，所得的干涉 图由探测器Dl予以光谱分析，探测器Dl提供的输出随后可以被数据处理器100处理。
[0019] 对于任何给定的衍射级，衍射的角度Θ随波长λ增加。在垂直入射的情况下，sin0 =mA/D，其中m是衍射级数，D是光栅周期。根据角波数k，这一关系变成：
则点A和B之间即两个衍射光栅Gl和G2之间的空中的波数相关光路r(k)为：
其中，1是Gl和G2之间的垂直距离，且只考虑第一衍射级m = 1。
[0020] 如果分束器BS和沿测量路径的一些参考位置C之间的距离设置为等于分束器BS 离参考镜M2的垂直位移，测量镜Ml离该参考点C的位移定义为d，则参考路径长度W = 2[z-l+r(k)]和测量路径长度Lni= 2(z+d)之间的光程差OPD由下式给出： OPD = Lr-Lm= 2[r(k)-1-d] 3 其中，I、z和d为光路长度，并被认为通过相同媒介，从而在每种情况下折射率都相同。
[0021] 如果光栅参数和工作波长范围可以使得式3中的因子Dk>>2 π和光源S的带宽比 中央波数k。小，则r(k)的变化率可以被认为在感兴趣区域上恒定，随后可以将线性近似代 入式2,使得r(k)~rGO + α (k-k。)，其中k。是光源的中心波数，且
整体地考虑干涉仪，则相位差Φ (k)为由下式给出的二次函数： Φ (k) = 2k [r (kc) + a (k~kc) -1-d] 5 因而所得的干涉强度由下式给出：
其中Ic(k)是源S的频谱，V是干涉仪的可见度对比度。
[0022] 图2示出了干涉图的示例，其中实线表示归一化到0至1范围之内的相对于波数 k的测量强度I (k)，虚线表示任意单元的相应的相位差。所绘制的相函数形成顶点在波数 1的抛物线，干涉仪在该顶点处于平衡，即测量路径和参考路径之间的光程差（OPD)在波数 处为零。图2示出了干涉图关于与相位顶点或峰值相关的波数是对称的。
[0023] 对于任何给定的0PD，干涉仪只平衡于一个单一的波数处。对于顶点处的波数kv， 求解式5,根据测量镜Ml的位移d，重新排列产生OPD : d = r (kc) + a (2kv_kc) -I 7 OPD为d。= r (kj + α kv-l时出现kv= k。，此时干涉仪在源的中心波数处于平衡。因此， 与这个中心平衡的波数相关的测量臂的位移Clni是： dm= d-d0= 2 α (k c-kv) 8 因此，通过确定干涉图出现对称点的波数，可以绝对地监测到关于平衡中心点的沿测 量路径方向上的测量镜Ml (其在实践中可以是样品或被测对象）的位移。通过改变与式4 中定义的因子α有关的参数，可以有效地缩放测量该波数和该位移之间的关系。
[0024] 按照以上讨论的原理工作的短相干长度干涉仪可因此，通过确定对称点处的波 数，产生绝对位移测量系统。对称点可以通过数据处理器100使用任何适当的寻峰算法如 自卷积或类似运算来计算，峰值与对称点相关。
[0025] 图3示出了短相干色散参考干涉设备1的示意图，其中为适合应用，图1的测量镜 Ml被替换为样品SA，提供简单地由虚线示出的物镜组件（光探针）P来将光聚焦或准直于 样品或被测对象SA上。
[0026] 来自短相干长度源S的光通过分束器BS指向干涉仪的测量路径MP和参考路径RP 的两个臂。如上所述，取衍射光栅Gl的负一级-1，取衍射光栅G2的相对的正一级+1，衍射 光栅G2重新校正来自衍射光栅Gl的色散光束。沿测量路径和参考路径返回的光在分光器 BS重新组合，所得的干涉图由探测器Dl进行光谱分析，该探测器提供的输出随后被数据处 理器100处理。
[0027] 图4示出了类似图3所示的短相干色散参考干涉设备la，但在其中，波长色散仪是 通过参考臂中两个匹配的反射光栅G' 1和G'2来提供。使用反射光栅可以在更短的路径长 度中提供更高的色散和更高的效率，因为采用反射光栅比用透射光栅可能得到更高的线密 度。
[0028] 在如图3所示的实施例中，来自短相干长度光源S的光通过分束器BS导向干涉仪 的两个臂或测量路径MP和参考路径RP。在本实施例中，第一衍射级取自反射光栅G' 1，从而 产生所要求的色散，而取自反射光栅G' 2的相应的衍射级重新准直通过镜M2反射的光束。 沿测量路径MP和参考路径RP返回的光再次在分束器BS被重新组合，所得的干涉图由探测 器Dl进行光谱分析，该探测器提供的输出随后被数据处理器100处理。
[0029] 在图3和图4所示的实施例中，物镜组件（光探针）P在干涉设备的本地。另一个 可能是，该物镜组件（光探针）可以远离干涉设备的其余部分，并通过光学耦合连接到干涉 设备的其余部分。
[0030] 图5示出了具有远程物镜组件（光探针）P的短相干色散参考干涉仪的实施例，其 中该远程物镜组件通过光纤耦合连接到干涉仪的其余部分。
[0031 ] 在图5所示的实施例中，来自短相干长度光源S的光被耦合至连接一段光纤F连 接的光纤组合器C的臂，该段光纤连接远程物镜组件（光探针）P。组合器C的形式可以是 定向耦合器、循环器或其它合适的光纤组件。
[0032] 探针P将从光纤F射出的光聚焦或准直到样品或被测对象SA上，以提供测量光 束。探针P具有提供分束器以将光分离为测量光束和参考光束的部分反射面，，使得参考光 束由一部分光提供，该部分光反射回到光纤F而不落在样品SA上。这部分反射可以通过菲 涅耳反射实现于探针的前表面/空气边界处或是将光提供给探针P的光纤端的光纤/空气 边界处。有必要的话，通过使用适当的光学涂层，可以增强这部分反射。另一个可能是，该 部分反射面可以设有置于探针的物镜组件之前的分离器件或是物镜组件中的无涂层表面/ 部分反射涂层表面。为简单起见，涂层器件可以是最靠近被测对象SA的器件。图5中以虚 线示出的元件CO表示分离器件或者无涂层表面/部分反射涂层表面。
[0033] 在该实施例中，使用光纤来提供至少部分光路是可能的，因为通过光纤的路径对 参考路径和测量路径是共用的，点P处的部分反射面和样品SA之间的距离大于短相干长度 源S的相干长度，从而通过光纤传播返回的测量光束和参考光束本质上不相干涉。在该传 播过程中，测量光束和参考光束都将受到因通过环境扰动如温度变化或振动的任何光纤干 扰而导致的相同的相位变化。
[0034] 物镜组件（光探针）P可以是，例如，整体的光学物镜组件或渐变折射率光纤准直 器或渐变折射率光纤聚焦器。其它的可能是，探针可以是整体的光纤准直器/聚焦器。其 它可能的光纤探针类型包括熔融的球透镜和熔融的锥形光纤探针。可选地，探针P可以被 配置为能使测量光速以与该段光纤成角度或角度范围方式射出，例如，探针可以是侧面发 射探头，光束从该探头以正交于光纤输入方式射出，使得可以在难以进入的区域进行测量， 例如高深宽比结构如钻孔的壁上。
[0035] 在重新进入親合器C时，一部分参考光束和测量光束传播到光纤准直管FC，在那 里光束平行进入自由空间，并入射到分束器BS。分束器BS将光分成由各自的镜M3和M4终 结的两条路径，从而形成干涉仪。干涉仪的参考臂包含波长色散仪DP，用来使得通过其的光 色散。波长色散仪DP可以具有本文所讨论的任何形式，例如以上讨论的匹配的反射光栅或 透射光栅。两个干涉仪的臂不平衡，从而它们使从探头P行进来的测量光束和参考光束分 量相干涉。所得干涉图由探测器Dl进行频谱分析，该探测器提供的输出可以随后由数据处 理器100处理。
[0036] 图6示出了如果光纤耦合器C的输出通过IXN个光纤开关FS时分复用，则图5 所示短相干色散参考干涉设备可以如何扩展到多个光纤探针。这使得干涉设备可以通过高 速地依次切换光纤开关输出来询问标记为Pl至PN的N个光探针。以此方式，可以测量若 干样品SAl至SAN或单个样品SA的若干点。
[0037] 上述设备的实施例能够实现高分辨率的测量。其他实现高分辨率测量的方法将在 下面参考图7和图8予以描述。
[0038] 短相干色散参考干涉设备可以用第二干涉仪来复用，以提供测量位移和表面形貌 的高分辨率器件。第二干涉仪可以是长相干长度源干涉仪，能够提供高分辨率测量，但因相 位模糊引起的条纹级模糊而具有有限的范围。该高分辨率的第二干涉仪可以是，例如，零差 相移或外差干涉仪，并限制为相环绕发生之前的源波长的一半的范围。在本实施例中，短相 干色散参考干涉设备被用作条纹级鉴相器，即用于明确长相干长度干涉仪工作于哪个条纹 级，从而使该高分辨率装置工作于大范围（很多条纹级），即使被测量样品具有不连续性如 表面形貌的阶梯高度变化或明显形状。
[0039] 图7示出了这种组合装置的一个实施例。在该实施例中，高分辨率干涉仪是具有 长相干长度激光源Sl的移相零差干涉仪，源的波长在短相干色散参考干涉仪的短相干长 度源S2的波长范围或带宽之外。例如，短相干长度光源S2可以具有817至837nm(纳米） 的波长范围，长相干源Sl可以具有633nm的波长。
[0040] 来自长相干长度激光源Sl的光和来自短相干长度光源S2的光通过组合器C(其 可以是例如反射镜、分色镜或分光镜）组合单光束，该单光束随后被分束器BS分成两个干 涉仪臂。测量光束根据应用通过例如上述的探针P聚焦或准直于样品SA上。参考光束行 进到二向色分束器BS2,其将长相干长度激光源波长的光与短相干长度源的光分离。短相 干长度源的光穿过波长色散仪DP，并被镜M6反射。长相干长度源的光传播到通过致动器A 移动的镜M5，该致动