位置测量的制作方法

专利名称：位置测量的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用干涉仪测量表面和外形的装置。本发明还涉及由于涉仪的输出确定位移的方法和装置，例如，在被测的表面和外形上方使用探头。
已知的装置是通过测量一个物体的表面和外形，来推知该物体的纹理、粗糙度或形状。这种装置的一个例子是由RankTaylorHobson有限公司(P.O.Box36，2NewStarRoad，LeicesterLE47JQ，UK)生产的FORMTALYSURF(TM)测量系统。该装置包括一个探头部件，或探针，它们向下伸向被测的表面并与其接触，该被测表面还与一个支承臂的一端相邻，该支承臂安装在一个支承结构的枢轴上。
该支承结构是这样安装的，它可做平行于(或几乎平行于)被测物体表面的线性运动，并可通过一个驱动系统以直线方式横穿被测表面。支承臂超出枢轴支架并带有一个反射面，该反射面限定了两条光路的一端，沿着光路可引导出一个准直光源(一个激光源)。
在被测表面上方的一个参考探头位置上，两条光路的长度相等。但是，当被测表面的高度变化时，探头在重力的作用下沿被测表面推进，位于枢轴支承臂另一端的反射表面也移动，从而改变了两条光路中一条的光路长度，这样便会产生干涉的条纹图案。
计算通过一个设定的光检测器位置的条纹数，从而测量探头的位移。因此，采用一个条纹计数装置以对通过一个固定的检测器位置的条纹进行计数，并由此提供一个输出信号，该输出信号代表在探头结构直线横穿被测表面时，探头在被测表面上方的位移。当然，也可以等效地移动被测表面，而不是探头。
为测量可旋转物体的粗糙度和形状，例如曲轴或轮轴，则使被测物体位于探针的下方，并被安装成可旋转驱动。当被测物体旋转时，探头测量被测物体的圆周，由此可以检测任何与所需形状的偏差或偏心度。
这种测量装置在探头位置(由此推知被测表面的高度)的测量方面要求具有极高的精度。上述装置能够获得10nm数量级的位移分辩率。这种装置的另一个重要的特性是探针所能测量的最大位移;其需要相当的大以测量许多类型的表面或形状，典型的大小在毫米数量级。这种测量设备所完成的一种有效的测量是“动态范围”，其定义为范围R(毫米)/分辩率R(毫米)。其最好是尽可能地高。
虽然上述装置具有出色的性能，但也产生了一些问题。首先是采用迈克尔逊型干涉仪测量两条光路间在光程长度上的差。这种测量关键依赖于稳定的光的波长，而大气压力和温度的变化都会引起光的波长的变化，从而导致不准确的测量。由于两条光程的长度可以相差很多，所以，光源必须具有很长的相干长度;这样所提供的合适的光源就是那种既昂贵又庞大的激光器，并需要高压电源和可观的散热设备。
US3726595图8-1表示了一种采用光栅干涉仪的表面测量装置。在一个光栅干涉仪中，光束照在光栅上并由此被衍射以产生一对第一级衍射光束(虽然可以使用更高级的)。这两条光束被反射以传播相等的路程并重合从而产生干涉图案。当光栅横向移动时，每条光束的光程保持恒定但每条光束的相位发生变化，以移动干涉图案的条纹。因此，条纹的移动就提供了光栅横向移动的一种测量。
在US3726595中，光栅垂直于一个表面放置并在其与表面接触的端部装有一个探头，以便当干涉仪沿该表面横向移动时，光栅不得不垂直于该表面移动，并导致干涉图案的变化，从而给出了探头位置的测量结果。
这种装置固有的特性是必需限定光栅只能作纯直线移动，这种移动还必需横向于照射光束和两条衍射极光束的等分线。但是，在粗糙或不规则的表面，或一般在由探头接触的上升缘的表面的测量中，这种安装探头的方法是不能令人满意的，这是因为当探头伸出与这样的上升缘接触时，探头从上升缘上面移过会加大探头内的压应力，这样首先会有可能移动光栅的准线(干扰干涉图案)，第二会因与表面摩擦力的增大导致探头趋于振动。还会使探头安装架上的应力趋于增大。
因此根据本发明的一个方面，我们提供一种装有光栅干涉仪的表面或外形测量装置，其一部分与枢轴安装的探头相连。
但是，直接实现这样一种装置会产生一个问题;例如，如果把US3726595所示的装置设置成光栅/探头被装到枢轴臂上，则光栅的旋转与探头一样的转动，由此光栅就会在被测表面上下起伏。这种转动或者阻碍所有衍射，或者使衍射光束的方向偏转，这两者都会造成该装置失去作用。
因此，在本发明的这个方面，装置是这样设置的，即衍射光栅的偏转和位置相对于该光学系统有效地保持恒定以维持干涉。
所以，按照本发明的这个方面所提供的装置，其机械性能适合测量含有上升缘的粗糙表面，但是在这种装置中，其衍射光束的光程长度保持恒定，而且其衍射图案对照射光的波长和其相干长度依靠的程度非常低，以便能够采用相对便宜和小功率的光源，诸如半导体激光器这样的光源。
在一个最佳结构中，光栅沿一个曲面放置，光栅相对于探头是这样放置和连接的，即部分光栅提供的衍射相对于干涉仪的其它光学元件保持恒定准直。最好是，光栅在枢轴的另一侧与支承臂相连，该枢轴是与探头连接的。这样就扩大了在枢轴探头一侧的支承臂的有效长度，这对测量象管子这样的封闭体积很有好处。
但是，在这个实施例中光栅的弯曲会导致衍射光束的发散或会聚，其分别取决于光栅是凸形还是凹形的。因此，最好能提供光学校正由光栅所产生的发散或会聚的装置。这个装置最好包括一块或几块校准透镜。这里采用一个象半导体激光器这样的发散光源，校正装置最好还对光源的发散进行校正。另一种是，光源的发散可以用来补偿由光栅产生的会聚。
在由US3726595的图8-1提供的光栅干涉仪中，是这样安排两条衍射光束的，即通过采用一对平行的平面反光镜而使它们经过等长的光程，反光镜把每一条光束反射回分光器，分光器将两条反射光束合成。
按照本发明进一步讲，一个干涉仪包括一个棱镜，该棱镜相对衍射光栅是这样放置的，即棱镜两侧的内表面接收由大小相等方向相反级光栅衍射的一对相应的光束，并使它们朝向光合成器，最好为等长度光程，以在它们之间产生干涉图案。最好是，光合成器(例如，分光器)还包括部分棱镜，最好是提供一个分光器作为它的中央内表面。棱镜最佳的形状、位置和材料应这样选择，即它们按全内反射所反射。通过提供光学元件作为一个单独棱镜的一部分，可以大大减少所需的高精度的准直和校正操作的数量，以减少装置的生产和维修费用。
棱镜最好是这样放置，即使反射表面的入射角接近45°;这样就能使用更简单的合成器。
两个反射表面可以作成是平行的，以简化结构。
参考上面所讨论的TALYSURF(TM)干涉仪，所提到的是通过记数通过一个光探测器位置的条纹数量来测量位移。这种方法提供了一种精确测量方法，但是却受到条纹间距的限制，条纹的间距依次与光栅的栅距相对应。但是，通过测量在检测器部位的条纹间的光信号相位可获得更高的精度;这被称做条纹间的内插法。
US4629886描述了一个光标读出器，它用于VLST生产平台的位置控制，它装有一个刻度盘或衍射光栅。平台和刻度盘的线性位置由光栅干涉仪测量，而且采用两个光检测器，它们能产生相位差90°的信号。该装置还可以进行条纹计数，并采用一个内插器，该内插器通过选择两个信号中无论哪个被认为是更接近线性的一个信号进行工作(在这点上，正弦信号，对于小数值，近似为线性信号)，把该信号数字化，并采用该数字化信号作为对内插值的测量。
但是，这种内插器的精度受到限制。除非在数字运算上包含对两个相位不同的信号进行归一化处理的步骤。还需要一个精度适宜的模拟-数字转换器。模拟-数字转换和任何随后的运算都会限制内插器的工作速度。
相应地，根据本发明的另一个方面，提供了一个内插器电路，该电路与干涉测量装置或类似装置一起使用，它包括产生参考信号的装置，产生代表参考信号与从干涉仪取出的信号的相位差的信号的装置，和改变参考信号以减小相位差的装置。这样参考信号在相位上跟踪来自干涉仪的信号，而且输出的是参考信号的相位而不是来自干涉仪的信号的相位。
最好是产生参考信号的装置包括产生控制信号的装置和响应该控制信号产生预定相位的信号的装置。这种设计最好是这样的，其中控制信号控制频率(或相位变化的比率)，因为这样即使当相位恒定时其也是准确的(例如，探头是静止的)。
在旋转机器跟踪领域中，已知采用提供数字预算相位输出的跟踪装置，其例子是模拟装置1S74和2S81，这些装置在AnologDevices，Norwood，Massachassetts，USA现有的各自的数据表格有所说明。但是，这些装置不适合条纹内插法，而且在高跟踪速率的情况下频率响应差。
应该了解的是，虽然上述最佳实施例主要用于干涉测量装置，但是也可以在需要采用相位数字转换器的地方使用，该转换器在直到低频或直流的情况下也能工作。
控制信号最好是数字信号，这样，控制信号能够提供相位测量的直接数字输出。产生控制信号的装置最好是简单的数字计数器，当参考信号与来自干涉仪的信号的相位差大于预定值时，计数器计数增加;这样就提供了一个具有简单结构的快速动作数字相位输出电路。
控制信号适宜地输给一个数字函数发生器，它可以简单地是一个只读存储器，产生相应的数字参考信号值，然后由数字-模拟转换器把该参考信号转换成模拟信号。在这种设计中，精度相当和响应快速的数字-模拟转换器代替了已有的数字-模拟转换器。
当探头受到突然振动或机械碰撞时可能会产生一个具体问题。在很高的探头运行速度下，内插器可能会跟踪不了来自干涉仪的信号。但是，一个条纹计数线路一般能够在相当高的速度下进行工作，这样即使发生由突然振动导致的探头快速运动，也能基本上进行跟踪。
内插器在相位上最好与条纹计数器同步，以便每一个条纹计数与内插相位再同步，且内插器与计数器相协调。
在上述的TALYSURF(TM)装置中，探头在重力的作用下，当其通过被测表面上面时保持与该表面的接触。因此，探头必须直接向下对着被测表面，它限制该装置的应用只能在原处从下面或从侧面测量该表面。
因此，根据本发明的另一个方面，提供了一个表面或外形测量装置，该装置包括一个探头和使用探头紧贴被测物体表面的装置。
已有的装置见US4669300，GB2085156和GB1429973，其中探头是倾斜的。
这个装置可以简单地是一种拉簧或压簧，被设计成在一个方向上推进探头贴向被测表面。但是，由这种弹簧所施加的作用力与探头的位移成比例。因此，该装置向探头所施加的推进力最好基本上是恒定的。
另一种是，推进力就如同探头的阻尼振动，例如相对于探头速度。
如果需要，该装置还可以设计成能把探头提离被测表面。
该装置可以包含一块电磁铁，该电磁铁包括一个相对移动的线圈和极靴，由该电磁铁施加的力基本上是恒定的而且/或者通过向线圈施加电流，这个力是可控制的。在另一种结构中，该探头可以受偏力到达中止位移位置，例如通过一对推进装置在相反方向上推进探头。
本发明的其它方面和最佳实施例将通过下述的说明和权利要求表达清楚。
现将结合附图，只通过举例的方式对本发明进行说明，其中

图1是已知的一种表面测量装置的示意图;
图2是已知的一种圆度测量装置的示意图;
图3是表示的是用于图1和图2的一种已知的测量装置的详图;
图4是一个光栅干涉仪的部件的示意图;
图5是用于图1或2的装置的本发明最佳实施例的装置的示意图;
图6是图5部分更详细的示意图;
图7是图6的一部分的部件分解图;
图8A和8B表示的是弯曲衍射光栅的作用，及一个透镜对其的补偿;
图9A-9C表示的是由图6和7的装置产生的输出信号;
图10是用于图5到图7实施例的衍射光栅的示意图;
图11是通过图10所示衍射光栅的光栅表面的一部分的截面示意图;
图12是图10所示光栅的成品的示意图;
图13是由图12的方法生产的光栅的示意图;
图14是用于图5到7的装置中的棱镜按比例精确制作的正视图;
图15是图6装置调准的第一阶段示意图;
图16是图6装置调准的第二阶段示意图;
图17是根据本发明的最佳实施例的图6和7部分的更详细的示意图;
图18表示的是对图17进行变换的另一个实施例;
图19表示的是对图17和18增补部分的实施例;
图20是图5到7的第一变换实施例的示意图;
图21是图5到7的第二变换实施例的示意图;
图22是图5到7的第三变换实施例的示意图;
图23是图5到7的第四变换实施例的示意图;
图24是图5到7的第五变换实施例的示意图;
图25是与上述实施例一起使用的第一信号处理线路的示意图;
图26是和图25线路一起使用的第二信号处理输出线路的示意图;
图27表示的是构成图26线路的一部分的一个计数器结构的详图;
图28是更详细地表示图27线路的一部分的示意29是在图28线路的一些点上的信号的示意图;
图30表示的是图29线路的一部分的详图;
图31是形成图26线路一部分的一个内插器线路的通常结构的示意图;
图32表示的是图31的部分线路的详图;
图33是按照第一实施例的内插器的结构的示意图;
图34表示的是按照本发明的一个最佳实施例的内插线路的示意图，连同一个计数器线路的示意图;
图35A-F是在图34线路上不同点的信号的示意图。
参考图1，一个表面测量系统一般包括一个支承架100，该支承加又包括一个底座100a和一个支柱100b，在该支柱上可安装一个横向移动部件110。该移动部件可安装在支柱100b的不同高度位置上。一个支承部分或臂120从横向移动部件110上延伸出来并带有一个朝下的探针或探头130，该探头包括一个带有一个锥形尖的棒。为横穿物体140的表面测量其线性外形，在横向移动部件110上装有一个精密电机，以线性驱动支承臂120和探头130朝向物体140接触其表面，横向移动部件110还装有一个输出端150以适当的形式把信号传送给显示或处理装置，如计算机的终端或工作台160。
该信号一般包括这样一个信号，即代表探头130的高度(因此也就代表了物体140表面的高度)，和探头在电机带动下沿被测物体移动的距离。
参考图2，为测量例如轴的偏心度或圆度，对于转动的物体140，横向移动部件110不需要线性驱动电机，而是可旋转的电机，还要提供一个代表物体旋转位置的输出170。
参考图3，在一个已知干涉测量仪中的横向移动部件110包括一个氦氖激光器111，一个平行被测表面的轴112(换句话说一般是水平的)，一个滑架部件113，它含有一个与轴112接合的电机以使滑架部件113沿轴112滑动(通过减速齿轮箱)，一个滑架位置传感器(没有表示)，用于产生代表滑架113沿轴112的位置的信号，和一个拾取管114，它形成一个相对不透光的外壳并与滑架113连成一体。
光导向器115a，115b把来自激光器111的光束引到拾取管114中。探针130安装在支承臂120的端部，该支承臂120通过枢轴121枢轴地装到拾取管114上。支承臂120从枢轴121伸出，在臂120另一端安装了一个反射器122，该反射器包括一个角形反射器。该角形反射器限定了所说的迈克尔逊干涉仪的一个臂的一端，其无需进一步说明，和一个分光器以及四分之一波片组件123，组件123是这样设置的，即提供一对相位相差90°的输出信号。这些信号提供给各自的光检测器，这些检测器相对于条纹计数提供各自的正弦和余弦电信号。这种干涉仪所需要的激光器和光学系统的大小从图3中会看得更清楚。
由于探头130是由在轴112上横向移动的滑架113牵引过物体140表面的，所以，探头130在重力作用下贴在表面上并随表面上下起伏;反射器122也相应地分别上升和下降，改变迈克尔逊干涉仪光程的长度，导致条纹通过分光器组件123并改变检测器处的信号。检测器信号由显示或输出装置160处理以提供相对于被测外形的图象，或数据。
参考图4，现在将给出使用已知类型的光栅干涉仪进行位置测量的简要说明。
在已有技术中，一个衍射光栅200包括一块平板，该平板的表面有许多平行的直线纹脊，这些直线纹脊相间的距离为衍射光栅所规定的栅距d。光栅200在其平面内能垂直于纹脊的直线移动。光栅200由光源210照射。如果光栅材料是透明的，则光可从平板的另一侧照射到平板上，平板上带有光栅。来自光源210的光最好是来自激光器的光，尽管由于不需要相干长度很长，但还是可以采用一些其它具有明确频率的准直光源。当光栅200的直线纹脊之间的间距和光源210的光的波长是同一级时，就会发生衍射;例如，在光的波长为670nm(由激光二极管产生)和光栅间距或栅距为1/1200mm＝833nm的情况下，在与光栅200的法线成+/-θ的角度处产生一对+1和-1第一级强光束;在这个例子中θ接近54°。
一对反光镜220a，220b位于两条光束的光路上，以便使光束会聚在空间的一点上，合成器230就位于该点上。反光镜220a，220b无需平行;在另一种结构中，每块反光镜可以相对各自光束倾斜相同的角度，但方向相对。进一步讲，反光镜220a，220b到光栅200的距离无需相等。最好是每条光束通过反光镜到达合成器230所经过的光程应该在长度上相等，以便能够使用相干长度短的光源。
合成器230可以简单地是一种二色性的分光棱镜，但也可以换成是一种半镀银反光镜。在合成器230内的反射表面235上，被反射的光束至少其中之一的一部分保持与经反射表面235透射的第二条光束的光路相重合，这样，由合成器输出的光束c就包含了两条来自光栅200的第一级衍射光束。但是，在采用分光合成器230的情况下，合成光束c的透射和反射部分将具有不同的偏振。因此，在合成光束c的光程上采用一个带有偏振片的检偏器240a，其偏振轴位于该光束的透射和反射部分的偏振方向之间，以便使这两部分通过检测器的部分相等;这样，在通过检偏器240a后，合成光束包含一个光束，它的幅度是来自光栅200的两条衍射光束的幅度之和。因此在检偏器240a之后，在光束的光路上采用了一个光检测器或一些其它光学拾取或检测器。
在合成器230是分光棱镜的情况下，还可以产生第二合成光束D，它同样包含两条同级的衍射光束，但是它们的偏振的方向是正交的，第二检偏器240b包括一个偏振器，该偏振器的偏振方向位于这两条光束的偏振方向之间，相应地采用第二检偏器是为了给出响应两条衍射光束的幅度之和的第二输出。利用这个第二输出光束以提供一个第二信号，通过采用一块传输波片250，其厚度与光源210的波长的相应级数的光程长度相对应，例如，一块四分之一波片，以使该信号滞后检偏器240a的输出信号一个固定的相位差，例如90°。
在一个预定的横向位置上，由衍射光栅200产生的两条第一级光束同相，因此，在合成器240a输出端的光束是正弦波，其幅度是两条中任何一条衍射光束的两倍。忽略光栅200有限的长度，如果光栅200横向移动的距离等于一个光栅周期或它的整数倍，则光栅200将呈现出等同的光学性能，因此，在检偏器240a之后的合成光束的幅度相等，而且当光栅位于相隔一个光栅周期的位置上的时侯，幅度最大。
另一方面，如果光栅200横向移动的距离不是光栅周期的整数倍，则两条衍射光束的相位漂移相等但相反的量。换句话说，一个级的光束的相位向前漂移，而另一条同级光束的相位向后漂移。相位漂移的效果是，合成光束C的两个部分的相位差是该相位漂移的两倍，而且这会减小由检偏器240a输出的合成光束的幅度。如果一条光束向前移动90°，而另一条向后移动90°，则合成光束的两部分的相位差为180°，而在检偏器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)。当光栅移动半个栅距时，每条衍射光束的相位移动180°，以使检偏器240a合成输出的两部分的相位差为360°，换句话说，它们再次同相。
总之，设置一个检测器在衍射光栅200横向移动时测量检偏器240a之后的光束的幅度，该检测器在相隔半个光栅周期，被暗条纹分开的光栅位置处可测量幅度最大值或最小值;光束幅度一般是正弦曲线，正向变化，是光栅200横向位置的函数。
这样，上述光栅干涉仪在光栅横向移动时测量其衍射的光束的相位变化是十分清楚的;因此，可以采用一对更高一级的衍射光束来代替第一级衍射光束的使用也是清楚的。相同地，除了使用一对级数相同但反相的衍射光束外，也可获得衍射光束的相位漂移;例如，光源210的入射光束可以用作参考相位源。
但是，使用图4所示的对称设置型式的好处是，由两条光束横向经过的光程长度实际上可使其相等。为了产生干涉，由两条光束横向通过的光程长度的光程差必须保持低于光源的相干长度。这样，虽然在采用具有相干长度长的激光光源(如氦氖激光器)时可以使用不同的光程长度，但是，对称的，几乎相等的光程长度的使用就使人们能够使用象半导体激光二极管这样相干长度短的光源，它可以只具有几分之一毫米数量级的相干长度。在两个光程长度十分相近的情况下，可以采用基本不相干的光源代替激光器。
例如，可以采用一个工作在例如650nm波长下的红的LED(发光二极管)，由该发光二极管发射的光束经过一个带宽为1nm左右的窄带滤光器进行滤光;这就提供了一个约为400μm的相干长度，这在使用上述实施例时足以满足要求，因为光程长度的精度至少基本在这个数量级上。为了校准来自LED的光束，在这个实施例中也可采用一个针孔。最好采用象LED这样的单色光源，而不是完全不连续或宽带光源，因为这避免了在干涉图案中出现彩色条纹。
当产生一对相互有相位差的输出光束C、D时，如图4所示，可以对这两条光束的幅度进行处理，以获得光栅200移动方向的指示。
光栅200上的条纹的形状影响不同级的衍射光束的相对强度;最好是几乎为正弦曲线的形状。因为在这里需要的是强的第一级衍射光束。可以用包含有反射条纹和吸收条纹交替相间的振幅光栅来代替有许多条纹的衍射光栅。
因为sinθ＝mλ/d，其中λ是波长。改变光源210的波长的作用是改变衍射光束的衍射角θ。在遇到波长有一些变化的情况下，反光镜220a，220b，合成器230，和检偏器240等应做的足够宽以接收衍射角的预计范围。
最后，应该注意，在垂直光栅200所在的平面的方向上移动光栅200的作用是，将在相对应的方向上一起移动衍射光束;因此这最终会移动光束的光路而不包括干涉仪的一个或更多的光学元件。但是，光栅200角度的旋转的作用会更加显著，这是因为衍射光束的角度向相反的方向移动。因此光束会很快在合成器230上有重合的显示，从而导致该装置工作失效。由此，图4所介绍的干涉仪操作对光栅200与干涉仪其它元件间的角度不对准，比对光栅200的轴向移动，或光源210波长的漂移更为敏感。
参考图5，其与图3大体相对应，在图5中，相对应的部分用相对应的标号，一个横向移动部件110包括一个横轴112和一个滑架113，滑架113通过电动机可以沿横轴112滑动(例如，一个直流电动机通过一个减速齿轮箱驱动)。在靠近支承部件或臂120的一端装有一个探头或探针130，支承臂120通过枢轴轴承121安装在拾取器主体组件114上，组件114与滑架113构成一体。如下面讨论的那样，还可以设置一个信号处理线路155，以接收来自主体114的电信号，和设置一个输出端口150输出由信号处理线路155提供的输出信号。此外，还可设置电源，滑架电动机的控制线，和一个提供代表滑架在轴112上的位置的信号的位置信号输出线路，连同连接主体114的电源线以及信号处理线路155，但为了清楚起见，这些都没有表示。
参考图6，在主体114内，设有一个光源310，光源310包括一个波长约670nm的激光二极管，和一个在光束中的准直透镜。支承臂120从作为123的一个部分的枢轴轴承121处伸出，在123的端部装有一个具有一个弯曲表面的光学元件，该弯曲表面的曲率与中心为枢轴轴承121的圆弧的曲率一致。在这个弯曲表面上装有一个衍射光栅，该光栅包括许多平行的衍射条纹，这些条纹倾斜地平行于枢轴121。来自光源310的光直接直线通过棱镜317，垂直照射在衍射光栅300的表面上。由衍射光栅300产生的两条被衍射的第一级光束进入棱镜317，棱镜317将在下面更详细地讨论，由棱镜317产生两条输出光束，这两条光束的每一条通过各自的输出检偏镜340a，340b，每个检偏镜包括一块分光棱镜。在分光镜之一340b之前设置了一块四分之一波片350。在每个检偏镜的分光镜340a，340b的两个表面上安装有各自的检测器341a，342a，341b，342b(图6中未表示)。每个检测器包括一个光电二极管，该二极管响应照在它上面的光的幅度产生相应的电输出信号。
在光源310和衍射光栅300之间的光路上还可设置一块透镜318，其作用是会聚来自光源310的准直光束，以便减少由于衍射光栅300的表面弯曲所造成的光束发散，如下面将详细讨论的那样。
还可以设置一个与支承臂123相连的偏置力装置400，该装置包括一个线性电磁线圈410，该线圈绕在一块线性磁衔铁或极靴420上，420与支承臂123相连，以便响应提供给线圈410的电流向支承臂123施加拉力或推力。
光栅的栅距和光栅到枢轴121的距离有某种程度的联系，这是因为测量仪的运动与探头的运动之比取决于臂部分120和123之比，换句话说，取决于探头130和光栅表面301的径向位移之比。光栅的栅距在某种程度上取决于可用光源的波长，以及制造光栅的方法的局限性。
对于给定的光栅尺寸，光栅移动的距离(和因此由该移动产生的条纹的数量)和探头移动的距离按照它们各自到枢轴121的距离之比彼此对应。由此需要一个相对较长的臂部分123。另一方面，如果臂123过长，相应枢轴121的惯性延长了测量仪的响应时间。在所介绍的实施例中，部件123被选择约为支承臂120长度的一半。对于表面测量，支承臂120的典型长度为60mm。
参考图7，现在将仔细讨论图6所示装置的工作。激光二极管311受激发从而发射一输出激光光束，该光束由准直透镜312进行校准。由激光二极管和准直透镜产生的典型光束约为2mm宽。准直的光束通过二分之一透明波片319，该波片用以调节光束的偏振方向。随后该光束定向通过一块圆柱形透镜318，该透镜会聚准直光束。参考图8a，在没有圆柱形透镜318的情况下，当衍射是由凸形弯曲的衍射光栅300产生的时侯，准直光束就会变成发散的衍射输出光束。
通过设置圆柱形透镜318，以便对输入光束进行相应的会聚，从而准直来自衍射光栅的衍射光束，如图8B所示。透镜318还可校正来自光源310的光束的任何发散或会聚。
随后，该光束被棱镜317的端面垂直接收，并沿棱镜317的中央对称轴通过该棱镜，垂直照射在衍射光栅300的表面上。
由于装有衍射光栅的表面301被设置成以枢轴121为中心的圆柱形表面，所以，表面301被光束照射的部分(或，更准确地说，一条表面301的切线)总是垂直于照射光束，而不管枢轴臂123相对枢轴121的取向。做个比较，如果光栅为一扁平表面，则光栅与光束所呈的角度将发生漂移，同样随着枢轴121的转动，从光栅表面到光源310和棱镜317的距离将发生变化。
一对第一级衍射光束呈θ角，该角度θ取决于照射光的波长λ和光栅条纹间的栅距或间距;在栅距为1200条/每毫米和照射光的波长为670nm的情况下，相对于光栅垂直轴的衍射角θ约为54°。两条衍射光束进入棱镜317的后部平面并被折射，折射的光束量取决于棱镜的折射率。每条折射光束分别照射在棱镜的侧面320a，320b上，且入射角大于构成棱镜的材料的全内反射角的临界角，这些折射光束被反射回棱镜的中央。侧面320a，320b向棱镜中心倾斜的角度相等但方向相对，以便两条光束在棱镜中心的同一点上相遇。
沿棱镜纵向中心平面设置一个分光层335，该分光层通常在第一偏振面内透射一部分入射光束，而在第二偏振面内反射一部分入射光束(S和P偏振)。
因此，平面层335反射每条衍射光束的一部分，同时透射另一部分，以产生合成的输出光束。但是，每条合成光束的反射和透射部分呈现出不同的偏振，因此，它们的幅度不是相加的。每条光束通过垂直于光束光路的一个端面射出棱镜317。一条光束进入一个检偏镜340a;第二条光束在进入检偏镜340b之前先进入一块四分之一波片350。
每个检偏镜340还包括一个分光棱镜，每个棱镜包括一块沿对角线平面切割的立方体棱镜，每个立方体棱镜在其两个半部之间有一个分光层结构。在每个分光镜的45°对角线平面内的分光层起一个分光镜的作用，透射一个入射光束的一个部分并反射第二部分。分光镜340a，340b的每个对角线平面的旋转取向是这样的，即由此产生的每条反射和透射光束包括来自棱镜317的输出光束的S和P偏振相等的部分，因此也就包含来自衍射光栅300的每个衍射级的一个相等的部分。所以，分光棱镜340a，340b是与它们所面向的棱镜317的平面呈45°倾角转动的。通常，分光镜340a粘接在棱镜317的一个端面上，而四分之一波片350和分光镜340b按顺序粘接在另一个端面上。
设置一个光检测器(例如，光电二极管)341a，341b以接收来自各个检偏镜340a，340b的反射光束，并设置光测器342a，342b以接收来自各个分光镜340a，340b的透射输出。由于反射，在各种情况下反射输出的相位漂移180°。
参考图9，表示的是每个检测器对于光栅300的旋转位移θ对应于相邻光栅栅线间半位移的输出的曲线图。虽然理论上每个检测器相对于光栅位移的输出为0到最大值的范围内的正弦曲线，但实际上发现是在最大值与非零的最小值之间变化(这是因为环境的光与有限的光束以及光栅的大小都包括进去了)。最小和最大强度为，或可设置成，与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°。
在该实验例中不是直接使用反射或透射输出信号中的一个，而是通过设置这样一对检测器342a，341a，或342b，341b，并相互相减它们的电输出信号以提供图9C所示的相减信号，从而简化计算条纹的信号处理。其结果(没有表示大小)为一个正弦曲线变化信号，其幅值是单个检测器输出的正弦曲线部分的两倍，且以O为中心，这是因为两个信号直流部分在相减中被抵消了。
参考图10，在所介绍的实施例中，光栅300包括一块玻璃块，其下表面接近于矩形，尺寸例如为6mm×4mm，而其上表面是精确研磨或铸造的圆柱体外形，其半径与玻璃块的高度(典型的为5mm)加上臂123的长度的和相对应，玻璃块是安装在臂123上的。这可能有例如30mm。参考图11，在玻璃块弯曲的表面上装有一个衍射光栅，该光栅包括一个纹脊相距为0.8333μm(1/1200mm)的典型栅距的图案。光栅最好为正弦曲线外形以提供强的第一级衍射光束。光栅凸起的表面涂有一层诸如铝这样的反射层以提供一个反射光栅。
参考图12，提供这种光栅的一个方法是在玻璃坯的弯曲表面上覆盖一层硬化成份层，并用一对相互不平行的激光束照射该表面，使用的激光束具有光栅所需要的数量级的波长。这种全息技术能够产生具有正弦曲线强度分布的非常清晰的干涉图案，而且会在光敏层曝光产生相应的条纹图案。当曝光完全后，对该表面进行浸蚀或冲洗，以去掉光敏层曝光或没曝光的部分，从而留下纹脊的图案。然后对该具有纹脊的图案表面可通过任何适宜的处理涂上铝。另一种方法可利用纹脊的型式作为掩膜，通过这个掩膜以完成有选择的浸蚀。
参考图13，当采用这个技术的时侯，所提供的弯曲光栅的栅距绝对准确地只位于基片的凸起上，而且在朝向光栅边缘的地方会略有增加;在给出的例子中，如果在中心的栅距为0.8333μm，则在边缘的栅距为0.8372μm(约高出0.5%)。由于光束的宽度在2mm的数量级上，光栅间距对每条衍射光束增长的变化为1%的几分之一，尽管如此，还是对光栅的性能有一些降低。
光栅栅距朝向光栅边缘的增加还会使衍射角略有漂移。但是，由于衍射角的漂移是相对两条衍射光束的，所以，这两条光束仍具有相等的光程长度并在棱镜内重合，这样，这种效果对光学元件和检测器的影响是很轻微的，这些光学元件和检测器都具有一个有限的范围。最后，光栅栅距朝向其边缘的增加使得由检测器检测的条纹数目与光栅偏转的角度的关系在朝向其边缘处略呈非线性。但是，探头的竖向移动与光栅偏转的关系在反指向上是非线性的，所以这种影响在某种程度上被减轻了。
对于给定的测量仪的定标，任何剩存的非线性都能很好地测出并标出，或通过对测量仪的校准来获取。设置一个校正线路对来自干涉仪的输出信号进行校正是很简单的，正如下面所详述的那样，或者通过与测量仪连接的计算机或其它装置160来完成校正。
尽管如此，还是希望通过采用这样一种弯曲光栅300来提高该装置的性能，该光栅的栅距变化被降低到上述水平以下(最好是消除这种变化)。
参考图14，将更详细地讨论棱镜317的结构。
该棱镜关于分光层335是对称的，且包括一对倾斜的侧面320a，320b，其底面和顶面360，361垂直于分光层。在深度上，即往图14的纸里方向，棱镜317最好等于或略宽于光栅300;即至少为4mm深。一对出口平面370a，370b被设置成与中央平面335呈一个角度，以便使光束垂直于通过中央平面335的一点，被平行面320a或320b中相对的一个所全内反射。
通常，棱镜被制造成分别高于和低于图14所示中央平面335的两个部分，并在中央平面335处组装在一起。
棱镜的材料最好是玻璃，其尺寸稳定并易于加工，其折射系数例如可以为1.51。在这种情况下，和栅距d＝0.8333μm的光栅配合使用，以使衍射角θd＝mλ/d，其中m＝+/-1且λ＝660nm～680nm，图14所示的棱镜尺寸可以为如下大小
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)采用已知的方式对在平面335处的多层分光涂层进行计算和敷涂，以形成这样一种表面，即当光束入射在该表面上时被分成具有基本相似幅度的不同偏振的反射和透射部分。
侧面320a，320b向内倾斜相同的角度，以使从侧面320a，320b反射之后的衍射光束在光束分离中心平面335上的入射角接近45°。采用这种设计，在光束分离层335内的敷涂相对较简单。
通过仔细选择棱镜317材料的折射系数，棱镜317与光栅表面301之间的距离，和衍射光束的角度(它依次由入射光源的波长和衍射光栅300的栅距所确定)，还能够采用具有平行侧面320a，320b的棱镜317和在中心层335上的45°的入射角。
对于入射角为45°的情况，选择在中心层335上合适的涂层，以使在P偏振方向上透射和在S偏振方向上反射出幅度几乎相等的光束，且在S平面的透射很低，而在P平面的反射很低。这是通过采用两种具有不同折射率的交替夹层来实现的;例如，8层厚度为216nm的MgO层和7层厚度为264nm的MgF2层交替覆置。可以通过例如化学蒸发镀膜或任何其他合适的处理方法对该涂层进行敷涂，以提供一个相对均匀的透明层。同样结构的涂层也可用于分光棱镜340a，340b。
在一个实施例中，探头主体114分为两个部分，114a，114b。第一部分114a包括激光光源和分光棱镜317。第二部分114b包括光栅300和用于安装支承臂123的枢轴121。棱镜317固定在第一部分114a内，并在114a中安装激光器和透镜组件311，312以及半波片319，从而限制在所有三个平中面的运动和轴向转动。
第一步是沿核镜317的中心光轴集中激光器的光束。为此，第一部分114a安装在一个夹具中，同样还有一个准直望远镜1000，望远镜1000具有自动反射装置和x/y对中十字线。圆柱形透镜318最开始并不在组件中。运用望远镜1000的自动反射调节，主体114在夹具中被对中，以使棱镜317的底面360垂直于望远镜的轴。然后，调节114a在垂直于望远镜的轴的平面内(x/y平面)的位置，直到棱镜底面360的中心对准望远镜的轴。
随后，望远镜聚焦在棱镜的底面360上。打开激光器311，提供一个椭圆光束光点。转动激光器直到该椭圆位于y/z平面内。
随后，望远镜1000聚焦在无穷远。然后在x和y方向上调节第一部分114a内激光器312的位置直到来自激光器312的光束的光点到达望远镜1000的十字线的中心。然后固定激光器312在第一部分114a内的位置，例如，用粘合剂把该激光器胶合在该位置上。
随后，把圆柱形透镜318放入114a中激光光束的光路内，并调节其在y方向上的位置，直到用望远镜1000观察到线聚焦。然后，调节透镜318的对中，直到光束沿着望远镜十字线的x轴。现在圆柱形透镜318位于正确位置上并被胶合或用其它方法固定就位。
现在第一部分114a已正确对中。下一步是组装两部分114a，114b。两部分114a，114b通过一个连接机构相连。该机构最初允许在x和y方向有些移动，并能绕z轴转动。例如，这两个部分可以具有相对的法兰盘弹性地连接在一起。第二部分114b安装在一个夹具中，并在“x”方向调节第一部分114a的位置，同时观察激光束的光点，直到光束位于光栅300的中部。
移动检偏镜340a中的一个，或者通过眼睛看一张卡片，或者使用一个光能计来观察分光层335分别反射和透射的两条光束。旋转半波片319直到两条光束的强度相等。
然后，在“y”方向移动本体部分114b，直到观察到两条光束在y方向对中。在这一点上，激光光束垂直照射在光栅300的表面上。
随后，围绕“z”轴转动本体部分114b，以使光栅的条纹与分光棱镜对准。旋转该部分直到观察到在一张卡片显示出来的两条光束重合为止。现在这两条光束应该相干涉，而且在移动的探针或探头130上应观察到明暗的条纹。如果设有观察到清楚的条纹，则重复上述在y方向的对准和围绕z轴转动的步骤。
当看到清楚的条纹的时候，再一次把检偏分光棱镜240a胶合就位，并把一对探测器342a，342b的输出端与示波器相连。然后移动探头130，并在示波器上观察所产生的条纹;如果需要，可以调节半波片319，以改善条纹的幅宽，然后胶合就位。观察两个探测器输出信号的相位，并旋转四分之一波片350直到两者的相位差准确为90°为止;然后把四分之一波片350胶合就位。
然后把两个部分114a，114b刚性地固定在一起，一般是通过胶合剂，这时测量仪完全被对中了。
参考图17，在这个实施例中，偏置或推进力是由致动装置提供给探头130的，而不象已有技术是通过重力。致动装置400包括一个电致动器，该致动器由一个线性线圈410绕在一个极靴或衔铁420上组成，420包括一根与支承臂刚性连接的棒，枢轴121在支承臂123的内心上。
线圈410可被励磁以通过极靴420向臂123施加恒定的偏置力，从而也就向探头130施加了偏置力，但如果需要，还可以控制激励电流以连续改变所施加的力，例如响应由应变测量仪或加速计响应负载或探头的加速所产生的信号进行这种控制。
还可以提供手动改变施加力的装置，以便，例如向基本刚性的被测表面施加相对大的力(以便产生良好的接触)，但对被测的弹性或塑性可变形的表面施加相对小的力，以避免使被测表面变形或损坏。
虽然电动地控制偏置力很方便，但可以用例如机械弹簧(拉簧或压簧)或空气致动器来代替线圈410和极靴420。
通过向用于对探头旋加偏置力的装置施加反向电流，以便在扫描后从工作面上提起探头，从而使探头返回，而不会损坏探头或表面。
同样地，应该清楚本发明的这个方面并不局限于在干涉测量表面测量仪器中的应用，而且还可同样地应用于，例如，包含有一个探头的感应拾取型测量装置。可设置偏压装置400以作用于枢轴121前面的支承臂120，而不是作用在枢轴121后面的支承臂上，但是，这会减少臂120的有效长度，其限制该装置在探测象管或孔调这样的封闭表面的使用。
图18表示的是另一种设计，其中有一对相对作用的致动器400a，400b，在这个实施例中，它们包括反方向励磁的线圈410a，410b和接在支承臂123相对两侧的相应的极靴420a，420b。如果控制线圈410a，410b的励磁，以使两个致动器400a，400b平衡施力(或者最好是由致动器400a，400b施加的向上的力和向下的力与重力平衡)，则探头130被推进处于中央停止或零的位置上。本实施例可用于测量这样表面的装置，即被测表面或者高于或者低于该测量装置，或者与其垂直。
参考图19，在该实施例进一步的说明中，设置致动器以对探针臂的运动进行快速阻尼;连同其它优点，这会减小因测量装置受到象意外碰撞这样的外部影响而产生的振动的程度。因此，输给线圈410的电流含有与探头位移变化的速率成比例的部分和一种极性，以便由此通过线圈410产生的力反抗指针的移动。
例如，该电流可以通过第一电流源430提供恒定电流Im并由第二电流源440产生如上所述的与探头位移信号的变化速率成比例的电流。
例如，可以由信号处理线路的输出端产生代表探头位移Z的数字输出信号，这在下面将更详细的讨论，并通过数字-模拟转换器450把该数字信号转换成相应的模拟信号，然后通过一个模拟微分器460进行微分，微分器460包括例如一个运算放大器，其在(反相)输入端有一个电容，且在反相输入端的反馈回路中有一个电阻。
然后把来自微分器460的信号通过一个电流跟随器变成一个电流信号，该跟随器包括电流源440，其输出的电流与来自电流源430的恒定电流相加并输送给线圈410。
但是，应该认识到，可以用数字微分器来代替模拟微分器，在这种情况下，就要在数字微分器后面接数字-模拟转换器450提供一个信号控制致动器410以阻止探针运动的其它方法同样是很明显的。
最好能控制由致动器所施加的力的变化;在本实施例中，最好是不仅能改变由致动器所施加的力的大小，而且还能够改变在由每个致动器施加的力之间的平衡，以便能够或者向下推进测量装置以测量位于探头130下面的表面，或者向上推进测量装置以测量位于探头130上面的表面。本实施例同样不局限于在干涉测量装置中的应用。
通过一个实施例的上述说明，已经清楚了交换和代替的次数会使光学系统具有更多或更少的等同效果。现在参考图20至24介绍一些这种改进行和交换结构的例子，其中与上述部分相同的部分标号相同。为了说明目的，在图20，22，23和24中的棱镜具有平行的侧面;如果在涂层335上的射角不是45°就需要更复杂的涂层，但其平行的侧面会较易加工。
参考图20，通过用透明或部分透明的光栅取代参考图11所说明的反射衍射光栅300从而改变了图6和7中的光学装置。光源310产生一条光束，该光束直接通过光栅元件的本体300到达光栅的内表面301，它作为一个透射光栅，并沿着上面参考图7所述的相同路径透射被衍射的第一级光束进入分光棱镜317。这样就可以略微简化分光棱镜317的结构，即不用做成凹形或不需要光束平移棱镜316。
设置一个反光镜500以把来自光源310的光束反射到衍射光栅上。由于弯曲的衍射光栅元件300现在实际上起一个透镜的作用，所以其趋于会聚照射在它上面的入射光束，因此需用一个发散透镜518代替图7中的会聚透镜318以对此进行补偿，并产生准直衍射光束。另一种方法是，由于许多激光二极管产生发散光束，所以可这样选择激光二极管311，其能对衍射光栅元件300的会聚进行发散补偿，为此目的还可采用弯曲光栅300的自身的后部表面。
参考图21，在一个最佳实施例中，该装置与图6，7，和14的装置基本相同。
参照图22，其把图20所示装置中的光源310和棱镜等317互换位置;而且还采用了发散透镜518或发散光源310以补偿由于光栅弯曲所导致的会聚。
参考图23，在光源310和衍射光栅300之间的光路中的圆柱形透镜318被在衍射光束光路中的一对圆柱形透镜318a，318b所取代，以加强相同的作用。
参考图14，通过省去光束平移棱镜316可简化把来自光源310的入射光引向光栅300的装置，并且用一个垂直来自光源310的光束的平面取代317的棱锥脊，该光束沿着棱镜317的中心平面335的中部被准确校直。虽然这样简化了装置，但这需要光源310的入射光束与中心平面335准确校直，以便中心平面335的分光特性不会影响入射光束。
除了以上所有的装置外，还可在枢轴121向外的一侧(即在支承臂120上)设置弯曲的衍射光栅。但是，这种设置会缩小支承臂120的有效长度，因此会影响探头在一些需要长支承臂120的类型的元件(例如管子)中的使用。许多其它变化也是明显的。
可以设置接收来自检测器341a，341b，342a，342b的模拟信号的模拟信号输出端口150，甚至可以设置光信号输出端口150，该端口在探测器所在位置上接收通过光纤电缆传输的光束。另一种情况是，通过采用上述实施例中尺寸相对较小的激光器和干涉仪来实现这种紧密的结构，这使得能够在同一部件内进行一些电信号的处理，以减小电的或射频的干扰的可能，从而加强了该装置的通用性能。由于上述装置。产生的输出信号在本质上与传统的迈克尔逊干涉仪测量装置产生的输出信号相似，所以，在该装置中所采用的信号处理电路也可同样用于上述最佳实施例。同样，下面说明的最佳信号处理装置也可和传统的迈克尔逊干涉仪一起使用。
但是，参考图25，在这个实施例的一个专门结构中，检测器341a，341b，342a，342b的输出信号通过一对差分放大器线路相减以形成正弦和余弦信号，且这两个信号提供给横移部件110的输出端口150。然后，把信号处理部件155的大部分方便地一同连接到计算机终端160上。
参考图26，在本发明这个方面的最佳实施例中，信号处理线路155包括一个条纹计数器线路600，其对代表前面所述的那种干涉测量仪装置的输出端检测到的幅值上的峰值或峪值的总数目进行计数，和包括一个内插器700，其产生一个代表输出信号的峰或峪之间的相位的输出信号。来自计数器600的低分辨数据和来自内插器700的高分辨数据被合成并提供给一个线性校正线路800和一个定标线路810，然后，把输出信号或者用于数据处理，或者，输送给存储装置，或者输送给显示装置820，如图所示，方便的话，校正线路800和定标线路810两者可由计算机160一起提供，计算机160在储存程序的控制下进行工作。
参考图27，更详细地表示了计数器线路600。计数器线路600包括一个具有寄存输出的数字计数器610，诸如一个16位计数器，和一个判断线路600，它控制计数器610或者向上计数，或者向下计数。如下面所讨论的那样，这是需要的，因为探头的位移是依据所计数的条纹的数目导出的，但是，响应一个方向移动的条纹计数需要减去响应在相反方向移动的条纹计数，以获得所测量的位移。
如上所述，在条纹计数是位置的非线性函数的情况下特别需要这样。
因此，判断线路620向计数器610输出一个控制信号，以指示响应下一个条纹计数，寄存计数是否应该增加或减小。在条纹检测方面，向计数器610提供一个启动信号以使计数相应的增加或减小。
为了使判断线路620能够判定是否增加或减少计数，它接收在相位上分开的两个分离的输入信号。如果两个信号相位相差90°，则可简化所需的信号处理。参考图9C，很清楚，信号对于探头位置x的幅度的变化一般是正弦的，并满足关系式Y＝sinθ，其中θ与距离x成比例，而且对于上面讨论的光栅干涉仪，θ＝4πx/D，其中D光栅的栅距。因此，由向上/向下判断线路620接收的两个信号Y1和Y2，相对一些随机的初始相位，由Asinθ和Acosθ给定，而且在下面将分别称为sinθ和cosθ信号。
参考图28，在一个最佳实施例中，判断电路620包括一对输入放大器621a，621b，例如是反向运算放大器线路，放大器的放大系数为k，以将输入信号转换成充分适合后面线路的电平。
例如，在和上述装置一起使用时，放大系数可为-2.4，从而使放大器621a，621b的峰-峰输出为10V。放大器621a，621b还可包括带宽限制滤波器，只允许0赫兹到最大极限(例如，5MH，其理由下面讨论)之间的频率通过。
放大器621a，621b的输出信号提供给比较器622a，622b(例如，设定反向比较器根据各自的输入信号是分别低于0或高于0来分别提供逻辑高的输出或是逻辑低的输出)。一般讲，这样的比较器在阀值电平之间含有有限量的滞后;如果计数器线路采用下面将详细讨论的方式与内插器线路700一起工作，则需要强行使阀值电平为内插器线路700可分辨的最小电平。对于内插器分辨率为360/256的级别上时，阀值为(10/2)·sin(360/256)＝123mv，其中峰-峰电压为10v。
参考图29，图29A表示的是两个关于探头或干涉仪位置的输入信号的图形，并与图9C相对应。相应地，图29B表示的是放大器61a，61b的输出信号对于探头位置x或相位角θ的变化。同样，图29C表示的是比较器622a，622b相应于探头距离或相位的输出信号;比较器的输出信号在输入信号的过0点呈现出跳跃。
但是，图29A-C并不代表线路在这些阶段对于时间的信号;每个信号可能是静止的或变化的，这取决于探头是静止还是移动的。如果探头在第一方向上移动而相应地增加探头距离x(例如探头上升)，并由此增加在恒定速率下的相位θ，输入信号，放大器61a和61b的输出信号，和比较器622a，622b的输出信号将与图29A-29C相对应。如果探头是静止的，则所有信号都是恒定的。如果探头改变方向并向回移动(即沿负x方向)，这时，在放大器和比较器输出端相应的信号则会与图29A-29C所表示的那些图形的镜面负像型式相对应。
设置比较器622a，622b以对来自干涉仪的信号的过零点进行检测;这使条纹计数基本不受输入信号幅度变化的影响，所以，这是一种条纹计数非常好的方法，而且这能在计数每个条纹的信号中提供准确确定的相位点，并因此提高计数器的精度。进一步讲，由于除条纹计数外，线路600还提供基本确定的相位参考点，所以，当把这种类型的计数器与内插器线路700一起使用时更具有特别的优点。
第一个问题是确定探头移动的方向，因此，就要确定响应于过零计数是增加还是减少。如果sinθ输入信号的过零点发生在θ＝0°时，且探头沿正x方向(即，相位θ是增加的)移动，则信号的值在过零点之后立刻为正值。另一方面，如果过零发生在θ＝π的情况下，则信号的值在过零之后立刻为负值。相反地，如果探头沿相反的方向移动，则信号的幅值在θ＝0过零之后立刻为负值，而在θ＝π过零之后立刻为正值。
这样，如果确定了相位相对于给定的过零点的位置，就能够通过在过零之后立刻测量信号的幅值来确定探头的移动方向。为了确定零是在θ＝0点上，还是θ＝π点上，就要分析余弦信号。
这样，图28的线路还要包括两个元件;即一个相位分辨线路623以产生一个信号指示给定的过零点是0°还是π°，和一个方向确定线路624，该线路指示给定的过零点分别相应于探头的向前和向后移动而向上或向下跳跃。
参考图30，在一个最佳实施例中，过零相位判定线路623包括一对寄存器625a，625b，它们由D型触发器组成，由来自晶控振荡器的10MHs时钟信号进行计时，以便在时钟信号的起始缘位置寄存来自比较器622a，622b的信号的状态。因此，寄存器的频率响应限制在5MHs，为防止混频，高于这个频率的频率都被在放大器621a，621b中的滤波器滤掉。
sinθ寄存器625a的输出信号，通过一个包含有一对“与”门626a，626b和一对反相器627a，627b的逻辑网络，输入“或”门628。第一“与”门626a的输出信号跟随寄存器625a的正向输出信号，而第二“与”门626b的输出信号跟随寄存器625a的反向输出信号。
cosθ寄存器625b的反向输出信号输入“或”门628的第三输入端。因此，在“或”门的这个输入端的信号是图29C所示的信号B的倒置。当这个信号低的时侯，在“与”门626a，626b的输出都低的情况下，“与”门626a，626b在开关时间的差别会导致一个短的时间间隔，另外还因此在“或”门628的高输出端产生一个持续时间短的负脉冲。但是，当寄存器625b的输出信号高时，“或”门628的输出仍保持是高的。为接收Cosθ信号的平方形式而连接的寄存器625b的输出信号的作用是选择那些相应于θ＝0的过零点的信号。
如图29D所示的“或”门628的输出信号提供给又一个寄存器629的CLEAR输入端，629通过反相器630输入的时钟信号再次被设置在高位，且由寄存器625b的非反相输出端通过“与”门631控制。因此，寄存器629的输出信号当在“或”门628的输出端上出现负脉冲时变低(接下来是对寄存器625a，625b计数的正向时钟脉冲)，并在后面的负向时钟信号的边缘上再次变高。因此，寄存器629的输出信号是来自测量仪的Sinθ输入信号的每个0°相位过零的宽度为0.1微秒的负向脉冲。
用于选择向上计数或是向下计数的线路624需要确定信号A在θ＝0通过处是处于上升还是下降状态。这可从寄存器625a的输出信号简单地导出。
然后向数字计数器片相应的输入端提供如图29E所示的时钟信号和如图29F所示的向上/向下计数控制信号，该计数器片包括计数器片包括计数器610;例如，计数器片可以是一对74AS867。
参考图31，根据本发明的内插器700包括一个从干涉仪接收sinθ信号的输入端710，一个估算线路700，它用于产生代表在输入端710上的输入信号的相位θ的估算的信号ψ，并且产生一个估算ψ的函数(这里表示为F(ψ))，和一个误差发生线路730，它产生一个输出信号δ，这个信号是输入信号的估算相位ψ和实际相位θ之间误差的函数，这个误差输出信号反馈控制估算线路720。
参考图32，一种设置估算器和函数发生器720的最佳方法包括设置一个保持代表估算相位ψ的计数的数字计数器721，并且提供一个改变计数的启动信号(CCK)和一个用于指示计数是增加，还是减少的方向指示信号(U/D)。这样计数器的输出信号是代表输入信号的相应θ的估算ψ的数字信号。该输出信号ψ还送入数字函数发生器线路，这个线路一般包括一个只读存储器，这个存储器存储一个查寻表，对每一个ψ值，有一个相应的函数F(ψ)的值。查录表722的数据输出耦连于数字-模拟转换器723的数字输入端，数字-模拟转换器723相应地产生代表函数F(ψ)的值模拟输出信号。
如果图31所用的电路采用图32所示的、函数F(ψ)＝sin(ψ)的线路，并且误差信号发生器730只起一个减法器的作用，则输出信号δ为δ＝sinθ-sinψ，或者δ＝2cos((θ+ψ)/2)·sin((θ-ψ)/2由于θ接近ψ，所以上式可以简化为δ＝(cosψ)(θ-ψ)。
换句话说，误差信号δ的数值不仅是误差测量需要的、估算相位ψ和实际相位θ的差，而且是实际相位θ或ψ的函数。这样，为使用这个误差信号作用为计数器721增加计数的控制信号，就需要提供一个试验阀值，这个阀值随着ψ或θ的数值变化。
参考图33，另一种实现图31所介绍的原理的方法是获得误差信号δ，信号δ只是输入相位θ与估算相位ψ之间差的函数。为此，采用来自干涉仪的sinθ和cosθ的两个输入信号。如图32所示，一个数字计数器721寄存一个代表估算相位ψ数值的数，而且这个数包含线路700的输出信号。这个数还供给一对ROM722a，722b的地址总线，这两个ROM(即只读存储器)分别存储有与估算相位ψ的余弦和正弦相对应的数字数目的查寻表(换句话说，在-1和1之间的常数表)。例如计数器721可以是一个8位计数器，且ROM722a，722b可以是含有256个8位数的ROM，每个数与每个可能的ψ值相对应。
ROM722a，722b的数据总线耦连于一对数字-模拟相乘转换器(以下简称乘法DAC)740a，740b的各自的数字输入线上，每个转换器包含一个梯形电阻，该梯形电阻根据其数字输入信号进行开关以向所接收的电流提供相应的电阻，并由此减小输入乘法DAC中的电流，减小的量与数字输入信号成比例乘法DAC740a耦连于内插器700的sinθ输入，并随后产生一个与sinθcosψ成比例的模拟输出电流。乘法DAC740b耦连于接收内插器700的cosθ输入，并相应产生一个与cosθsinψ成比例的模拟输出信号。误差信号发生线路730包括一个减法器线路，其产生的输入信号比例于sinθcosψ-cosθsinψ＝sin(θ-ψ)这个信号提供给比较器线路725，每当误差信号θ-ψ超过一个预定的阀值的时侯，该比较器就产生一个输出信号以增加或减小计数器721的计数，这个预定的阀值与相位计数器721内的一个赋与了给定阀值的最低有效位相对应，如前所述，对于Vpp＝10V的情况，该给定的阀值Vpp/2.sin(360/256)＝123mv。
最好使计数器721向上计数，并由此把输入信号的相位分成一个足够高的数，这个信号的值为δ＝sin(θ-ψ)接近等于θ-ψ;
例如，如果计数器721是一个4位计数器，每个计数器相应于225°移相增加计数，而且当估算相位ψ偏离真实相位22.5°的时侯，比较器725将使计数器721增加计数。在22.5°，sinx不满足接近等于x，而且计数器721将在一些点上增加计数，这些点不能与规则的相位间隔准确对应。另一方面，在计数器721是一个8位计数器的时侯，在估算相位ψ和信号相位θ之间的最大相位滞后将发生在sinθ＝360/256＝1.4°在这个范围内0-1.4°，sin(θ-ψ)非常接近于θ-ψ。
参考图34，在查寻表722a，722b中最好只存贮正数。相应地，在ROM中存贮的函数值可以由表达式1+cosψ和1-sinψ(具有0到+2之间的值)所取代。在乘法DAC740a，740b的输出信号中的附加的sinθ和cosθ项通过从其输出信号中减去输入的sinθ和cosθ值而被去掉。
一个最低有效位的一半偏移可以是0.7°把这半个偏移加到φ中，从而使表格存贮1+cos(ψ+0.7)和1-sin(ψ+0.7)，以提供恰好的数目。
相应地，内插器700还包括一对缓冲放大器741a，741b，缓冲放大器包括，例如，具有-1增益的反相运算放大器线路。输入的sinθ和cosθ的信号连同放大器741a，741b的输出信号在单位增益反相运算放大器731的反相端相加，因此，运算放大器731产生一个输出信号，该信号对应于sinθcosψ-cosθsinψ＝sin(θ-ψ)＝θ-ψ其中存贮的数值包括一个上面所述的偏移，输出信号对应于θ-ψOFFSET。
这个误差信号的极性(表示估算相位是超前还是滞后所需的相位θ)由比较器751检测，其逻辑输出信号控制计数器721的向上/向下计数输入。
这个误差信号还输送给比较器线路725，它包括第一比较器725a，比较器725a具有一个预定的阀值，这个阀值对应于计数器721的一个最低有效位，725还包括一个第二比较器725b，它具有相同的阀值并前置一个具有单位增益的反相运算放大器726。因此，当误差超过一个正的预定阀值时，比较器725a产生一个输出信号，且当误差信号超过一个相应的负阀值时，比较器725b产生一个输出信号。
两个比较器725a，725b的输出信号输入给一个逻辑线路727，逻辑线路727执行一个“或”功能，以便当任何一个比较器指示其阀值被超出时，产生一个信号EN以改变计数器721的计数。向同步逻辑线路760提供10MHz的母时钟信号，该线路相应于母时钟信号的校正相位对来自比较器线路725的信号重新定时(如寄存和延时)。同步逻辑线路760与时钟721的计数启动输入端相连以使相应的表示估算相位ψ的寄存时钟计数增加或减少。
设置同步逻辑线路760在把来自比较器线路725的一个信号提供给计数器721的输入端之前将母时钟频率进行10倍分频，以便使计数器721只能每微秒增加一次计数。这样做的理由是阻止计数器721因误差信号虚假的瞬时值而导致的转换，这种虚假的瞬时值是由乘法DAC740a，740b内的开关引起的;没有阻止这种瞬时值的装置，则会改变计数器721的计数值，并在DAC740a，740b的输出信号中产生转换瞬时值，随后，DAC740a，740b再次改变计数器的计数值。但是，还可能有其它装置限制该系统对这种瞬时值的响应(例如在模拟线路中的低通滤波器)。
在图34的线路中，发现消除这种瞬时值所需设定的时间是限制内插器速度的一个因素，一个1微秒的设定时间，和一个相邻条纹间给出256个ψ值的8位计数器，给出了一个最大跟踪频率3.9KHz(每秒条纹数)。
通过提供相位ψ的一个数字估算，并采用数定-模拟转换以在模拟范围内将这种估算与输入信号相比，与由输入信号的模拟-数字转换器操作的装置相比，这可以提供一个花费有效且相对便宜的内插器，因为便宜的模拟-数字转换器慢，而快速模拟-数字转换器价格高。通过在数字输出装置中用一个数字计数器代替一个微处理器，同样可以提高速度。
再参考图34和26，就会看到计数器600和内插器700的工作基本上是独立的。因此当输入信号的相位θ接近零的时侯可能会产生一个问题。当内插器700到达θ＝0相位点的时侯，它的输出信号在0和它的最大值(例如256)之间变化。如果这没有和这样一点同步，在这一点上，条纹计数器600记录零跃变并因此计数和附加条纹，则内插器700和条纹计数器600的合成输出信号将有一个条纹的误差，直到计数器600满足上述条件。由于线路是独立的，每个零相位条件的记录的点极可能是不同的。
再参考图35A，其中表格存贮有当相位θ通过0点时的偏移，θ-ψ偏移值可能不会上升到改变极性之前就足以启动比较器725a，725b的值。相应地，比较器线路725不提供增加计数器721计数和导致其重新置0所需的信号。为了使计数器600和内插器700同步，并保证内插器700响应过零相位，如图32所示，由计数器600内获得的时钟信号(CCK)被提供给同步逻辑线路760，并如图33C所示进行反相以向计数器721提供一个附加转换信号从而增加计数/减少计数。
对上述计数器和内插器可能有多种改进。例如，图31的估算线路720包括的可不是一个由误差信号δ增加计数的相位计数器，而是一个自由运行计数器，这个计数器的计数频率由误差信号δ控制。但是，对于用于表面或外形测量的干涉测量仪装置这是不需要的，因为这种装置在低频或零频条件下的响应是不稳定和不准确的。
由于误差信号sin(θ-ψ)接近相位误差θ-ψ，所以能够使这种误差信号数字化以获得更高的精度，并对内插器的输出附加更低的有效位。另一种方法是，通过减少计数器721位的数目也可保持同样的精度，以便对条纹间的相位进行更粗略的细分，使其处于这样一个水平，在这个水平上，sin(θ-ψ)仍保持相当好地接近θ-ψ，且恢复因对差值信号数字化而损失的精度。这可对内插器的最大跟踪频率有一些提高。
参考图34，在相位角计数器721把条纹间的相位分成一个2的幂的数的情况下，相位计数器721的输出信号可以作为一个码的更低级的位0-7输给数字输出数据总线，对于这个输出信号，条纹计数器610的二进位输出信号包括更高级的位。
在条纹计数的数目与探头或类似装置移动的距离不是绝对线性关系的情况下，如在上面讨论的干涉测量装置中，这种数字输出总线连接于图26所示的非线性校正线路800，该线路可简单地包括一个只读存储器，数字输出数据耦连于该线路的地址线上，并在其数据总线上产生一个相应的校正数字码。
如果需要，一个定标电路810包括一个数字乘法器(例如，还有一个只读存储器查寻表格)，设置这个计数线路以一些方便的形式把校正线路800的校正输出信号转换成距离单位。在上述实施例中，探头距离相应于每个条纹到条纹的间隔为0.833μm，这样每个1/256相位间隔相应为3.25nm以便把校正数变换成毫微米，乘法器810乘以1/3.25。
虽然为了清楚，校正和定标线路800，810是分开表示的，实际上它们可以方便地包括同一个执行校正和换算的查寻表格ROM。通过对测量仪大小和形状的计算得出由定标线路810提供的系数，而且通过响应于已知表面或外形的测量来测量计数器600和内插器700的数字输出码，从而可方便地获得在校正相位上的非线性校正。
从上面的讨论中可以清楚的知道，含有条纹计数器600和内插器700的信号处理线路150可和除那些前面已经描述过的干涉测量仪之外的其它类型的干涉测量仪器一起使用，而且前面描述过的干涉测量装置也可以和其它信号处理线路一起使用。
进一步讲，虽然把前面所述的过零检测条纹计数器线路和前面所述的内插器线路一起使用具有特别的好处，因为这样可以提供准确的相位参考，但是每一个条纹线路和内插器线路也可分开使用。
进一步讲，用于推进探头或探针与被测物体相接触的偏置力装置400也可用于除前面所述的那些测量仪器之外的其它类型的测量仪器;例如用于感应读出测量装置。但是，当一块使用时，上述具有信号处理输出线路的测量装置能够提供一个非常紧凑的部件，这个部件能够装在一个单独的横动部件110上而不会在它的立柱上增加负荷，采用一个低压电源比至今用于氦氖激光器的电源更安全，并提供一种方便的数字输出，提供的动态分辨率例如为1.8×106∶1。
权利要求
1.用于位置和/或表面和/或纹理测量的装置，包括一个探头用于与一个表面相接触，并沿该表面移动；一个探头支架，用于运载所说的探头，所说的支架包括一个枢轴以便所说的探头能够枢轴地进入和移出所说表面的平面；和一个光栅干涉仪，它包括一个与该支架或探头连接移动的部分，以提供对支架或探头的位移的测量，该干涉仪的构造和布置应该是这样，即在枢轴的运动期间能保持干涉。
2.根据权利要求1的装置，其中干涉仪的光栅与探头支架相连。
3.根据权利要求1的装置，其中干涉仪的光栅是弯曲的，以便相对于照射在它上面的光束呈现出基本恒定的位置和倾角。
4.根据权利要求3的装置，其中光栅与探头支架相连且距探头比距枢轴远。
5.根据权利要求3的装置，其中提供有聚焦装置用于对光栅弯曲的光学效果进行光学校正。
6.根据权利要求5的装置，其中光栅由来自光源的光束照射，而且光栅相对于光束是凸形的。
7.根据权利要求6的装置，其中会聚装置在光源和光栅之间包括一个会聚透镜。
8.根据权利要求3的装置，其中光栅由来自光源的光束照射从而会聚射来的光束，而且光栅相对于光束是凹形的，光源光束的发散和由弯曲光栅所导致的会聚应使由光栅产生的衍射光束基本上每一条都是平行的。
9.光栅干涉仪装置包括一个装在一个弯曲表面上的光栅，设置该光栅以产生多条被衍射的级光束，和用于在这些衍射光束间产生干涉的装置。
10.根据权利要求9的装置，其中干涉仪包括用于把一对大小相等，方向相反级的衍射光束引到合成装置中以在衍射光束之间产生干涉。
11.根据权利要求10的装置，其中两条光束到达合成装置所经过的光程长度基本相等。
12.根据权利要求10的装置，其中导引装置包括两个反射表面。
13.根据权利要求12的装置，其中两个表面包括单一棱镜的外表面。
14.干涉仪装置包括一个衍射光栅，和一块棱镜，来自光栅的一对大小相等方向相反级的衍射光束被导引到棱镜里面，并从棱镜的表面被反射到合成装置。
15.根据权利要求14的装置，其中从光栅到合成装置的光程长度基本相等。
16.根据权利要求14的装置，其中棱镜的几何形状和折射率是这样的，即从其表面上的反射是全内反射。
17.根据权利要求14的装置，其中反射表面是平行的。
18.根据权利要求14的装置，其中棱镜的几何形状和折射率是这样的，即入射角和反射角为45°。
19.根据权利要求14的装置，其中合成装置包括所说的棱镜的一个半反射内表面。
20.根据权利要求19的装置，其中所说的半反射表面包括一个分光层。
21.根据权利要求20的装置，其中光束在分光层上面的入射角接近45°。
22.根据前面任何一个权利要求的装置还包括一个半导体激光二极管照射光源。
23.根据权利要求1到21的任何一个的装置还包括一个照射光源，该光源包括一个通常由窄带滤光器滤光的单色光发射装置。
24.根据权利要求1的装置还包括用于与一个表面接触的探头装置，和与探头装置相连接以对其位移进行测量的测量装置，还包括偏置装置用于在一个预定的方向上偏置探头装置。
25.根据权利要求24的装置，其中预定的方向是朝向表面的。
26.根据权利要求25的装置，其中预定的方向是朝向预定位置的。
27.测量位置，表面或纹理的装置包括一个与一个表面相接触的探头装置和用于测量探头位置的测量装置，还包括偏置装置用于向探头施加一个力以抑止探头的振动。
28.根据权利要求27的装置，其中的力与探头装置的速度有关。
29.根据权利要求27的装置，其中偏置装置包括一个电磁致动器。
30.根据权利要求29的装置，其中致动器包括一个绕在芯片上的线圈。
31.根据权利要求26的装置，其中偏置装置包括一对反向作用的偏置装置。
32.根据权利要求1的装置，还包括合成一对衍射光束以产生干涉的装置，衍射光束具有不同的偏振，该装置包括一个分光器用以产生一个反射输出和一个透射输出，还包括用于响应所说输出之间的差而产生一个信号的装置。
33.根据权利要求32的装置，其中所说的差装置包括一对产生各自电信号的光电传感器和接收所说的电信号并产生一个与它们之间的差成比例的电输出信号的装置。
34.用于处理由一个干涉仪的输出所获得的信号的装置，产生一个与所说信号的干涉条纹之间的角位置有关的输出信号，该装置包括用于产生一个关有角位置的估算信号的装置，用于根据所说的估算信号产生所说的输出信号的装置，用于从所说的估算信号产生一个其身身函数信号的装置，和用于根据所说的产生的函数信号和输入信号控制所说的估算信号发生器以减小两信号之间的差的装置。
35.根据权利要求34的装置，其中所说的估算信号是一个数字信号，且所说的函数信号发生装置包括数字一模拟转换装置。
36.根据权利要求34的装置，其中所说的估算信号是一个数字信号，其控制装置包括用于当差信号超过一个预定阀值时改变所说数字信号的值一个计数，从而减小所说的差信号的装置。
37.根据权利要求36的装置，其中所说的预定阀值是常数，且所说的差信号至少近似于与所说的角位置线性相关。
38.根据权利要求37的装置，其中差信号近似为估算信号与输入信号之差的正弦信号。
39.根据权利要求34的装置，其中控制装置是这样设置的，即在输入信号没有变化的情况下不改变估算信号，以把装置的频率范围扩大到直流工作条件下。
40.根据权利要求34的装置，其接收一对相位不同的输入信号。
41.根据权利要求40的装置，其中所说的一对信号包括相位差90°的正弦和余弦信号。
42.根据权利要求41的装置，包括用于产生估算正弦和余弦信号的装置，用于分别相应所说的估算正弦和余弦信号与所说的输入余弦和正弦信号的乘积而产生乘积信号的装置，和用于从它们的差中产生一个代表在所说的输入信号和所说的估算信号之间的角位置差的信号的装置，以控制所说的估算信号发生装置。
43.根据权利要求42的装置，其中所说的估算信号发生装置包括数字信号发生装置，且所说的乘法装置包括乘法数字一模拟转换器。
44.根据权利要求34的装置，还包括用于对所说的输入信号或多个信号中检测的干涉条纹或最大值计数的装置。
45.根据权利要求44的装置，还包括用于使所说的估算信号发生器与所说的计数器同步的装置。
46.用于接收光干涉仪或类似装置的输出信号的条纹计数装置包括用于接收来自上述装置的零平均输出信号的装置，和检测它们过零的装置。
47.根据权利要求46的装置，还包括用于接收一个与第一输入信号相位不同的第二输入信号，用于从所说的第一和第二信号确定所说的过零点的相位的装置，用于确定所说的过零的方向的装置，和用于根据所说的方向和所说的相位增加或减少一个条纹计数的装置。
48.包括上述权利要求的任意特征组合的装置。
全文摘要
用于测量表面或外形或纹理的装置包括一个光栅干涉仪，该干涉仪包括装在一个枢轴支承臂上的一个弯曲光栅，在支承臂的另一端装有一个探头以和一个表面相接触，探头是由一个电磁线圈绕在一个衔铁上或由一对这样的偏置装置施加偏置力而与表面接触的。一个信号处理线路包括一个条纹计数器和一个内插器；内插器包括一个数字计数器。
文档编号G01B9/02GK1069569SQ9210561
公开日1993年3月3日 申请日期1992年5月30日 优先权日1991年5月30日
发明者I·K·比林, D·曼斯菲尔德 申请人:兰克·泰勒·霍布森有限公司