本發(fā)明涉及一種瞬時(shí)相位偏移干涉儀。特別地，本發(fā)明涉及為了提高精度而提出的瞬時(shí)相位偏移干涉儀，從而使得用戶能夠容易地對(duì)通過(guò)例如多個(gè)不同攝像部或單個(gè)攝像部的不同攝像區(qū)域所獲得的多個(gè)相位偏移的干涉條紋圖像之間的偏壓、振幅和相位偏移量進(jìn)行預(yù)測(cè)量(校正)。

背景技術(shù)：

用于分析通過(guò)從參考面反射的光和從測(cè)量對(duì)象反射的光所產(chǎn)生的干涉條紋的相位的干涉儀是能夠使用光的波長(zhǎng)作為量尺來(lái)高精度地對(duì)測(cè)量對(duì)象的形狀進(jìn)行測(cè)量的裝置。高精度地對(duì)干涉儀所獲得的干涉條紋的相位進(jìn)行分析的代表性技術(shù)是用于使干涉條紋的相位偏移并且拍攝并分析多個(gè)圖像的相位偏移干涉儀。在這些相位偏移干涉儀中，瞬時(shí)相位偏移干涉儀使用照相機(jī)和多個(gè)干涉光路，以同時(shí)對(duì)分析所需的多個(gè)相位偏移的干涉條紋進(jìn)行測(cè)量。該瞬時(shí)相位偏移干涉儀是能夠在傳統(tǒng)相位偏移干涉儀不適合的諸如組裝現(xiàn)場(chǎng)等的振動(dòng)環(huán)境下對(duì)測(cè)量對(duì)象的形狀進(jìn)行測(cè)量的實(shí)用性極高的干涉儀。

在瞬時(shí)相位偏移干涉儀中，由于不同照相機(jī)所拍攝的多個(gè)干涉條紋圖像之間的偏壓和振幅的變化以及相位偏移量計(jì)算時(shí)的規(guī)定值和以光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的有效值之間的差異，產(chǎn)生了干涉條紋相位的分析誤差。因此，預(yù)先測(cè)量各干涉儀的光學(xué)參數(shù)特性(即，通過(guò)各照相機(jī)所獲得的干涉條紋的偏壓、振幅和相位偏移量)，并且在測(cè)量實(shí)際的測(cè)量對(duì)象的情況下，除非考慮利用這些光學(xué)參數(shù)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，否則無(wú)法獲得高精度的測(cè)量。

本申請(qǐng)人已經(jīng)在日本特開2002-13907(圖1和圖3)以及日本特開2002-13919(圖1和圖2)中提出了用于測(cè)量這些光學(xué)參數(shù)的方法。在這些文獻(xiàn)中，在圖1所示的瞬時(shí)相位偏移干涉儀中，如圖2所示，使測(cè)量對(duì)象(這兩個(gè)文獻(xiàn)中被描述為被檢面7)在光軸方向上相對(duì)于參考面5偏移了Δd_i，并且對(duì)多個(gè)干涉條紋進(jìn)行攝像。然后，例如通過(guò)使用這兩個(gè)文獻(xiàn)中所記載的公式來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，可以計(jì)算出瞬時(shí)相位偏移干涉儀的光學(xué)參數(shù)。在附圖中，附圖標(biāo)記1是激光光源，附圖標(biāo)記2是透鏡，附圖標(biāo)記3是分束器，附圖標(biāo)記4是準(zhǔn)直透鏡，附圖標(biāo)記6和8是1/4波片，附圖標(biāo)記9是三向(分割)棱鏡，附圖標(biāo)記10～12是偏光板，并且附圖標(biāo)記13～15是攝像裝置。

為了實(shí)現(xiàn)之前提出的方法，需要使測(cè)量對(duì)象7在光軸方向上相對(duì)于瞬時(shí)相位偏移干涉儀的參考面5精確地偏移。為此，需要準(zhǔn)備成本高且精度極高的掃描臺(tái)，并且需要將測(cè)量對(duì)象7安裝在該臺(tái)上以使測(cè)量對(duì)象7不移動(dòng)。另外，光學(xué)參數(shù)的測(cè)量期間測(cè)量環(huán)境的振動(dòng)可能引起測(cè)量對(duì)象7相對(duì)于參考面5的相對(duì)偏移誤差，因此需要準(zhǔn)備用于消除該振動(dòng)的精確測(cè)量環(huán)境。

由于誤差是各干涉儀特有的固定誤差，因此理論上在干涉儀的組裝和調(diào)節(jié)之后僅應(yīng)當(dāng)進(jìn)行一次光學(xué)參數(shù)的測(cè)量。然而，實(shí)際上，由于用于構(gòu)成干涉儀的光學(xué)裝置隨時(shí)間的變化以及用于保持光學(xué)裝置的干涉儀殼體的變形等，導(dǎo)致了光學(xué)參數(shù)發(fā)生變化。因此，需要定期進(jìn)行測(cè)量并更新值以維持高水平的性能。每當(dāng)使干涉儀處于可以使測(cè)量對(duì)象7精確地偏移的環(huán)境并且使測(cè)量對(duì)象7精確地偏移以測(cè)量光學(xué)參數(shù)時(shí)，需要花費(fèi)極大的精力。

具體地，為了提高瞬時(shí)相位偏移干涉儀的精度而提出的傳統(tǒng)技術(shù)需要特殊的裝置和特殊的測(cè)量環(huán)境，并且用戶進(jìn)行定期測(cè)量存在極大困難。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述傳統(tǒng)問(wèn)題而構(gòu)思了本發(fā)明，并且提出本發(fā)明以提高瞬時(shí)相位偏移干涉儀的精度。例如，本發(fā)明使得用戶能夠容易地對(duì)通過(guò)多個(gè)不同攝像部或單個(gè)攝像部的不同攝像區(qū)域所獲得的多個(gè)相位偏移的干涉條紋圖像之間的偏壓、振幅和相位偏移量進(jìn)行預(yù)測(cè)量(校正)。

本發(fā)明利用下述的瞬時(shí)相位偏移干涉儀解決了上述問(wèn)題，其中該瞬時(shí)相位偏移干涉儀用于將包括測(cè)量光束和作為測(cè)量基準(zhǔn)的參考光束的被檢測(cè)光束分割成多個(gè)光束或多個(gè)區(qū)域，使所述參考光束和所述測(cè)量光束之間的相位差發(fā)生相對(duì)偏移，然后產(chǎn)生干涉條紋并同時(shí)拍攝相位偏移的多個(gè)干涉條紋圖像，并且對(duì)測(cè)量對(duì)象的形狀進(jìn)行測(cè)量，其中所述測(cè)量光束是通過(guò)從所述測(cè)量對(duì)象反射或穿過(guò)所述測(cè)量對(duì)象所獲得的光束，所述瞬時(shí)相位偏移干涉儀包括：光源，其相干距離比從參考面反射的光和從測(cè)量面反射的光之間的光路長(zhǎng)度差??；分束器，其被配置為分割來(lái)自所述光源的光束；以及延遲光路，其具有能夠改變的光路長(zhǎng)度，并且被配置為使第一光束延遲以引起光路長(zhǎng)度差，其中所述分束器被配置為將所述第一光束疊加在與第二光束相同的光軸上，之后產(chǎn)生所述參考光束和所述測(cè)量光束，其中，在所述延遲光路的調(diào)整期間改變所述延遲光路的光路長(zhǎng)度，分別拍攝相位偏移的多個(gè)干涉條紋圖像，并且計(jì)算各個(gè)干涉條紋圖像中所獲得的干涉條紋的偏壓、振幅和相位偏移量至少之一，以及在測(cè)量期間，基于干涉條紋的偏壓計(jì)算結(jié)果、振幅計(jì)算結(jié)果和相位偏移量計(jì)算結(jié)果至少之一來(lái)測(cè)量所述測(cè)量對(duì)象的形狀。

在本示例中，在所述延遲光路的調(diào)整期間改變所述延遲光路的光路長(zhǎng)度并且分別拍攝相位偏移的多個(gè)干涉條紋圖像的情況下，使所述測(cè)量對(duì)象相對(duì)于干涉儀主體固定。

另外，所述多個(gè)光束或所述多個(gè)區(qū)域是單位單元內(nèi)的多個(gè)微小區(qū)域，并且由微小偏光器分割得到。

在根據(jù)本發(fā)明的瞬時(shí)相位偏移干涉儀中，使用低相干光源，并且設(shè)置用于改變參考光束和測(cè)量光束之間的光路長(zhǎng)度差的延遲光路。另外，為了校正瞬時(shí)相位偏移干涉儀，例如，在對(duì)通過(guò)多個(gè)攝像部或單個(gè)攝像部的不同攝像區(qū)域所獲得的干涉儀的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的情況下，非常輕微地平行移動(dòng)延遲光路中的鏡，使干涉條紋的相位偏移，并且拍攝該干涉條紋。然后，根據(jù)通過(guò)各攝像部或各攝像區(qū)域所獲得的多個(gè)相位偏移的干涉條紋圖像來(lái)計(jì)算光學(xué)參數(shù)。

因此，用戶可以在無(wú)需使用特殊裝置的情況下，在實(shí)際使用干涉儀的環(huán)境下簡(jiǎn)單地進(jìn)行光學(xué)參數(shù)的預(yù)測(cè)量(校正)。因而，可以極大減少用以維持干涉儀的性能所花費(fèi)的時(shí)間和精力。因此，可以減小或避免由于多個(gè)不同攝像部各自或者單個(gè)攝像部的不同攝像區(qū)域各自所獲得的干涉條紋之間的偏壓和振幅的差異、以及相位偏移量的規(guī)定值與以光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)的有效值之間的差異而產(chǎn)生的誤差，從而使得能夠高精度地對(duì)測(cè)量對(duì)象的形狀進(jìn)行測(cè)量。

附圖說(shuō)明

在以下的詳細(xì)說(shuō)明中，通過(guò)本發(fā)明的典型實(shí)施例的非限制性示例的方式參考所述的多個(gè)附圖來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明，其中在附圖的幾個(gè)視圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相似的部件，并且其中：

圖1是示出日本特開2002-13907(圖1和圖3)以及日本特開2002-13919(圖1和圖2)中所述的傳統(tǒng)瞬時(shí)相位偏移干涉儀的典型光學(xué)結(jié)構(gòu)的光路圖；

圖2示出傳統(tǒng)瞬時(shí)相位偏移干涉儀中的偏壓、振幅和相位偏移量的測(cè)量方法；

圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的瞬時(shí)相位偏移干涉儀的第一實(shí)施例的光學(xué)結(jié)構(gòu)的光路圖；

圖4是示出第一實(shí)施例的測(cè)量之前的光學(xué)參數(shù)的狀態(tài)的光路圖；

圖5是示出第一實(shí)施例的變形結(jié)構(gòu)的相關(guān)部分的截面圖；

圖6是示出根據(jù)第一實(shí)施例的延遲光路的變形例的光路圖；

圖7是示出根據(jù)本發(fā)明的瞬時(shí)相位偏移干涉儀的第二實(shí)施例的相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)的光路圖；

圖8是示出根據(jù)本發(fā)明的瞬時(shí)相位偏移干涉儀的第三實(shí)施例的相關(guān)部分的結(jié)構(gòu)的光路圖；以及

圖9是第三實(shí)施例中所使用的典型偏光板的說(shuō)明圖。

具體實(shí)施方式

這里所示的細(xì)節(jié)是舉例，并且僅用于例示性地論述本發(fā)明的實(shí)施例的目的，并且是為了提供被認(rèn)為是針對(duì)本發(fā)明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的說(shuō)明而呈現(xiàn)的。在這方面，沒(méi)有嘗試以比本發(fā)明的基本理解所需的細(xì)節(jié)更詳細(xì)的方式示出本發(fā)明的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其中利用附圖所進(jìn)行的說(shuō)明使本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見(jiàn)地明白在實(shí)踐中可以如何實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的各種形式。

以下，參考附圖來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的各實(shí)施例。此外，本發(fā)明不限于在以下實(shí)施例和示例中所說(shuō)明的內(nèi)容。以下實(shí)施例和示例的構(gòu)成要求還可以包括本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到的內(nèi)容、實(shí)質(zhì)上相同的內(nèi)容、以及包含等同范圍的內(nèi)容。此外，以下實(shí)施例和示例所公開的構(gòu)成要求還可以適當(dāng)結(jié)合、或者適當(dāng)?shù)倪x擇性應(yīng)用。

圖3示出根據(jù)本發(fā)明的瞬時(shí)相位偏移干涉儀的第一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)。將來(lái)自光源100的光束分割成具有正交的偏光面的兩個(gè)分量。在本實(shí)施例中，通過(guò)偏光分束器(PBS)201將光束分割成水平偏光束l₁和垂直偏光束l₂。垂直偏光束(l₂)的反射光束被用作鏡的直角棱鏡203反射并轉(zhuǎn)向，之后通過(guò)PBS 202使水平偏光束l₁和垂直偏光束l₂彼此疊加。然后，在通過(guò)包括透鏡301、分束器302和透鏡303的光束擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)300的擴(kuò)大和準(zhǔn)直之后，照射參考面400和測(cè)量對(duì)象500的面(以下稱為測(cè)量面)，其中參考面400和測(cè)量面配置在與傳統(tǒng)的Fizeaur型干涉儀(菲佐型干涉儀)相同的光軸上。利用分束器302從光束擴(kuò)大光學(xué)系統(tǒng)300提取來(lái)自各面的被檢測(cè)光束，并且該被檢測(cè)光束穿過(guò)成像透鏡600。然后，該被檢測(cè)光束穿過(guò)λ/4板700，將水平偏光束l₁和垂直偏光束l₂轉(zhuǎn)換成左/右反轉(zhuǎn)的圓形偏光，之后光束l₁和l₂入射至攝像系統(tǒng)800。在通過(guò)攝像系統(tǒng)800內(nèi)的三向分割棱鏡809對(duì)被檢測(cè)光束進(jìn)行分割之后，通過(guò)在各個(gè)分割光路上配置進(jìn)行不同轉(zhuǎn)動(dòng)調(diào)整的偏光板810、811和812，從測(cè)量面500反射的光相對(duì)于參考面400的相位差在干涉條紋中變得可見(jiàn)。然后，通過(guò)三個(gè)照相機(jī)813、814和815拍攝干涉條紋圖像。

在該干涉儀中，使轉(zhuǎn)向的光路長(zhǎng)度差L_a與從參考面400和測(cè)量面500反射的光的光路長(zhǎng)度差L_b一致，然后使用相干距離ΔL比光路長(zhǎng)度差L_a短的光源作為光源100。然后，通過(guò)從參考面400反射的光的垂直偏光分量和從測(cè)量面500反射的光的水平偏光分量的光束，僅產(chǎn)生了通過(guò)穿過(guò)設(shè)置在三條光路上的偏光板810、811和812而被可視化的干涉條紋。另外，通過(guò)三個(gè)照相機(jī)813、814和815所獲得的干涉條紋是根據(jù)分別配置在照相機(jī)813、814和815各自的前方的偏光板810、811和812的安裝角度而相位偏移的干涉條紋。

以下，說(shuō)明在無(wú)需使用特殊設(shè)備的情況下對(duì)通過(guò)三個(gè)照相機(jī)813、814和815各自所獲得的干涉條紋圖像的偏壓和振幅以及干涉條紋之間的相位偏移量進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量的方法。

在參考面400反射的穿過(guò)了延遲光路200的垂直偏光束l₂和通過(guò)在沒(méi)有偏離的情況下照射測(cè)量對(duì)象500所獲得的水平偏光束l₁之間，產(chǎn)生了干涉儀所獲得的干涉條紋。因此，如圖4所示，通過(guò)使直角棱鏡203的位置在附圖中上下偏移并且改變裝置內(nèi)的延遲光路200的參考光束(l₂)的延遲量，可以使測(cè)量光束(l₁)相對(duì)于參考光束(l₂)產(chǎn)生相位偏移。在這些情形下，將微小移位機(jī)構(gòu)204添加至延遲光路200的直角棱鏡203，從而使干涉條紋的相位偏移。然后，通過(guò)照相機(jī)813、814和815各自拍攝干涉條紋圖像，并且例如通過(guò)使用日本特開2002-13907或日本特開2002-13919中所給出的公式來(lái)進(jìn)行計(jì)算，可以獲得通過(guò)照相機(jī)813、814和815各自所拍攝的干涉條紋圖像之間的諸如偏壓、振幅和相位偏移量等的光學(xué)參數(shù)。

通過(guò)安裝在裝置內(nèi)的微小移位機(jī)構(gòu)204的操作，來(lái)實(shí)現(xiàn)照相機(jī)813、814和815各自所拍攝的干涉條紋的光學(xué)參數(shù)的測(cè)量。因此，用戶不需要單獨(dú)準(zhǔn)備高精度的移位臺(tái)，從而使得任何人都可以簡(jiǎn)單地進(jìn)行移位。

在使用諸如附圖所示的直角棱鏡等的直角棱鏡203作為延遲光路200的鏡的情況下，由于直角棱鏡203的光學(xué)性質(zhì)，因而可以減小由于伴隨著微小移位的直角棱鏡203的橫擺等而導(dǎo)致的光軸偏移。在使測(cè)量對(duì)象500偏移的傳統(tǒng)情況下，需要在保持測(cè)量面相對(duì)于參考面400的相對(duì)姿勢(shì)恒定的情況下，在光軸方向上進(jìn)行精確的平行移位。與之相對(duì)，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以更簡(jiǎn)單地制作進(jìn)行相位偏移所需的微小移位機(jī)構(gòu)204。

接著，說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的用于對(duì)干涉條紋的諸如偏壓、振幅和相位偏移量等的光學(xué)參數(shù)進(jìn)行測(cè)量的方法的其它方面。

在傳統(tǒng)方法中，使測(cè)量對(duì)象500相對(duì)于參考面400偏移的機(jī)構(gòu)與干涉儀分開配置。在這種情況下，干涉儀和測(cè)量對(duì)象500需要獨(dú)立性高的保持器，并且由于測(cè)量環(huán)境中發(fā)生的振動(dòng)而導(dǎo)致針對(duì)測(cè)量對(duì)象500發(fā)生相對(duì)偏移誤差。因此，在測(cè)量光學(xué)參數(shù)時(shí)，要求消除了振動(dòng)的精確測(cè)量環(huán)境。

與此相對(duì)，在根據(jù)本發(fā)明的方法中，可以將測(cè)量對(duì)象500設(shè)置在相對(duì)于參考面400固定的光路上。因此，如圖5所例示那樣，可以利用固定構(gòu)件501將測(cè)量對(duì)象500牢固地固定并配置于參考面400的鏡筒401。因此，可以將干涉儀主體900和測(cè)量對(duì)象500設(shè)置成具有某種程度的剛性，因此即使在諸如組裝現(xiàn)場(chǎng)等的環(huán)境下，也可以在不受振動(dòng)影響的情況下進(jìn)行測(cè)量。具體地，即使在不刻意準(zhǔn)備如傳統(tǒng)方法中那樣的精確測(cè)量環(huán)境的情況下，根據(jù)本發(fā)明的方法也使得能夠進(jìn)行干涉條紋的參數(shù)的測(cè)量。

以上使用Fizeaur型干涉儀的示例說(shuō)明了測(cè)量干涉儀的光學(xué)參數(shù)的實(shí)施例。然而，適用于本發(fā)明的干涉儀不限于此。

只要干涉儀將光分割成彼此干涉的兩種光束(參考光束和測(cè)量光束)，本發(fā)明可以應(yīng)用任意類型的干涉儀，例如使用分束器將光以大致90°分割成彼此干涉的參考光束和測(cè)量光束的Twyman-Green型干涉儀(特懷曼-格林型干涉儀)或者用于將光分割成獨(dú)立光路并測(cè)量透過(guò)波面的Mach-Zehnder型干涉儀(馬赫-策恩德型干涉儀)等。

在圖3所示的干涉儀的典型光學(xué)結(jié)構(gòu)中，示出了延遲光路200使用直角棱鏡203以及偏光分束器201和202的示例。然而，本發(fā)明不限于該結(jié)構(gòu)，并且只要延遲光路抵消參考光束和測(cè)量光束之間的光路長(zhǎng)度差，就可以使用任意結(jié)構(gòu)。例如，如圖6所示的變形結(jié)構(gòu)210那樣，可以是如下結(jié)構(gòu)：將PBS 211、λ/4板212和214以及平面鏡213和215進(jìn)行組裝，并且在PBS 211處引起透過(guò)光和反射光之間的延遲。在這種情況下，使彼此面對(duì)的平面鏡213和215其中之一或兩者(在圖6中，僅平面鏡213)在光軸方向上移位，從而產(chǎn)生與圖4所示的偏移量相同的偏移量Δd_i。

另外，用以引起延遲的鏡不限于圖3、4和6的示例中所示的直角棱鏡203以及平面鏡213和215。作為替代，可以使用能夠反射光的諸如折回反射鏡或小型反光鏡等的任意元件。

此外，照相機(jī)的數(shù)量不限于三個(gè)。只要可以同時(shí)獲得多個(gè)圖像，如圖7示意性示出的第二實(shí)施例的相關(guān)部分那樣，可以使用單個(gè)照相機(jī)820的被分割成三個(gè)照相機(jī)區(qū)域的攝像區(qū)域?？蛇x地，如圖8示意性示出的第三實(shí)施例的相關(guān)部分那樣，并且如圖9所示，根據(jù)照相機(jī)的像素大小，可以使用作為單個(gè)單元內(nèi)所形成的具有與偏光板810、811和812相對(duì)應(yīng)的微小區(qū)域的偏光板的微小偏光器(以下還稱為偏光器陣列)830，并且由此可以在無(wú)需分割光束的情況下通過(guò)單個(gè)照相機(jī)820來(lái)獲得相位偏移的干涉條紋。

注意，已提供的上述示例僅用于說(shuō)明的目的，并且決沒(méi)有被構(gòu)造成對(duì)本發(fā)明的限制。盡管已參考典型實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，這里已使用的詞語(yǔ)是用于描述和說(shuō)明的詞語(yǔ)，而不是用于進(jìn)行限制的詞語(yǔ)。在沒(méi)有背離本發(fā)明的各方面的精神和范圍的情況下，可以在如當(dāng)前陳述和修改的權(quán)利要求書的界限內(nèi)進(jìn)行改變。盡管這里已參考特定結(jié)構(gòu)、材料和實(shí)施例說(shuō)明了本發(fā)明，但本發(fā)明并不意圖局限于這里所公開的細(xì)節(jié)；相反，本發(fā)明擴(kuò)展至諸如處于所附權(quán)利要求書的范圍內(nèi)等的在功能上等同的所有結(jié)構(gòu)、方法和用途。

本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，并且可以在沒(méi)有背離本發(fā)明的范圍的情況下進(jìn)行各種改變和修改。

相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2015年7月14日提交的日本專利申請(qǐng)2015-140397的優(yōu)先權(quán)，在此通過(guò)引用明確包含其全部?jī)?nèi)容。