專利名稱：可調(diào)源相移干涉儀自校準(zhǔn)的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明概括而言涉及干涉儀，具體涉及一種可調(diào)源相移干涉儀自校準(zhǔn)的方法和裝置。
背景技術(shù)：
許多相移干涉儀設(shè)計(jì)(以及用于測量距離的其他種類的干涉儀設(shè)計(jì))都意在產(chǎn)生兩個(gè)正交信號(hào)，理想情況下為下面公式1和2中所示的正交輸出信號(hào)V1ideal與V2idealV1ideal=Sin2πλz]]>(公式1)V2ideal=Cos2πλz]]>(公式2)其中λ為干涉儀中所用輻射的波長，z為干涉檢測物體物光束光程與參考光束光程之間的光程長度差(OPD)。干涉儀的這兩個(gè)正交輸入信號(hào)在理想情況下都應(yīng)當(dāng)來自于檢測物體精確相同部分的光。從而由公式3在特定波長內(nèi)可以高分辨率地確定檢測物體該部分的OPDz，此處稱作在特定波長內(nèi)形成z值的“信號(hào)插值”，或者對(duì)于z的“插入”值或者插入的干涉儀測量值z=λ2πTan-1V1idealV2ideal]]>(公式3)不過，在實(shí)際干涉儀中，用公式4和5所示的一般形式可更好地描述輸出信號(hào)V1=C1+A1Sin2πλz]]>(公式4)V2=C2+A2Cos2πλz]]>(公式5)其中C1和C2為信號(hào)中的偏移或者“DC”分量，A1和A2為“AC”信號(hào)幅度。信號(hào)的偏移分量具有若干來源。例如主要成分來源于對(duì)于各干涉儀輸出信號(hào)有貢獻(xiàn)的各干涉光束的標(biāo)稱DC強(qiáng)度。例如，其將隨激光源的強(qiáng)度而變。此外，應(yīng)當(dāng)理解物光束標(biāo)稱DC強(qiáng)度或物光束各部分發(fā)生改變的主要原因，是通常存在檢測物體任何特定部分的有效反射率的改變。參考光束中也會(huì)產(chǎn)生類似效果。不過，與各種“不受控制的”檢測物體相比，參考鏡的反射率常常更加均勻和更加穩(wěn)定。偏移的其他成分來自于各種環(huán)境光的貢獻(xiàn)，以及與檢測器和用于例如檢測和測量信號(hào)V1和V2的相關(guān)信號(hào)調(diào)節(jié)電子裝置等有關(guān)的偏移。
因此，即使A1＝A2，如果信號(hào)中存在偏移，則信號(hào)與公式3中所示的形式不同，所產(chǎn)生的內(nèi)插z值包括相關(guān)誤差。從而，為了進(jìn)行高精度插值，必須消除或補(bǔ)償內(nèi)插值計(jì)算之前的偏移。
已經(jīng)設(shè)計(jì)出多種不同方法來消除或補(bǔ)償相移干涉儀中的這種偏移。例如，美國專利No.6,304,330(此處其所有相關(guān)教導(dǎo)引作參考)披露了一種新的多相移圖像產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，其結(jié)合波前擴(kuò)展元件、相移干涉元件和傳感元件。通過結(jié)合波前擴(kuò)展元件、相移干涉元件和傳感元件，’330專利中所述的多相移圖像產(chǎn)生結(jié)構(gòu)能將干涉測量中包括對(duì)信號(hào)偏離分量有貢獻(xiàn)的多種潛在誤差源轉(zhuǎn)換成共態(tài)(common-mode)誤差。即，從’330專利中披露的多相移圖像產(chǎn)生結(jié)構(gòu)提供的信號(hào)的觀點(diǎn)看，這些誤差對(duì)于該系統(tǒng)中提供的多測量信號(hào)具有同等影響。結(jié)果，通過適當(dāng)處理’330專利中所述多相移圖像產(chǎn)生結(jié)構(gòu)提供的干涉測量信號(hào)，這些共態(tài)誤差的幅度和方向可被確定并基本消除。
不過，’330專利的結(jié)構(gòu)和方法，以及用于消除或補(bǔ)償偏移誤差的其他已知現(xiàn)有技術(shù)方法，通?；蛘咭蟾郊庸饴罚蛘咭笥糜谝刖_控制光路長度改變的裝置，以及相關(guān)的附加部件，以提供所需信號(hào)。此外，在已知的現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)中常常殘留有剩余的偏移誤差源。因此，希望能有單獨(dú)或者結(jié)合地克服上述缺點(diǎn)的系統(tǒng)和方法。

發(fā)明內(nèi)容
如前面所述，用于消除或補(bǔ)償偏移誤差的已知方法，常常通過提供相應(yīng)的光路或可控光路長度改變而提供除V1和V2以外的信號(hào)。這些附加信號(hào)相移可控和已知的量。例如，常常有意地將等于λ/2奇數(shù)倍的附加光路長度差引入這種信號(hào)中，其與干涉儀提供的其他信號(hào)相比，通過下面詳細(xì)描述的方法，可以有效地轉(zhuǎn)化這種信號(hào)的AC成分，并且能去除或補(bǔ)償一定的偏移誤差。
相反，本發(fā)明通過改變源波長，同時(shí)采集偏移表示信號(hào)，提供用于產(chǎn)生信號(hào)的系統(tǒng)和方法，該信號(hào)表示或者用于確定干涉儀中各種檢測器通道信號(hào)的偏移成分。與現(xiàn)有技術(shù)方法不同，本發(fā)明提供一種對(duì)于干涉儀的每個(gè)或任何光路都可行的方法，無需附加特殊光路或者可控光路長度改變。另外，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，無需任何移動(dòng)部分來調(diào)節(jié)或控制光路長度。不過，對(duì)于已經(jīng)包括這種部件的干涉儀系統(tǒng)，依然可使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法取代或者附加可用于這種系統(tǒng)的其他偏移校正方法，來消除或補(bǔ)償可用于這種系統(tǒng)的其他方法所不能消除的附加的殘留偏移誤差源。
如此處所使用的，術(shù)語探測器通道一般指檢測器及其相關(guān)的光學(xué)元件，以及用于產(chǎn)生干涉測量信號(hào)的電子信號(hào)路徑，干涉測量信號(hào)如例如與前面所述的信號(hào)V1或V2大致相當(dāng)?shù)臏y量信號(hào)。在各種示范實(shí)施例中，探測器陣列的每個(gè)象素對(duì)應(yīng)于一個(gè)分離的探測器通道，并且接收與處于干涉儀物光束中的檢測物體的某一特定部分相應(yīng)的干涉光。在各種示范實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)探測器陣列的多個(gè)象素，與多個(gè)分離探測器通道相應(yīng)，其中多個(gè)分離探測器陣列接收與檢測物體同一特定部分或檢測物體近似相同的特定部分相應(yīng)的干涉光，以提供可組合以提供與該(近似相同)特定部分相應(yīng)的內(nèi)插干涉測量的多個(gè)干涉測量信號(hào)。
本發(fā)明通過在由探測器通道的探測器采集或者積分相應(yīng)信號(hào)期間，改變干涉儀照明源的輻射波長，提供一種表示干涉儀中探測器通道信號(hào)的偏移成分的信號(hào)。對(duì)于各種干涉儀設(shè)計(jì)而言可通過干涉儀的每個(gè)探測器通道方便地實(shí)施該方法。例如，在各種相移干涉儀中常采用CCD或CMOS照相機(jī)等作為提供2維干涉圖的探測器。在此情形中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以改變照明源的輻射波長，同時(shí)積分照相機(jī)的每個(gè)象素上的光信號(hào)。因此，可以確定照相機(jī)的每個(gè)或任何象素中的偏移信號(hào)成分。此外，可使用該方法消除或補(bǔ)償非常短的時(shí)間周期內(nèi)的偏移誤差。例如，該時(shí)間周期可以遠(yuǎn)小于進(jìn)行機(jī)械調(diào)節(jié)所需的時(shí)間，其中需要機(jī)械調(diào)節(jié)來步進(jìn)一個(gè)或多個(gè)分離光程長度差。另外，積分時(shí)間內(nèi)不必了解或測量波長。在各種示范實(shí)施例中，在與提供給探測器的光信號(hào)的幾個(gè)周期相應(yīng)的時(shí)間周期上，波長應(yīng)當(dāng)以相對(duì)恒定的速率改變，以對(duì)偏移提供最佳估計(jì)。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方面，操縱照明源以為干涉儀提供可變波長照明，從而對(duì)來自于可變波長照明的信號(hào)積分，至少大致對(duì)應(yīng)于對(duì)來自于在至少一部分信號(hào)積分期間連續(xù)和單調(diào)地改變的可變波長照明的信號(hào)積分。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，在各種實(shí)施例中，信號(hào)積分周期的持續(xù)時(shí)間為毫秒或微秒量級(jí)。
根據(jù)本發(fā)明再一方面，在一個(gè)實(shí)施例中，在整個(gè)信號(hào)積分周期內(nèi)單調(diào)地改變波長可變輻射。
根據(jù)本發(fā)明又一方面，在一個(gè)實(shí)施例中，可變波長輻射以大致恒定的速率改變。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，在改變可變波長輻射時(shí)干涉光光信號(hào)經(jīng)歷多個(gè)相位改變周期，響應(yīng)干涉光信號(hào)而在探測器中產(chǎn)生的信號(hào)，在干涉光光信號(hào)的多個(gè)周期上積分。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)獨(dú)立方面，在一個(gè)實(shí)施例中，操縱干涉儀，使得在確定可用于確定各種探測器通道的偏移校正的信號(hào)時(shí)，干涉儀的各種探測器通道的積分周期大體上是同時(shí)的。
根據(jù)本發(fā)明一個(gè)獨(dú)立方面，干涉儀設(shè)計(jì)成使至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的相應(yīng)組，與來自于位于物光路徑中的檢測物體的至少第一和第二大致相同部分的相應(yīng)組的光對(duì)應(yīng)；每組大致相同部分的相應(yīng)組與檢測物體上的各標(biāo)稱位置相應(yīng)；每個(gè)相應(yīng)組中至少兩個(gè)相應(yīng)的干涉光光信號(hào)具有不同的相應(yīng)相對(duì)相位；并且對(duì)于每個(gè)相應(yīng)組而言，根據(jù)本發(fā)明原理確定的積分信號(hào)，可用于確定可用于對(duì)該組探測器通道提供的干涉測量信號(hào)進(jìn)行校正的至少一個(gè)偏移校正，并且可將經(jīng)過校正的干涉測量信號(hào)組合，以提供與檢測物體上各標(biāo)稱位置相應(yīng)的內(nèi)插干涉測量，其相對(duì)沒有偏移導(dǎo)致的誤差。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)于每個(gè)相應(yīng)組，將積分信號(hào)求平均，以確定可用于校正該組探測器通道提供的干涉測量信號(hào)的至少一個(gè)偏移校正。
根據(jù)本發(fā)明另一方面，在一個(gè)實(shí)施例中，干涉儀包括至少一個(gè)二維照相機(jī)，至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的每個(gè)相應(yīng)組具有包括至少一個(gè)二維照相機(jī)的象素，并且，可使用與檢測物體上各標(biāo)稱位置相應(yīng)的一組內(nèi)插干涉測量，以提供檢測物體至少一部分的二維表面高度分布，該二維表面高度分布相對(duì)沒有偏移導(dǎo)致的誤差。


通過結(jié)合附圖時(shí)參照下述詳細(xì)描述，更易于和更好地理解本發(fā)明的上述方面和許多伴隨的優(yōu)點(diǎn)，其中圖1為通過本發(fā)明各種示范實(shí)施例可使用的干涉儀系統(tǒng)的第一一般實(shí)施例的方框圖；圖2表示’330專利中披露的多相移圖像產(chǎn)生部分的第一示范實(shí)施例，包括多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的第一示范實(shí)施例，均可用于圖1中所示干涉儀裝置的各個(gè)特定實(shí)施例中；圖3更詳細(xì)表示出’330專利中披露的和圖2中所示多相移圖像產(chǎn)生部分的第一示范實(shí)施例中使用的相移元件；圖4表示使用’330專利中披露的和圖2中所示多相移圖像產(chǎn)生部分的第一示范實(shí)施例所產(chǎn)生的光的四部分之間的相對(duì)相移；圖5表示在使用’330專利中披露和圖2-4中所示多相移圖像產(chǎn)生部分的第一示范實(shí)施例時(shí)四部分光在成像陣列上如何分布；圖6A-6E表示包括多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)的第二和第三示范實(shí)施例的多相移圖像產(chǎn)生部分第二示范實(shí)施例的分解圖，所有這些都可用于圖1中所示干涉儀裝置的各種示范實(shí)施例中；圖7為說明圖1中所示一般干涉儀系統(tǒng)另一示范實(shí)施例的方框圖，其明顯包括根據(jù)本發(fā)明的偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件；圖8為時(shí)序圖，說明根據(jù)本發(fā)明的第一示例方法，用于改變輻射波長并且積分探測器上的相應(yīng)信號(hào)；圖9的曲線表示探測器中光信號(hào)VIN1的性質(zhì)，以及探測器信號(hào)的時(shí)間平均，這是由于連續(xù)改變干涉儀激光源頻率或波長而波長周期在探測器上積累時(shí)將信號(hào)VIN1積分而產(chǎn)生的；圖10的曲線表示將輸入光信號(hào)VIN1和VIN2積分的探測器信號(hào)的時(shí)間平均性質(zhì)，以及作為這兩個(gè)時(shí)間平均的信號(hào)的平均值的信號(hào)，這是由于連續(xù)改變干涉儀激光源頻率或波長而波長周期在探測器上積累時(shí)的曲線；圖11為時(shí)序圖，說明根據(jù)本發(fā)明改變輻射波長和積分探測器上的相應(yīng)信號(hào)的第二示例方法；圖12所示為舉例說明圖7中所示干涉儀系統(tǒng)各特定實(shí)施例中激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路的方框圖，其中該激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路可使用圖11中所示的時(shí)序方法；圖13的特性曲線說明在第一時(shí)間段上積分信號(hào)VIN1的探測器信號(hào)的時(shí)間平均，在相對(duì)第一時(shí)間段延遲四分之一波長周期的第二時(shí)間段上積分信號(hào)VIN2的探測器信號(hào)的時(shí)間平均，以及作為這兩個(gè)時(shí)間平均的信號(hào)的平均的信號(hào)，這是由于連續(xù)改變干涉儀激光源頻率或波長而波長周期在探測器上積累時(shí)的曲線；以及圖14所示流程圖說明在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中用于消除和/或補(bǔ)償干涉儀探測器通道中各種偏移誤差的一般方法。
具體實(shí)施例方式
圖1表示干涉儀系統(tǒng)100的第一一般實(shí)施例，其可用于本發(fā)明的各個(gè)示范實(shí)施例。如圖1中所示，干涉儀系統(tǒng)100概括而言包括傳輸部分102和成像部分104。傳輸部分102包括發(fā)射相干光波前112的激光源110。正如下面詳細(xì)描述的，在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，激光源110是可調(diào)節(jié)或者能通過其他方式產(chǎn)生可變輻射頻率和照射波長。在各種示范實(shí)施例中，激光源110可包括波長調(diào)制或者任何其他現(xiàn)在已知或最近開發(fā)的可產(chǎn)生波長隨時(shí)間改變的光的裝置、結(jié)構(gòu)或設(shè)備，用于相干光波前112。如此處所使用的，術(shù)語“光”不僅包括可見光，而且還包括電磁波譜中根據(jù)本發(fā)明原理另外可使用的任何部分。在各種示范實(shí)施例中，激光源110進(jìn)而是可調(diào)諧的，或者通過其他方式能產(chǎn)生至少兩個(gè)精確確定或測量的波長的光。當(dāng)產(chǎn)生至少兩個(gè)這種波長的光時(shí)，干涉儀100基于如現(xiàn)有技術(shù)中一般已知并且如’330專利和美國申請(qǐng)No.10/270,130(“Improved Interferometer Using Integrated ImagingArray and High-Density Polarizer Array”)和10/282,110(“ImprovedInterferometer Using Integrated Imaging Array and High-Density Phase-ShiftingArray”)(在此引全文作參考)中概括描述的雙波長或“雙色干涉測量”信號(hào)處理和測量確定方法，提供某種類型的絕對(duì)測量。在任何情況下，激光源110發(fā)射出的相干光波前112，經(jīng)由鏡114重定向到單一偏振波前分裂器120中。單一偏振波前分裂器120將相干光波前112分成發(fā)送給參考鏡的參考波前122和發(fā)送給物體130的物波前126，并將返回參考波前124與返回物波前128組合成組合波前129。然后組合波前129通過光輸入部分135。
如圖1中所示，干涉儀100的示范實(shí)施例的成像部分104除單一偏振波前分裂器120和光輸入部分135以外，還包括多相移圖像產(chǎn)生部分160。在各種示范實(shí)施例中，光輸入部分135包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，如透鏡、光闌等，從而由光輸入部分135傳輸?shù)慕M合波前129與多相移圖像產(chǎn)生部分160相適應(yīng)。如圖1中所示，多相移圖像產(chǎn)生部分160包括多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)140，其從光輸入部分135輸入組合波前129，并將多相移干涉圖像信息149輸出至探測器子系統(tǒng)150。
探測器子系統(tǒng)150一般具有由一個(gè)或多個(gè)光學(xué)陣列定義的一個(gè)或多個(gè)活性表面。各光學(xué)陣列可以為二維象素陣列，并且可為視頻成像傳感器，如電荷耦合器件(CCD)照相機(jī)等。探測器子系統(tǒng)150輸入多相移干涉圖像信息149，并在信號(hào)和/或控制線172上將探測器子系統(tǒng)150采集的圖像數(shù)據(jù)輸出至控制系統(tǒng)170。在各種示范實(shí)施例中，多相移干涉圖像信息149包括至少兩個(gè)二維干涉圖，可用于確定物體130的表面的相應(yīng)部分的二維高度圖。在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，控制系統(tǒng)170可包括根據(jù)本發(fā)明的原理執(zhí)行任何希望的控制操作、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、對(duì)所采集的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行圖像處理和/或分析(包括提供偏移校正和用于物體130的偏移校正的測定)等所必須的各種處理器、電路、程序和應(yīng)用軟件，如下面進(jìn)一步描述的。在各種示范實(shí)施例中，控制系統(tǒng)170提供控制或者將探測器子系統(tǒng)150的操作與干涉儀系統(tǒng)100的各種其他操作同步的各種信號(hào)。在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，控制系統(tǒng)170還在信號(hào)和/或控制線174上輸出一個(gè)或多個(gè)控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)傳輸部分102的激光源110。應(yīng)當(dāng)理解，在各種示范實(shí)施例中，在需要在干涉儀系統(tǒng)100的各部件之間提供所需的信號(hào)和控制接口時(shí)，信號(hào)和/或控制線172和174中的每一個(gè)可包括一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的信號(hào)連接和/或信號(hào)和控制總線等。
圖2示意地表示大體上如引用的’330專利所披露的多相移圖像產(chǎn)生部分160A的第一示范實(shí)施例，其可用于圖1中所示干涉儀系統(tǒng)100的各個(gè)特定實(shí)施例中。多相移圖像產(chǎn)生部分160A包括波前分裂元件210和相移干涉元件220，其可結(jié)合使用產(chǎn)生前面參照?qǐng)D1所述的多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)140的已知實(shí)施例。多相移圖像產(chǎn)生部分160A還包括探測器陣列240，其類似提供探測器子系統(tǒng)150的已知實(shí)施例。
如圖2中所示，透過光輸入部分135的組合波前129包括來自于傳輸部分102的參考波前124，和通過偏振波前分裂器120由物體130返回或反射的物波前128。偏振波前分裂器120配置為使參考波前124和物波前128正交偏振，在圖2中由應(yīng)用于波前124和128的箭頭和點(diǎn)符號(hào)約定表示。
組合波前129從光輸入部分135引導(dǎo)到波前分裂元件210上。如’330專利中所披露的，波前分裂元件210是一種二維衍射光學(xué)元件(DOE)，具體而言，是一種全息光學(xué)元件(HOE)。在任何情況下，波前分裂元件210將組合波前129分裂成四個(gè)空間分離且名義上相同的子波前250、260、270和280，在各種實(shí)施例中，這些子波前可通過輸出透鏡(未示出)傳輸。具體來說，如’330專利中所述，每一個(gè)子波前250-280沿著空間分離的路徑傳播。每個(gè)子波前250-280從示例波前分裂元件210傳輸?shù)绞纠嘁聘缮嬖?20，相移干涉元件220包括分別用于各子波前250-280的相應(yīng)部分232、234、236和238。
特別是，如’330專利中所述，相移干涉元件220相對(duì)波前分裂元件210設(shè)置，從而多個(gè)子波前250-280分別入射在多個(gè)部分232-238其中之一上。具體來說，示范相移干涉元件220的每個(gè)部分232-238，每處偏移入射在部分232-238上的相應(yīng)一個(gè)子波前250-280上的參考與物波前124與128之間的相對(duì)相位相應(yīng)的離散相移Δφi。然后示例相移干涉元件220的部分232-238，使所產(chǎn)生的波前透過相應(yīng)偏振片，以提供一種已知實(shí)施方式的前面參照?qǐng)D1所述的多相移干涉圖像信息149。
特別是，相移干涉元件220的每個(gè)部分232-238，因此將完全相應(yīng)的一個(gè)空間分離相移干涉圖149a，149b，149c和149d傳輸給探測器陣列240。在相應(yīng)一個(gè)空間分離相移干涉圖149a-149d內(nèi)，相應(yīng)的離散相移Δφi總相同，并且與其他相移干涉圖的相移不同相，相差的系數(shù)與各離散相移Δφi有關(guān)。
如’330專利中所述，探測器陣列240可以為視頻成像傳感器，如電荷耦合器件(CCD)照相機(jī)。如’330專利中所述，探測器陣列240相對(duì)相移干涉元件220設(shè)置，從而空間分離的多個(gè)相移干涉圖149a、149b、149c和149d基本上同時(shí)入射在探測器陣列240的活性表面上。即，探測器陣列240的活性表面能成像各空間分離的相移干涉圖149a、149b、149c和149d。根據(jù)所成像的空間分離的相移干涉圖149a、149b、149c和149d，可在探測器陣列240的不同的各區(qū)域中即時(shí)測量每個(gè)空間分離相移干涉圖149a、149b、149c和149d的空間可分辨的相位。
圖3表示圖2中所示且’330專利中披露的相移干涉元件220的一個(gè)示范實(shí)施例。如圖3中所示，相移干涉元件220包括第一板222和第二板226。應(yīng)當(dāng)理解，在圖3中，為了易于說明，將第一板222與第二板226表示為彼此分隔開。不過，在干涉儀系統(tǒng)100的操作中，第一板222與第二板226將會(huì)彼此相鄰以鄰接的關(guān)系設(shè)置。
如圖3中所示，第一板222包括四分之一波片223和空白或中性板224。通常，四分之一波片將兩個(gè)正交偏振入射波前的相對(duì)相位偏移90°。相反，空白或中性板將兩個(gè)正交偏振入射波前的相對(duì)相位偏移0°。即，空白或中性板224不會(huì)在兩個(gè)正交偏振入射波前之間產(chǎn)生任何相對(duì)相移。如圖3中所示，板223和224共面，且將第一板222分成相應(yīng)的兩半。
該示例相移干涉元件220的第二板226包括一對(duì)用于使入射波前線偏振的偏振部分227和228，從而透射波前的電場矢量相互垂直。具體而言，在圖3所示的示例實(shí)施例中，一個(gè)偏振部分如例如第一偏振部分227，用于發(fā)射出相對(duì)于縱軸成+45°的偏振光，如圖3中箭頭A所示。結(jié)果，使參考波前124和物波前128的同相成分干涉。
類似地，其它偏振部分如例如第二偏振部分228，使光相對(duì)于縱軸以-45°偏振，如箭頭B所示。結(jié)果，參考波前124與物波前128的異相成分干涉。如同四分之一波片和空白或中性板223和224，第二板226的第一偏振部分227和第二偏振部分228通常也共面，并且將第二板226分成兩半。
因此，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)圖3中所示的結(jié)構(gòu)，示例相移干涉元件220的第一部分232與示例相移干涉元件220中中性板224與第一(+45°)偏振部分227重疊的部分相應(yīng)。類似地，第二部分234與同第一(+45°)偏振部分227重疊的四分之一波片223相應(yīng)。相反，第三部分236與同第二(-45°)偏振部分228重疊的中性板224相應(yīng)，而第四部分238與同第二(-45°)偏振部分228重疊的四分之一波片223相應(yīng)。
具體而言，在圖3所示的示例實(shí)施例中，第一板222和第二板226設(shè)計(jì)成使第一板222的各部分223和224垂直于第二板226的第一偏振部分227和第二偏振部分228。
結(jié)果，在圖3中所示的相移干涉元件220的示范實(shí)施例中，并且如圖4中所示，在第一部分232中，中性板224與第一(+45°)偏振部分227同相分量干涉，即入射在相移干涉元件220上的參考波前124與物波前128之間0°分量干涉，產(chǎn)生干涉圖149a。相反，在第二部分234中，四分之一波片223與第一(+45°)偏振部分227組合成同相正交分量干涉，即入射參考波前124與物波前128之間90°分量干涉，產(chǎn)生干涉圖149b。與第一部分232和第二部分234對(duì)照，對(duì)于第三部分236而言，中性板224與第二(-45°)偏振部分228結(jié)合成異相分量干涉，即入射參考波前124與物波前128之間180°分量干涉，產(chǎn)生干涉圖149c。最后，對(duì)于第四部分238而言，四分之一波片223與第二(-45°)偏振部分228結(jié)合成異相正交分量干涉，即參考波前124與物波前128之間270°分量干涉，產(chǎn)生干涉圖149d。
如圖5中所示，可將探測器陣列240視作具有不同部分242、244、246和248，其中各子波前250、260、270和280分別名義上適當(dāng)?shù)爻上?，成為分別具有感應(yīng)的(induced)0度、90度、180度和270度相移的相移干涉圖149a、149b、149c和149d。
在這些干涉圖中每個(gè)干涉圖可具有前面所述公式4和5形式的特征?？扇【哂懈?0度感應(yīng)相移的干涉圖149b與公式4相應(yīng)。具有各0度感應(yīng)相移的干涉圖149a，即相移滯后于干涉圖149b 90度，可采取與公式5相應(yīng)。此外，由于多相移圖像產(chǎn)生部分160A將單一組合波前分成四個(gè)相移干涉圖149a、149b、149c和149d，并將每個(gè)干涉圖成像在相同成像陣列上，可知由于各光路元件的相似性以及通過共享的探測器的類似的象素特征，到一階近似，各信號(hào)將具有名義上相同的AC幅度，并且將包括名義上相同的共態(tài)偏移貢獻(xiàn)。因此，多相移圖像產(chǎn)生部分160A提供一種已知的提供干涉儀信號(hào)的方法，其包括作為共態(tài)誤差的各種偏移信號(hào)分量，如前面所述。特別是，一階近似下，具有各270度感應(yīng)相移即相對(duì)于干涉圖149b具有180度相移的干涉圖149d，可采取對(duì)應(yīng)于V1′=C1-A1Sin2πλz]]>(公式6)類似地，具有各180度感應(yīng)相移即相對(duì)于干涉圖149a具有180度相移的干涉圖149c，可采取對(duì)應(yīng)于V2′=C2-A2Cos2πλz]]>(公式7)因此，與公式3類似的下述公式，提供一種已知的消除共態(tài)偏移誤差效應(yīng)并且在特定波長內(nèi)提供對(duì)z的插值的方法z=λ2πTan-1(V1-V1′)(V2-V2′)]]>(公式8)如上面概括指出，該已知的多相移圖像產(chǎn)生部分160A將其他干涉儀中包括各種偏移誤差在內(nèi)的非共態(tài)誤差的大量誤差轉(zhuǎn)變成當(dāng)用于干涉儀系統(tǒng)100時(shí)的共態(tài)誤差。不過，依然存在各種誤差源。例如，不影響子波前250、260、270和280路徑的任何旋轉(zhuǎn)和/或平移同樣會(huì)引起這些路徑的光路長度改變。通常，這將在相關(guān)空間分離相移干涉圖149a、149b、149c和149d中產(chǎn)生不同聚焦條件，和/或可引起各種部分空間分離相移干涉圖149a、149b、149c和149d在探測器上的相對(duì)位置移動(dòng)，這可引起誤差。例如，對(duì)于第一部分242中的給定象素243，如圖5中所示，分別處于第二-第四部分244-248中的相應(yīng)象素245、247和/或249，不再嚴(yán)格地與物體130的同一部分相應(yīng)，從而可能不再適于在公式8中適當(dāng)可比較或適當(dāng)可組合。此外，難以在不引入各種像差的條件下制造包括波前分裂元件210的、提供參照?qǐng)D2-5所述功能的多相移圖像產(chǎn)生部分160A，和/或是代價(jià)昂貴地，其中空間分離相移干涉圖149a、149b、149c和149d的可比較區(qū)域之間像差不同。而這些因素反過來將誤差源引入控制系統(tǒng)170由信號(hào)線172上輸出的圖像數(shù)據(jù)產(chǎn)生的測量值中，其中圖像數(shù)據(jù)來自于探測器陣列240。
此外，正如本領(lǐng)域中公知的，對(duì)于半導(dǎo)體成像裝置如CCD陣列和基于CMOS的陣列而言，任何兩個(gè)相鄰象素將同樣地具有近似相同的偏置或偏移特性，并且具有在輸入強(qiáng)度與輸出信號(hào)幅度之間的相同的響應(yīng)曲線或轉(zhuǎn)移函數(shù)。不過，如本領(lǐng)域中眾所周知的，對(duì)于這種半導(dǎo)體成像裝置而言，在陣列內(nèi)明顯分隔的象素，如象素243、245、247和249，與用于許多現(xiàn)代干涉儀系統(tǒng)的希望的插值和精度的水平有關(guān)，可具有明顯不同的偏置或偏移特性和/或響應(yīng)曲線。
應(yīng)當(dāng)理解，起因于象素水平的偏置和偏移誤差的這種差異，以及在探測器240和/或控制系統(tǒng)170中進(jìn)行的隨后的有關(guān)像素的信號(hào)處理中，不能結(jié)合多相移圖像產(chǎn)生部分160A提供的信號(hào)使用的公式8提供的共態(tài)誤差去除方法來去除。不過，如前面所述，對(duì)于各種干涉儀設(shè)計(jì)而言，如下面詳細(xì)描述的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以方便地用于干涉儀的每個(gè)信號(hào)探測通道。例如，對(duì)于多相移圖像產(chǎn)生部分160A，可使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法改變照明源的輻射波長，同時(shí)在探測器240的每個(gè)象素上積分光信號(hào)。因此，使用根據(jù)本發(fā)明的一種系統(tǒng)和方法，可確定探測器240的每個(gè)單獨(dú)象素特有的偏移信號(hào)分量，并且通過每個(gè)單獨(dú)象素提供的各干涉測量信號(hào)可具有確定的偏移信號(hào)分量，該偏移信號(hào)分量在隨后處理中被消除或者補(bǔ)償，以在使用已知多相移圖像產(chǎn)生部分160A時(shí)提供改善的插值系統(tǒng)100的精度和插值的水平。應(yīng)當(dāng)理解，各種傳統(tǒng)CCD或CMOS照相機(jī)探測器固有地提供適當(dāng)?shù)姆e分周期，其將這樣的照相機(jī)的每個(gè)傳統(tǒng)圖像采集周期中通過積累的照射曝光而積累在每個(gè)象素中感應(yīng)的電荷。
應(yīng)當(dāng)理解，上面參照?qǐng)D2-5中所示元件和操作描述的各種誤差和困難，作為任何干涉儀系統(tǒng)中可能產(chǎn)生的同類誤差和困難的例子，達(dá)到這樣一種程度多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)140和多相移干涉圖像信息149將空間分離波前，即空間分離的相移干涉圖，分布到探測器子系統(tǒng)150的分離部分或表面。應(yīng)當(dāng)理解，與圖2-5中所示的元件和操作相比，在使用附加光學(xué)元件和/或不同照相機(jī)提供不同光路以獲得多個(gè)干涉圖等的干涉儀系統(tǒng)中，這種誤差和困難的大小相對(duì)加重。因此，當(dāng)用于這種系統(tǒng)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可提供更大的相對(duì)優(yōu)點(diǎn)。
圖6表示在圖1中所示干涉儀裝置的各種特定實(shí)施例中可結(jié)合本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用的多相移圖像產(chǎn)生部分160B的第二示范實(shí)施例。在多相移圖像產(chǎn)生部分160B中，可進(jìn)一步減小多相移圖像產(chǎn)生部分160A中存在的各種非共態(tài)誤差和其他誤差源，并且理想情況下可以消除到一定程度，可為探測器子系統(tǒng)150上小區(qū)域內(nèi)多個(gè)相位提供多相移干涉圖像信息。這與分布各子波前250、260、270和280相對(duì)照，從而將各不同的空間分離的相移干涉圖149a、149b、149c和149d分布到探測器陣列240的分離部分中，其在獨(dú)立的光路上實(shí)施探測器子系統(tǒng)150。
以另一種方法描述，如果在調(diào)整或者消除波前分裂元件210時(shí)，可保持空間分離相移干涉圖149a、149b、149c和149d的組合產(chǎn)生的多相移干涉圖像信息，使得對(duì)于多相移干涉圖像信息中包含的至少某些相位，在探測器子系統(tǒng)150的象限Q0-Q3和表面上，至少一些光路不再分離，那么在控制系統(tǒng)170根據(jù)探測器子系統(tǒng)150在信號(hào)線172上輸出的圖像產(chǎn)生的測量中，某些附加的非共態(tài)誤差源可以消除和/或轉(zhuǎn)換成共態(tài)誤差。
圖6為表示多相移圖像產(chǎn)生部分160B第二示范實(shí)施例的分解圖。在所引用的’130和’110申請(qǐng)中詳細(xì)披露和描述了圖6中所示各元件的制造、組裝和操作。從而，下面僅描述多相移圖像產(chǎn)生部分160B制造和操作的某些方面，以說明結(jié)合下面參照?qǐng)D7-14進(jìn)一步描述的本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可使用的某些特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)理解，多相移圖像產(chǎn)生部分160B的第二示范實(shí)施例可用于取代圖2-5中所示多相移圖像產(chǎn)生部分160A，而且更一般地作為參照?qǐng)D1所述的多相移圖像產(chǎn)生部分160。
如圖6A中所示，多相移圖像產(chǎn)生部分160B包括多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)140B和探測器子系統(tǒng)150B。在各種示范實(shí)施例中，使用任何已知適合的或最新開發(fā)類型的單陣列探測器710實(shí)現(xiàn)探測器子系統(tǒng)150B。如圖6中所示，在各種特定實(shí)施例中，多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)140B包含所引用的’110申請(qǐng)中所披露且在下面進(jìn)一步描述的特殊高密度相移陣列元件490和偏振元件530，其中在各特定實(shí)施例中偏振元件530為所引用的’110和’130申請(qǐng)中描述且在下面進(jìn)一步描述的高密度偏振器陣列，并且在結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可使用的各種其他特定實(shí)施例中，為提供單一偏振方向的均勻偏振元件。
如圖6A中所示，前面參照?qǐng)D1和2所述的組合波前129，透過光輸入部分135’。所透過的組合波前129包括前面所述的參考波前124和物波前128。透過的組合波前129作為充滿高密度相移陣列元件490的單一波前傳播，其提供其間具有四分之一波延遲差的兩個(gè)交錯(cuò)延遲片的組合功能，如所引用的’110申請(qǐng)和下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的。因此，在各種示范實(shí)施例中，從高密度相移陣列元件490傳播的透過組合波前129，包括至少兩個(gè)相移部分的交錯(cuò)圖案，這兩個(gè)相移部分具有相對(duì)相移分隔90度的不同的相對(duì)相移。
穿過高密度相移陣列元件490、包括相差90度相對(duì)相移交錯(cuò)圖案的透過組合波前129，傳播到偏振元件530上，偏振元件530一般來說用于使從高密度相移陣列元件490穿過的透過組合波前129的各個(gè)部分中正交偏振分量124和128的各同相和/或異相分量透過并干涉，如所引用的’110和’130申請(qǐng)中及下面進(jìn)一步詳細(xì)描述的。
結(jié)果，在射出偏振元件530的多相移干涉圖像信息640中產(chǎn)生干涉部分的二維交錯(cuò)圖案。這種干涉部分的二維交錯(cuò)圖案作為基本上擴(kuò)展到探測器裝置710整個(gè)表面區(qū)域上的單一圖像被接收，其中探測器裝置710用于實(shí)現(xiàn)探測器子系統(tǒng)150B。應(yīng)當(dāng)理解，在各種示范實(shí)施例中，干涉部分的二維交錯(cuò)圖案可包括多相移干涉圖像信息640中的第一、第二、第三和第四相對(duì)相位干涉部分，該第一至第四相對(duì)相位干涉部分功能上對(duì)應(yīng)圖4中所示Q0-Q3象限232-238的高密度即逐個(gè)象素交錯(cuò)，并且作為單一圖像傳輸?shù)接糜趯?shí)現(xiàn)探測器子系統(tǒng)150B的探測器裝置710的表面上。
在圖6所示多相移圖像產(chǎn)生部分160B的第一示范實(shí)施例中，參考波前124與物波前128沿圖6A中所示的正交方向132A和133A偏振。在第一示范實(shí)施例中，偏振元件530包括包含圖6C中所示圖案531A的高密度偏振片陣列，其包括條形的第一偏振部分532A和條形第二偏振部分534A，具有如圖案531A的詳細(xì)視圖中各“柵格線”所示的相應(yīng)偏振方向。
在該示范實(shí)施例中，當(dāng)偏振元件530包括具有圖案531A的高密度偏振器陣列時(shí)，高密度相移陣列元件490包括圖案491A。如圖6B中詳細(xì)視圖中所示，圖案491A包括交替設(shè)置的條形0度相移部分P0和條形90度相移部分P90。在各種示范實(shí)施例中，按照所引用的’110申請(qǐng)中所述的任何方法，通過形成適當(dāng)厚度的雙折射材料層或雙折射基底而制造高密度相移陣列元件490的條形0度相移部分P0和條形90度相移部分P90。不過，應(yīng)當(dāng)理解，在該特定示范實(shí)施例中，雙折射材料層或雙折射基底的快軸(fast axis)方向總是一律垂直的，如所引用的’110申請(qǐng)的圖15中所示的實(shí)施方式。
在該示范實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)理解第一偏振部分532A使射出高密度相移陣列元件490的透射組合波前129中正交偏振分量124和128的同相分量透過和干涉。類似地，第二偏振部分534A用于使射出高密度相移陣列元件490的透射組合波前129中正交偏振分量124和128的異相分量透過和干涉。與該示范實(shí)施例對(duì)應(yīng)的多相移干涉圖像信息640的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成不同相移“單元”的“棋盤狀”結(jié)構(gòu)，或者功能與圖4中所示Q0-Q3象限232-238的高密度交錯(cuò)相應(yīng)的部分，對(duì)應(yīng)于下列矩陣的結(jié)構(gòu)Q3Q1Q3Q1Q2Q0Q2Q0Q3Q1Q3Q1Q2Q0Q2Q0在相移部分P90與-45度偏振的第二偏振部分534A重疊的位置產(chǎn)生各Q3單元或部分。在相移部分P90與+45度偏振的第一偏振部分532A重疊的位置產(chǎn)生各Q1單元或部分。在相移部分P0與-45度偏振的第二偏振部分534A重疊的位置產(chǎn)生各Q2單元或部分。在相移部分P0與+45度偏振的第一偏振部分532A重疊的位置產(chǎn)生各Q4單元或部分。在各種示范實(shí)施例中，各單元或部分與用于實(shí)現(xiàn)探測器子系統(tǒng)150B的探測器裝置710的單一像素相對(duì)應(yīng)。
在該示范實(shí)施例中，可對(duì)多相移干涉圖像信息640的各部分進(jìn)行信號(hào)處理，如參照所引用的’110申請(qǐng)的圖20所述，其大致對(duì)應(yīng)公式8的實(shí)現(xiàn)，不過使用更可能具有更多類似共態(tài)誤差的相鄰像素，用于相對(duì)如多相移圖像產(chǎn)生部分160A中提供的使用寬分隔像素的干涉儀系統(tǒng)提高精度。
不過，與參照多相移圖像產(chǎn)生部分160A的上述描述類似，應(yīng)當(dāng)理解，在像素水平上產(chǎn)生的偏置和偏移誤差中依然存在殘留差異，在探測器710和/或控制系統(tǒng)170中隨后有關(guān)像素的信號(hào)處理中，不能通過多相移圖像產(chǎn)生部分160B提供的共態(tài)誤差去除方法去除這些差異。不過，如前面所述，如下面詳細(xì)描述的本發(fā)明系統(tǒng)和方法，對(duì)于各種干涉儀設(shè)計(jì)而言，可通過干涉儀的各信號(hào)探測通道方便地實(shí)現(xiàn)。例如，對(duì)于多相移圖像產(chǎn)生部分160B，可使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法改變來自于照明源的輻射波長，同時(shí)在探測器710的各像素上積分光信號(hào)。因此，使用根據(jù)本發(fā)明的一種系統(tǒng)和方法，可確定探測器240各單獨(dú)像素特有的偏移信號(hào)分量，并且通過各單獨(dú)像素提供的各種干涉測量信號(hào)，可以在隨后的處理中消除或者補(bǔ)償所確定的偏置信號(hào)分量，以便在使用多相移圖像產(chǎn)生部分160B時(shí)為內(nèi)插系統(tǒng)100提供提高水平的內(nèi)插值和精度。
或者，在各種示范實(shí)施例中，僅僅使用根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法提供誤差減小和/或信號(hào)處理的另一種方法，其在某些應(yīng)用中可提供各種優(yōu)點(diǎn)，或者具有一定經(jīng)濟(jì)的干涉儀系統(tǒng)部件。
在多相移圖像產(chǎn)生部分160B的第二示范實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法允許將多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)140B的至少一個(gè)部件簡化。在引用的’110和’130申請(qǐng)中沒有具體披露該第二示范實(shí)施例。不過，基于其中的各種教導(dǎo)，下面所述各部件的制造、組裝和操作將會(huì)清楚。
在多相移圖像產(chǎn)生部分160B的第二示范實(shí)施例中，參考波前124與物波前128沿圖6中所示的正交方向132B和133B偏振。在該第二示范實(shí)施例中，偏振元件530是提供單一偏振方向的均勻偏振元件，如圖案531B詳細(xì)視圖中各“柵格線”532B所示。在各種示范實(shí)施例中，使用由空間分離的平行導(dǎo)電元件陣列構(gòu)成的線柵偏振元件實(shí)現(xiàn)均勻偏振元件530。在此將其相關(guān)教導(dǎo)引作參考的美國專利No.6,108,131；6,122,103和6,243,199，披露了形成這種線柵偏振元件的系統(tǒng)和方法。
在該示范實(shí)施例中，當(dāng)偏振元件530包括531B所示的偏振方向時(shí)，高密度相移陣列元件490包括圖案491B。如圖6D的詳細(xì)視圖中所示，圖案491B包括0度相移部分P0與90度相移部分P90的棋盤狀圖案。在各種示范實(shí)施例中，根據(jù)所引用的’110申請(qǐng)中所述的任何方法，通過形成適當(dāng)厚度的雙折射材料層或雙折射基底來制造高密度相移陣列元件490的0度相移部分P0和90度相移部分P90的棋盤狀圖案。在該特定示范實(shí)施例中，如在所引用的’110申請(qǐng)的圖6和15所示的示范實(shí)施例中，雙折射材料層或雙折射基底的快軸方向總是一致垂直的。
在該示范實(shí)施例中，應(yīng)當(dāng)理解，偏振元件530用于使射出高密度相移陣列元件490的透射組合波前129中正交偏振分量124和128的同相分量透過和干涉。與該示范實(shí)施例相應(yīng)的多相移干涉圖像信息640的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成不同相移“單元”的“棋盤狀”結(jié)構(gòu)，或者功能與圖4中所示的僅僅Q0和Q1象限232和234的高密度交錯(cuò)相應(yīng)的部分，對(duì)應(yīng)于下列矩陣的結(jié)構(gòu)Q0Q1Q0Q1Q1Q0Q1Q0Q0Q1Q0Q1Q1Q0Q1Q0在相移部分P0產(chǎn)生的各Q0單元或部分與水平偏振元件530重疊。在相移部分P90與水平偏振元件530重疊的位置產(chǎn)生各Q1單元或部分。在各種示范實(shí)施例中，各單元或部分與用于實(shí)現(xiàn)探測器子系統(tǒng)150B的探測器裝置710的單一像素相對(duì)應(yīng)。
與前面所述的多相移圖像產(chǎn)生部分160A的實(shí)施例和多相移圖像產(chǎn)生部分160B的第一示范實(shí)施例不同，多相移產(chǎn)生部分160B的此第二示范實(shí)施例在結(jié)構(gòu)上更加簡單，不過其分別提供僅與0和90度兩個(gè)不同相移相應(yīng)的交錯(cuò)相移圖像部分。因此，與這些部分相比，沒有提供180度相對(duì)相移的部分，并且不能應(yīng)用前面有關(guān)公式6-8中描述的用于消除共態(tài)偏移誤差的方法。不過，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法，如下面參照?qǐng)D7-14進(jìn)一步詳細(xì)描述的，依然可用于消除干涉儀系統(tǒng)100的雙相實(shí)施例中的偏移誤差，例如當(dāng)使用多相移圖像產(chǎn)生部分160B的該實(shí)施例提供干涉儀系統(tǒng)100的雙相實(shí)施例時(shí)，在干涉儀系統(tǒng)100中無需提供附加光路或者附加的光路長度改變元件。
更具體而言，應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可與干涉儀系統(tǒng)包括但不限于所引用的’110和’130申請(qǐng)中任何實(shí)施例的各種雙相、三相、四相組合，以提供上面概括指出的各種優(yōu)點(diǎn)。因此，可結(jié)合根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法使用的上述干涉儀系統(tǒng)實(shí)施例，包括這種系統(tǒng)的特定多相移產(chǎn)生結(jié)構(gòu)，僅是示例性的，并非限制性的。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向消除和/或補(bǔ)償干涉儀系統(tǒng)中各種偏移誤差的問題，其是根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的主要目的，如前面概括描述的，各種現(xiàn)有技術(shù)解決方法的主要缺點(diǎn)在于需要移動(dòng)部件，和/或用于特別提供附加光信號(hào)路徑的增加的系統(tǒng)復(fù)雜度和成本，和/或調(diào)節(jié)光信號(hào)路徑長度，其可用于提供消除和/或補(bǔ)償至少某些偏移誤差分量所必須的附加信號(hào)。例如，前面參照?qǐng)D2-6C描述的4-相干涉儀系統(tǒng)，采用功能大致與公式8等效的信號(hào)處理，需要特殊、精密且復(fù)雜的元件，如衍射光學(xué)元件或高密度偏振器陣列等。此外，這種系統(tǒng)基本需要四個(gè)不同的相移干涉圖共享單一探測器的區(qū)域，與僅兩個(gè)不同相移干涉圖共享單一探測器區(qū)域的系統(tǒng)相比，可為檢測物體130提供的有效測量空間分辨率或測量密度減小。
已知有采用功能上大致與公式8等效的信號(hào)處理，并且使用兩個(gè)照相機(jī)提供四個(gè)不同相移干涉圖或者等效圖像信息的其他系統(tǒng)，還有為此采用三個(gè)或四個(gè)照相機(jī)的其他系統(tǒng)。這種系統(tǒng)避免了上述一些缺點(diǎn)，不過復(fù)合了其他缺點(diǎn)。在所引用的’110和’130申請(qǐng)中披露了幾種雙照相機(jī)結(jié)構(gòu)。在此全文引作參考的R.Smythe和R.Moore的文章“Instantaneous Phase MeasuringInterferometry”(Optical Engineering，July/August，1984，Vo1.23，No.4，pages361-364)中，描述了包含根據(jù)本發(fā)明原理可使用的另一例多相移結(jié)構(gòu)的4照相機(jī)結(jié)構(gòu)。
在用于消除或補(bǔ)償偏移信號(hào)分量的另一種已知方法中，可調(diào)諧激光源干涉儀以N個(gè)離散的頻率或波長步長步進(jìn)，并且干涉儀系統(tǒng)采集并存儲(chǔ)每個(gè)相關(guān)的干涉測量信號(hào)。在各種實(shí)施例中，N個(gè)離散頻率或波長步長得到精確控制并且已知，增加了系統(tǒng)復(fù)雜度，降低了所需信號(hào)采集的執(zhí)行速度。在各種其他實(shí)施例中，不精確控制頻率或波長步長，其相對(duì)提高所需信號(hào)采集的執(zhí)行速度，不過其缺點(diǎn)是將附加的復(fù)雜性引入用于確定偏移信號(hào)分量的后續(xù)信號(hào)處理中。在各種示范實(shí)施例中，使用各種已知算法來分析所獲得的信號(hào)，以確定偏移信號(hào)分量，包括Heydeman算法、傅里葉分析等。
應(yīng)當(dāng)理解，實(shí)際上所有上述技術(shù)的另一個(gè)缺點(diǎn)是，它們都妥協(xié)于不可避免的外部振動(dòng)，隨獲得偏移信號(hào)補(bǔ)償所必須的信號(hào)測量花費(fèi)的經(jīng)過時(shí)間，改變各種現(xiàn)有技術(shù)系統(tǒng)和方法的各種光路長度。因此，振動(dòng)以一種不受控制的方式改變各種信號(hào)和信號(hào)關(guān)系，并在相關(guān)的偏移信號(hào)補(bǔ)償中引起相應(yīng)誤差。
與上述已知系統(tǒng)和方法不同，本發(fā)明利用一種獨(dú)特的實(shí)施方法，通過改變源波長λ來測量信號(hào)偏移，從而使其可通過干涉儀系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)探測器信號(hào)通道獲得消除和/或補(bǔ)償各種偏移誤差所必須的信號(hào)，無需在干涉儀系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光路中增加部件或者外加光路長度調(diào)節(jié)。本發(fā)明特別的優(yōu)點(diǎn)還在于，因?yàn)槠溥B續(xù)掃描源波長λ，從而可在非常短的時(shí)間內(nèi)提供消除和/或補(bǔ)償各種偏移誤差所需的信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，在非常短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生所需信號(hào)，相對(duì)來說減小了該方法對(duì)上述不可避免振動(dòng)的敏感性。此外，由于光通信業(yè)的發(fā)展，適于改變源波長λ的可調(diào)波長光源可以降低的成本、逐漸增加的精度和速度逐漸可獲得。
在下面的描述中將量(z/λ)稱作光相位是方便的。如前面概括指出，本發(fā)明通過在由探測器通道的探測器采集或積分信號(hào)的期間改變來自干涉儀照明源的輻射波長，提供表示干涉儀中該探測器通道信號(hào)的偏移分量的信號(hào)。下面概括描述波長改變的目的。例如，公式4和5說明干涉儀的各種探測器通道中信號(hào)一般如何依賴于偏移C、OPDz和源波長λ。由于本發(fā)明的目的在于確定與任何探測器通道有關(guān)的偏移分量，為進(jìn)行這種討論我們必須假設(shè)偏移分量C是未知的。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)不同探測器通道與不規(guī)則檢測物體的不同部分對(duì)應(yīng)時(shí)，物體的不同部分通常具有不同的OPDz，并且OPDz常常是未知的，要對(duì)檢測物體的每個(gè)部分確定OPDz。因此，對(duì)于檢測物體的每個(gè)部分和每個(gè)探測器通道，光相位(z/λ)也是未知的。因此，例如，即使A1和λ是已知的，也不能求解公式4得到偏移C1。
不過，應(yīng)當(dāng)理解對(duì)于OPDz和波長λ的典型值，且當(dāng)OPDz固定不變時(shí)，公式4中的量A1Sin2π(z/λ)對(duì)于波長λ值的小的改變是一種快變周期性函數(shù)。此外，當(dāng)在多個(gè)周期上對(duì)該周期性函數(shù)進(jìn)行積分并且求平均時(shí)，即使不是整數(shù)個(gè)周期，所產(chǎn)生的平均也將趨于近似收斂于0，而與A1值無關(guān)，與z值無關(guān)，并且與波長λ的精確的標(biāo)稱值或范圍無關(guān)。因此，就干涉儀的操作而言，如果適當(dāng)改變波長λ，則輸入探測器的光的光相位也將適當(dāng)改變，并且當(dāng)將所產(chǎn)生的探測器響應(yīng)積分，并在積分時(shí)間上將所得求平均時(shí)，公式4或5中的相應(yīng)分量等將近似為0，保留的積分和時(shí)間平均信號(hào)將是我們希望確定的偏移分量、偏移C1(或C2)等。
在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，可通過在大范圍內(nèi)連續(xù)、單調(diào)地改變波長而方便、經(jīng)濟(jì)且接近理想地滿足這些條件。不過，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于此。具體而言，在積分周期內(nèi)可通過各種不同方法改變波長，包括沒有為探測器輸入產(chǎn)生不中斷且“單向”光相位改變，并且依然可獲得可比或可用結(jié)果。下面進(jìn)一步概括指出各種替代方式。不過，應(yīng)當(dāng)理解，在這樣的情形中，通常不希望以一種使積分信號(hào)偏移的方式停留于比一個(gè)波長更長的另一波長處。此外，通常希望提供使量Sin2π(z/λ)在可得值的全部范圍內(nèi)改變的波長，以進(jìn)一步避免將偏移引入積分信號(hào)中。在各種示范實(shí)施例中，可至少大致或者充分地滿足這種通常的期望條件，無需提供精確控制的光路長度改變或者精確控制的波長改變的昂貴的元件和機(jī)制，其用于在各種傳統(tǒng)系統(tǒng)和方法中將光相位改變精確已知或者可控制的量。在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，本發(fā)明的一個(gè)目的在于避免使用這種昂貴和/或慢元件和機(jī)制。在根據(jù)本發(fā)明的各種其他示范實(shí)施例中，這些元件預(yù)先存在于干涉儀中，本發(fā)明的一個(gè)目的是補(bǔ)充使用這些元件帶來本發(fā)明的附加優(yōu)點(diǎn)，或者提供一種更快的替代方法來確定這種干涉儀中的偏移。
還應(yīng)當(dāng)理解，雖然上述描述和下面的進(jìn)一步說明，一般將我們希望確定的對(duì)于探測器通道的偏移分量說成是時(shí)間平均積分信號(hào)，或者等效概念，但在各種應(yīng)用中，通過使根據(jù)本發(fā)明的偏移校正確定操作的總有效積分周期與將要使用所確定的偏移校正量偏移校正或補(bǔ)償?shù)母鞣N干涉測量的總有效積分周期相同，可避免時(shí)間平均操作。根據(jù)這一過程，在每個(gè)情況下總積分偏移分量都將相同。因此，例如，可以直接從總積分干涉測量值中減去從偏移校正確定操作得到的總積分探測器信號(hào)值，以提供所需的偏移校正的干涉測量信號(hào)。
通常，對(duì)干涉儀每個(gè)信號(hào)探測器如用作干涉圖探測器的照相機(jī)各像素的偏移值將會(huì)不同，從而應(yīng)該在逐個(gè)探測器或逐個(gè)像素的基礎(chǔ)上確定和去除偏移信號(hào)。對(duì)于各種干涉儀設(shè)計(jì)而言，通過干涉儀的各信號(hào)探測通道可方便地實(shí)施本發(fā)明。例如，根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法可以改變照射源的輻射波長，同時(shí)在干涉儀系統(tǒng)所使用的照相機(jī)的每個(gè)像素上積分光信號(hào)。這使得本發(fā)明在與如所引用參考文獻(xiàn)中披露的各種多路徑多照相機(jī)干涉儀系統(tǒng)結(jié)合使用時(shí)特別有價(jià)值。應(yīng)當(dāng)理解，與這種多路徑多照相機(jī)系統(tǒng)有關(guān)的偏移誤差的各個(gè)分量并不是共態(tài)誤差，從而不能通過大多數(shù)上述現(xiàn)有技術(shù)方法來消除。相反，本發(fā)明對(duì)于這種多路徑多照相機(jī)干涉儀系統(tǒng)是完全有效的。
現(xiàn)在參照?qǐng)D7-14更詳細(xì)地描述本發(fā)明。
圖7為表示干涉儀系統(tǒng)100A的方框圖，是圖1中所示一般干涉儀系統(tǒng)100的另一示范實(shí)施例，根據(jù)本發(fā)明其顯然包括偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171以及可調(diào)諧激光器110A。圖7還表示出激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路、程序或應(yīng)用軟件173，如下面進(jìn)一步描述的，其在干涉儀系統(tǒng)100A的各種示范實(shí)施例中是可選擇或省略的元件。在各種實(shí)施例中，激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路、程序或應(yīng)用軟件173，分別通過信號(hào)和/或控制線174和175與控制系統(tǒng)170A和可調(diào)諧激光器110A相互連接。在各種其他示范實(shí)施例中，激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路、程序或應(yīng)用軟件173包含在控制系統(tǒng)170A和可調(diào)諧激光器110A中并且不可區(qū)分。另外，干涉儀系統(tǒng)100A的其他元件可以包括前面參照干涉儀系統(tǒng)100所述的其他實(shí)施例，以及本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通常已知或者顯然得出的各種其他替代實(shí)施例中的任何元件。下面參照?qǐng)D12進(jìn)一步描述可調(diào)諧激光器110A及激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路、程序或應(yīng)用軟件173。
在圖7所示的示范實(shí)施例中，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171作為控制系統(tǒng)170A的一部分實(shí)施。不過，應(yīng)該理解，在各種其他示范實(shí)施例中，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171可以作為分離電路、程序或應(yīng)用軟件實(shí)施，其與控制系統(tǒng)170A和/或干涉儀系統(tǒng)100A的其他部件在一個(gè)或多個(gè)信號(hào)和/或控制線172和174或者類似的分離信號(hào)和/或控制線上接口。在各種示范實(shí)施例中，可操作偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171實(shí)現(xiàn)參照?qǐng)D8-14所述的根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法的操作。
圖8為根據(jù)本發(fā)明改變輻射波長并積分探測器上的相應(yīng)信號(hào)的第一示例方法的時(shí)序圖。具體來說，圖8表示可用于從任何干涉儀探測器信號(hào)通道獲取信號(hào)的操作順序，該信號(hào)可用于確定該探測器信號(hào)通道的偏移信號(hào)分量?？筛鶕?jù)控制系統(tǒng)170、和/或偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171提供或者對(duì)其可得到的時(shí)鐘信號(hào)和/或其他信號(hào)確定操作時(shí)序。如圖8中所示，在時(shí)刻t0時(shí)開始操作序列。假設(shè)干涉儀系統(tǒng)的可調(diào)諧激光源110A最初為接近于其操作范圍中間某處的額定操作波長，在時(shí)刻t1，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，這使可調(diào)諧激光源110A開始將波長調(diào)節(jié)到稍微小于所期望的λstart。
在時(shí)刻t2，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將探測器觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給探測器子系統(tǒng)150，開始探測器子系統(tǒng)150的信號(hào)采集時(shí)序。例如，在各種示范實(shí)施例中，探測器子系統(tǒng)150包括相對(duì)傳統(tǒng)的CCD或CMOS照相機(jī)系統(tǒng)或芯片，并且探測器觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)照相機(jī)異步復(fù)位。根據(jù)照相機(jī)的內(nèi)在性能開始圖像積分。在任何情況下，在后一時(shí)刻t4，探測器子系統(tǒng)150開始探測器信號(hào)積分周期。在各種示范實(shí)施例中，當(dāng)探測器子系統(tǒng)150包括相對(duì)傳統(tǒng)的CCD或CMOS照相機(jī)系統(tǒng)或芯片時(shí)，積分周期包括照相機(jī)的可編程固有積分周期。在另一個(gè)示范實(shí)施例中，積分周期可對(duì)應(yīng)另一種電子或物理快門的控制，其可有效地確定探測器接收和積分光信號(hào)的周期。
在時(shí)刻t3，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A開始掃描波長。根據(jù)上面的討論應(yīng)當(dāng)理解，即使OPDz恒定，也將產(chǎn)生探測器積分的信號(hào)改變，開始于與時(shí)刻t4相應(yīng)的波長λstart，連續(xù)進(jìn)行直到在時(shí)刻t5時(shí)與探測器積分周期結(jié)束相應(yīng)的波長λend。下面參照?qǐng)D9更詳細(xì)地討論有關(guān)的信號(hào)改變和積分信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，不必采取任何特殊措施來得到或控制波長λstart和λend。相反，這些波長可以隨測量不同，并且這些波長標(biāo)記僅僅為各波長的方便的描述符號(hào)，可根據(jù)干涉儀系統(tǒng)100A各部件的固有特性，與積分周期的開始和結(jié)束相對(duì)應(yīng)。
通常，在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，由于下面更顯而易見的原因，希望可調(diào)諧激光源110A在探測器積分結(jié)束時(shí)間t5后的時(shí)刻t6完成波長掃描操作。在時(shí)刻t6，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A復(fù)位成探測儀系統(tǒng)100A常規(guī)干涉測量模式的希望操作波長。
應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)使可調(diào)諧激光器110A回轉(zhuǎn)到所期望調(diào)節(jié)范圍下限時(shí)所需的時(shí)間量遠(yuǎn)大于信號(hào)積分準(zhǔn)備時(shí)初始化或復(fù)位探測器子系統(tǒng)150所需的時(shí)間時(shí)，圖8中所示的實(shí)施例是適當(dāng)?shù)?。在這種情形中，為了在積分周期開始之前使激光器從所需調(diào)節(jié)范圍的下限開始掃描，時(shí)刻t1的操作必須領(lǐng)先于時(shí)刻t2的操作。不過，應(yīng)當(dāng)理解，如果激光器能比探測器初始化或復(fù)位操作更快地回轉(zhuǎn)到所需調(diào)節(jié)范圍的下端，則這并非是必不可少的。具體而言，在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，由于下面將會(huì)明顯的原因，可調(diào)諧激光源110A在早于探測器積分開始時(shí)間t4的時(shí)刻t3完成重新調(diào)節(jié)到稍微小于所需λstart的波長的操作是足夠的。
應(yīng)當(dāng)理解，在各種示范實(shí)施例中，與前面所述相比可反轉(zhuǎn)掃描方向。即，通常，λstart可以為比λend更長的波長或更短的波長。在各種示范實(shí)施例中，在積分期間，波長改變正比于調(diào)節(jié)信號(hào)改變，并且如調(diào)節(jié)信號(hào)801所示隨時(shí)間線性變化。在根據(jù)本發(fā)明的各種其他示范實(shí)施例中，如果在積分周期上波長改變率dλ/dt稍微改變就足夠了，但通常對(duì)于多數(shù)積分周期而言，在與輸入探測器的光信號(hào)的數(shù)個(gè)周期可比的時(shí)間周期上改變不大。
在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，探測器子系統(tǒng)中包含照相機(jī)，照相機(jī)的各種像素提供根據(jù)本發(fā)明原理可用的探測器。在這種照相機(jī)的一個(gè)實(shí)施例中，照相機(jī)為可從位于加拿大British Columbia，Vancouver的West Broadway305-1847的Point Gray Research可得的“Dragonfly”照相機(jī)。在各種操作模式中，Dragonfly照相機(jī)支持從1/30秒到1/8000秒的積分周期。從而，在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中，合理的是積分周期短于67毫秒、34毫秒、10毫秒、1毫秒、200微秒、100微秒、20微秒和5微秒其中至少一個(gè)。應(yīng)當(dāng)理解，在根據(jù)本發(fā)明確定積分周期期間所積分信號(hào)的時(shí)間平均的各種示范實(shí)施例中，希望了解有效信號(hào)積分周期的持續(xù)時(shí)間，并且其精度在下面詳細(xì)描述的所希望殘留誤差值ε的量級(jí)。對(duì)于較長積分周期而言這通常易于獲得，不過對(duì)于使用數(shù)百微秒或更短量級(jí)的積分時(shí)間的高精度應(yīng)用來說，要求特別小心。在這種情形中，可使用采用相對(duì)更高速度周期測量時(shí)鐘等的已知高精度時(shí)間測量技術(shù)來提供所需精度。
圖9包括表示輸入探測器中的光信號(hào)VIN1的特性曲線，和偏移測量中百分比誤差的曲線。圖9中所示偏移測量中百分比誤差曲線，代表探測器積分信號(hào)的時(shí)間平均的一般特性，這是由于連續(xù)改變干涉儀激光源的頻率或波長而波長周期在探測器上積累時(shí)積分信號(hào)VIN1而產(chǎn)生的。可根據(jù)公式4確定探測器處出現(xiàn)的光信號(hào)VIN1。當(dāng)OPDz恒定時(shí)，與額定波長相比波長掃描范圍相對(duì)較小，并且波長隨時(shí)間線性掃描，如調(diào)節(jié)信號(hào)801所示，光信號(hào)VIN1將是幅度近似恒定的周期性信號(hào)，如圖9中所示。
積分探測器輸出的時(shí)間平均可以寫作公式9VIN1‾=1T∫0TVIN1(t)dt]]>(公式9)其中T為積分周期的持續(xù)時(shí)間。應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)λ正比于t時(shí)，也可以對(duì)λ進(jìn)行積分。
由于VIN1為周期性函數(shù)，得出VIN1＝C1+ε(公式10)其中C1為探測器通道待確定的偏移信號(hào)分量，ε為取決于積分周期開始和結(jié)束時(shí)的光相位VIN1的周期殘留誤差值，其反過來根據(jù)公式4，由λstart和λend決定。由于VIN1是周期性函數(shù)，殘留誤差值ε一般會(huì)隨積累的波長周期周期性改變。
希望使ε最小，因?yàn)檫@樣就限制了根據(jù)本發(fā)明原理確定偏移信號(hào)分量時(shí)的不確定性。在各種示范實(shí)施例中，這可通過使積分時(shí)間周期內(nèi)產(chǎn)生的信號(hào)VIN1的周期數(shù)最大來實(shí)現(xiàn)。周期數(shù)N由公式11給出N=|λstart-λend|λstartλendz]]>(公式11)顯然，可通過增大波長范圍｜λstart-λend｜和/或z、兩干涉儀臂之間的OPD來增大N。實(shí)際問題是，z的最大值常會(huì)受干涉儀和檢測物體130的結(jié)構(gòu)限制。在一種設(shè)計(jì)極限條件下，z會(huì)具有受激光源相干長度限制的上限。對(duì)于現(xiàn)有的干涉儀設(shè)計(jì)而言，增大波長范圍通常是明顯增大N的一種最為實(shí)際的方法。
如前面所述，圖9中所示偏移測量的百分比誤差曲線，代表在由于連續(xù)改變干涉儀的頻率或波長而波長周期在探測器上積累時(shí)所積分的探測器輸出的時(shí)間平均的一般特性。圖9中沿水平軸的任意點(diǎn)處的偏移測量的百分比誤差值，對(duì)應(yīng)殘留誤差值ε的幅度。如圖9中所示，隨著信號(hào)VIN1積分周期數(shù)增大，殘留誤差值ε減小。換言之，隨著信號(hào)VIN1的積分周期數(shù)增大，積分信號(hào)的時(shí)間平均收斂于信號(hào)VIN1的DC水平，其與待確定的偏移信號(hào)分量相應(yīng)的DC水平相同。對(duì)于圖9中所示的光信號(hào)VIN1的例子，在探測器積分大約60個(gè)波長周期后，殘留誤差值ε減小到遠(yuǎn)小于待確定偏移信號(hào)分量的百分之一。
在一個(gè)示范實(shí)施例中，為了進(jìn)一步說明本發(fā)明的操作，干涉儀系統(tǒng)100A可以為絕對(duì)或雙波長干涉儀系統(tǒng)，其通常產(chǎn)生50mm的額定OPD，并且工作于780nm附近的兩個(gè)緊密間隔的波長。在如上面參照?qǐng)D8概括描述的偏移確定操作模式中，某些近似示例值為λstart＝780nm和λend＝780.5nm。因此，對(duì)于這樣一種波長改變，在積分周期內(nèi)積累大約41個(gè)周期。從50mm/780nm＝64,102.6周期和50mm/780.5nm＝64,061.5周期來計(jì)算周期數(shù)，從而差值大約為N＝41周期。
當(dāng)相應(yīng)光信號(hào)VIN1具有圖9中所示的AC與DC分量幅度的近似比值時(shí)，最大殘留誤差值ε為大約0.7％。我們提到最大殘留誤差值，是因?yàn)槿缜懊嫠?、下面參照?qǐng)D10進(jìn)一步描述，通常VIN1的光相位是未知的且“不受控制的”。此外，即使由同一光源照射檢測物體的所有部分，當(dāng)兩個(gè)不同部分的OPDz值明顯不同時(shí)，相應(yīng)的不同探測器處出現(xiàn)的波長周期數(shù)將不同。因此，由于檢測物體的外形，即使使用同時(shí)照射和同時(shí)的積分周期，兩個(gè)“不全等的”探測器通道通常也將積分稍微不同數(shù)量的波長周期。從而，通常，對(duì)于任何特定探測器的任何特定信號(hào)積分的結(jié)果，即使有也很少與整數(shù)個(gè)波長周期相應(yīng)。在根據(jù)本發(fā)明的各種實(shí)施例中積分的波長周期數(shù)，一般是非整數(shù)個(gè)波長周期，并且可以等效地與周期性殘留誤差曲線上的任何ε值相應(yīng)，例如，在N＝41附近的峰或谷。
應(yīng)該理解，上述示范實(shí)施例的意圖僅是說明性而非限定性的。例如，具體而言，在各種實(shí)施例中，可使用任何可操作輻射波長；干涉儀系統(tǒng)可以為單波長“遞增”型干涉儀；可在很寬波長范圍上提供波長改變，其可在各種示范實(shí)施例中增加每單位時(shí)間的波長周期數(shù)；積分周期數(shù)可以大于大約40，或者小于40，并且在各種實(shí)施例中依然可以獲得顯著的偏移校正優(yōu)點(diǎn)--例如在各種比較低精度的實(shí)施例中積分周期數(shù)可以是20周期或者10周期量級(jí)。對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員這些和其他改變是顯然的。
此外，盡管上述實(shí)施例概括描述了使用恒定速率或大致恒定速率的連續(xù)波長改變，其在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中提供了方便性和有效性，不過，本發(fā)明不限于此。在其他實(shí)施例中，在積分周期期間可以一次或多次地中斷和恢復(fù)對(duì)探測器的可變波長照射，例如在單調(diào)波長增加或減小期間通過中斷照明的方式?；蛘?，可以通過重復(fù)性波長改變圖案和/或范圍的方式，或者通過波長增大跟隨波長減小的方式，來改變波長，反之亦然。因此，更具體而言，在各種示范實(shí)施例中，在積分周期期間可使用波長改變的各種圖案或序列，條件是這種改變圖案或序列與干涉儀系統(tǒng)的各種定時(shí)和控制能力兼容，并且至少大致滿足前面概括描述的通常所需條件。不過，應(yīng)當(dāng)理解，與簡單的單調(diào)波長改變相比，這種波長改變圖案或序列可能方便性減小，精度降低。
實(shí)際上，參照?qǐng)D8和9所述的上述方法可以用于各種干涉儀系統(tǒng)的任何探測器通道。在各種實(shí)施例中，如在探測器積分周期，和足以將殘留誤差值ε減小到所需水平的期望波長周期數(shù)上確定的積分信號(hào)VIN1的時(shí)間平均值，與同用于補(bǔ)償目的時(shí)希望的偏移信號(hào)分量相應(yīng)的DC水平相等。根據(jù)公式4，例如，此確定的偏移信號(hào)分量為值C1。因此，針對(duì)探測器通道的該偏移信號(hào)分量可乘以該探測器通道用于干涉測量信號(hào)的積分時(shí)間，然后被從該信號(hào)中減去。這種減法僅留下與公式1和2所示相當(dāng)?shù)南鄬?duì)理想的希望干涉測量信號(hào)分量。因此，包括特定波長內(nèi)的高水平插值的干涉測量值，可根據(jù)公式3由這樣的信號(hào)確定。
盡管上述結(jié)果對(duì)于許多應(yīng)用來說足夠了，不過常常希望更高程度地消除偏移信號(hào)分量，優(yōu)選優(yōu)于0.1％，而不必增大N。這對(duì)于使用數(shù)個(gè)波長在遠(yuǎn)大于使用單一波長范圍時(shí)的范圍上測量距離的絕對(duì)干涉儀尤為重要。下面參照?qǐng)D10描述本發(fā)明另一示范實(shí)施例，該示范實(shí)施例包括進(jìn)一步提高偏移確定精度的方法。
圖10的特性曲線表示各信號(hào)1001和1002，信號(hào)1001和1002分別表示對(duì)于輸入信號(hào)VIN1和VIN2的積分探測器響應(yīng)的時(shí)間平均；以及作為這兩個(gè)時(shí)間平均積分信號(hào)平均值的信號(hào)1003，這是由于連續(xù)改變干涉儀激光源的頻率或波長而波長周期在探測器上積累時(shí)的特性。在圖10所示的例子中，輸入光信號(hào)VIN1和VIN2(未示出)為干涉儀的典型正交輸入信號(hào)，其來自于檢測物體的相同部分，并用于信號(hào)插值以高分辨率地確定距檢測物體該部分的距離，如前面所述。因此，可根據(jù)公式5確定其相應(yīng)探測器處出現(xiàn)的光信號(hào)VIN2。否則，光信號(hào)VIN2及其相應(yīng)的時(shí)間平均積分的探測器信號(hào)的特性，或偏移信號(hào)值，與前面參照信號(hào)VIN1和圖9所述類似。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)該特定實(shí)施例，這兩個(gè)信號(hào)在具有相同開始和結(jié)束時(shí)間的相同積分周期上積分。在由相同照相機(jī)的各像素探測和積分各單獨(dú)信號(hào)的各種示范實(shí)施例中，通常由照相機(jī)為兩個(gè)象素提供這一積分周期。
應(yīng)當(dāng)理解，與圖9中所示相比，放大了圖10中的垂直刻度，以突出圖10中沿水平軸顯示的積分45至55個(gè)波長周期后偏移信號(hào)值估計(jì)的殘留誤差值ε上出現(xiàn)的小的變化。
在圖10所示的示例中，信號(hào)VIN1的偏移估計(jì)值，即曲線1001，其與VIN1的積分信號(hào)值的時(shí)間平均相同，是針對(duì)具有2.5個(gè)單位額定偏移分量和1單位AC幅度的信號(hào)的。類似地，信號(hào)VIN2的偏移估計(jì)值，即曲線1002，其與VIN2積分信號(hào)值的時(shí)間平均相同，是針對(duì)具有2.5個(gè)單位的額定偏移分量和1個(gè)單位的AC幅度的信號(hào)。這是一個(gè)合理的示例，因?yàn)橥ǔ?duì)于各種干涉儀系統(tǒng)，我們希望正交光輸入信號(hào)VIN1和VIN2的偏移和幅度值近似相等。
應(yīng)當(dāng)理解，在圖10中曲線1001與1002彼此有位移，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)VIN1和VIN2由于其正交關(guān)系而在積分周期內(nèi)的任何時(shí)間具有不同的相應(yīng)光相位。此外，應(yīng)當(dāng)理解兩個(gè)正交信號(hào)還具有共享的光相移分量，在偏移測量之間該光相移分量通常會(huì)不同，取決于OPDz、額定或初始波長等。由于與正交信號(hào)有關(guān)的探測器通常是全等的，即它們都接收來自于物體同一部分的光信號(hào)，從而共享該共享光相移。通常，該共享光相移分量會(huì)使每個(gè)相應(yīng)的積分信號(hào)曲線產(chǎn)生各種相關(guān)的“不受控制”的位移，這在偏移測量之間將相應(yīng)不同。
應(yīng)當(dāng)理解，通常如前面所述，任一條曲線的位移一般都是未知的，從而不可能知道哪一條曲線對(duì)于任何特定偏移確定測量可能是“最差的”。不過，與位移無關(guān)，發(fā)現(xiàn)這種有關(guān)光相位的效應(yīng)沿垂直軸相對(duì)其相應(yīng)輸入信號(hào)的額定DC偏移值移動(dòng)曲線1001和1002，但不多于其峰到峰值的正或負(fù)一半(曲線1001表示這種最大位移)。
在任何情況下，可對(duì)兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行偏移確定測量，并且將這些偏移測量平均。曲線1003表示曲線1001與1002的平均值。如圖10所示的例中描述的，“平均”曲線1003總能提供信號(hào)VIN1與VIN2的偏移估計(jì)值，該偏移估計(jì)值與單獨(dú)時(shí)間平均積分的信號(hào)曲線1001和1002中較差的一個(gè)相比，具有比較小的最差情形(峰值)殘留誤差值ε。因此，該平均曲線1003通常是一種更佳的偏移估計(jì)。
此外，已知如前面所述對(duì)時(shí)間平均積分信號(hào)可能位移的限制，并且已知正交光輸入信號(hào)VIN1與VIN2之間的相位關(guān)系，那么正如前面對(duì)于單獨(dú)時(shí)間平均積分信號(hào)那樣，我們可以對(duì)平均確定最為糟糕的(峰值)殘留誤差值ε。對(duì)于N＝41，我們發(fā)現(xiàn)最糟糕情況下平均而言(峰值)殘留誤差值ε為～0.2％，其實(shí)質(zhì)上小于與單獨(dú)偏移估計(jì)相應(yīng)的最差情況下(峰值)殘留誤差值ε。
應(yīng)當(dāng)理解，上述求平均技術(shù)也可應(yīng)用于與正交信號(hào)VIN1和VIN2類似的相關(guān)的相對(duì)相移信號(hào)，不過相對(duì)相移不是90度，這種求平均技術(shù)依然會(huì)提供某些上述優(yōu)點(diǎn)。例如，求平均技術(shù)也可以用于各種三相或更高相干涉儀系統(tǒng)等的可比的相關(guān)相對(duì)相移信號(hào)。
圖11的時(shí)序圖表示根據(jù)本發(fā)明改變輻射波長并積分探測器上的相應(yīng)信號(hào)的第二示例方法。如前面所述，通常在極短時(shí)間內(nèi)提供消除和/或補(bǔ)償各種偏移誤差所需的信號(hào)是有利的。這不僅使偏移確定更快速，增大干涉儀的潛在測量或采樣頻率，而且還降低偏移確定方法對(duì)上述不可避免的振動(dòng)的靈敏性。圖11表示根據(jù)本發(fā)明原理，通過在短于探測器全部積分周期的時(shí)間內(nèi)控制激光輻射，來控制和限制光信號(hào)積分有效時(shí)間的方法。應(yīng)當(dāng)理解，在許多環(huán)境下這種方法是有用的，至少包括a)縮短有效光信號(hào)積分周期至低于探測器的固有積分周期，例如以便減小測量之間振動(dòng)引起的改變，和b)有效地高精度地與多照相機(jī)或探測器的有效光信號(hào)積分周期同步，特別是當(dāng)這種照相機(jī)或探測器的固有信號(hào)積分周期不能通過其他方式方便地同步到所需程度時(shí)。
與圖8相似，圖11表示可用于從任何干涉儀探測器信號(hào)通道采集信號(hào)的操作時(shí)序，該信號(hào)可用于確定該探測器信號(hào)通道的偏移信號(hào)分量。有關(guān)圖11的各操作與前面參照?qǐng)D8所述的操作相似或相同，并且這些操作對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯然的。從而，下面不詳細(xì)描述這些操作。
與圖11中所述時(shí)序有關(guān)的操作的主要差別在于，脈沖信號(hào)與可調(diào)諧激光器110的實(shí)際照射周期相應(yīng)。即，當(dāng)脈沖信號(hào)低時(shí)，激光器有效地“斷開”，當(dāng)其高時(shí)，激光器有效地“打開”。在這種激光器照射控制的第一實(shí)施例中，本領(lǐng)域中已知可控制激光二極管等的正向電流，使其恰好低于足以產(chǎn)生激光發(fā)射的閾值。在此狀態(tài)下，激光器“斷開”，不過當(dāng)正向電流增大時(shí)，可在毫微秒量級(jí)的非常短的響應(yīng)時(shí)間打開。脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)用于可調(diào)諧激光器的這種控制模式。在這種激光照射控制的第二實(shí)施例中，激光器在“斷開”期間具有輸出，不過當(dāng)脈沖信號(hào)低時(shí)，激光輸出被提供所需的快速或超快速響應(yīng)時(shí)間的快門阻擋。相反，當(dāng)脈沖信號(hào)高時(shí)，快門打開，而激光器有效地打開。
另一差別是關(guān)于調(diào)節(jié)信號(hào)的重要性。各種可調(diào)諧激光器取決于照射反饋來精確控制調(diào)節(jié)波長。因此，在激光照射控制的第一實(shí)施例中當(dāng)激光器輸出實(shí)際為“斷開”時(shí)，調(diào)節(jié)信號(hào)表示發(fā)送給可調(diào)諧激光器調(diào)節(jié)機(jī)制的開環(huán)控制信號(hào)。開環(huán)控制信號(hào)將該調(diào)節(jié)機(jī)制等調(diào)節(jié)到工作狀態(tài)等，當(dāng)激光器打開時(shí)將提供波長為與開環(huán)信號(hào)相應(yīng)的近似目標(biāo)波長。在各種示范實(shí)施例中，可調(diào)諧激光器閉環(huán)調(diào)節(jié)控制的響應(yīng)時(shí)間可以為，當(dāng)激光器打開時(shí)，在初始閉環(huán)調(diào)節(jié)周期期間激光器波長將成為“環(huán)形(ring)”，這是不能接受的。通過圖11中所示的操作時(shí)序，這種可調(diào)諧激光器可以工作于前面所述的開環(huán)調(diào)節(jié)模式，以避免這些問題發(fā)生。應(yīng)當(dāng)理解，由于根據(jù)本發(fā)明的系統(tǒng)和方法不需要對(duì)激光器波長進(jìn)行任何特殊控制或測量，在根據(jù)本發(fā)明各種示范實(shí)施例中這種開環(huán)控制對(duì)于確定偏移而言將足夠精確。在包括上述激光照射控制的第二實(shí)施例的實(shí)施例中，脈沖信號(hào)控制快門的操作。在下面的描述中，僅描述與激光照射控制的第一實(shí)施例相應(yīng)的實(shí)施例。那么與激光照射控制的第二實(shí)施例相應(yīng)的實(shí)施例的所需差別和操作對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員是顯然的，具有下述優(yōu)點(diǎn)。
操作時(shí)序開始于時(shí)刻t0。在時(shí)刻t1，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A的調(diào)節(jié)機(jī)制開始調(diào)節(jié)，對(duì)應(yīng)稍小于所需λstart的波長。在時(shí)刻t2，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將探測器觸發(fā)信號(hào)發(fā)送給探測器子系統(tǒng)150，開始探測器子系統(tǒng)150的信號(hào)采集時(shí)序。例如，在各種示范實(shí)施例中，探測器子系統(tǒng)150包括相對(duì)傳統(tǒng)的CCD或CMOS照相機(jī)系統(tǒng)或芯片，并且探測器觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)照相機(jī)的異步復(fù)位。在隨后的時(shí)刻t4，探測器子系統(tǒng)150開始探測器信號(hào)積分周期。在時(shí)刻t3，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A的調(diào)節(jié)機(jī)制開始與掃描波長相應(yīng)的調(diào)節(jié)。
在晚于時(shí)刻t4的時(shí)刻tL1，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將脈沖信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A開始激光發(fā)射。與調(diào)節(jié)信號(hào)結(jié)合，這會(huì)產(chǎn)生探測器在與時(shí)刻tL1相應(yīng)的波長λstart時(shí)開始，持續(xù)直至與時(shí)刻tL2相應(yīng)的波長λend時(shí)為止積分的信號(hào)的改變，當(dāng)輸入可調(diào)諧激光源110A的脈沖信號(hào)終止時(shí)，使可調(diào)諧激光源110A在時(shí)刻t5探測器積分周期結(jié)束之前停止激光發(fā)射。在時(shí)刻t6，偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A復(fù)位到干涉儀系統(tǒng)100A的額定干涉測量模式所需的操作波長。
根據(jù)上面的描述，在本實(shí)施例中，是輸入可調(diào)諧激光器110A的脈沖信號(hào)而非探測器積分周期本身，確定探測器所積分的信號(hào)的定時(shí)和持續(xù)時(shí)間，以便根據(jù)本發(fā)明原理確定偏移信號(hào)。應(yīng)當(dāng)理解，根據(jù)該實(shí)施例，探測器所積分的信號(hào)的持續(xù)時(shí)間可以遠(yuǎn)小于照相機(jī)或探測器的固有積分周期，并且可以精確定時(shí)，而不管照相機(jī)或探測器或相關(guān)電子電路的操作或者與干涉儀系統(tǒng)的軟件操作上可能另外存在的各種不受控制的操作等待時(shí)間。
應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)探測器積分的信號(hào)持續(xù)時(shí)間，即脈沖信號(hào)和激光照射的持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于照相機(jī)或探測器的固有積分周期時(shí)，那么偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171將調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)送給可調(diào)諧激光源110A，使可調(diào)諧激光源110A的調(diào)節(jié)機(jī)制開始與掃描波長相應(yīng)的調(diào)節(jié)的時(shí)刻t3，最好剛好早于時(shí)刻tL1，并且極其可能處于積分周期開始時(shí)間t4之后，這與圖11中所示的特定實(shí)施例不同。此外，調(diào)節(jié)信號(hào)應(yīng)當(dāng)剛好在照射開始時(shí)間tL1與結(jié)束時(shí)間tL2之間，提供可產(chǎn)生大部分所需“全”波長掃描的波長掃描速率，使得積分信號(hào)仍然包括所需數(shù)量的波長周期，而不管更短的有效信號(hào)積分時(shí)間。
在一個(gè)示范實(shí)施例中，由如圖7中所示的干涉儀系統(tǒng)100A中包括的圖12中所示的激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路實(shí)施參照?qǐng)D11所述的操作。
圖12為表示圖7中所示激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路、程序或應(yīng)用軟件173，以及圖7中所示的干涉儀系統(tǒng)110A的各個(gè)特定實(shí)施例中可使用圖11所示時(shí)序方法的激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路173A的一個(gè)示范實(shí)施例的方框圖。根據(jù)下面的描述，可使用公知的常規(guī)電路元件和常規(guī)電路設(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光驅(qū)動(dòng)和控制電路173A。在一個(gè)示范實(shí)施例中，選擇激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路173A的各部件，以提供能以5MHz那樣高的脈沖速率操縱用于激光二極管等的電流源的高速、反饋控制電流驅(qū)動(dòng)器。在各種示范實(shí)施例中，選擇部件產(chǎn)生近似一微秒或更短的激光響應(yīng)時(shí)間。即，在接收輸入控制信號(hào)PULSE SIGNAL IN的前沿后大約1微秒時(shí)間內(nèi)啟動(dòng)激光發(fā)射。在各種示范實(shí)施例中，選擇部件以提供產(chǎn)生短至500納秒長至40毫秒激光脈沖持續(xù)時(shí)間所必需的高峰值電流。
如圖7中所示，激光器驅(qū)動(dòng)和控制電流173A分別通過信號(hào)和/或控制線174和175與控制系統(tǒng)170A和可調(diào)諧激光器110A相互連接，如前面參照?qǐng)D7所述。連接能將所需電流提供給可調(diào)諧激光器110的激光源的快速響應(yīng)中或高功率晶體管875，根據(jù)如下面所述提供的控制信號(hào)AA驅(qū)動(dòng)激光源?？烧{(diào)諧激光器110A包括提供反饋控制信號(hào)883的裝置，反饋控制信號(hào)與可調(diào)諧激光器110A的輸出功率相應(yīng)。在各種示范實(shí)施例中，反饋控制信號(hào)883可包括一部分來自于激光源的光。反饋控制信號(hào)883提供給緩沖電路部分885，在各種示范實(shí)施例中緩沖電路部分感測和/或放大或縮放反饋控制信號(hào)883，產(chǎn)生反饋控制信號(hào)BB。
激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路173A可以工作于兩種分離模式下。在適于偏移確定操作的脈沖模式中，將控制信號(hào)PULSE SIGNAL IN(脈沖信號(hào)輸入)輸入高速JFET輸入緩沖器805中。信號(hào)PULSE SIGNAL IN來自于偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171，如前面參照?qǐng)D11所述。在信號(hào)和/或控制線174上由來自于偏移確定電路、程序或應(yīng)用軟件171或控制系統(tǒng)170A的適當(dāng)脈沖模式使能信號(hào)控制COMS多路復(fù)用器812，將控制信號(hào)PULSE SIGNAL IN發(fā)送給高速JFET差分放大器815。JFET差分放大器815也從緩沖器電路部分885接收反饋控制信號(hào)BB。JFET差分放大器815將差分信號(hào)輸出給高速JFET放大器825，其在各種示范實(shí)施例中放大或縮放差分信號(hào)，以提供輸入用于驅(qū)動(dòng)可調(diào)諧激光器110A的激光源的中或高功率晶體管875中的控制信號(hào)AA。
在連續(xù)照射模式中，控制信號(hào)DAC IN輸入給輸入緩沖器810。信號(hào)DACIN來自于在信號(hào)和/或控制線174上的控制系統(tǒng)170A。通過信號(hào)和/或控制線174上、來自于控制系統(tǒng)170A的適當(dāng)?shù)倪B續(xù)照射模式使能信號(hào)控制COMS多路復(fù)用器812，以將控制信號(hào)DAC IN發(fā)送給差分放大器820。差分放大器820還從緩沖電路部分885接收反饋控制信號(hào)BB。差分信號(hào)由差分放大器820輸出給放大器830，其在各種示范實(shí)施例中放大或縮放差分信號(hào)，以提供將要輸入以連續(xù)照射方式驅(qū)動(dòng)光源880的中或高功率晶體管875中的控制信號(hào)AA。在連續(xù)照射模式中，控制信號(hào)AA被控制為低于最大值，這控制中或高功率晶體管875和可調(diào)諧激光器110A的激光源中的電流為對(duì)這些部件提供長工作壽命的水平。
通過具有這兩種分離操作模式，激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路173A對(duì)于以兩個(gè)方式交替地操縱干涉儀系統(tǒng)的可調(diào)諧激光器是理想的以脈沖方式支持參照?qǐng)D11所述的偏移確定操作，和以連續(xù)方式支持干涉儀系統(tǒng)的典型干涉測量物體測量操作?？芍?，激光器驅(qū)動(dòng)和控制電路173A使其特別便于使激光照射與輸入可調(diào)諧激光器110A調(diào)節(jié)控制部分111的TUNING SIGNAL IN(調(diào)節(jié)信號(hào)輸入)的操作同步，如參照?qǐng)D11概括描述的。
在干涉儀系統(tǒng)110A包括兩個(gè)探測器或照相機(jī)的各種實(shí)施例中，其中這兩個(gè)探測器或照相機(jī)具有精確和可分離控制的積分周期，那么當(dāng)可調(diào)諧激光器波長的改變率有理由已知或者可控制時(shí)，如圖13中所示，可進(jìn)一步加強(qiáng)前面參照?qǐng)D10所述的方法。
與圖10類似，圖13所示的特性分別表示積分輸入光信號(hào)VIN1和VIN2的各探測器信號(hào)1301和1302的時(shí)間平均，以及作為這兩個(gè)時(shí)間平均積分信號(hào)的平均的信號(hào)1303，這是在由于干涉儀激光源頻率或波長連續(xù)改變而波長周期在探測器上積累時(shí)的特性。輸入光信號(hào)VIN1和VIN2(未示出)與前面參照?qǐng)D10所述的信號(hào)相同。此外，與圖13有關(guān)的各信號(hào)的一般特性和行為與前面參照?qǐng)D10所述的相似或相同，并且這些特性對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯然的。從而，下面不詳細(xì)描述這些特性。
如圖13中所示，曲線1301與圖10中所示的曲線1001相同，并且表示出信號(hào)VIN1在第一時(shí)間段上積分的時(shí)間平均探測器信號(hào)的特性。作為對(duì)照，曲線1302表示在比第一時(shí)間段延遲四分之一波長周期的第二時(shí)間段上積分信號(hào)VIN2的時(shí)間平均探測器信號(hào)的特性。因此，由于通過將信號(hào)VIN2的積分延遲附加的四分之一波長周期，信號(hào)VIN2通常與信號(hào)VIN1正交，所以時(shí)間平均信號(hào)積分曲線1302產(chǎn)生相對(duì)曲線1301有效地延遲半個(gè)周期的信號(hào)，如圖13中所示。如平均值曲線1303所示，這些曲線值的平均值具有近似為零的最差情形(峰值)殘留誤差值ε，并且在每個(gè)波長周期的所有部分中近似等于信號(hào)VIN1和VIN2的每一個(gè)的DC偏移值。這通?？偸浅闪⒌模c任何上述的兩個(gè)正交信號(hào)VIN1和VIN2共享的共享光相移無關(guān)，因?yàn)槊總€(gè)信號(hào)的相關(guān)垂直位移大小相等方向相反。
在干涉儀系統(tǒng)110A包括兩個(gè)探測器或照相機(jī)的各種實(shí)施例中，其中兩個(gè)探測器或照相機(jī)具有精確和可單獨(dú)控制的積分周期，而當(dāng)有理由已知或可控制可調(diào)諧激光器波長的改變率時(shí)，可根據(jù)預(yù)期的波長改變速率預(yù)測信號(hào)VIN2的積分相對(duì)信號(hào)VIN1積分周期所需的延遲，并由此控制探測器或照相機(jī)的積分周期。VIN2的積分窗口的開始相對(duì)用于VIN1的所需延遲δt表示為公式12δt=λ24z(dλdt)-1]]>(與π/2相移相應(yīng))(公式12)應(yīng)該理解，在各種特定實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，由各種傳統(tǒng)干涉儀測量和已知的干涉儀設(shè)計(jì)參數(shù)，尤其是在絕對(duì)干涉儀實(shí)施例中，可充分確定檢測物體任何特定部分的OPDz?；蛘撸诟鞣N其他特定實(shí)施例中，可以以與適當(dāng)信號(hào)處理相一致的速率在已知范圍上掃描波長，該信號(hào)處理分別計(jì)算和測量由各探測器通道所表示的所得全部和部分波長周期數(shù)，以充分確定對(duì)于該單獨(dú)探測器通道和任何全等探測器通道的OPDz。應(yīng)當(dāng)理解，即使所要求的延遲δt稍有誤差和/或相關(guān)的實(shí)際定時(shí)和控制不太理想，根據(jù)該實(shí)施例的積分信號(hào)的平均值仍然可以提供具有基本上進(jìn)一步改善的最差情形(峰值)殘留誤差值ε的偏移估計(jì)。
圖14為說明在根據(jù)本發(fā)明的各種示范實(shí)施例中用于消除和/或補(bǔ)償干涉儀探測器通道中各種偏移誤差的流程圖。如圖14中所示，在開始之后，該方法繼續(xù)到方塊1405的操作，而將檢測物體設(shè)置在干涉儀的物光束中。然后該方法繼續(xù)方塊1410的操作，初始化干涉儀的偏移確定模式。在各種示范實(shí)施例中，然后偏移確定模式繼續(xù)方塊1415的操作，設(shè)定干涉儀的可調(diào)諧激光器所需波長掃描范圍的開始，如前面參照?qǐng)D8或11所概括描述的。此后偏移確定模式繼續(xù)方塊1420的操作，在各種示范實(shí)施例中例如通過初始化和異步復(fù)位照相機(jī)系統(tǒng)，開始探測器信號(hào)積分周期。
然后偏移確定模式繼續(xù)方塊1425的操作，開始可調(diào)諧激光器的波長掃描。在各種示范實(shí)施例中，這些操作開始實(shí)際照射波長掃描，如前面參照?qǐng)D8所示。在各種其他示范實(shí)施例中，這些操作開始可調(diào)諧激光器的波長掃描機(jī)制的調(diào)整，不提供實(shí)際照明，如前面參照?qǐng)D11所示。
然后偏移確定模式繼續(xù)方塊1430的操作，開始探測器積分周期，其中如前面所述探測器設(shè)置成積累探測器輸入信號(hào)。此后偏移確定模式繼續(xù)方塊1435的操作，其中探測器實(shí)際開始積累輸入信號(hào)。在各種示范實(shí)施例中，不能區(qū)分方塊1430和1435的操作，如前面參照?qǐng)D8所述。在各種其他示范實(shí)施例中，方塊1435的操作與實(shí)際初始化可調(diào)諧激光器的照射周期相應(yīng)，然后結(jié)束照射周期，如前面參照?qǐng)D11所述。
然后偏移確定模式繼續(xù)方塊1440的操作，結(jié)束探測器積分周期。之后偏移確定模式繼續(xù)方塊1445的操作，其中積分信號(hào)從探測器輸出至干涉儀的控制系統(tǒng)，繼續(xù)方塊1450的操作，其中至少部分地根據(jù)來自于探測器的積分信號(hào)值確定干涉儀該探測器通道的偏移。在各種示范實(shí)施例中，確定時(shí)間平均積分信號(hào)值，與要確定的偏移值相同。在各種其他示范實(shí)施例中，當(dāng)偏移確定和確定積分周期的干涉測量相同時(shí)，積分信號(hào)值與待確定的偏移相等，如前面參照?qǐng)D9所述。在各種其他示范實(shí)施例中，確定該探測器通道的偏移值為兩個(gè)時(shí)間平均積分正交信號(hào)的平均值等，其中一個(gè)信號(hào)來自于該探測器，如前面參照?qǐng)D10和13所述。然后方塊1450的操作將所確定的偏移值保存在干涉儀的控制系統(tǒng)中。
然后該方法繼續(xù)方塊1455的操作，當(dāng)初始化或者恢復(fù)干涉儀的標(biāo)準(zhǔn)干涉測量模式時(shí)結(jié)束偏移確定模式。然后該方法繼續(xù)下面方塊1460的操作，其中使用如前所述保存的對(duì)于該探測器的所確定偏移值，或者本領(lǐng)域普通技術(shù)人員顯而易見的任何其他適當(dāng)方法，補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)干涉測量模式期間該探測器提供的任何探測器通道信號(hào)的偏移。使用所產(chǎn)生的經(jīng)過補(bǔ)償?shù)奶綔y器通道信號(hào)，確定干涉儀所提供的標(biāo)準(zhǔn)干涉測量值。繼續(xù)方塊1460正在進(jìn)行的操作，直到該方法結(jié)束和/或重復(fù)該方法。
應(yīng)該理解，如上所述本發(fā)明具有多種優(yōu)點(diǎn)，至少包括前面所述的那些優(yōu)點(diǎn)以及如下面所述的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可使用多種干涉儀系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)光路和標(biāo)準(zhǔn)探測器很高精度地確定偏移。另一優(yōu)點(diǎn)是僅需要一個(gè)數(shù)據(jù)采集采樣(一幀)。此外，可充分精確地執(zhí)行該方法的各種示范實(shí)施例，無需測量或控制物體高度或OPDz。該方法也不需要精確了解波長。另外，該方法不需要精確的掃描速率dλ/dt。而且，該方法不要求掃描期間dλ/dt嚴(yán)格保持不變。
如上所述，一般描述了偏移校正確定操作和偏移經(jīng)過校正的干涉測量信號(hào)操作，從而對(duì)于每個(gè)單獨(dú)的探測器通道，或者輸送適當(dāng)組合的正交信號(hào)的單獨(dú)每對(duì)探測器通道等進(jìn)行偏移校正確定操作。不過，應(yīng)該理解，將對(duì)特定探測器通道確定的偏移校正應(yīng)用于其他特定探測器通道，也處于本發(fā)明范圍之內(nèi)。例如，與檢測物體上特定部分或位置相應(yīng)的用于特定探測器通道的特定偏移校正，在各種實(shí)施例中，可用于校正相應(yīng)于接近或者否則已知類似于與特定探測器通道和相應(yīng)的特定偏移校正相應(yīng)的檢測物體上特定部分或位置的、檢測物體上的部分或位置的其他探測器通道的偏移。將會(huì)理解，這些實(shí)施例通常不會(huì)帶來根據(jù)本發(fā)明各種其他實(shí)施例產(chǎn)生的所有潛在利益和優(yōu)點(diǎn)。不過，根據(jù)本發(fā)明的原理，這些實(shí)施例依然可產(chǎn)生至少某些潛在利益和優(yōu)點(diǎn)，并且提供某些其他經(jīng)濟(jì)優(yōu)點(diǎn)、測量速度優(yōu)點(diǎn)等，這是各種干涉儀應(yīng)用或設(shè)計(jì)所希望的。
因此，盡管上面說明和描述了本發(fā)明的各種示范實(shí)施例，但會(huì)理解在不偏離本發(fā)明精神和范圍的條件下可以在其中進(jìn)行各種改變。
權(quán)利要求
1.一種提供信號(hào)的方法，該信號(hào)能用于確定干涉儀探測器通道所提供的干涉測量信號(hào)偏移分量的偏移校正，該干涉儀包括參考光束光路、物光束光路、至少一個(gè)包含相應(yīng)探測器的相應(yīng)探測器通道、和用于提供可變波長輻射的輻射源，該方法包括操作至少一個(gè)探測器通道的相應(yīng)探測器，以提供相應(yīng)的信號(hào)積分周期；操作照明源，為干涉儀提供可變波長輻射，使可變波長輻射在一波長范圍上改變，以在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間提供分布在該波長范圍上的多個(gè)波長；在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間，將各干涉光光信號(hào)輸入各探測器中，各干涉光來自于用于該干涉儀的可變波長輻射；以及在各信號(hào)積分周期期間響應(yīng)各干涉光光信號(hào)積分在探測器中產(chǎn)生的信號(hào)，以提供各積分信號(hào)，其中分布在一波長范圍上的多個(gè)波長與在各信號(hào)積分周期至少一部分期間的各干涉光光信號(hào)的多個(gè)光相位相應(yīng)，分布在光相移范圍上的多個(gè)光相位與波長范圍相應(yīng)；該波長范圍對(duì)應(yīng)至少360度的光相移范圍；并且各積分信號(hào)能用于確定對(duì)于干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該可變波長輻射在一波長范圍上改變，以在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間多次提供分布在該波長范圍上的多個(gè)波長，所述多次包括10次、20次和40次其中至少之一。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該波長范圍與N乘360度的光相移范圍相應(yīng)，其中N為大于10、20和40其中至少之一的數(shù)字。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中操作輻射源為干涉儀提供可變波長輻射的步驟，包括操作輻射源，從而在該波長范圍上連續(xù)改變可變波長輻射，以提供連續(xù)分布在該波長范圍上的多個(gè)波長，并且在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間，通過包括a)單調(diào)、b)單調(diào)且以大致恒定的改變速率和c)在波長范圍上重復(fù)的方式之一來改變波長。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中各信號(hào)積分周期比67毫秒、34毫秒、10毫秒、1毫秒、200微秒、100微秒、20微秒和5微秒其中至少之一短。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該波長范圍包括a)用于提供干涉儀中至少一個(gè)相應(yīng)干涉測量信號(hào)的至少一個(gè)相應(yīng)波長，和b)用于提供干涉儀中至少兩個(gè)相應(yīng)干涉測量信號(hào)的至少兩個(gè)相應(yīng)波長的其中至少之一，所述至少兩個(gè)相應(yīng)干涉測量信號(hào)包括用于在干涉儀中提供絕對(duì)距離測量而組合的一組信號(hào)的至少部分。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該波長范圍與各信號(hào)積分周期的至少一部分期間至多2納米波長改變相應(yīng)。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中各信號(hào)積分周期的至少一部分包括全部的相應(yīng)信號(hào)積分周期。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該干涉儀設(shè)計(jì)成包含相應(yīng)探測器的至少一個(gè)相應(yīng)的探測器通道包括具有至少第一和第二相應(yīng)探測器的至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的至少一相應(yīng)組，其中第一和第二探測器接收相應(yīng)的干涉光光信號(hào)；至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的每一個(gè)至少一相應(yīng)組的各干涉光光信號(hào)，相應(yīng)于來自于位于物光束路徑中的檢測物體的至少第一和第二至少大致相同部分的相應(yīng)組的光，至少第一和第二至少大致相同部分的每個(gè)相應(yīng)組對(duì)應(yīng)檢測物體上相應(yīng)的標(biāo)稱位置；并且每個(gè)相應(yīng)組中至少兩個(gè)相應(yīng)的干涉光光信號(hào)具有不同的相應(yīng)相對(duì)相位；其中該方法包括對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組而言，執(zhí)行該方法以提供與該相應(yīng)組的至少第一和第二相應(yīng)探測器通道相應(yīng)的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的相應(yīng)組；以及對(duì)于由包括以下至少之一的干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量，確定偏移校正對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組中的至少一個(gè)，單獨(dú)使用該相應(yīng)組的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的每一個(gè)，提供至少第一和第二單獨(dú)偏移校正，至少第一和第二單獨(dú)偏移校正的每一個(gè)能用于校正該相應(yīng)組中至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的相應(yīng)一個(gè)所提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)，并且對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組中的至少一個(gè)，使用包括該相應(yīng)組中至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的至少兩個(gè)的至少第一組合，提供至少第一組合偏移校正，每個(gè)這種組合偏移校正能用于至少校正由相應(yīng)于結(jié)合用于提供組合偏移校正的該相應(yīng)組中至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的至少兩個(gè)的相應(yīng)探測器通道的任何一個(gè)所提供的干涉測量信號(hào)。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組中的至少一個(gè)，能使用至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的至少兩個(gè)，以提供具有不同相應(yīng)相對(duì)相位且具有其相應(yīng)偏移分量的至少兩個(gè)干涉測量信號(hào)，使用根據(jù)該方法確定的偏移校正來校正其相應(yīng)的偏移分量，能組合至少兩個(gè)相應(yīng)的干涉測量信號(hào)來提供相應(yīng)于檢測物體上相應(yīng)的相對(duì)來說沒有偏移引起的誤差的標(biāo)稱位置的插值干涉測量。
11.如權(quán)利要求9所述的方法，其中對(duì)于至少一相應(yīng)組，至少使用該相應(yīng)組中至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的至少兩個(gè)的第一組合，以提供至少第一組合偏移校正，包括使用至少部分地根據(jù)該相應(yīng)組中至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的至少兩個(gè)的平均，以提供至少第一組合偏移校正。
12.如權(quán)利要求9所述的方法，其中對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組，對(duì)應(yīng)執(zhí)行該方法以提供至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第一個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分，與對(duì)應(yīng)執(zhí)行該方法以提供至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第二個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分，滿足下列條件的至少之一a)其至少時(shí)間上部分重疊，和b)其基本上同步。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，通過在干涉儀使用過程中操作干涉儀以提供脈沖照射周期，使得對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組，對(duì)應(yīng)執(zhí)行該方法以提供至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第一個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分，與對(duì)應(yīng)執(zhí)行該方法以提供至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第二個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分基本同步，該脈沖照射周期同時(shí)確定每個(gè)各信號(hào)積分周期的至少一部分。
14.如權(quán)利要求12所述的方法，其中對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組與執(zhí)行該方法以提供至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中至少第一個(gè)相應(yīng)的各信號(hào)積分周期的至少一部分，在時(shí)間上至少部分地重疊與執(zhí)行該方法以提供至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中至少第二個(gè)相應(yīng)的各信號(hào)積分周期的至少一部分；各信號(hào)積分周期的那些相應(yīng)的至少一部分中的每一個(gè)，包括其全部相應(yīng)信號(hào)積分周期；波長可變照明源至少在與整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期的第一開始和最后結(jié)束相應(yīng)的時(shí)間周期內(nèi)，單調(diào)并且以大致恒定的速率改變，并由單一照明源提供，使得在與整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期的第一開始和最后結(jié)束相應(yīng)的時(shí)間周期期間，對(duì)應(yīng)至少第一和第二積分信號(hào)的、對(duì)應(yīng)的各干涉光光信號(hào)同時(shí)經(jīng)過多個(gè)光相位周期；以及操作與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第二個(gè)相應(yīng)的至少該探測器通道的相應(yīng)探測器，以提供相應(yīng)信號(hào)積分周期，包括操作該相應(yīng)探測器以提供相應(yīng)積分周期，該相應(yīng)的積分周期在與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期的開始之后N+1/4個(gè)光相位周期開始，其中N為至少為零的整數(shù)。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中操作該相應(yīng)探測器以提供在與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期的開始之后開始N+1/4個(gè)光相位周期的相應(yīng)積分周期進(jìn)一步包括操作該相應(yīng)的探測器提供在以下其中之一的時(shí)刻結(jié)束的各積分周期a)基本上與同至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期相同的時(shí)刻；和b)在與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期的結(jié)束之后。
16.如權(quán)利要求1所述的方法，其中該用于提供可變波長輻射的照明源，進(jìn)一步用于提供至少一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定波長的輻射，其能用于提供干涉儀中的干涉測量信號(hào)。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)于由干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正完全基于各積分信號(hào)。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中對(duì)于由干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正，至少部分基于相應(yīng)的積分信號(hào)，并且至少部分基于相應(yīng)信號(hào)積分周期的持續(xù)時(shí)間。
19.一種干涉儀系統(tǒng)，用于提供能用于確定對(duì)干涉儀中探測器通道所提供的干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正的信號(hào)，該干涉儀包括參考光束路徑；物光束路徑；包括一相應(yīng)探測器的至少一個(gè)相應(yīng)探測器通道；能提供可變波長輻射的照明源；以及控制系統(tǒng)部分，其中至少一個(gè)探測器通道的相應(yīng)探測器用于提供相應(yīng)的信號(hào)積分周期；該照明源用于為干涉儀提供可變波長輻射，使得在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間，可變波長輻射在一波長范圍上改變，以提供分布于該波長范圍上的多個(gè)波長；該干涉儀系統(tǒng)用于在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間將各干涉光光信號(hào)輸入相應(yīng)探測器中，各干涉光來自于用于干涉儀的可變波長輻射；相應(yīng)探測器在各信號(hào)積分周期期間響應(yīng)相應(yīng)干涉光光信號(hào)而積分探測器中產(chǎn)生的信號(hào)，以提供與該相應(yīng)探測器通道對(duì)應(yīng)的相應(yīng)積分信號(hào)；其中分布于一波長范圍上的多個(gè)波長，與各信號(hào)積分周期的至少一部分期間各干涉光光信號(hào)的多個(gè)光相位相應(yīng)，分布在光相移范圍上的多個(gè)光相位與該波長范圍相應(yīng)；該波長范圍對(duì)應(yīng)至少360度的光相移范圍；并且該控制系統(tǒng)用于輸入與該相應(yīng)探測器通道相應(yīng)的相應(yīng)積分信號(hào)，并確定對(duì)于由干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正，該偏移校正至少部分地基于所輸入的相應(yīng)積分信號(hào)。
20.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中該照明源用于在一波長范圍上改變可變波長輻射，以在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間多次提供分布于該波長范圍上的多個(gè)波長，所述多次包括10次、20次和40次的至少一個(gè)。
21.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中該波長范圍與N乘360度的光相移范圍相應(yīng)，其中N為大于10、20和40的至少之一的數(shù)。
22.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中能操作輻射源在該波長范圍上連續(xù)改變可變波長輻射，以提供連續(xù)分布于該波長范圍上的多個(gè)波長，并且使得在各信號(hào)積分周期的至少一部分期間，通過包括以下之一的方法改變波長a)單調(diào)、b)單調(diào)且以大致恒定的改變速率和c)在波長范圍上重復(fù)。
23.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中各探測器能用于提供比67毫秒、34毫秒、10毫秒、1毫秒、200微秒、100微秒、20微秒和5微秒其中至少之一短的相應(yīng)信號(hào)積分周期。
24.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中至少一個(gè)相應(yīng)的探測器通道包括具有至少第一和第二相應(yīng)探測器的至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的至少一相應(yīng)組，其中第一和第二探測器接收相應(yīng)的干涉光光信號(hào)；該干涉儀設(shè)計(jì)成使每一個(gè)至少一相應(yīng)組的各干涉光光信號(hào)，相應(yīng)于來自于位于物光束路徑中的檢測物體的至少第一和第二至少大致相同部分的相應(yīng)組的光，至少第一和第二至少大致相同部分的每個(gè)相應(yīng)組對(duì)應(yīng)檢測物體上相應(yīng)的標(biāo)稱位置；并且該干涉儀包括多個(gè)相移產(chǎn)生部分，設(shè)計(jì)成每個(gè)相應(yīng)組中至少兩個(gè)相應(yīng)的干涉光光信號(hào)具有不同的相應(yīng)相對(duì)相位；其中，對(duì)于至少一相應(yīng)組干涉儀系統(tǒng)用于提供與至少第一和第二相應(yīng)探測器通道相應(yīng)的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)；以及控制系統(tǒng)用于輸入與至少第一和第二相應(yīng)探測器通道相應(yīng)的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)，并確定對(duì)至少第一和第二相應(yīng)探測器通道中至少之一所提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正；控制系統(tǒng)用于通過以下至少之一確定偏移校正單獨(dú)使用所輸入的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的每一個(gè)，以提供至少第一和第二單獨(dú)的偏移校正，使得至少第一和第二單獨(dú)偏移校正的每一個(gè)能適用于至少校正由至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的相應(yīng)一個(gè)提供的干涉測量信號(hào)，并且至少使用包括所輸入的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中至少兩個(gè)的第一組合，以至少提供第一組合偏移校正，使得每一個(gè)這種組合偏移校正能適用于至少校正與組合使用以提供組合偏移校正的至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中所輸入的至少兩個(gè)相應(yīng)的任何一個(gè)相應(yīng)探測器通道所提供的干涉測量信號(hào)。
25.如權(quán)利要求24所述的干涉儀系統(tǒng)，其中對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組而言至少第一和第二相應(yīng)探測器通道中的至少兩個(gè)，用于提供具有不同的各相對(duì)相位的至少兩個(gè)相應(yīng)干涉測量信號(hào)；該干涉儀的控制系統(tǒng)用于使用至少一個(gè)適當(dāng)能用的偏移校正以對(duì)具有不同各相對(duì)相位的至少兩個(gè)相應(yīng)干涉測量信號(hào)的相應(yīng)偏移分量進(jìn)行校正，以提供至少兩個(gè)相應(yīng)的具有不同各相對(duì)相位、產(chǎn)生的偏移校正的干涉測量信號(hào)；以及該干涉儀的控制系統(tǒng)用于將具有不同相應(yīng)相對(duì)相位的至少兩個(gè)所產(chǎn)生的偏移得到校正的干涉測量信號(hào)組合，以提供與檢測物體上各標(biāo)稱位置對(duì)應(yīng)的內(nèi)插干涉測量，其相對(duì)而言沒有偏移引起的誤差。
26.如權(quán)利要求24所述的干涉儀系統(tǒng)，其中對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組而言，控制系統(tǒng)至少部分地根據(jù)至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的至少兩個(gè)確定平均，以至少提供第一組合偏移校正。
27.如權(quán)利要求24所述的干涉儀系統(tǒng)，其中對(duì)于至少一個(gè)相應(yīng)組而言，操作干涉儀系統(tǒng)使對(duì)應(yīng)至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第一個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分，與對(duì)應(yīng)至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第二個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分，滿足下列條件的至少之一a)其至少時(shí)間上部分重疊，和b)其基本上同步。
28.如權(quán)利要求27所述的干涉儀系統(tǒng)，其中操作該控制系統(tǒng)通過在干涉儀使用過程中控制脈沖照射周期，使得對(duì)應(yīng)至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第一個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分，與對(duì)應(yīng)至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的至少第二個(gè)的、各信號(hào)積分周期的至少一部分基本同步，該脈沖照射周期同時(shí)確定每個(gè)各信號(hào)積分周期的至少一部分。
29.如權(quán)利要求27所述的干涉儀系統(tǒng)，其中與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中至少第一相應(yīng)積分信號(hào)和至少第二相應(yīng)積分信號(hào)相應(yīng)的各信號(hào)積分周期的至少一部分的每一個(gè)，包括其整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期；能操作該干涉儀系統(tǒng)使與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一相應(yīng)積分信號(hào)相應(yīng)的整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期的至少一部分，在時(shí)間上至少部分地與同至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第二相應(yīng)積分信號(hào)相應(yīng)的整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期的至少一部分重疊；控制輻射源使波長可變照明源至少在與整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期的第一開始和最后結(jié)束相應(yīng)的時(shí)間周期內(nèi)，單調(diào)并且以大致恒定的速率改變，并將干涉儀設(shè)計(jì)成從單一照明源提供所有可變波長輻射，使得在與整個(gè)相應(yīng)信號(hào)積分周期的第一開始和最后結(jié)束相應(yīng)的時(shí)間周期期間，對(duì)應(yīng)至少第一和第二積分信號(hào)的、對(duì)應(yīng)的各干涉光光信號(hào)同時(shí)經(jīng)過多個(gè)光相位周期；以及能操作干涉儀系統(tǒng)，使與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)中的第二個(gè)相應(yīng)的各探測器，在與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期的開始之后N+1/4個(gè)光相位周期開始其相應(yīng)的積分周期，其中N為至少為零的整數(shù)。
30.如權(quán)利要求29所述的干涉儀系統(tǒng)，其中進(jìn)一步操作該干涉儀系統(tǒng)使與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第二個(gè)相應(yīng)的各探測器，在以下時(shí)間結(jié)束其相應(yīng)的信號(hào)積分周期a)基本上與同至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期相同的時(shí)刻；和b)在與至少第一和第二相應(yīng)積分信號(hào)的第一個(gè)相應(yīng)的各積分周期的結(jié)束之后。
31.如權(quán)利要求24所述的干涉儀系統(tǒng)，其中該干涉儀進(jìn)一步包括至少一個(gè)二維照相機(jī)，并且至少第一和第二相應(yīng)探測器通道的每一個(gè)至少一個(gè)相應(yīng)組，具有包括至少一個(gè)二維照相機(jī)的像素的至少第一和第二相應(yīng)探測器，其中能使用與檢測物體上各標(biāo)稱位置相應(yīng)的一組內(nèi)插干涉測量，以提供檢測物體至少一部分的二維表面高度分布，該二維表面高度分布相對(duì)而言沒有偏移引起的誤差。
32.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中該用于提供可變波長輻射的輻射源，還用于提供至少一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定波長的、能用于提供干涉儀中的干涉測量信號(hào)的輻射。
33.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)至少部分地基于所輸入的各積分信號(hào)，且至少部分地基于各信號(hào)積分周期的持續(xù)時(shí)間，確定對(duì)于由干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正。
34.如權(quán)利要求19所述的干涉儀系統(tǒng)，其中該控制系統(tǒng)完全基于所輸入的各積分信號(hào)，確定對(duì)于由干涉儀的至少該相應(yīng)探測器通道提供的至少一個(gè)干涉測量信號(hào)的偏移分量的偏移校正。
全文摘要
一種用于測量距離(例如在微米范圍內(nèi))的常規(guī)相移干涉儀，通常提供兩個(gè)正交信號(hào)。輸出信號(hào)通常包括偏移，而偏移除非得到補(bǔ)償或消除，否則會(huì)引入相關(guān)的測量誤差。用于消除偏移的標(biāo)準(zhǔn)方法，是產(chǎn)生和/或處理相移180度或者其他已知量的附加信號(hào)。相反，本發(fā)明通過在探測器采集或積分偏移確定信號(hào)期間，改變干涉儀輻射源的輻射波長，提供表示對(duì)干涉儀中探測器信號(hào)有貢獻(xiàn)的偏移的信號(hào)。對(duì)于多種干涉儀設(shè)計(jì)而言，該方法可以方便地由干涉儀的各信號(hào)檢測通道實(shí)現(xiàn)。該方法在非常短的時(shí)間周期內(nèi)確定偏移誤差，并且無需提供附加調(diào)節(jié)光路或可控制相移。
文檔編號(hào)G01B9/02GK1611915SQ200410098158
公開日2005年5月4日 申請(qǐng)日期2004年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月8日
發(fā)明者邁克爾·內(nèi)厄姆 申請(qǐng)人:三豐株式會(huì)社