專利名稱：光學讀頭的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于干涉計的探測單元。
背景技術：
在干涉測量設備中，兩個相干光束一起干涉以在探測單元形成干涉條紋形式的空間散射場，該探測單元含有電子器件，例如光電二極管和放大器等。
有利的是，探測單元中無需任何電子器件。這可使得探測單元的尺寸降低。進而，如果探測單元不含電子器件，則消除了來自其它器件(例如電機)的電子噪聲的問題。
探測單元中的電子器件是一種熱源，由于設備例如探測單元自身的部件以及干涉計所測量系統的膨脹，這可導致測量誤差。因此期望消除這種熱源。
發明內容
本發明提供一種干涉測量設備，包括測量光束和參考光束，它們相互作用以產生空間條紋圖；光學器件，其與空間條紋圖相互作用，從而光在空間中被分離到不同方向中；并且其中在空間分離光束的兩個或更多個方向中的強度調制是相移的。
該光學器件可與空間條紋圖相互作用從而在空間條紋圖的條紋中，光在空間中被分離到不同方向中。
光可以在空間中在空間條紋圖的一個或多個條紋的至少一部分上被分離。
光可以在空間中被分離成兩個或更多個子束。
不同方向中的空間分離光束可由光學探測器探測。空間分離光束可以經由光學纖維到達探測器。
可以設置至少一個聚焦裝置以將不同方向中的空間分離光束聚焦到光學纖維中或者光學探測器上。
該光學器件可包括至少一個菲涅耳透鏡。
該光學器件可以是衍射器件。
在一個實施例中，該光學器件包括多個片段，其中入射到各個片段上的來自空間散射場的光被衍射到不同衍射方向中，由此在空間中將空間散射場分離。
該光學器件可具有多個具有不同結構的片段，這些不同的片段以重復圖案布置。所述多個片段的兩個或更多個片段可包括閃耀光柵，其中該閃耀光柵在不同方向中延伸。所述多個片段中的一個可以不具有任何結構。
該光學器件可包括衍射光學元件。
該光學器件可以是折射器件。
在一個實施例中，該光學器件可包括多個片段，其中入射到各個片段上的來自空間散射場的光被折射到不同方向中，由此在空間中將空間散射場分離。
該光學器件可具有異形表面，從而在異形表面處的折射使得空間散射場在空間中分離。
該光學器件可被如此構造，從而空間分離光束的相差能夠使得探測器的輸出相結合以產生具有已知相差的兩個信號。該光學器件可被如此構造，從而空間分離光束的相差能夠使得探測器的輸出相結合以產生正交信號。
附圖的簡要說明現在將通過實例并且參考附圖描述本發明實施例，其中
圖1示意出現有技術中的干涉測量設備；圖2示意出本發明的探測單元；圖3示意了在圖1所示設備中產生的四個光束的相差；圖4示意了在DOE上用于產生四個光束的余弦條紋；圖5示意了光柵復振幅Ω光柵(ω)和條紋復振幅Ω條紋(ω)的卷積以產生輸出復振幅Ω輸出(ω)；圖6a示意了第一方案中光柵振幅的實部和虛部；圖6b示意了第一方案中光柵的相位和強度；圖6c示意了第一方案中所產生的四個光束的輸出光強關于角位移的曲線；圖7a示意了第二方案中光柵振幅的實部和虛部；圖7b示意了第二方案中光柵的相位和強度；圖7c示意了第二方案中所產生的四個光束的輸出光強關于角位移的曲線；圖8a示意了第三方案中光柵振幅的實部和虛部；圖8b示意了第三方案中光柵的相位和強度；圖8c示意了第三方案中所產生的四個光束的輸出光強關于角位移的曲線；圖9示意了光柵復振幅Ω光柵(ω)和條紋復振幅Ω條紋(ω)的卷積以為三相光柵產生輸出復振幅Ω輸出(ω)；圖10a示意了用于3相分裂光柵的光柵振幅的實部和虛部；圖10b示意了用于3相分裂光柵的光柵相位和強度；圖10c示意了用于3相分裂光柵的所產生的四個光束的輸出光強關于角位移的曲線；圖11示意了具有異形上表面的光學器件；圖12示意了圖11的光學器件，示出偏轉光路；圖13示意了具有閃耀光柵的光學器件的透視圖；圖14是圖13光學器件的平面視圖；圖15是圖13光學器件的側視圖；圖16示意了具有異形上表面的雙折射光學器件；以及圖17示意了通過圖13-15光學器件的光利用菲涅耳波帶片被聚焦到光學纖維中。
具體實施例方式
圖1示意了在GB2296766中描述的現有技術中的干涉計。光源1產生被導向偏振立方體光束分裂器件3的相干光束2。該偏振光束分裂器3從光束2產生第一、透射光束2a和第二反射光束2c。使用偏振光束分裂器3可保證透射和反射光束2a、2c相互間正交偏振。在該實例中形成干涉計測量臂的第一透射光束2a直線地通過偏振光束分裂器3并且被導向聯接到移動物體(未示出)的回射器6，利用干涉計對該物體的位置進行測量。回射器作為光束2b將該光束返回到偏振光束分裂器3。該返回光束2b透過該偏振光束分裂器并且向前到達探測單元4。
該偏振光束分裂器3還產生第二、反射光束2c，該光束形成干涉計的參考臂。該反射光束被導向關于光束分裂器3固定的第二回射器7然后被回射器反射回偏振光束分裂器。在其返程中，光束2d從偏振光束分裂器反射到探測單元。
如上所述，該布置使得光束2b和2d具有不同的偏振態。
雙折射棱鏡8以不同角度折射光束2b、2d，使得它們會聚并且偏振元件9將其偏振態混合，從而它們干涉并且產生空間散射場。
該探測單元4置于交疊光束的光路中以接收空間散射場。所使用的探測器為電子光柵。這種探測器在本申請人的歐洲專利No.0543513中公知并且包括半導體基底，在該基底上設置多個細長的、基本平行的光敏元件。
本發明提供一種探測單元，其中從空間散射場產生信號，而無需電子光柵。圖2示意了一種探測單元10，包括衍射光學元件(DOE)12、透鏡14和四個探測器16、18、20、22。利用兩個相干光束26、28(即，如圖1所示干涉計的測量臂和參考臂)的干涉，在探測單元10處形成包括余弦條紋的空間散射場24。
當探測單元10受到余弦條紋照射時，形成四個光束30、32、34、36，它們由透鏡14聚焦到探測器16、18、20、22上。該透鏡可與DOE成一體的形成。可替代的，可以使用四個單獨的透鏡。這四個光束相移90°并且因此當余弦條紋平移通過探測單元時，在探測器處探測到的強度正交改變。
圖3示意了當余弦條紋關于探測單元10橫向移動時在探測器16、18、20、22處的強度隨時間的變化。可以看出在各個探測器16、18、20、22處強度周期地變化并且關于彼此相移90°。
本發明并不限制于產生四個光束。例如DOE可設計成產生三個光束，它們根據設計而相移π/2或4π/3。探測器的輸出可以結合以產生正交信號，該信號可用于對條紋和周期光圖像之間相對運動的幅值和方向進行內推。在本申請人在前公開的國際專利申請WO87/07944中公開了結合來自三個探測器的輸出以產生這種正交信號的方法。
可以參考圖4-8如下計算DOE的數學規格。
圖4示出入射到DOE40上以產生四個光束a、b、c、d的余弦條紋24，當余弦條紋相對于讀頭平移時這四個光束的光強I1、I2、I3、I4改變正交。該余弦條紋可由該方程描述 其中x是線位移；Δx是線位移的改變；并且p是由兩個入射光束的干涉所產生的復振幅場的周期。強度干涉圖的周期為p/2。
DOE的輸出復振幅Ω輸出(ω)由余弦條紋(U條紋(x))和DOE乘積的Fourier變換給出如下。輸出坐標為x＝ω·λz其中λ是入射光的波長，ω是坐標系統的空間角頻率，并且z是傳播距離。
Ω輸出(ω)＝Ft[U條紋(x).U光柵(x)]＝Convolution[Ft[U條紋(x)，Ft[U光柵(x)]＝Convolution[Ω條紋(ω)，Ω光柵(ω)]其中Ft是Fourier變換。
光柵復振幅Ω光柵(ω)的形式使得當與條紋復振幅Ω條紋(ω)卷積時，至少產生四個光束。而且由于要求四個光束的強度隨著Δx正交地變化，各個光束的復振幅需要包括至少兩個分量從而可以施加所需的相位關系。(單分量的光束并不合適，因為它們將具有恒定強度。)在圖5中示意出一個可能的方案。圖5示意了Ω光柵(ω)和Ω條紋(ω)的卷積以產生Ω輸出(ω)。A-E是復數并且φ＝2πΔx/p輸出光強由輸出振幅模數的平方給出。然后四個光束的強度等于所需的正交信號In(Δx)＝1+qCos(2φ+nπ/2)其中q是利用單位DC電壓的AC調制。
令I1為入射光束和DOE性能相結合產生的第一輸出光束復振幅的模數平方則I1＝|1/2(Ae-iφ+Be+iφ)|2＝1/4(Ae-iφ+Beiφ)(A*eiφ+Be-iφ)這可通過下式而與所需被調制強度條件相關。
I1＝1/4(|A|2+|B|2+AB*e-2iφ+A*Be2iφ)=1+qCos2φ=1+q2(e2iφ+e-2iφ)]]>類似的，I2＝1/4(|B|2+|C|2+BC*e-2iφ+B*Ce2iφ)=1+qCos(2φ+π/2)=1+q2(ei(2φ-π/2)+e-i(2φ-π/2))]]>I3＝1/4(|C|2+|D|2+CD*e-2iφ+C*De2iφ)=1+qCos(2φ-π)=1+q2(ei(2φ-π)+e-i(2φ-π))]]>
I4＝1/4(D2+|E|2+DE*e-2iφ+D*Ee2iφ)=1+qCos(2φ-3π/2)=1+q2(ei(2φ-3π/2)+e-i(2φ-3π/2))]]>因此，1/4AB*=q2]]>并且1/4A*B=q2]]>1/4BC*=q2e+iπ/2]]>并且1/4B*C=q2e-iπ/2]]>1/4CD*=q2e+iπ]]>并且1/4C*D=q2e-iπ]]>1/4DE*=q2e+i3π/2]]>并且1/4D*E=q2e-i3π/2]]>右側等式恰為左側等式的復共軛并且可被忽略。
利用任意的A值。
B=(2qA)*]]>C＝((2q/B)eiπ/2)*D＝((2q/C)eiπ)*E＝((2q/D)ei3π/2)*現在令A＝1，q＝1/2，則A-E的值為A＝1B＝1C＝-iD＝+iE＝-1該系統在圖6中示意出。圖6a示出光柵振幅實部和虛部關于位移x的曲線，圖6b示出光柵相位和強度關于位移x的曲線并且圖6c示出在空間頻率坐標系統(ω)中的輸出光強。
兩個可替代的方案也是可能的，其僅在相位量級方面不同。這兩個方案在圖7和8中示意。
圖7a示出光柵振幅實部和虛部關于位移x的曲線，圖7b示出光柵相位和強度關于位移x的曲線并且圖7c對于下面的A-E值的四個光束a、b、c、d，示出在空間頻率坐標系統(ω)中的光強A＝1B＝ei0π/2/AC＝ei1π/2/BD＝ei3π/2/CE＝ei2π/2/D因此A＝1 B＝1 C＝i D＝-1 E＝1圖8a示出光柵振幅實部和虛部關于位移x的曲線，圖8b示出光柵相位和強度關于位移x的曲線并且圖8c對于下面的A-E值的四個光束a、b、c、d，示出在空間頻率坐標系統(ω)中的光強A＝1B＝ei0π/2/AC＝ei2π/2/BD＝ei1π/2/CE＝ei3π/2/D因此A＝1 B＝1 C＝-1 D＝-i E＝1
也能夠使用DOE產生三個光束。一個可能的方案由圖9和下面的等式示意。
A＝1B＝e-i.1.π/2/AC＝ei.0.π/2/BD＝ei.1.π/2/C因此A＝1 B＝-i C＝i D＝1圖10a示出三相分裂光柵的光柵振幅實部和虛部的曲線，圖10b示出三相分裂光柵的相位和強度的曲線并且圖10c示出三個輸出光束a、b、c的輸出強度關于角位移(ω)的曲線。
上面的方案為特殊的解析方案。DOE的數值優化一般使用計算機并且產生可以并非為上面形式而是使得DOE更易于制造和使用的設計。
現在參考圖11和12描述用于從空間散射場形成多個光束的可替代光學器件。
圖11示意了光學器件50，包括透明的例如玻璃元件52，該元件在一個表面上具有外形54，該外形包括等距的并且例如以120°相互成角度的三個表面56、58、60的重復圖案。
該外形可從鋸齒形輪廓形成，其中上面的三分之一被切除(例如通過拋光)。
通過兩個相干光束64、66的干涉在光學器件50處形成包括余弦條紋62的空間散射場。圖11示出入射到光學器件50上的余弦條紋62。入射到異形光學器件上的光被通過三個成角度表面折射到三個不同方向68、70、72中，如圖12所示。光學器件74的周期等于余弦條紋76的周期，從而產生具有不同相位0°、+120°和-120°的三個光束。
設置探測器(未示出)以探測所產生的三個光束68、70、72。可替代的，可設置光學纖維以將所產生的三個光束耦合到其相應的遠程探測器。
在相反的布置中，相干光束64、66入射到光學器件的平表面上，從而光從玻璃側通過異形玻璃/空氣界面。在該布置中光束64、66的入射角度將大于在圖11和12中所示意的布置以在玻璃中產生等于異形表面周期的條紋間距。
相互干涉以產生干涉圖的入射光束不必彼此成一定角度。圖16示意了一種實施例，其中光學器件150由雙折射材料制成，在其異形表面158上涂覆有偏振材料151。正交偏振的兩個平行光束164、166入射到光學器件上，并且被雙折射材料以不同的程度折射。因此光束當相遇時不再平行并且在偏振涂層處干涉以形成干涉圖。該干涉圖與如上參考圖11和12所述的異形表面相互作用。
現在參考圖13-15描述另一種類型的異形光學元件。在該實施例中，光學器件80包括具有異形表面84的透明元件82例如玻璃。
光學器件的異形表面84被劃分成片段88、90、92的重復圖案，片段圖案平行于光條紋86的方向延伸。圖13和14示出片段的重復圖案。圖13是光學器件的透視圖并且圖14是平面視圖。該圖案的各個可重復部分包括第一片段88，其中不具有任何結構；第二片段90，其中具有沿著第一方向(在圖14中箭頭A所示)延伸的閃耀光柵；以及第三片段92，其中具有沿著第二方向(在圖14中箭頭B所示)延伸的閃耀光柵。
入射到光學器件異形表面的不同片段上的光被衍射到不同方向中。入射到不具有任何結構的第一片段上的光直線地通過該光學器件(即第0級衍射)。入射到第二和第三片段上的光被以不同的角度折射。
圖15是圖13和14的光學元件的端視圖。入射到光學器件80頂表面上的光94直線地通過片段88(不具有結構)，通過片段90(具有沿著第一方向的閃耀光柵)在第一方向中衍射并且通過片段92(具有沿著第二方向的閃耀光柵)在第二方向中衍射。由這三個片段產生的光束由透鏡96聚焦到三個光斑98、100、102上，它們橫向于重復片段圖案的方向。由于入射到各個片段88、90、92上的光各自與余弦條紋的不同部分相關，三個光斑各自具有不同的相位，即0°、+/-120°。
使用閃耀光柵具有如此優點，即通過將菲涅耳波帶片迭加到閃耀光柵上，透鏡96可結合于光學器件80中，由此降低系統的總尺寸。
圖17示意了將光聚焦到光學纖維中的菲涅耳波帶片的一部分。該波帶片包括區域A、B、C的組，其中各個給定組的區域將光聚焦到給定的焦點。不同區域的組將光聚焦到不同的焦點。菲涅耳波帶片可被構造成使得這些焦點平行于或者橫向于光學纖維的平面布置。圖17示出由閃耀光柵的第一組片段88衍射的光被聚焦到第一光學纖維170中，由閃耀光柵的第二組片段90衍射的光被聚焦到第二光學纖維172中，并且由閃耀光柵的第三組片段192衍射的光被聚焦到第三光學纖維174中。
相干光學纖維束可替代光學器件以及離散的光學纖維。在此情形中，在纖維束中各個光學纖維的一端鄰近空間散射場設置并且相間隔以使得不同相位的光通過不同的光學纖維到達不同的探測器。
如果來自電子器件的熱量是可以接受的，則可以使用光電探測器替代光學纖維。這里光電探測器可以是分離的，或者容納于同一單元中，或者它們甚至可具有與在四元電池或線性陣列中相同的基底。
雖然圖11-17示意了透射系統，在本發明中也可使用反射光學器件。
所有上述實施例為光電光柵提供了可替代形式，因此提供了其中無需任何電子器件的探測單元。而且，由于探測器可關于探測單元遠程設置(即通過使用光學纖維)，讀頭的尺寸大大降低。
上述探測單元適用于在其中產生空間散射場的任何干涉計。
權利要求
1.一種干涉測量設備，包括測量光束和參考光束，它們相互作用以產生空間條紋圖；光學器件，其與空間條紋圖相互作用，從而光在空間中被分離到不同方向中；并且其中在空間被分離光的兩個或更多個方向中的強度調制是相移的。
2.根據權利要求1所述的干涉測量設備，其中光學器件與空間條紋圖相互作用從而在空間條紋圖的條紋中，光在空間中被分離到不同方向中。
3.根據權利要求1所述的干涉測量設備，其中所述的光在空間中在空間條紋圖的一個或多個條紋的至少一部分上被分離。
4.根據權利要求1到3中任何一項所述的干涉測量設備，其中所述的光在空間中被分離成兩個或更多個子束。
5.根據前面任何一項權利要求所述的干涉測量設備，其中利用光學探測器探測不同方向中的空間分離光。
6.根據權利要求5所述的干涉測量設備，其中空間分離光經由光學纖維到達探測器。
7.根據權利要求5或6中任何一項所述的干涉測量設備，其中設置至少一個聚焦裝置以將不同方向中的空間分離光聚焦到光學纖維中或者光學探測器上。
8.根據前面任何一項權利要求所述的干涉測量設備，其中該光學器件包括至少一個菲涅耳透鏡。
9.根據前面任何一項權利要求所述的干涉測量設備，其中該光學器件是衍射器件。
10.根據權利要求9所述的干涉測量設備，其中該光學器件包括多個片段，入射到各個片段上的來自空間散射場的光被衍射到不同衍射方向中，由此在空間中將空間散射場分離。
11.根據權利要求9或10中任何一項所述的干涉測量設備，其中該光學器件具有多個具有不同結構的片段，所述不同的片段以重復圖案布置。
12.根據權利要求10或11中任何一項所述的干涉測量設備，其中所述多個片段的兩個或更多個片段包括閃耀光柵，該閃耀光柵在不同方向中延伸。
13.根據權利要求10到12中任何一項所述的干涉測量設備，其中所述多個片段中的一個不具有任何結構。
14.根據權利要求1到7中任何一項所述的干涉測量設備，其中該光學器件是衍射光學元件。
15.根據權利要求1到8中任何一項所述的干涉測量設備，其中該光學器件是折射器件。
16.根據權利要求15所述的干涉測量設備，其中該光學器件包括多個片段，入射到各個片段上的來自空間散射場的光被折射到不同方向中，由此在空間中將空間散射場分離。
17.根據權利要求15或16中任何一項所述的干涉測量設備，其中該光學器件具有異形表面，從而在異形表面處的折射使得空間散射場在空間中分離。
18.根據權利要求1到8中任何一項所述的干涉測量設備，其中該光學器件包括相干光學纖維束。
19.根據前面任何一項權利要求所述的干涉測量設備，其中該光學器件被如此構造，從而空間分離光束的相差能夠使得探測器的輸出相結合以產生具有已知相差的兩個信號。
20.根據權利要求19所述的干涉測量設備，其中該光學器件被如此構造，從而空間分離光束的相差能夠使得探測器的輸出相結合以產生正交信號。
全文摘要
一種干涉測量設備，包括測量光束(2a、2b)和參考光束(2c、2d)，它們相互作用以產生空間條紋圖(24)。設置光學器件(12)，其與空間條紋圖(24)相互作用，從而光在空間中被分離到不同方向(30、32、34、36)中。在空間分離光束的兩個或更多個方向中的強度調制是相移的。該光學器件可包括例如衍射器件、折射器件或者衍射光學元件。
文檔編號G01B9/02GK1930446SQ200580006887
公開日2007年3月14日 申請日期2005年3月4日 優先權日2004年3月4日
發明者戴維·羅伯茨·麥克默特里, 詹姆斯·雷諾茲·亨肖, 邁克爾·霍默, 馬克·亞德里恩·文森特·查普曼, 雷蒙德·約翰·查內, 威廉·埃內斯特·李, 賈森·肯普頓·斯拉克 申請人:瑞尼斯豪公司
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