亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：固定波长绝对距离干涉仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种固定波长绝对距离干涉仪。
背景技术：
为了消除或减小包含在通过传统的(例如Michelson、Twyman-Green或 Mach-Zehnder型)激光干涉仪(U. S. 7，292, 347)测量的测量结果中的误差或�：� (ambiguity)，开发了双激光频率啁啾的绝对距离干涉仪(ADI)。为了以高分辨率得到样品表面的绝对距离，在ADI中执行粗糙-中等-精细的测量方案，其中粗测量用于消除来自中等测量的2 π相位�：械炔饬考潭挥糜谙醋跃覆饬康�2π�：�。上面的ADI能够进行亚波长内插(interpolation)，在Im或更大的潜在绝对范围上具有纳米分辨率。

发明内容
然而，上面的ADI在一些应用中存在缺点，例如1、使用Δ λ = Inm的频率啁啾，并且为了适应有限的检测器带宽，使用IOOHz的调制频率用于获得粗糙距离度量。结果，测量采样率被限制为相对低的值(< 100Hz)。2、ADI系统包括外腔激光器，以提供频率啁啾，并且采用参考干涉仪来校准波长啁啾，这对系统增加了成本和复杂性。在传统类型的干涉仪结构(例如Michelson或Mach-Zehnder类型)中，其他已知的ADI利用附加的固定波长，而不是啁啾波长，以便提供有用的绝对测量范围。然而，这种 ADI典型地需要附加的激光源、开关装置、校准装置等。因此，这种系统的成本和复杂性也不适用于一些应用。本发明的目的是提供一种固定波长绝对距离干涉仪，所述固定波长绝对距离干涉仪具有简单的构造，并能够消除包含在来自非ADI的测量结果中的波长�：员阍谙喽猿さ牟饬糠段暇玫靥峁┚返木跃嗬氩饬�。本发明的第一方面涉及一种固定波长绝对距离干涉仪，包括第一干涉仪和第二干涉仪。第一干涉仪包括第一光源，其包括至少一个第一点源，所述至少一个第一点源沿着第一干涉仪测量光路朝向测量目标发射具有波长W的至少一个第一光束，其中所述第一干涉仪测量光路包括具有随着所述测量目标的位置而改变的长度的可变光路长度部分，并且所述至少一个第一光束具有随着沿所述第一干涉仪测量光路的距离而改变的波前半径； 波前半径检测器，被配置来提供响应于所述波前半径检测器处的波前半径的第一度量，其中所述第一度量指示所述第一干涉仪测量光路长度，以及第一路径长度计算部分，被配置来基于所述第一度量计算所述第一干涉仪测量光路长度的粗糙分辨率绝对路径长度度量 Ro第二干涉仪包括光束发送装置，发送提供合成测量波长Λ的第二干涉仪光束；光束分离/合成装置，将所述第二干涉仪光束分离为通过固定光路的参考光束和通过第二干涉仪测量光路的测量光束，并通过将从所述固定光路返回的参考光束与从所述测量目标反射并沿着所述第二干涉仪测量光路返回的测量光束合成而提供合成光束，其中，所述第二干涉仪测量光路包括具有随着所述测量目标的位置而改变的长度的可变光路长度部分；第二干涉仪检测器，被配置来接收所述合成光束，并提供指示与所述合成光束中的合成测量波长 A关联的相位φ的信号；以及第二路径长度计算部分，被配置来基于由所述第二干涉仪检测器的信号所指示的合成光束的波长数量ΝΛ、波长Λ以及相位φ来确定所述第二干涉仪测量光路长度的中等分辨率绝对路径长度度量4，其中所述波长数量Νλ是计算的包括在所述第二干涉仪测量光路长度中的完整波长Λ的整数数量，并且基于所述粗糙分辨率绝对路径长度度量R和与所述第一干涉仪测量光路长度和所述第二干涉仪测量光路长度之间的常量差C12有关的偏移常量计算所述波长数量Νλ。


根据下面的附图详细描述本发明的示例实施例，其中图1是示出了第一示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪的结构的示意图；图2是示出了第二示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪的结构的示意图；图3是示出了第三示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪的结构的示意图；图4是示出了第四示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪的结构的示意图；图5是示出了在第一至第三示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪中使用的粗糙-中等-精细测量的原理的图；图6是示出了第一至第三示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪中的λ 2检测器和λ 3检测器的结构的示意图；以及图7是示出在图6中示出的λ 2和λ 3检测器的操作的示意图。
具体实施例方式1、第一示例实施例下面描述第一示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪1。如图1所示，固定波长绝对距离干涉仪1包括用于测量光路(第一干涉仪测量光路)的粗糙分辨率绝对光路长度度量R的第一干涉仪11和用于测量光路的中等分辨率绝对光路长度度量4和精细分辨率绝对光路长度度量τγ的测量的第二干涉仪12。第一干涉仪11包括发射具有波长λ 1 (W = λ 1)的激光束的第一激光发射器14 ； 光束分离装置15，其近似在点源位置S处将从第一激光发射器14发射的激光束分裂成两个激光束(第一光束和第二光束)，并朝回射器13(测量目标)发射这两个激光束(第一干涉仪激光束)穿过第一干涉仪测量光路；以及成像阵列19，该成像阵列是检测由第一和第二光束形成的干涉条纹的检测器阵列。第一激光发射器14和光束分离装置15工作来提供第一光源，并起双点光源的作用。成像阵列19工作来提供波前半径检测器16。通过光纤17 连接第一激光发射器14和光束分离装置15，光纤17可以在光纤末端处或在点源位置S处的孔径处输出源光。成像阵列19连接至计算机100(未示出连接)以输出信号Si。计算机输入信号 Si，并根据一些设计常量和通过成像阵列19检测到的干涉条纹的间距P来计算波前半径和/或粗糙分辨率绝对长度度量R(例如根据以下描述的等式(1))，并因此对应于第一路径长度计算部分。如下面进一步描述的，波前半径和/或粗糙分辨率绝对长度度量R包括限定在分色镜四的镜位置M与回射器13之间的可变公共路径长度部分ZTCP、以及第一干涉仪常量路径部分C1，第一干涉仪常量路径部分C1例如包括来自近似从点源位置S至镜位置M限定的路径部分SM、以及从镜位置M至检测器位置D限定的路径部分MD的路径长度贡献。第二干涉仪12包括对应于第二光源的第二激光发射器21，其发射作为具有波长 λ 2的激光束的λ 2光束；对应于第三光源的第三激光发射器22，其发射作为具有波长λ 3 的激光束的λ 3光束；光束合成装置23，其将λ 2光束和λ 3光束合成并偏振为第二干涉仪光束，该第二干涉仪光束提供具有合成波长Λ (Λ = λ2*λ3/| λ3-λ2|)的合成波；半波片251，其设置在进入光束分离/合成装置25的第二干涉仪光束的光路上，以在正交偏振的参考光束与测量光束分量在光束分离/合成装置25处分离之前提供期望的偏振旋转，所述光束分离/合成装置25设置在从光束合成装置23传输的第二干涉仪光束的光路上，用于将第二干涉仪光束分离为通过固定长度光路朝向参考镜26行进的参考光束和行进通过第二干涉仪光路的测量光束，所述第二干涉仪光路具有依据回射器13(测量目标)的位置改变并沿着可变公共路径长度部分Ztcp与第一干涉仪测量光路部分重叠的光路长度，并且所述光束分离/合成装置25将被参考镜沈反射且通过固定光路返回的参考光束与被回射器 13反射并通过第二干涉仪测量光路返回的测量光束合成为合成光束；检测合成光束的λ 2 信号分量的λ 2检测器27 ；以及检测合成光束的λ 3信号分量的λ 3检测器观。来自λ 2检测器27的信号S2和来自λ 3检测器28的信号S3还与计算机100相连(未示出连接)。计算机100输入信号S2和S3，并根据通过λ 2检测器27检测的合成光束的λ 2信号分量的相位以及通过λ 3检测器观检测的合成光束的λ 3信号分量的相位计算中等分辨率绝对长度度量4和精细分辨率绝对长度度量并因此也对应于第二路径长度计算部分。如下面进一步描述的，中等分辨率绝对长度度量4和精细分辨率绝对长度度量τγ包括镜位置M和回射器13之间的可变公共路径长度部分ZTCP、以及第二干涉仪常量路径部分C2,第二干涉仪常量路径部分C2例如包括来自从镜位置M至光束分离/合成装置25的分离/合成位置B近似限定的路径部分BM、以及近似从分离/合成位置B至检测器位置D’(或D”)的路径部分BD的路径长度贡献。在图6和7中详细示出了围绕光束分离/合成装置25、参考镜沈，λ 2检测器27 和λ 3检测器28的第二干涉仪12的结构，并且特别地示出了 λ 2检测器27和λ 3检测器观的一个实施例的结构。在各个实施例中，λ 2检测器27可以具有与λ 3检测器观相同的结构，但是可以理解在替代的实施例中，其他已知的正交(quadrature)信号检测方法也可以用于任一检测器。如图1和6中示出的，在进入光束分离/合成装置25的第二干涉仪光束的光路上设置半波片251，以提供可分离的参考光束和测量光束分量。在光束分离/合成装置25的测量光束出射面和参考光束出射面上，分别提供四分之一波片252和253，以便在它们返回至光束分离/合成装置25时，对光束提供合适透射和反射。通过光束分离/合成装置25 的测量光束出射面，测量光束出射进入第二干涉仪测量光路，同时通过光束分离/合成装置25的参考光束出射面，参考光束朝向参考镜沈出射。在通过光束分离/合成装置25输出的合成光束的光路上，光束分离装置2M将来
8自光束分离/合成装置25的合成光束分离为λ 2信号分量部分和λ 3信号分量部分(例如，通过包括波长滤波界面，用于将λ 2波长引导至λ 2检测器27，并将λ 3波长引导至λ 3 检测器28)。在图6和图7示出的实施例中，λ 3检测器观包括偏振敏感光束偏转元件 (PSBDE) 256，其将λ 3信号分量部分分离为未偏转光束和被偏转了发散角θ的偏转光束； 混合偏光器257，其被定向在偏转和未偏转光束的偏振角之间的半途(half way)；以及光电探测器阵列225，其检测由未偏转光束和偏转光束之间的结果干涉产生的干涉条纹。 PSBDE 256具有在U. S. 7，333，214中描述的PSBDE结构，通过引用将其公开的内容全部合并到这里。U. S. 7，333，214专利公开了与第二干涉仪12类似的干涉仪，并公开了一种方法，用于利用PSBDE来输入正交偏振的参考和目标(测量)光束(诸如出现在λ 3 (或λ 2)信号分量部分中的那些)的方法，并生成具有与参考和目标(测量)光束之间的相差有关的可变位置(空间相位)的干涉条纹145 ；用于利用光电探测器阵列来指示条纹145的可变空间相位；并用于根据所指示的空间相位来计算正交偏振的参考和测量光束之间的相差。依据已知的干涉仪原理，相差的变化表示测量光束的路径长度的变化。光电探测器阵列225与计算机相连，并且依据在U. S. 7，332，214中描述的过程，计算机根据干涉条纹在光电探测器阵列225上的位置(空间相位)计算λ 2信号分量的相位 φ2 (以及λ 3信号分量的相位φ3 )。在一些实施例中，为了沿着可变公共路径长度部分Zra对准第一和第二干涉仪的光束，而不在它们之间引入串扰，分色镜四被设置为沿着第二干涉仪测量光路，并在第一干涉仪测量光路上，并工作来使具有波长λ 1的光束通过，并同时反射具有非λ 1波长的光
束O铷单元(rubidium cell) 31 (或其他参考)可以提供校准参考，以确保波长λ 2和 λ 3的稳定性，所述波长可以对应于铷单元31的吸收波长。铷单元31可以接收光束合成装置23处输出的第二干涉仪光束的一部分。λ 2吸收检测器32可以检测穿过铷单元31的第二干涉仪光束中的λ 2部分，并且λ 3吸收检测器33可以检测穿过铷单元31的第二干涉仪光束中的λ3部分。可以依据已知的方法来配置吸收检测器32和33，以便在第二激光发射器21和第三激光发射器22被分别调谐至合适的波长λ 2和λ 3时，感测到穿过铷单元 31的第二干涉仪光束中的λ 2部分和λ 3部分的功率下降，并且吸收检测器32和33可以输出合适的控制信号来控制激光发射器实现该结果。下面描述固定波长绝对距离干涉仪1的操作。在第一干涉仪11中，通过下面的过程执行测量光路长度的粗糙分辨率测量。首先，第一激光发射器14发射具有波长λ (例如633nm)的激光束。然后，从第一激光发射器14发射的激光束被聚焦到光纤17中，并传输通过光纤17，并在光纤17的末端处作为点源发射到光束分离装置15中。光束分离装置15将激光束分离成两个激光束，其表现为来自两个点源。两个激光束具有λ 1的波长，并因此穿过分色滤波器四，并朝回射器13传输， 回射器13提供可移动的测量目标。由于从回射器13反射的两个激光束彼此靠近，所以它们彼此干涉以生成干涉条纹。成像阵列19检测由这两个光束形成的干涉条纹，并因此提供波前半径检测器16， 如下。计算机计算由成像阵列19检测到的干涉条纹的间距P，并然后通过下面的方程(1)
9获得粗糙分辨率绝对光路长度度量R，其大致与波前半径相同R = (c*ls*P)/X 1 (1)其中P是干涉条纹极大值的间距(或之间的距离)，c是取决于两个点源相对于干涉条纹图案的检测平面的对准的几何因子，并且Is是光束分离装置15处两个点源之间的距离。依据方程O)，粗糙分辨率绝对光路长度度量R对应于先前概述的可变公共路径测量距离Ztcp和第一干涉仪常量路径部分C1 R = (2*ZVCP) +C1 (2)在第二干涉仪12中，通过下面的步骤执行中等分辨率绝对光路长度度量&和精细分辨率绝对光路长度度量4。从第二激光发射器21发射并具有波长λ2(例如780nm) 的λ 2光束以及从第三激光发射器22发射并具有波长λ3(例如795nm)的λ 3光束被输入到光束合成装置23中。在光束合成装置23处，λ 2光束与λ 3光束合成，以生成第二干涉仪光束，该第二干涉仪光束包括两个波长并提供合成波长Λ A = λ 2* λ 3/ I λ 3- λ 2 | (3)从光束合成装置23传输第二干涉仪光束的近似整个部分通过半波片251进入光束分离/合成装置25，以便被分成测量光束和参考光束。半波片251旋转第二干涉仪光束的偏振，从而使光束分离/合成装置25提供具有相似强度的正交偏振的测量和参考光束。来自光束合成装置23的第二干涉仪光束的一部分透过铷单元31，并被λ 2检测器 32和λ 3检测器33监控，如上所述。测量光束被输入至偏振光束分离/合成装置25，并通过第二干涉仪测量光路传输至回射器13。沿着第二干涉仪测量光路，测量光束穿过四分之一波片252，并被分色滤波器 29反射。被回射器13反射的测量光束通过第二干涉仪测量光路返回至四分之一波片252 和光束分离/合成装置25。通过四分之一波片252和其沿着第二干涉仪测量光路的反射修改测量光束的偏振，以使其在返回时穿过偏振光束分离/合成装置25。同时，参考光束穿过偏振光束分离/合成装置25、四分之一波片253以及具有固定长度的参考光路，被参考镜26反射，并返回至具有使其被反射的偏振的光束分离/合成装置25。返回至光束分离/合成装置25的测量光束和参考光束在光束分离/合成装置25 处被合成为合成光束，并被传输到光束分离装置2Μ中。在光束分离装置2Μ处，合成光束被分离为λ 2信号分量部分和λ 3信号分量部分(例如通过光束分离装置254中的波长滤波界面)。λ 2信号分量部分被输入到λ 2检测器27，该λ 2检测器27提供指示存在于合成光束中的正交偏振的参考和测量光束中的λ 2信号分量部分之间的相差或“相位”φ2的一个或多个信号S2。依据已知的干涉仪原理，相差的改变指示测量光束的路径长度的改变。 类似地，λ 3信号分量部分被输入到λ 3检测器观，该λ 3检测器观提供指示存在于合成光束中的正交的偏振参考和测量光束中的λ 3信号分量部分之间的相差或“相位”φ3的一个或多个信号S3。依据已知的干涉仪原理，相差的改变也指示测量光束的路径长度的改变。 在一个实施例中，可以如参考图6和7所述地配置λ 2检测器27和λ 3检测器28。在各个实施例中，λ 2检测器27可以具有与λ 3检测器观相同的结构，但可以理解，在替代的实施例中，用于干涉仪的其他已知正交检测方法也可以用于任一检测器。
1
计算机100可以输入信号S2和S3，并根据通过下面的方程(4)计算的相位φ2和
φ3来计算第二干涉仪光束的合成波长相位φ:
φ=φ3-φ2( 4 )然后，通过下面的方程(5)，将中等分辨率绝对光路长度测量&与相位φ关联
ZM=A[(|cp|)mod2jt/27i]+NA*A( 5 )其中Na是第二干涉仪测量光路中整个合成波长(具有波长Λ)的数量。此外，依据方程(6)，Zm与前述的可变公共路径测量距离Zra和第二干涉仪常量路径部分C2相关Zm = (2*ZVCP) +C2 (6)依据方程(6)和O):Zm = R-CJC2 (7)我们可以定义量C12 = (C1-C2)，其可被认为是第一和第二干涉仪的测量光路之间的常量路径长度差。可以通过设计或测试获知C12。依据方程( 和(7)ΝΛ = I R-C121/Λ 的整数部分(7)由于通过第一干涉仪11可以绝对地测量R，如上面概述的，所以根据该测量可以确定ΝΛ，并且根据测量和方程(7)，(4)和(5)的组合，可以以相对于R的改进精度确定4。当回射器13相对于成像阵列19(波长半径检测器16)移动时，如附图中示出的， 如上面概述地计算波的数量Νλ。然而，也可以具有这样的实施例其中在与回射器相同的元件上装配波长半径检测器16，从而第一干涉仪测量光路仅跨过公共路径长度部分Ztcp — 次，而到达波长半径检测器16，并且R = Zycp+C ！ (8)其中C’工是与这样的第一干涉仪测量光路长度关联的常量路径长度部分。当相对于波前半径检测器16固定回射器13时，则通过下面的方程计算波的数量
Νλ Na = |2R-C，12|/Λ 的整数部分(9)(其中C’12是这样的第一干涉仪测量光路长度和第二干涉仪测量光路长度之间的常量差，例如C’ 12 = 2C’ rC2) 0此外，根据通过上面的过程获得的中等分辨率绝对光路长度度量&，计算机计算波长数量NAi，NAi是中等分辨率绝对光路长度度量4中入1光束(1 = 2或；3)的波长λ 的数量，并且是通过将中等分辨率绝对光路长度度量4除以波长Xi获得的商的整数部分，并且然后通过下面的方程(10)，基于获得的波长数量Νλ i和通过Xi检测器检测的入士光束的相位φ ，计算精细分辨率绝对光路长度度量ΖΡ=λ (|φ |η 0(12π/2π)+λ * NXi+CiFM i = 2 或 3 (10)其中，ciFM是通过度量τγ度量的路径长度和度量4度量的路径长度之间的差，并且是与回射器13 (测量目标)的位置无关的常量。在图5中示出粗糙分辨率度量R、中等分辨率度量4和精细分辨率度量4之间的关系。假定波长λ 1、λ 2和λ 3分别是633nm、780nm和795歷，并且粗糙分辨率度量R =123.42nm。如图5中示出的，例如对于在此公开的第一干涉仪的类型，粗糙分辨率度量包括粗糙误差，其小于合成波长，并且可以是10微米的数量级。因此，粗糙分辨率度量为确定Νλ提供可靠的基�。⑶腋荭�、第二干涉仪光束的合成波长Λ (42 μ m(= λ2*λ3/| λ3-λ2|))、以及其相位φ (二φ3-φ2)来执行中等分辨率度量4的计算。相位 φ的测量误差可以小于波长λ2或λ 3，以便提供大大小于粗糙误差并足以可靠地确定NAi 的中等范围误差。在所述的例子中，中等分辨率度量4大于粗糙分辨率度量R 0.0037mm。 即，中等分辨率度量4是123. 4237mm。根据波长λ 2或λ 3以及相位φ2或φ3执行精细分辨率度量Mf的计算，以便减小中等范围误差。在所述的例子中，当根据Νλ3、波长λ 3( = 795nm)和相位φ3计算精细分辨率度量Mf时，精细分辨率度量Mf小于中等分辨率度量& 0. 000028mm,即精细分辨率度量Mf 是 123. 423672mm(123. 4237mm-0. 000028mm)。第一干涉仪11的结构已被确定为使得其具有与双固定波长第二干涉仪12理想结合的范围对分辨率比(或范围对精度比)。先前还未以于此公开的方式认识或采用该结合的理想本质。在第一示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪中，固定波长激光器可被用作第一、第二和第三激光发射器。因此可以省略外腔激光器的使用，此外，第一干涉仪11和第二干涉仪12较小地受振动和漂移误差的影响，并具有改进的可靠度。此外，在第一干涉仪11中，不采用特定调制频率(例如100Hz)的啁啾，以获得粗糙分辨率度量R。因此，数据带宽不局限于相对低的值(< 100Hz)。此外，第一干涉仪11和第二干涉仪12都具有比U. S. 7，292, 347的ADI的结构简单得多的结构。替代光束分离装置15，可以采用由第一光纤和第二光纤配置的双点光源，其中，从该第一光纤的一端引入来自第一激光发射器14的激光束，并且第一光纤配置第一点源，并且从该第二光纤的一端引入来自第一激光发射器14的激光束，并且第二光纤配置位于第一点源附近的第二点源。第二光纤可以从第一光纤分路。也可以通过彼此靠近并朝回射器 13发射激光束的两个激光发射器配置双点光源。2、第二示例实施例下面描述第二示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪2。如图2中示出的，固定波长绝对距离干涉仪2包括第一干涉仪11和第二干涉仪 12。第二干涉仪12具有与第一示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪1的第二干涉仪12 相同的结构。下面描述第一干涉仪11的结构。在图2中示出的第一干涉仪11的实施例中，波前半径检测器16'包括楔形元件18，并利用已知类型的横向剪切(shearing)波前半径检测，并且可以省略光束分离装置15。楔形元件18是由透明材料形成的楔形板，并被设置成使从第一激光发射器14发射的激光束所遇到前表面FS在入射角θ处倾斜，例如45度。在关于前表面FS的楔角Δ θ处布置楔形元件18的后表面BS。从第一激光发射器14发射的激光束传输通过光纤17，并从光纤17的末端处的点源孔径17Α向回射器13传输。返回的第一干涉仪光束撞击楔形元件18，并产生分别通过其前表面FS和其后表面BS反射的两个波前，从而使它们可以干涉并形成干涉条纹。波前半径检测器16'被定位和配置为使得其接收形成的干涉条纹，所述干涉条纹由成像阵列19检测。除了上面描述的结构差别，固定波长绝对距离干涉仪2的第一干涉仪11具有与第一示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪的第一干涉仪相同的结构。下面描述固定波长绝对距离干涉仪2的功能。在第一干涉仪11中，由于点源孔径17A是单个点源，所以从点源孔径17A发射由第一激光发射器14发射的激光束作为具有单球形波前和波长λ 1的激光束。单波前激光束绕过(bypass)楔形元件18，并穿过分色滤波器四，沿着第一干涉仪测量路径朝回射器13传输，并被回射器13反射回。返回的激光束的单波前在楔形元件18 处被分裂成两个具有近似相等的曲率半径的近似相同的波前，然后，由楔形元件18朝向成像阵列19反射两个波前。成像阵列19检测由两个波前形成的干涉条纹。由于楔形元件18 的厚度和楔角△ θ，两个波前沿着剪切平面方向被分离剪切距离或偏移量LS。LS值是可以由设计或实验确定的常量。正如对于这种楔形板通常已知的，由于楔形元件18的工作， 球形波前生成的条纹被关于剪切平面(或关于与平面波前关联的角度)旋转在角度Y处。 计算机计算由成像阵列19检测的干涉条纹的间距和角度。依据以下方程，通过根据干涉条纹的间距P以及成像阵列19检测的干涉条纹的角度Y，由与成像阵列19相连的计算机获得粗糙分辨率度量R (其是波前半径R)R = LS*P/(X l*sin Y) (11)在一些实施例中，计算机可以利用傅立叶分析技术确定间距P和角度Y。在一些实施例中，楔形板元件的结构及相关的检测可以例如近似如以下文章中所描述=Mehta等， “Distance Measurement with Extended Range using Lateral Shearing Interferometry and Fourier Transform Fringe Analysis，，，Optical Engineering，2005 年 6 月。如该文献中所述，也可以使用具有平行表面而不是楔角的板配置波前半径检测器。因此，上述的楔形板结构仅是示例的，并且不是限制性的。以与第一示例实施例中所述的相同方式，第二干涉仪12进行工作，以及执行中等分辨率度量\和精细分辨率度量τγ的计算。如上面所述，从点源孔径17Α发射的激光束的单波前不被分离成两个波前，而是在生成第二波前之前行进通过整个第一干涉仪测量路径。因此，得到的干涉条纹变形更�。� 因此，与具有包括双点光源的第一干涉仪的固定波长绝对距离干涉仪相比，甚至在扰动更不被严格控制的条件下，第一干涉仪11也具有提高的鲁棒性(robustness)和精度。3、第三示例实施例下面描述第三示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪3。在图3中示出的第一干涉仪11的实施例中，使用波前半径检测器16"代替波前半径检测器16'。波前半径检测器16"利用已知类型的横向剪切波前半径检测，并包括反射元件RE、第一偏光器+45P、萨伐特片(Savart Plate) SP、第二偏光器-45P和成像阵列19， 它们如下面进一步所描述地工作。除了上面所述的差别，固定波长绝对距离干涉仪3可以具有与第二示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪2相同的结构和操作。下面描述固定波长绝对距离干涉仪3的功能。
从第一激光器14发射的激光束传输通过光纤17，并从光纤17的末端处的点源孔径17A向回射器13传输。单波前激光束绕过反射元件18，并沿着第一干涉仪测量路径朝向回射器13穿过分色滤波器四，并被回射器13反射回。由反射元件18反射返回的第一干涉仪光束，并穿过第一偏光器+45P至萨伐特片SP。依据萨伐特片SP的已知工作原理，返回的激光束的单波前被分裂成两个近似相同的波前，它们具有近似相同的曲率半径以及垂直于它们的传播方向的偏移量Is。Is值是与可被设计或实验确定的萨伐特片的设计关联的常量。然后，两个波前传输通过第二偏光器-45P，使得它们干涉，并朝向成像阵列19。成像阵列19检测由两个波前形成的干涉条纹。计算机100可以计算由成像阵列19检测的干涉条纹的间距。基于成像阵列19检测的干涉条纹的间距P，与成像阵列19相连的计算机可以根据第一示例实施例中所述的相同分析获得粗糙分辨率度量R。在一些实施例中，波前半径检测器16"的结构和相关检测可以近似如例如如下文献所描述=Haulser等，“Range Sensing Based on Shearing Interferometry", Applied Optics，1988 年 11 月。4、第四示例实施例下面描述第四示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪4。如图4中所示，固定波长绝对距离干涉仪4包括具有下面结构的第一干涉仪11和第二干涉仪12。在图4中示出的实施例中，固定波长绝对距离干涉仪4包括光束分离装置M，所述光束分离装置M被布置来分离和透过来自第二激光发射器21的光的一部分进入光纤17 以被用于第一干涉仪11 ；光闸(shutter)元件36，被设置成间歇地阻断第二干涉仪光束； 以及传统的光束分离器35 (例如半镀银反射镜)，替代第一、第二和第三示例实施例中使用的分色滤波器四。也可以选择性地包括空间滤波装置38。利用该结构，可以使用两个激光发射器而不是三个，如下面更详细地描述的。除了上面描述的结构，固定波长绝对距离干涉仪4可以具有与第二示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪2相同的结构和近似相同的测量方法。下面描述固定波长绝对距离干涉仪4的功能。第二激光发射器21发射的λ 2光束进入光束分离装置M，并被分成两部分。入2 光束的一部分通过入口部分17Β和光纤17而被引入到第一干涉仪11中，并从点源孔径17Α 传输。除了使用λ 2光波长取代λ 1光波长之外，第一干涉仪U的结构和操作可以如先前参照第二示例实施例所述的。λ 2光束的另一部分和第三激光发射器22发射的λ 3光束在光束合成装置23处被彼此合成为具有合成波长Λ的第二干涉仪光束，并且第二干涉仪光束传输至光间元件 36。除使用光闸36来暂停(suspend)第二干涉仪12的操作(如下面进一步所述的)、以及选择性地使用空间滤波装置38之外，第二干涉仪12的结构和操作可以与先前描述的实施例相同。由于相同的波长λ 2被用在第一干涉仪11和第二干涉仪12中，光闸元件36可以被用于暂停第二干涉仪12的操作，从而在确定信号Sl时，第一干涉仪11中的信号Sl不被来自第二干涉仪12的λ 2光束干扰。计算机100可以输出光闸控制信号Cs，以便为此目的而在合适的时间关闭光闸元件36，并然后重新打开光闸元件36以确定信号S2和S3。由于来自第一干涉仪11的λ 2光束从其点源发散，所以其比第二干涉仪中的λ2光束弱得多，
14因此在确定第二干涉仪12中的信号S2时，不需要暂停第一干涉仪11的操作。此外，在一些实施例中，可以如图4中所示地使用远心空间滤波装置38。正如对于远心空间滤波装置 (诸如，空间滤波装置38)所公知的，通过这种装置基本上阻断了未准直或发散的光。因此， 基本上阻止了来自第一干涉仪11的发散光到达第二干涉仪12。在固定波长绝对距离干涉仪4中，可以省略第一激光发射器14，因此，与第二示例实施例的固定波长绝对距离干涉仪相比，其结构可更简单。本发明的示例实施例的前面描述已被提供用于描述和阐明的目的。不试图穷尽或限制本发明至公开的精确形式。例如，尽管以先前公开方程中的长度项定义了第一和第二干涉仪之间的光路长度差，本领域的技术人员将认识到，在各个实施例中，可以利用类似的兼容方程中使用的以其它数学一致术语(诸如波长或相位等)定义的更一般的“偏移”常量，来包括常量路径长度差，其他常量因子等。明显地，多个修改和变型将对本领域熟练技术人员显而易见。选择和描述示例实施例，以便最佳地解释本发明的原理和它的实践应用， 因此允许本领域其他技术人员理解本发明的各种实施例以及适用于所构想的具体用途的各种修改。意在通过下面的权利要求和它们的等价物限定本发明的范围。
权利要求
1.一种固定波长绝对距离干涉仪，包括 第一干涉仪，包括第一光源，其包括至少一个第一点源，所述至少一个第一点源沿着第一干涉仪测量光路朝向测量目标发射具有波长W的至少一个第一光束，其中所述第一干涉仪测量光路包括具有随着所述测量目标的位置而改变的长度的可变光路长度部分，并且所述至少一个第一光束具有随着沿所述第一干涉仪测量光路的距离而改变的波前半径，波前半径检测器，被配置来提供响应于所述波前半径检测器处的波前半径的第一度量，其中所述第一度量指示所述第一干涉仪测量光路长度，以及第一路径长度计算部分，被配置来基于所述第一度量计算所述第一干涉仪测量光路长度的粗糙分辨率绝对路径长度度量R ；以及第二干涉仪，包括光束发送装置，发送提供合成测量波长Λ的第二干涉仪光束， 光束分离/合成装置，将所述第二干涉仪光束分离为通过固定光路的参考光束和通过第二干涉仪测量光路的测量光束，并通过将从所述固定光路返回的参考光束与从所述测量目标反射并沿着所述第二干涉仪测量光路返回的测量光束合成而提供合成光束，其中，所述第二干涉仪测量光路包括具有随着所述测量目标的位置而改变的长度的可变光路长度部分，第二干涉仪检测器，被配置来接收所述合成光束，并提供指示与所述合成光束中的合成测量波长Λ关联的相位φ的信号，以及第二路径长度计算部分，被配置来基于由所述第二干涉仪检测器的信号所指示的合成光束的波长数量^、波长Λ以及相位φ来确定所述第二干涉仪测量光路长度的中等分辨率绝对路径长度度量4，其中所述波长数量Νλ是计算的包括在所述第二干涉仪测量光路长度中的完整波长Λ的整数数量，并且基于所述粗糙分辨率绝对路径长度度量R和与所述第一干涉仪测量光路长度和所述第二干涉仪测量光路长度之间的常量差C12有关的偏移常量计算所述波长数量Νλ。
2.如权利要求1所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中波前半径检测器被配置为检测由所述第一光束与第二光束形成的干涉条纹图案，所述第二光束具有波长W以及与所述第一光束的波前半径类似的波前半径，并且至少在靠近所述波前半径检测器处与所述第一光束干涉。
3.如权利要求2所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述波前半径检测器包括横向剪切布置，所述横向剪切布置从所述第一光束靠近所述波前半径检测器的拷贝提供所述第二光束ο
4.如权利要求3所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述横向剪切布置包括萨伐特片。
5.如权利要求2所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述波前半径检测器包括成像阵列。
6.如权利要求2所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中在所述第一干涉仪的第一路径长度计算部分中，基于所述波前半径检测器检测的干涉条纹图案的条纹间距P、所述第一和第二光束的波长W、以及垂直于所述第一和第二光束波前的平行半径测量的分离距离ls， 计算所述测量光路的粗糙分辨率绝对路径长度度量R。
7.如权利要求6所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中通过以下方程(1)计算所述测量光路的粗糙分辨率绝对路径长度度量R R = (c*ls*P)/X 1 (1)其中c是取决于所述平行半径相对于所述干涉条纹图案的检测平面的对准的因子。
8.如权利要求2所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第一光源包括靠近所述第一点源的第二点源，并且所述第二点源沿着所述第一干涉仪测量光路朝向所述测量目标发送所述第二光束，其中所述第二光束具有随着沿所述第一干涉仪测量光路的距离而改变的波前半径。
9.如权利要求8所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第一光源包括光发射器，通过所述第一点源发射具有所述第一波长W的光，以提供所述第一光束；以及光束分离装置，靠近所述第一点源，且部分透射和部分反射所述第一光束，以使部分反射的第一光束提供发送所述第二光束的第二点源。
10.如权利要求8所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第一光源包括第一光纤，具有提供所述第一点源的端；第二光纤，具有提供所述第二点源的端；以及光发射器，发射具有所述第一波长W的光，其中所发射的光被耦合到所述第一和第二光纤两者中。
11.如权利要求1所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第二干涉仪的光束发送装置包括第二光源，发射具有波长λ 2的λ 2光束；第三光源，发射具有不同于所述波长λ 2的波长λ 3的λ 3光束；以及光束合成装置，将所述λ 2光束和所述λ 3光束合成为提供所述合成测量波长Λ的第二干涉仪光束，其中通过方程Λ = λ2*λ3| λ3-λ2给出所述波长Λ，所述第二干涉仪检测器包括λ 2检测器，检测所述合成光束中的λ 2光束的测量光束分量相对于参考光束分量的相位φ2;以及λ 3检测器，检测所述合成光束中的λ 3光束的测量光束分量相对于参考光束分量的相位φ3，并且在所述第二路径长度计算部分中，通过以下方程O)，基于所述λ 2检测器检测的相位 φ2以及所述λ 3检测器检测的相位φ3，获得与所述合成光束中的合成测量波长Λ关联的相位φφ=φ3-φ2( 2 )。
12.如权利要求11所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第二路径长度计算部分通过以下方程C3)确定所述中等分辨率绝对路径长度度量ZM=M|cp|)mod27t/27t]+NA*八(3 )。
13.如权利要求12所述的固定波长绝对距离干涉仪，根据以下结构之一进行配置结构(a)，其中所述波前半径检测器被布置为使得所述测量目标相对于所述波前半径检测器移动，并且所述第二路径长度计算部分计算波长数量ΝΛ，以使其等价于将量[R-C12] 除以波长Λ而获得的商的整数部分，以及结构(b)，其中所述波前半径检测器被布置为使得所述测量目标相对于所述波前半径检测器固定，并且所述第二路径长度计算部分计算波长数量Νλ，以使其等价于将量 [2R-CJ除以波长Λ而获得的商的整数部分。
14.如权利要求11所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第二路径长度计算部分计算所述中等分辨率绝对路径长度度量4，然后计算波长数量Nm，波长数量Νλ i是所述中等分辨率绝对路径长度度量4中Xi光束的波长Xi的数量，其中i = 2或3，而且波长数量NAi是将所述中等分辨率绝对路径长度度量4除以波长λ i而获得的商的整数部分，然后，所述第二路径长度计算部分基于所获得的波长数量Nm以及所述λ i检测器检测的λ i 光束的相位φ 计算精细分辨率绝对路径长度度量4。
15.如权利要求14所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中所述第二路径长度计算部分通过以下方程(4)确定所述精细分辨率绝对路径长度度量& ΖΡ=λ (|φ |ιη0￡ 2π/2π)+λ * Nw+CiFM i = 2 或 3 )其中，ciFM是度量τγ度量的路径长度与度量4度量的路径长度之间的差，并且是与所述测量目标的位置无关的常量。
16.如权利要求1所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中 所述第二干涉仪的光束发送装置包括第二光源，发射具有波长λ 2的λ 2光束，第三光源，发射具有不同于所述波长λ 2的波长λ 3的λ 3光束，以及光束合成装置，将所述λ 2光束和所述λ 3光束合成为提供所述合成测量波长Λ的第二干涉仪光束；所述固定波长绝对距离干涉仪还包括测量光束偏转装置；并且所述固定波长绝对距离干涉仪被配置为使得所述测量光束偏转装置偏转包括在(a)所述至少一个第一光束和(b)所述测量光束中的一个中的至少一些光，从而在上述光到达所述测量目标之前，其变得与所述可变光路长度部分对齐，以及所述测量光束偏转装置透射包括在(a)所述至少一个第一光束和(b)所述测量光束中的另一个中的至少一些光，从而在上述光到达所述测量目标之前，其保持与所述可变光路长度部分对齐。
17.如权利要求16所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中 波长W不同于波长λ2和λ3 ；所述测量光束偏转装置包括分色滤波器，所述分色滤波器透射具有波长W的光，但反射具有波长λ2或λ 3的光；以及所述分色滤波器被布置为反射所述测量光束，使得所述测量光束到达所述测量目标之前，变得与所述可变光路长度部分对齐，并且在所述测量光束到达所述测量目标并被沿着所述可变光路长度部分反射回之后，将所述测量光束反射为使得其与所述光束分离/合成装置对准。
18.如权利要求16所述的固定波长绝对距离干涉仪，其中 波长W与波长λ 2和λ 3之一相同；以及所述固定波长绝对距离干涉仪还包括光间，所述光间被布置和控制为在所述第一干涉仪的波前半径检测器工作时间段期间，阻止所述第二干涉仪的测量光束到达所述测量光束偏转装置。
19.如权利要求18所述的固定波长绝对距离干涉仪，被配置为使得提供波长λ2和 λ3中与W相同的一个波长的光发射器也向所述第一干涉仪的第一光源提供光。
20.如权利要求1所述的干涉仪测量系统，其中所有光束由从激光器发射的光组成。
全文摘要
一种固定波长绝对距离干涉仪包括第一干涉仪和第二干涉仪，所述第一干涉仪包括第一光源，朝测量目标发射具有波长W的第一光束；波前半径检测器，被配置成提供响应于波前半径检测器处的波前半径的第一度量；以及第一路径长度计算部分，计算粗糙分辨率绝对路径长度度量R。第二干涉仪包括发送具有波长Λ的第二干涉仪光束的光束发送装置；光束分离/合成装置，将第二干涉仪光束分离为参考和度量光束，并合成返回的参考和测量光束为合成光束；第二干涉仪检测器，被配置为接收合成光束和提供合成光束的相位的信号；以及第二路径长度计算部分，被配置为确定中等分辨率绝对路径长度度量ZM。
文档编号G01B9/02GK102384716SQ201110318968
公开日2012年3月21日 申请日期2011年8月11日 优先权日2010年8月11日
发明者D·W·塞思科, J·D·托比亚森 申请人:株式会社三丰