面測量裝置的示意圖;
圖2是已知的一種圓度測量裝置的示意圖;
圖3是表示的是用于圖1和圖2的一種已知的測量裝置的詳圖;
圖4是一個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，及一個透鏡對其的補償;
圖9A-9C表示的是由圖6和7的裝置產(chǎn)生的輸出信號;
圖10是用于圖5到圖7實施例的衍射光柵的示意圖;
圖11是通過圖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表示的是對圖17進(jìn)行變換的另一個實施例;
圖19表示的是對圖17和18增補部分的實施例;
圖20是圖5到7的第一變換實施例的示意圖;
圖21是圖5到7的第二變換實施例的示意圖;
圖22是圖5到7的第三變換實施例的示意圖;
圖23是圖5到7的第四變換實施例的示意圖;
圖24是圖5到7的第五變換實施例的示意圖;
圖25是與上述實施例一起使用的第一信號處理線路的示意圖;
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計數(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線路的一些點上的信號的示意圖;
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)明的一個最佳實施例的內(nèi)插線路的示意圖，連同一個計數(shù)器線路的示意圖;
圖35A-F是在圖34線路上不同點的信號的示意圖。
參考圖1，一個表面測量系統(tǒng)一般包括一個支承架100，該支承加又包括一個底座100a和一個支柱100b，在該支柱上可安裝一個橫向移動部件110。該移動部件可安裝在支柱100b的不同高度位置上。一個支承部分或臂120從橫向移動部件110上延伸出來并帶有一個朝下的探針或探頭130，該探頭包括一個帶有一個錐形尖的棒。為橫穿物體140的表面測量其線性外形，在橫向移動部件110上裝有一個精密電機(jī)，以線性驅(qū)動支承臂120和探頭130朝向物體140接觸其表面，橫向移動部件110還裝有一個輸出端150以適當(dāng)?shù)男问桨研盘杺魉徒o顯示或處理裝置，如計算機(jī)的終端或工作臺160。
該信號一般包括這樣一個信號，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)帶動下沿被測物體移動的距離。
參考圖2，為測量例如軸的偏心度或圓度，對于轉(zhuǎn)動的物體140，橫向移動部件110不需要線性驅(qū)動電機(jī)，而是可旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，還要提供一個代表物體旋轉(zhuǎn)位置的輸出170。
參考圖3，在一個已知干涉測量儀中的橫向移動部件110包括一個氦氖激光器111，一個平行被測表面的軸112(換句話說一般是水平的)，一個滑架部件113，它含有一個與軸112接合的電機(jī)以使滑架部件113沿軸112滑動(通過減速齒輪箱)，一個滑架位置傳感器(沒有表示)，用于產(chǎn)生代表滑架113沿軸112的位置的信號，和一個拾取管114，它形成一個相對不透光的外殼并與滑架113連成一體。
光導(dǎo)向器115a，115b把來自激光器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另一端安裝了一個反射器122，該反射器包括一個角形反射器。該角形反射器限定了所說的邁克爾遜干涉儀的一個臂的一端，其無需進(jìn)一步說明，和一個分光器以及四分之一波片組件123，組件123是這樣設(shè)置的，即提供一對相位相差90°的輸出信號。這些信號提供給各自的光檢測器，這些檢測器相對于條紋計數(shù)提供各自的正弦和余弦電信號。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中會看得更清楚。
由于探頭130是由在軸112上橫向移動的滑架113牽引過物體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度，導(dǎo)致條紋通過分光器組件123并改變檢測器處的信號。檢測器信號由顯示或輸出裝置160處理以提供相對于被測外形的圖象，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)行位置測量的簡要說明。
在已有技術(shù)中，一個衍射光柵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。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。來自光源210的光最好是來自激光器的光，盡管由于不需要相干長度很長，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的光的波長是同一級時，就會發(fā)生衍射;例如，在光的波長為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+1和-1第一級強光束;在這個例子中θ接近54°。
一對反光鏡220a，220b位于兩條光束的光路上，以便使光束會聚在空間的一點上，合成器230就位于該點上。反光鏡220a，220b無需平行;在另一種結(jié)構(gòu)中，每塊反光鏡可以相對各自光束傾斜相同的角度，但方向相對。進(jìn)一步講，反光鏡220a，220b到光柵200的距離無需相等。最好是每條光束通過反光鏡到達(dá)合成器230所經(jīng)過的光程應(yīng)該在長度上相等，以便能夠使用相干長度短的光源。
合成器230可以簡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就包含了兩條來自光柵200的第一級衍射光束。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檢測器的部分相等;這樣，在通過檢偏器240a后，合成光束包含一個光束，它的幅度是來自光柵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光檢測器或一些其它光學(xué)拾取或檢測器。
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。利用這個第二輸出光束以提供一個第二信號，通過采用一塊傳輸波片250，其厚度與光源210的波長的相應(yīng)級數(shù)的光程長度相對應(yīng)，例如，一塊四分之一波片，以使該信號滯后檢偏器240a的輸出信號一個固定的相位差，例如90°。
在一個預(yù)定的橫向位置上，由衍射光柵200產(chǎn)生的兩條第一級光束同相，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有限的長度，如果光柵200橫向移動的距離等于一個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)光柵位于相隔一個光柵周期的位置上的時侯，幅度最大。
另一方面，如果光柵200橫向移動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，一個級的光束的相位向前漂移，而另一條同級光束的相位向后漂移。相位漂移的效果是，合成光束C的兩個部分的相位差是該相位漂移的兩倍，而且這會減小由檢偏器240a輸出的合成光束的幅度。如果一條光束向前移動90°，而另一條向后移動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)光柵移動半個柵距時，每條衍射光束的相位移動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，它們再次同相。
總之，設(shè)置一個檢測器在衍射光柵200橫向移動時測量檢偏器240a之后的光束的幅度，該檢測器在相隔半個光柵周期，被暗條紋分開的光柵位置處可測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時測量其衍射的光束的相位變化是十分清楚的;因此，可以采用一對更高一級的衍射光束來代替第一級衍射光束的使用也是清楚的。相同地，除了使用一對級數(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所示的對稱設(shè)置型式的好處是，由兩條光束橫向經(jīng)過的光程長度實際上可使其相等。為了產(chǎn)生干涉，由兩條光束橫向通過的光程長度的光程差必須保持低于光源的相干長度。這樣，雖然在采用具有相干長度長的激光光源(如氦氖激光器)時可以使用不同的光程長度，但是，對稱的，幾乎相等的光程長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度短的光源，它可以只具有幾分之一毫米數(shù)量級的相干長度。在兩個光程長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，可以采用一個工作在例如650nm波長下的紅的LED(發(fā)光二極管)，由該發(fā)光二極管發(fā)射的光束經(jīng)過一個帶寬為1nm左右的窄帶濾光器進(jìn)行濾光;這就提供了一個約為400μm的相干長度，這在使用上述實施例時足以滿足要求，因為光程長度的精度至少基本在這個數(shù)量級上。為了校準(zhǔn)來自LED的光束，在這個實施例中也可采用一個針孔。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?，因為這避免了在干涉圖案中出現(xiàn)彩色條紋。
當(dāng)產(chǎn)生一對相互有相位差的輸出光束C、D時，如圖4所示，可以對這兩條光束的幅度進(jìn)行處理，以獲得光柵200移動方向的指示。
光柵200上的條紋的形狀影響不同級的衍射光束的相對強度;最好是幾乎為正弦曲線的形狀。因為在這里需要的是強的第一級衍射光束?？梢杂冒蟹瓷錀l紋和吸收條紋交替相間的振幅光柵來代替有許多條紋的衍射光柵。
因為sinθ＝mλ/d，其中λ是波長。改變光源210的波長的作用是改變衍射光束的衍射角θ。在遇到波長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光柵200的作用是，將在相對應(yīng)的方向上一起移動衍射光束;因此這最終會移動光束的光路而不包括干涉儀的一個或更多的光學(xué)元件。但是，光柵200角度的旋轉(zhuǎn)的作用會更加顯著，這是因為衍射光束的角度向相反的方向移動。因此光束會很快在合成器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光柵200與干涉儀其它元件間的角度不對準(zhǔn)，比對光柵200的軸向移動，或光源210波長的漂移更為敏感。
參考圖5，其與圖3大體相對應(yīng)，在圖5中，相對應(yīng)的部分用相對應(yīng)的標(biāo)號，一個橫向移動部件110包括一個橫軸112和一個滑架113，滑架113通過電動機(jī)可以沿橫軸112滑動(例如，一個直流電動機(jī)通過一個減速齒輪箱驅(qū)動)。在靠近支承部件或臂120的一端裝有一個探頭或探針130，支承臂120通過樞軸軸承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)置一個信號處理線路155，以接收來自主體114的電信號，和設(shè)置一個輸出端口150輸出由信號處理線路155提供的輸出信號。此外，還可設(shè)置電源，滑架電動機(jī)的控制線，和一個提供代表滑架在軸112上的位置的信號的位置信號輸出線路，連同連接主體114的電源線以及信號處理線路155，但為了清楚起見，這些都沒有表示。
參考圖6，在主體114內(nèi)，設(shè)有一個光源310，光源310包括一個波長約670nm的激光二極管，和一個在光束中的準(zhǔn)直透鏡。支承臂120從作為123的一個部分的樞軸軸承121處伸出，在123的端部裝有一個具有一個彎曲表面的光學(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。在這個彎曲表面上裝有一個衍射光柵，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。來自光源310的光直接直線通過棱鏡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各自的輸出檢偏鏡340a，340b，每個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。在每個檢偏鏡的分光鏡340a，340b的兩個表面上安裝有各自的檢測器341a，342a，341b，342b(圖6中未表示)。每個檢測器包括一個光電二極管，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。
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，其作用是會聚來自光源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)置一個與支承臂123相連的偏置力裝置400，該裝置包括一個線性電磁線圈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，這是因為測量儀的運動與探頭的運動之比取決于臂部分120和123之比，換句話說，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，以及制造光柵的方法的局限性。
對于給定的光柵尺寸，光柵移動的距離(和因此由該移動產(chǎn)生的條紋的數(shù)量)和探頭移動的距離按照它們各自到樞軸121的距離之比彼此對應(yīng)。由此需要一個相對較長的臂部分123。另一方面，如果臂123過長，相應(yīng)樞軸121的慣性延長了測量儀的響應(yīng)時間。在所介紹的實施例中，部件123被選擇約為支承臂120長度的一半。對于表面測量，支承臂120的典型長度為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一塊圓柱形透鏡318，該透鏡會聚準(zhǔn)直光束。參考圖8a，在沒有圓柱形透鏡318的情況下，當(dāng)衍射是由凸形彎曲的衍射光柵300產(chǎn)生的時侯，準(zhǔn)直光束就會變成發(fā)散的衍射輸出光束。
通過設(shè)置圓柱形透鏡318，以便對輸入光束進(jìn)行相應(yīng)的會聚，從而準(zhǔn)直來自衍射光柵的衍射光束，如圖8B所示。透鏡318還可校正來自光源310的光束的任何發(fā)散或會聚。
隨后，該光束被棱鏡317的端面垂直接收，并沿棱鏡317的中央對稱軸通過該棱鏡，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，一條表面301的切線)總是垂直于照射光束，而不管樞軸臂123相對樞軸121的取向。做個比較，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，從光柵表面到光源310和棱鏡317的距離將發(fā)生變化。
一對第一級衍射光束呈θ角，該角度θ取決于照射光的波長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為670nm的情況下，相對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側(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，以便兩條光束在棱鏡中心的同一點上相遇。
沿棱鏡縱向中心平面設(shè)置一個分光層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。每條光束通過垂直于光束光路的一個端面射出棱鏡317。一條光束進(jìn)入一個檢偏鏡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。
每個檢偏鏡340還包括一個分光棱鏡，每個棱鏡包括一塊沿對角線平面切割的立方體棱鏡，每個立方體棱鏡在其兩個半部之間有一個分光層結(jié)構(gòu)。在每個分光鏡的45°對角線平面內(nèi)的分光層起一個分光鏡的作用，透射一個入射光束的一個部分并反射第二部分。分光鏡340a，340b的每個對角線平面的旋轉(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，因此也就包含來自衍射光柵300的每個衍射級的一個相等的部分。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)動的。通常，分光鏡340a粘接在棱鏡317的一個端面上，而四分之一波片350和分光鏡340b按順序粘接在另一個端面上。
設(shè)置一個光檢測器(例如，光電二極管)341a，341b以接收來自各個檢偏鏡340a，340b的反射光束，并設(shè)置光測器342a，342b以接收來自各個分光鏡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，表示的是每個檢測器對于光柵300的旋轉(zhuǎn)位移θ對應(yīng)于相鄰光柵柵線間半位移的輸出的曲線圖。雖然理論上每個檢測器相對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(這是因為環(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°。
在該實驗例中不是直接使用反射或透射輸出信號中的一個，而是通過設(shè)置這樣一對檢測器342a，341a，或342b，341b，并相互相減它們的電輸出信號以提供圖9C所示的相減信號，從而簡化計算條紋的信號處理。其結(jié)果(沒有表示大小)為一個正弦曲線變化信號，其幅值是單個檢測器輸出的正弦曲線部分的兩倍，且以O(shè)為中心，這是因為兩個信號直流部分在相減中被抵消了。
參考圖10，在所介紹的實施例中，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的長度的和相對應(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衍射光柵，該光柵包括一個紋脊相距為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的第一級衍射光束。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反射光柵。
參考圖12，提供這種光柵的一個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)量級的波長。這種全息技術(shù)能夠產(chǎn)生具有正弦曲線強度分布的非常清晰的干涉圖案，而且會在光敏層曝光產(chǎn)生相應(yīng)的條紋圖案。當(dāng)曝光完全后，對該表面進(jìn)行浸蝕或沖洗，以去掉光敏層曝光或沒曝光的部分，從而留下紋脊的圖案。然后對該具有紋脊的圖案表面可通過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，通過這個掩膜以完成有選擇的浸蝕。
參考圖13，當(dāng)采用這個技術(shù)的時侯，所提供的彎曲光柵的柵距絕對準(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)量級上，光柵間距對每條衍射光束增長的變化為1%的幾分之一，盡管如此，還是對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使衍射角略有漂移。但是，由于衍射角的漂移是相對兩條衍射光束的，所以，這兩條光束仍具有相等的光程長度并在棱鏡內(nèi)重合，這樣，這種效果對光學(xué)元件和檢測器的影響是很輕微的，這些光學(xué)元件和檢測器都具有一個有限的范圍。最后，光柵柵距朝向其邊緣的增加使得由檢測器檢測的條紋數(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。
對于給定的測量儀的定標(biāo)，任何剩存的非線性都能很好地測出并標(biāo)出，或通過對測量儀的校準(zhǔn)來獲取。設(shè)置一個校正線路對來自干涉儀的輸出信號進(jìn)行校正是很簡單的，正如下面所詳述的那樣，或者通過與測量儀連接的計算機(jī)或其它裝置160來完成校正。
盡管如此，還是希望通過采用這樣一種彎曲光柵300來提高該裝置的性能，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是對稱的，且包括一對傾斜的側(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。一對出口平面370a，370b被設(shè)置成與中央平面335呈一個角度，以便使光束垂直于通過中央平面335的一點，被平行面320a或320b中相對的一個所全內(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＝0.8333μm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
λ660nm680nmθd(0) 52.37 54.69x1(mm) 3.75 3.75x2(mm) 4.86 5.29x3(mm) 22.50 22.50x4(mm) 9.55 9.55(d=0.8333μ)采用已知的方式對在平面335處的多層分光涂層進(jìn)行計算和敷涂，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，在光束分離層335內(nèi)的敷涂相對較簡單。
通過仔細(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。這是通過采用兩種具有不同折射率的交替夾層來實現(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。可以通過例如化學(xué)蒸發(fā)鍍膜或任何其他合適的處理方法對該涂層進(jìn)行敷涂，以提供一個相對均勻的透明層。同樣結(jié)構(gòu)的涂層也可用于分光棱鏡340a，340b。
在一個實施例中，探頭主體114分為兩個部分，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平中面的運動和軸向轉(zhuǎn)動。
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安裝在一個夾具中，同樣還有一個準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡1000，望遠(yuǎn)鏡1000具有自動反射裝置和x/y對中十字線。圓柱形透鏡318最開始并不在組件中。運用望遠(yuǎn)鏡1000的自動反射調(diào)節(jié)，主體114在夾具中被對中，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。打開激光器311，提供一個橢圓光束光點。轉(zhuǎn)動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的位置直到來自激光器312的光束的光點到達(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已正確對中。下一步是組裝兩部分114a，114b。兩部分114a，114b通過一個連接機(jī)構(gòu)相連。該機(jī)構(gòu)最初允許在x和y方向有些移動，并能繞z軸轉(zhuǎn)動。例如，這兩個部分可以具有相對的法蘭盤彈性地連接在一起。第二部分114b安裝在一個夾具中，并在“x”方向調(diào)節(jié)第一部分114a的位置，同時觀察激光束的光點，直到光束位于光柵300的中部。
移動檢偏鏡340a中的一個，或者通過眼睛看一張卡片，或者使用一個光能計來觀察分光層335分別反射和透射的兩條光束。旋轉(zhuǎn)半波片319直到兩條光束的強度相等。
然后，在“y”方向移動本體部分114b，直到觀察到兩條光束在y方向?qū)χ小Ｔ谶@一點上，激光光束垂直照射在光柵300的表面上。
隨后，圍繞“z”軸轉(zhuǎn)動本體部分114b，以使光柵的條紋與分光棱鏡對準(zhǔn)。旋轉(zhuǎn)該部分直到觀察到在一張卡片顯示出來的兩條光束重合為止?，F(xiàn)在這兩條光束應(yīng)該相干涉，而且在移動的探針或探頭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方向的對準(zhǔn)和圍繞z軸轉(zhuǎn)動的步驟。
當(dāng)看到清楚的條紋的時候，再一次把檢偏分光棱鏡240a膠合就位，并把一對探測器342a，342b的輸出端與示波器相連。然后移動探頭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。觀察兩個探測器輸出信號的相位，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。
然后把兩個部分114a，114b剛性地固定在一起，一般是通過膠合劑，這時測量儀完全被對中了。
參考圖17，在這個實施例中，偏置或推進(jìn)力是由致動裝置提供給探頭130的，而不象已有技術(shù)是通過重力。致動裝置400包括一個電致動器，該致動器由一個線性線圈410繞在一個極靴或銜鐵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可被勵磁以通過極靴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，還可以控制激勵電流以連續(xù)改變所施加的力，例如響應(yīng)由應(yīng)變測量儀或加速計響應(yīng)負(fù)載或探頭的加速所產(chǎn)生的信號進(jìn)行這種控制。
還可以提供手動改變施加力的裝置，以便，例如向基本剛性的被測表面施加相對大的力(以便產(chǎn)生良好的接觸)，但對被測的彈性或塑性可變形的表面施加相對小的力，以避免使被測表面變形或損壞。
雖然電動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)或空氣致動器來代替線圈410和極靴420。
通過向用于對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，而不會損壞探頭或表面。
同樣地，應(yīng)該清楚本發(fā)明的這個方面并不局限于在干涉測量表面測量儀器中的應(yīng)用，而且還可同樣地應(yīng)用于，例如，包含有一個探頭的感應(yīng)拾取型測量裝置。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，這會減少臂120的有效長度，其限制該裝置在探測象管或孔調(diào)這樣的封閉表面的使用。
圖18表示的是另一種設(shè)計，其中有一對相對作用的致動器400a，400b，在這個實施例中，它們包括反方向勵磁的線圈410a，410b和接在支承臂123相對兩側(cè)的相應(yīng)的極靴420a，420b。如果控制線圈410a，410b的勵磁，以使兩個致動器400a，400b平衡施力(或者最好是由致動器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。本實施例可用于測量這樣表面的裝置，即被測表面或者高于或者低于該測量裝置，或者與其垂直。
參考圖19，在該實施例進(jìn)一步的說明中，設(shè)置致動器以對探針臂的運動進(jìn)行快速阻尼;連同其它優(yōu)點，這會減小因測量裝置受到象意外碰撞這樣的外部影響而產(chǎn)生的振動的程度。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，以便由此通過線圈410產(chǎn)生的力反抗指針的移動。
例如，該電流可以通過第一電流源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的變化速率成比例的電流。
例如，可以由信號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，這在下面將更詳細(xì)的討論，并通過數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器450把該數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬信號，然后通過一個模擬微分器460進(jìn)行微分，微分器460包括例如一個運算放大器，其在(反相)輸入端有一個電容，且在反相輸入端的反饋回路中有一個電阻。
然后把來自微分器460的信號通過一個電流跟隨器變成一個電流信號，該跟隨器包括電流源440，其輸出的電流與來自電流源430的恒定電流相加并輸送給線圈410。
但是，應(yīng)該認(rèn)識到，可以用數(shù)字微分器來代替模擬微分器，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提供一個信號控制致動器410以阻止探針運動的其它方法同樣是很明顯的。
最好能控制由致動器所施加的力的變化;在本實施例中，最好是不僅能改變由致動器所施加的力的大小，而且還能夠改變在由每個致動器施加的力之間的平衡，以便能夠或者向下推進(jìn)測量裝置以測量位于探頭130下面的表面，或者向上推進(jìn)測量裝置以測量位于探頭130上面的表面。本實施例同樣不局限于在干涉測量裝置中的應(yīng)用。
通過一個實施例的上述說明，已經(jīng)清楚了交換和代替的次數(shù)會使光學(xué)系統(tǒng)具有更多或更少的等同效果。現(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)號相同。為了說明目的，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上的射角不是45°就需要更復(fù)雜的涂層，但其平行的側(cè)面會較易加工。
參考圖20，通過用透明或部分透明的光柵取代參考圖11所說明的反射衍射光柵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，該光束直接通過光柵元件的本體300到達(dá)光柵的內(nèi)表面301，它作為一個透射光柵，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光束進(jìn)入分光棱鏡317。這樣就可以略微簡化分光棱鏡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)置一個反光鏡500以把來自光源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)在實際上起一個透鏡的作用，所以其趨于會聚照射在它上面的入射光束，因此需用一個發(fā)散透鏡518代替圖7中的會聚透鏡318以對此進(jìn)行補償，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，其能對衍射光柵元件300的會聚進(jìn)行發(fā)散補償，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，在一個最佳實施例中，該裝置與圖6，7，和14的裝置基本相同。
參照圖22，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以補償由于光柵彎曲所導(dǎo)致的會聚。
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圓柱形透鏡318a，318b所取代，以加強相同的作用。
參考圖14，通過省去光束平移棱鏡316可簡化把來自光源310的入射光引向光柵300的裝置，并且用一個垂直來自光源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)置會縮小支承臂120的有效長度，因此會影響探頭在一些需要長支承臂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)置接收來自檢測器341a，341b，342a，342b的模擬信號的模擬信號輸出端口150，甚至可以設(shè)置光信號輸出端口150，該端口在探測器所在位置上接收通過光纖電纜傳輸?shù)墓馐?。另一種情況是，通過采用上述實施例中尺寸相對較小的激光器和干涉儀來實現(xiàn)這種緊密的結(jié)構(gòu)，這使得能夠在同一部件內(nèi)進(jìn)行一些電信號的處理，以減小電的或射頻的干擾的可能，從而加強了該裝置的通用性能。由于上述裝置。產(chǎn)生的輸出信號在本質(zhì)上與傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀測量裝置產(chǎn)生的輸出信號相似，所以，在該裝置中所采用的信號處理電路也可同樣用于上述最佳實施例。同樣，下面說明的最佳信號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，在這個實施例的一個專門結(jié)構(gòu)中，檢測器341a，341b，342a，342b的輸出信號通過一對差分放大器線路相減以形成正弦和余弦信號，且這兩個信號提供給橫移部件110的輸出端口150。然后，把信號處理部件155的大部分方便地一同連接到計算機(jī)終端160上。
參考圖26，在本發(fā)明這個方面的最佳實施例中，信號處理線路155包括一個條紋計數(shù)器線路600，其對代表前面所述的那種干涉測量儀裝置的輸出端檢測到的幅值上的峰值或峪值的總數(shù)目進(jìn)行計數(shù)，和包括一個內(nèi)插器700，其產(chǎn)生一個代表輸出信號的峰或峪之間的相位的輸出信號。來自計數(shù)器600的低分辨數(shù)據(jù)和來自內(nèi)插器700的高分辨數(shù)據(jù)被合成并提供給一個線性校正線路800和一個定標(biāo)線路810，然后，把輸出信號或者用于數(shù)據(jù)處理，或者，輸送給存儲裝置，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810兩者可由計算機(jī)160一起提供，計算機(jī)160在儲存程序的控制下進(jìn)行工作。
參考圖27，更詳細(xì)地表示了計數(shù)器線路600。計數(shù)器線路600包括一個具有寄存輸出的數(shù)字計數(shù)器610，諸如一個16位計數(shù)器，和一個判斷線路600，它控制計數(shù)器610或者向上計數(shù)，或者向下計數(shù)。如下面所討論的那樣，這是需要的，因為探頭的位移是依據(jù)所計數(shù)的條紋的數(shù)目導(dǎo)出的，但是，響應(yīng)一個方向移動的條紋計數(shù)需要減去響應(yīng)在相反方向移動的條紋計數(shù)，以獲得所測量的位移。
如上所述，在條紋計數(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向計數(shù)器610輸出一個控制信號，以指示響應(yīng)下一個條紋計數(shù)，寄存計數(shù)是否應(yīng)該增加或減小。在條紋檢測方面，向計數(shù)器610提供一個啟動信號以使計數(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數(shù)，它接收在相位上分開的兩個分離的輸入信號。如果兩個信號相位相差90°，則可簡化所需的信號處理。參考圖9C，很清楚，信號對于探頭位置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接收的兩個信號Y1和Y2，相對一些隨機(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。
參考圖28，在一個最佳實施例中，判斷電路620包括一對輸入放大器621a，621b，例如是反向運算放大器線路，放大器的放大系數(shù)為k，以將輸入信號轉(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，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，5MH，其理由下面討論)之間的頻率通過。
放大器621a，621b的輸出信號提供給比較器622a，622b(例如，設(shè)定反向比較器根據(jù)各自的輸入信號是分別低于0或高于0來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，則需要強行使閥值電平為內(nèi)插器線路700可分辨的最小電平。對于內(nèi)插器分辨率為360/256的級別上時，閥值為(10/2)·sin(360/256)＝123mv，其中峰-峰電壓為10v。
參考圖29，圖29A表示的是兩個關(guān)于探頭或干涉儀位置的輸入信號的圖形，并與圖9C相對應(yīng)。相應(yīng)地，圖29B表示的是放大器61a，61b的輸出信號對于探頭位置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;比較器的輸出信號在輸入信號的過0點呈現(xiàn)出跳躍。
但是，圖29A-C并不代表線路在這些階段對于時間的信號;每個信號可能是靜止的或變化的，這取決于探頭是靜止還是移動的。如果探頭在第一方向上移動而相應(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，放大器61a和61b的輸出信號，和比較器622a，622b的輸出信號將與圖29A-29C相對應(yīng)。如果探頭是靜止的，則所有信號都是恒定的。如果探頭改變方向并向回移動(即沿負(fù)x方向)，這時，在放大器和比較器輸出端相應(yīng)的信號則會與圖29A-29C所表示的那些圖形的鏡面負(fù)像型式相對應(yīng)。
設(shè)置比較器622a，622b以對來自干涉儀的信號的過零點進(jìn)行檢測;這使條紋計數(shù)基本不受輸入信號幅度變化的影響，所以，這是一種條紋計數(shù)非常好的方法，而且這能在計數(shù)每個條紋的信號中提供準(zhǔn)確確定的相位點，并因此提高計數(shù)器的精度。進(jìn)一步講，由于除條紋計數(shù)外，線路600還提供基本確定的相位參考點，所以，當(dāng)把這種類型的計數(shù)器與內(nèi)插器線路700一起使用時更具有特別的優(yōu)點。
第一個問題是確定探頭移動的方向，因此，就要確定響應(yīng)于過零計數(shù)是增加還是減少。如果sinθ輸入信號的過零點發(fā)生在θ＝0°時，且探頭沿正x方向(即，相位θ是增加的)移動，則信號的值在過零點之后立刻為正值。另一方面，如果過零發(fā)生在θ＝π的情況下，則信號的值在過零之后立刻為負(fù)值。相反地，如果探頭沿相反的方向移動，則信號的幅值在θ＝0過零之后立刻為負(fù)值，而在θ＝π過零之后立刻為正值。
這樣，如果確定了相位相對于給定的過零點的位置，就能夠通過在過零之后立刻測量信號的幅值來確定探頭的移動方向。為了確定零是在θ＝0點上，還是θ＝π點上，就要分析余弦信號。
這樣，圖28的線路還要包括兩個元件;即一個相位分辨線路623以產(chǎn)生一個信號指示給定的過零點是0°還是π°，和一個方向確定線路624，該線路指示給定的過零點分別相應(yīng)于探頭的向前和向后移動而向上或向下跳躍。
參考圖30，在一個最佳實施例中，過零相位判定線路623包括一對寄存器625a，625b，它們由D型觸發(fā)器組成，由來自晶控振蕩器的10MHs時鐘信號進(jìn)行計時，以便在時鐘信號的起始緣位置寄存來自比較器622a，622b的信號的狀態(tài)。因此，寄存器的頻率響應(yīng)限制在5MHs，為防止混頻，高于這個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，通過一個包含有一對“與”門626a，626b和一對反相器627a，627b的邏輯網(wǎng)絡(luò)，輸入“或”門628。第一“與”門626a的輸出信號跟隨寄存器625a的正向輸出信號，而第二“與”門626b的輸出信號跟隨寄存器625a的反向輸出信號。
cosθ寄存器625b的反向輸出信號輸入“或”門628的第三輸入端。因此，在“或”門的這個輸入端的信號是圖29C所示的信號B的倒置。當(dāng)這個信號低的時侯，在“與”門626a，626b的輸出都低的情況下，“與”門626a，626b在開關(guān)時間的差別會導(dǎo)致一個短的時間間隔，另外還因此在“或”門628的高輸出端產(chǎn)生一個持續(xù)時間短的負(fù)脈沖。但是，當(dāng)寄存器625b的輸出信號高時，“或”門628的輸出仍保持是高的。為接收Cosθ信號的平方形式而連接的寄存器625b的輸出信號的作用是選擇那些相應(yīng)于θ＝0的過零點的信號。
如圖29D所示的“或”門628的輸出信號提供給又一個寄存器629的CLEAR輸入端，629通過反相器630輸入的時鐘信號再次被設(shè)置在高位，且由寄存器625b的非反相輸出端通過“與”門631控制。因此，寄存器629的輸出信號當(dāng)在“或”門628的輸出端上出現(xiàn)負(fù)脈沖時變低(接下來是對寄存器625a，625b計數(shù)的正向時鐘脈沖)，并在后面的負(fù)向時鐘信號的邊緣上再次變高。因此，寄存器629的輸出信號是來自測量儀的Sinθ輸入信號的每個0°相位過零的寬度為0.1微秒的負(fù)向脈沖。
用于選擇向上計數(shù)或是向下計數(shù)的線路624需要確定信號A在θ＝0通過處是處于上升還是下降狀態(tài)。這可從寄存器625a的輸出信號簡單地導(dǎo)出。
然后向數(shù)字計數(shù)器片相應(yīng)的輸入端提供如圖29E所示的時鐘信號和如圖29F所示的向上/向下計數(shù)控制信號，該計數(shù)器片包括計數(shù)器片包括計數(shù)器610;例如，計數(shù)器片可以是一對74AS867。
參考圖31，根據(jù)本發(fā)明的內(nèi)插器700包括一個從干涉儀接收sinθ信號的輸入端710，一個估算線路700，它用于產(chǎn)生代表在輸入端710上的輸入信號的相位θ的估算的信號ψ，并且產(chǎn)生一個估算ψ的函數(shù)(這里表示為F(ψ))，和一個誤差發(fā)生線路730，它產(chǎn)生一個輸出信號δ，這個信號是輸入信號的估算相位ψ和實際相位θ之間誤差的函數(shù)，這個誤差輸出信號反饋控制估算線路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)置一個保持代表估算相位ψ的計數(shù)的數(shù)字計數(shù)器721，并且提供一個改變計數(shù)的啟動信號(CCK)和一個用于指示計數(shù)是增加，還是減少的方向指示信號(U/D)。這樣計數(shù)器的輸出信號是代表輸入信號的相應(yīng)θ的估算ψ的數(shù)字信號。該輸出信號ψ還送入數(shù)字函數(shù)發(fā)生器線路，這個線路一般包括一個只讀存儲器，這個存儲器存儲一個查尋表，對每一個ψ值，有一個相應(yīng)的函數(shù)F(ψ)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(ψ)的值模擬輸出信號。
如果圖31所用的電路采用圖32所示的、函數(shù)F(ψ)＝sin(ψ)的線路，并且誤差信號發(fā)生器730只起一個減法器的作用，則輸出信號δ為δ＝sinθ-sinψ，或者δ＝2cos((θ+ψ)/2)·sin((θ-ψ)/2由于θ接近ψ，所以上式可以簡化為δ＝(cosψ)(θ-ψ)。
換句話說，誤差信號δ的數(shù)值不僅是誤差測量需要的、估算相位ψ和實際相位θ的差，而且是實際相位θ或ψ的函數(shù)。這樣，為使用這個誤差信號作用為計數(shù)器721增加計數(shù)的控制信號，就需要提供一個試驗閥值，這個閥值隨著ψ或θ的數(shù)值變化。
參考圖33，另一種實現(xiàn)圖31所介紹的原理的方法是獲得誤差信號δ，信號δ只是輸入相位θ與估算相位ψ之間差的函數(shù)。為此，采用來自干涉儀的sinθ和cosθ的兩個輸入信號。如圖32所示，一個數(shù)字計數(shù)器721寄存一個代表估算相位ψ數(shù)值的數(shù)，而且這個數(shù)包含線路700的輸出信號。這個數(shù)還供給一對ROM722a，722b的地址總線，這兩個ROM(即只讀存儲器)分別存儲有與估算相位ψ的余弦和正弦相對應(yīng)的數(shù)字?jǐn)?shù)目的查尋表(換句話說，在-1和1之間的常數(shù)表)。例如計數(shù)器721可以是一個8位計數(shù)器，且ROM722a，722b可以是含有256個8位數(shù)的ROM，每個數(shù)與每個可能的ψ值相對應(yīng)。
ROM722a，722b的數(shù)據(jù)總線耦連于一對數(shù)字-模擬相乘轉(zhuǎn)換器(以下簡稱乘法DAC)740a，740b的各自的數(shù)字輸入線上，每個轉(zhuǎn)換器包含一個梯形電阻，該梯形電阻根據(jù)其數(shù)字輸入信號進(jìn)行開關(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)生一個與sinθcosψ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)生一個與cosθsinψ成比例的模擬輸出信號。誤差信號發(fā)生線路730包括一個減法器線路，其產(chǎn)生的輸入信號比例于sinθcosψ-cosθsinψ＝sin(θ-ψ)這個信號提供給比較器線路725，每當(dāng)誤差信號θ-ψ超過一個預(yù)定的閥值的時侯，該比較器就產(chǎn)生一個輸出信號以增加或減小計數(shù)器721的計數(shù)，這個預(yù)定的閥值與相位計數(shù)器721內(nèi)的一個賦與了給定閥值的最低有效位相對應(yīng)，如前所述，對于Vpp＝10V的情況，該給定的閥值Vpp/2.sin(360/256)＝123mv。
最好使計數(shù)器721向上計數(shù)，并由此把輸入信號的相位分成一個足夠高的數(shù)，這個信號的值為δ＝sin(θ-ψ)接近等于θ-ψ;
例如，如果計數(shù)器721是一個4位計數(shù)器，每個計數(shù)器相應(yīng)于225°移相增加計數(shù)，而且當(dāng)估算相位ψ偏離真實相位22.5°的時侯，比較器725將使計數(shù)器721增加計數(shù)。在22.5°，sinx不滿足接近等于x，而且計數(shù)器721將在一些點上增加計數(shù)，這些點不能與規(guī)則的相位間隔準(zhǔn)確對應(yīng)。另一方面，在計數(shù)器721是一個8位計數(shù)器的時侯，在估算相位ψ和信號相位θ之間的最大相位滯后將發(fā)生在sinθ＝360/256＝1.4°在這個范圍內(nèi)0-1.4°，sin(θ-ψ)非常接近于θ-ψ。
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+cosψ和1-sinψ(具有0到+2之間的值)所取代。在乘法DAC740a，740b的輸出信號中的附加的sinθ和cosθ項通過從其輸出信號中減去輸入的sinθ和cosθ值而被去掉。
一個最低有效位的一半偏移可以是0.7°把這半個偏移加到φ中，從而使表格存貯1+cos(ψ+0.7)和1-sin(ψ+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增益的反相運算放大器線路。輸入的sinθ和cosθ的信號連同放大器741a，741b的輸出信號在單位增益反相運算放大器731的反相端相加，因此，運算放大器731產(chǎn)生一個輸出信號，該信號對應(yīng)于sinθcosψ-cosθsinψ＝sin(θ-ψ)＝θ-ψ其中存貯的數(shù)值包括一個上面所述的偏移，輸出信號對應(yīng)于θ-ψOFFSET。
這個誤差信號的極性(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，其邏輯輸出信號控制計數(shù)器721的向上/向下計數(shù)輸入。
這個誤差信號還輸送給比較器線路725，它包括第一比較器725a，比較器725a具有一個預(yù)定的閥值，這個閥值對應(yīng)于計數(shù)器721的一個最低有效位，725還包括一個第二比較器725b，它具有相同的閥值并前置一個具有單位增益的反相運算放大器726。因此，當(dāng)誤差超過一個正的預(yù)定閥值時，比較器725a產(chǎn)生一個輸出信號，且當(dāng)誤差信號超過一個相應(yīng)的負(fù)閥值時，比較器725b產(chǎn)生一個輸出信號。
兩個比較器725a，725b的輸出信號輸入給一個邏輯線路727，邏輯線路727執(zhí)行一個“或”功能，以便當(dāng)任何一個比較器指示其閥值被超出時，產(chǎn)生一個信號EN以改變計數(shù)器721的計數(shù)。向同步邏輯線路760提供10MHz的母時鐘信號，該線路相應(yīng)于母時鐘信號的校正相位對來自比較器線路725的信號重新定時(如寄存和延時)。同步邏輯線路760與時鐘721的計數(shù)啟動輸入端相連以使相應(yīng)的表示估算相位ψ的寄存時鐘計數(shù)增加或減少。
設(shè)置同步邏輯線路760在把來自比較器線路725的一個信號提供給計數(shù)器721的輸入端之前將母時鐘頻率進(jìn)行10倍分頻，以便使計數(shù)器721只能每微秒增加一次計數(shù)。這樣做的理由是阻止計數(shù)器721因誤差信號虛假的瞬時值而導(dǎo)致的轉(zhuǎn)換，這種虛假的瞬時值是由乘法DAC740a，740b內(nèi)的開關(guān)引起的;沒有阻止這種瞬時值的裝置，則會改變計數(shù)器721的計數(shù)值，并在DAC740a，740b的輸出信號中產(chǎn)生轉(zhuǎn)換瞬時值，隨后，DAC740a，740b再次改變計數(shù)器的計數(shù)值。但是，還可能有其它裝置限制該系統(tǒng)對這種瞬時值的響應(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)消除這種瞬時值所需設(shè)定的時間是限制內(nèi)插器速度的一個因素，一個1微秒的設(shè)定時間，和一個相鄰條紋間給出256個ψ值的8位計數(shù)器，給出了一個最大跟蹤頻率3.9KHz(每秒條紋數(shù))。
通過提供相位ψ的一個數(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相比，與由輸入信號的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器操作的裝置相比，這可以提供一個花費有效且相對便宜的內(nèi)插器，因為便宜的模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器慢，而快速模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器價格高。通過在數(shù)字輸出裝置中用一個數(shù)字計數(shù)器代替一個微處理器，同樣可以提高速度。
再參考圖34和26，就會看到計數(shù)器600和內(nèi)插器700的工作基本上是獨立的。因此當(dāng)輸入信號的相位θ接近零的時侯可能會產(chǎn)生一個問題。當(dāng)內(nèi)插器700到達(dá)θ＝0相位點的時侯，它的輸出信號在0和它的最大值(例如256)之間變化。如果這沒有和這樣一點同步，在這一點上，條紋計數(shù)器600記錄零躍變并因此計數(shù)和附加條紋，則內(nèi)插器700和條紋計數(shù)器600的合成輸出信號將有一個條紋的誤差，直到計數(shù)器600滿足上述條件。由于線路是獨立的，每個零相位條件的記錄的點極可能是不同的。
再參考圖35A，其中表格存貯有當(dāng)相位θ通過0點時的偏移，θ-ψ偏移值可能不會上升到改變極性之前就足以啟動比較器725a，725b的值。相應(yīng)地，比較器線路725不提供增加計數(shù)器721計數(shù)和導(dǎo)致其重新置0所需的信號。為了使計數(shù)器600和內(nèi)插器700同步，并保證內(nèi)插器700響應(yīng)過零相位，如圖32所示，由計數(shù)器600內(nèi)獲得的時鐘信號(CCK)被提供給同步邏輯線路760，并如圖33C所示進(jìn)行反相以向計數(shù)器721提供一個附加轉(zhuǎn)換信號從而增加計數(shù)/減少計數(shù)。
對上述計數(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包括的可不是一個由誤差信號δ增加計數(shù)的相位計數(shù)器，而是一個自由運行計數(shù)器，這個計數(shù)器的計數(shù)頻率由誤差信號δ控制。但是，對于用于表面或外形測量的干涉測量儀裝置這是不需要的，因為這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sin(θ-ψ)接近相位誤差θ-ψ，所以能夠使這種誤差信號數(shù)字化以獲得更高的精度，并對內(nèi)插器的輸出附加更低的有效位。另一種方法是，通過減少計數(shù)器721位的數(shù)目也可保持同樣的精度，以便對條紋間的相位進(jìn)行更粗略的細(xì)分，使其處于這樣一個水平，在這個水平上，sin(θ-ψ)仍保持相當(dāng)好地接近θ-ψ，且恢復(fù)因?qū)Σ钪敌盘枖?shù)字化而損失的精度。這可對內(nèi)插器的最大跟蹤頻率有一些提高。
參考圖34，在相位角計數(shù)器721把條紋間的相位分成一個2的冪的數(shù)的情況下，相位計數(shù)器721的輸出信號可以作為一個碼的更低級的位0-7輸給數(shù)字輸出數(shù)據(jù)總線，對于這個輸出信號，條紋計數(shù)器610的二進(jìn)位輸出信號包括更高級的位。
在條紋計數(shù)的數(shù)目與探頭或類似裝置移動的距離不是絕對線性關(guān)系的情況下，如在上面討論的干涉測量裝置中，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，該線路可簡單地包括一個只讀存儲器，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)生一個相應(yīng)的校正數(shù)字碼。
如果需要，一個定標(biāo)電路810包括一個數(shù)字乘法器(例如，還有一個只讀存儲器查尋表格)，設(shè)置這個計數(shù)線路以一些方便的形式把校正線路800的校正輸出信號轉(zhuǎn)換成距離單位。在上述實施例中，探頭距離相應(yīng)于每個條紋到條紋的間隔為0.833μm，這樣每個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是分開表示的，實際上它們可以方便地包括同一個執(zhí)行校正和換算的查尋表格ROM。通過對測量儀大小和形狀的計算得出由定標(biāo)線路810提供的系數(shù)，而且通過響應(yīng)于已知表面或外形的測量來測量計數(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，含有條紋計數(shù)器600和內(nèi)插器700的信號處理線路150可和除那些前面已經(jīng)描述過的干涉測量儀之外的其它類型的干涉測量儀器一起使用，而且前面描述過的干涉測量裝置也可以和其它信號處理線路一起使用。
進(jìn)一步講，雖然把前面所述的過零檢測條紋計數(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，因為這樣可以提供準(zhǔn)確的相位參考，但是每一個條紋線路和內(nèi)插器線路也可分開使用。
進(jìn)一步講，用于推進(jìn)探頭或探針與被測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量儀器之外的其它類型的測量儀器;例如用于感應(yīng)讀出測量裝置。但是，當(dāng)一塊使用時，上述具有信號處理輸出線路的測量裝置能夠提供一個非常緊湊的部件，這個部件能夠裝在一個單獨的橫動部件110上而不會在它的立柱上增加負(fù)荷，采用一個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，提供的動態(tài)分辨率例如為1.8×106∶1。
權(quán)利要求
1.用于位置和/或表面和/或紋理測量的裝置，包括一個探頭用于與一個表面相接觸，并沿該表面移動；一個探頭支架，用于運載所說的探頭，所說的支架包括一個樞軸以便所說的探頭能夠樞軸地進(jìn)入和移出所說表面的平面；和一個光柵干涉儀，它包括一個與該支架或探頭連接移動的部分，以提供對支架或探頭的位移的測量，該干涉儀的構(gòu)造和布置應(yīng)該是這樣，即在樞軸的運動期間能保持干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中干涉儀的光柵與探頭支架相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中干涉儀的光柵是彎曲的，以便相對于照射在它上面的光束呈現(xiàn)出基本恒定的位置和傾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中光柵與探頭支架相連且距探頭比距樞軸遠(yuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中提供有聚焦裝置用于對光柵彎曲的光學(xué)效果進(jìn)行光學(xué)校正。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的裝置，其中光柵由來自光源的光束照射，而且光柵相對于光束是凸形的。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的裝置，其中會聚裝置在光源和光柵之間包括一個會聚透鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求3的裝置，其中光柵由來自光源的光束照射從而會聚射來的光束，而且光柵相對于光束是凹形的，光源光束的發(fā)散和由彎曲光柵所導(dǎo)致的會聚應(yīng)使由光柵產(chǎn)生的衍射光束基本上每一條都是平行的。
9.光柵干涉儀裝置包括一個裝在一個彎曲表面上的光柵，設(shè)置該光柵以產(chǎn)生多條被衍射的級光束，和用于在這些衍射光束間產(chǎn)生干涉的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的裝置，其中干涉儀包括用于把一對大小相等，方向相反級的衍射光束引到合成裝置中以在衍射光束之間產(chǎn)生干涉。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中兩條光束到達(dá)合成裝置所經(jīng)過的光程長度基本相等。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的裝置，其中導(dǎo)引裝置包括兩個反射表面。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的裝置，其中兩個表面包括單一棱鏡的外表面。
14.干涉儀裝置包括一個衍射光柵，和一塊棱鏡，來自光柵的一對大小相等方向相反級的衍射光束被導(dǎo)引到棱鏡里面，并從棱鏡的表面被反射到合成裝置。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中從光柵到合成裝置的光程長度基本相等。
16.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中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。
17.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中反射表面是平行的。
18.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中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°。
19.根據(jù)權(quán)利要求14的裝置，其中合成裝置包括所說的棱鏡的一個半反射內(nèi)表面。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的裝置，其中所說的半反射表面包括一個分光層。
21.根據(jù)權(quán)利要求20的裝置，其中光束在分光層上面的入射角接近45°。
22.根據(jù)前面任何一個權(quán)利要求的裝置還包括一個半導(dǎo)體激光二極管照射光源。
23.根據(jù)權(quán)利要求1到21的任何一個的裝置還包括一個照射光源，該光源包括一個通常由窄帶濾光器濾光的單色光發(fā)射裝置。
24.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置還包括用于與一個表面接觸的探頭裝置，和與探頭裝置相連接以對其位移進(jìn)行測量的測量裝置，還包括偏置裝置用于在一個預(yù)定的方向上偏置探頭裝置。
25.根據(jù)權(quán)利要求24的裝置，其中預(yù)定的方向是朝向表面的。
26.根據(jù)權(quán)利要求25的裝置，其中預(yù)定的方向是朝向預(yù)定位置的。
27.測量位置，表面或紋理的裝置包括一個與一個表面相接觸的探頭裝置和用于測量探頭位置的測量裝置，還包括偏置裝置用于向探頭施加一個力以抑止探頭的振動。
28.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中的力與探頭裝置的速度有關(guān)。
29.根據(jù)權(quán)利要求27的裝置，其中偏置裝置包括一個電磁致動器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29的裝置，其中致動器包括一個繞在芯片上的線圈。
31.根據(jù)權(quán)利要求26的裝置，其中偏置裝置包括一對反向作用的偏置裝置。
32.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，還包括合成一對衍射光束以產(chǎn)生干涉的裝置，衍射光束具有不同的偏振，該裝置包括一個分光器用以產(chǎn)生一個反射輸出和一個透射輸出，還包括用于響應(yīng)所說輸出之間的差而產(chǎn)生一個信號的裝置。
33.根據(jù)權(quán)利要求32的裝置，其中所說的差裝置包括一對產(chǎn)生各自電信號的光電傳感器和接收所說的電信號并產(chǎn)生一個與它們之間的差成比例的電輸出信號的裝置。
34.用于處理由一個干涉儀的輸出所獲得的信號的裝置，產(chǎn)生一個與所說信號的干涉條紋之間的角位置有關(guān)的輸出信號，該裝置包括用于產(chǎn)生一個關(guān)有角位置的估算信號的裝置，用于根據(jù)所說的估算信號產(chǎn)生所說的輸出信號的裝置，用于從所說的估算信號產(chǎn)生一個其身身函數(shù)信號的裝置，和用于根據(jù)所說的產(chǎn)生的函數(shù)信號和輸入信號控制所說的估算信號發(fā)生器以減小兩信號之間的差的裝置。
35.根據(jù)權(quán)利要求34的裝置，其中所說的估算信號是一個數(shù)字信號，且所說的函數(shù)信號發(fā)生裝置包括數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換裝置。
36.根據(jù)權(quán)利要求34的裝置，其中所說的估算信號是一個數(shù)字信號，其控制裝置包括用于當(dāng)差信號超過一個預(yù)定閥值時改變所說數(shù)字信號的值一個計數(shù)，從而減小所說的差信號的裝置。
37.根據(jù)權(quán)利要求36的裝置，其中所說的預(yù)定閥值是常數(shù)，且所說的差信號至少近似于與所說的角位置線性相關(guān)。
38.根據(jù)權(quán)利要求37的裝置，其中差信號近似為估算信號與輸入信號之差的正弦信號。
39.根據(jù)權(quán)利要求34的裝置，其中控制裝置是這樣設(shè)置的，即在輸入信號沒有變化的情況下不改變估算信號，以把裝置的頻率范圍擴(kuò)大到直流工作條件下。
40.根據(jù)權(quán)利要求34的裝置，其接收一對相位不同的輸入信號。
41.根據(jù)權(quán)利要求40的裝置，其中所說的一對信號包括相位差90°的正弦和余弦信號。
42.根據(jù)權(quán)利要求41的裝置，包括用于產(chǎn)生估算正弦和余弦信號的裝置，用于分別相應(yīng)所說的估算正弦和余弦信號與所說的輸入余弦和正弦信號的乘積而產(chǎn)生乘積信號的裝置，和用于從它們的差中產(chǎn)生一個代表在所說的輸入信號和所說的估算信號之間的角位置差的信號的裝置，以控制所說的估算信號發(fā)生裝置。
43.根據(jù)權(quán)利要求42的裝置，其中所說的估算信號發(fā)生裝置包括數(shù)字信號發(fā)生裝置，且所說的乘法裝置包括乘法數(shù)字一模擬轉(zhuǎn)換器。
44.根據(jù)權(quán)利要求34的裝置，還包括用于對所說的輸入信號或多個信號中檢測的干涉條紋或最大值計數(shù)的裝置。
45.根據(jù)權(quán)利要求44的裝置，還包括用于使所說的估算信號發(fā)生器與所說的計數(shù)器同步的裝置。
46.用于接收光干涉儀或類似裝置的輸出信號的條紋計數(shù)裝置包括用于接收來自上述裝置的零平均輸出信號的裝置，和檢測它們過零的裝置。
47.根據(jù)權(quán)利要求46的裝置，還包括用于接收一個與第一輸入信號相位不同的第二輸入信號，用于從所說的第一和第二信號確定所說的過零點的相位的裝置，用于確定所說的過零的方向的裝置，和用于根據(jù)所說的方向和所說的相位增加或減少一個條紋計數(shù)的裝置。
48.包括上述權(quán)利要求的任意特征組合的裝置。
全文摘要
用于測量表面或外形或紋理的裝置包括一個光柵干涉儀，該干涉儀包括裝在一個樞軸支承臂上的一個彎曲光柵，在支承臂的另一端裝有一個探頭以和一個表面相接觸，探頭是由一個電磁線圈繞在一個銜鐵上或由一對這樣的偏置裝置施加偏置力而與表面接觸的。一個信號處理線路包括一個條紋計數(shù)器和一個內(nèi)插器；內(nèi)插器包括一個數(shù)字計數(shù)器。
文檔編號G01B9/02GK1069569SQ9210561
公開日1993年3月3日 申請日期1992年5月30日 優(yōu)先權(quán)日1991年5月30日
發(fā)明者I·K·比林, D·曼斯菲爾德 申請人:蘭克·泰勒·霍布森有限公司