CN109997011B - 用于干涉计量测量机的光学笔 - Google Patents

Abstract

一种用于光学测量系统的光学笔包括探针主体，所述探针主体被布置成可调节地装配在测量机器中以用于对测试对象进行光学测量。被光学地耦合在笔主体内的单模光纤将具有跨越一系列波长的瞬时或顺序确立的带宽的源射束传送到笔主体，并且将来自笔主体的测量射束向检测器传送。笔主体内的光学器件的组合和配置提供更紧密且高效的光学笔。

Description

用于干涉计量测量机的光学笔

技术领域

在光学计量学的领域中，坐标测量机可以被布置为使用用于将光指引到测试对象并且指引来自测试对象的光的光学笔来获取测试对象的逐点干涉计量测量结果。用于作为测量的形式产生干涉的光学器件可以被包含在光学笔内。

背景技术

相对光学路径长度位移的逐点测量可以通过测量随着波数的干涉计量相位变化的速率而在一系列这样的光学位移上进行。例如，由多个波长（即低时间相干射束或一连串不同波长）所组成的空间相干源射束可以被分束器划分成从测试对象被反射的对象射束以及从参考反射器被反射的参考射束。来自测试对象和参考反射器二者的反射光在分束器处被重新组合成测量射束并且在诸如分光仪之类的检测器内被重新聚焦，所述检测器记录返回的测量射束的不同频谱分量的干涉强度。基于（a）随着被称为调制频率的射束频率的改变的干涉相位的改变速率与（b）在对象射束和参考射束之间的光学路径长度差异之间的关系，可以确定在不同的测量点之间的相对光学位移。

将源射束划分成对象射束和参考射束并且然后将对象射束和参考射束重新组合成公共测量射束的干涉计量组件可以被包含在光学笔内，所述光学笔还将对象射束指引到测试对象以及指引来自测试对象的对象射束。将干涉计量组件一起组装在光学笔内可以减小不想要的扰动的可能性，所述不想要的扰动对于对象射束和参考射束具有不同的影响，这可能降低测量准确性和可靠性。

然而，将干涉仪容纳在光学笔内所需要的组件的数目和复杂性可能向光学笔增添体积和复杂性，所述光学笔相对于测试对象必须是相对可移动的以获取测试对象上的一系列测量点。特别是在穿过干涉仪的相应对象臂和参考臂的对象射束和参考射束的光学路径长度需要具有相当长度的实例中，干涉仪的两个臂可以以如下方式增添光学笔的尺寸并且使光学笔的形状畸变：可干扰光学笔在具有各种表面形状的测试对象之上的所需的相对移动。例如，虽然对象臂可与光学笔的中心轴对准，但参考臂通常从中心轴偏移，这既增大光学笔的尺寸也使光学笔的形状从轴对称畸变。诸如Mirau干涉仪之类的干涉计量装置可显著减小在光学笔与测试对象之间的工作距离。

发明内容

在各实施例之中，呈现了更紧密和轴对称的光学笔，该光学笔克服所指出的缺陷并且提供用于诸如以下各项的目的：扩展光学笔特别是在小工作空间中的测量机会，降低光学笔内的干涉计量组件的复杂性和数目，并且还减小影响光学笔的干涉计量功能的扰动的可能性。

例如，用于在测试对象特征上的多个点之上取得干涉计量距离测量的光学笔除了别的之外尤其包括笔主体，所述笔主体被布置用于容纳单模光纤的端部，所述端部用于将源射束传送到笔主体，并且用于将来自笔主体的测量射束传送到远程检测器。由笔主体所支撑的第一聚焦光学器件使从单模光纤的端部所发射的源射束准直。由笔主体所支撑的分束器透射源射束的第一部分作为对象射束，并且反射源射束的第二部分作为参考射束，参考射束以入射的非法角（non-normal angle）往回通过第一聚焦光学器件。由笔主体所支撑的第二聚焦光学器件将笔主体之外的对象射束聚焦到邻近测试对象的对象焦点，并且使从测试对象反射的对象射束准直，作为返回对象射束。参考反射器反射参考射束，作为返回参考射束，返回参考射束往回通过第一聚焦光学器件到达分束器。分束器透射返回对象射束并且将返回参考射束反射成与返回对象射束对准，从而将返回对象射束和参考射束组合成测量射束。第一聚焦光学器件将测量射束聚焦到单模光纤的端部中，以将来自笔主体的测量射束传送到远程检测器。

在参考示例中，第一聚焦光学器件被源射束和测量射束各自穿过一次，并且被参考射束穿过两次（即作为参考射束和返回参考射束）。第二聚焦光学器件被对象射束穿过两次（即作为对象射束和返回对象射束）。因而，用于使源射束准直并且聚焦测量射束的同一聚焦光学器件还用于使参考射束准直和聚焦，从而消除对于用以使参考射束适当地成形的分离的聚焦光学器件的需要。

第一聚焦光学器件包括光轴，并且分束器优选地包括至少部分反射性的表面，该表面以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜。在这方面，所述至少部分反射性的表面从针对第一聚焦光学器件的光轴的法线背离不多于三度，使得参考射束沿着源和测量射束的相应路径的相当大部分与所述源和测量射束重叠。参考射束与源和测量射束之间的重叠允许更紧密的设计。另外，第一和第二聚焦光学器件可共享经对准的光轴。所有射束，包括源、对象、参考和测量射束优选地都沿着相同或接近相同的轴传播，这限制了相对扰动不同地影响射束的可能性。

然而，参考射束从在分束器处所实现的源和测量射束的轻微角背离可以关于第一和第二聚焦光学器件的光轴的定向以不同方式被表述。例如，源和测量射束的公共光轴可以与第一聚焦光学器件的光轴对准，并且参考射束的光轴可以相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜。可替换地，参考射束的光轴可以与第一聚焦光学器件的光轴对准，并且源和测量射束的公共光轴可以相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜。

特别地，当参考射束以轻微离轴的方向传播通过第一聚焦光学器件时，可以通过将参考射束限制到源射束的中央或近轴射线而使分散或其它像差效应最小化。例如，部分反射性的表面可以被布置成沿着参考光轴反射源射束的中央或近轴射线，而不类似地反射形成对象射束的源射束的更边缘的射线或以其它方式阻碍形成对象射束的源射束的更边缘的射线的透射，所述参考光轴相对于源和测量射束的公共光轴倾斜。

分束器可以被形成为包括所述至少部分反射性的表面的透射板，并且所述透射板可以以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜。优选地，所述透射板包括以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜的前表面和后表面，并且所述至少部分反射性的表面被形成为反射涂层，反射涂层占据以第一聚焦光学器件的光轴为中心的前表面和后表面之一的一部分。以相同或不同的方式，分束器可以包括被设置在中央的反射器，该反射器以非法角倾斜并且以透射区为边界。被设置在中央的反射器优选被成形为盘（例如圆形或椭圆形区域），但是还可以被成形为环。

为了延伸参考射束的光学路径同时限制其从被源和测量射束所占据的体积的空间发散，可以提供中间反射器，用于折叠去往和来自参考反射器的在途参考射束的路径。优选地，参考射束的路径跨源和测量射束的公共光轴被折叠。因而，参考反射器可以被定位在笔主体的径向外围附近，处于更容易经受调节的位置中。

单模光纤的端部优选地限定接受锥，光通过所述接受锥进入单模光纤。参考反射器优选地沿着参考光轴可调节，以使返回参考射束散焦，用于平衡单模光纤的接受锥内的测量射束的返回参考射束部分和返回对象射束部分之间的射束能量。特别是在部分反射性的表面在分束器的一部分内居中以反射源射束的中央或近轴射线而不同样地反射源射束的更边缘射线的情形中，参考反射器优选地沿着参考光轴被定位在距第一聚焦光学器件大体上等于或大于第一聚焦光学器件的焦距的光学距离处，使得返回参考射束不扩张超出部分反射性的表面。

对象射束和返回对象射束可以被布置成沿着分束器和对象焦点之间的对象光轴行进通过第一光学距离，并且参考射束和返回参考射束可以被布置成沿着分束器和参考反射器之间的参考光轴行进通过第二光学距离。由于这样被布置，所以第一和第二光学距离优选按一定量偏移以避免零干涉状况。这可以通过调节第二聚焦光学器件的轴向位置来实现。另外，第一和第二聚焦光学器件可以被校正以限制色散，并且与包括参考射束的光通过第一聚焦光学器件的透射相关联的分散可以被匹配到包括对象射束的光通过第一和第二聚焦光学器件的透射。

实施例还包括一种利用光学测量系统在测试对象的多个点之上进行干涉计量距离测量的方法，所述光学测量系统具有光学笔，所述光学笔通过单模光纤被连接到光源和检测器二者。通过光学笔的第一聚焦光学器件使从单模光纤的端部发射的源射束准直。源射束可以包括瞬时或顺序确立的带宽，该贷款跨越一系列波长。在分束器处，经准直的源射束被划分成（a）对象射束，其通过光学笔的第二聚焦光学器件被透射到邻近测试对象的对象焦点，以及（b）参考射束，其以入射的非法角被往回反射通过第一聚焦光学器件到达光学笔的参考反射器。通过第二聚焦光学器件使从测试对象反射的作为返回对象射束的对象射束准直。类似地通过第一聚焦光学器件使从参考反射器反射的作为返回参考射束的参考射束准直。返回对象和参考射束在分束器处被组合成测量射束，所述测量射束通过第一聚焦光学器件而被透射到去往单模光纤的端部的会聚路径上。

优选地，组合返回对象和参考射束的步骤包括使返回对象射束透射通过分束器并且将来自分束器的返回参考射束反射成与返回对象射束对准。得到的测量射束优选地被聚焦到单模光纤的接受锥内的单模光纤的端部中。

在分束器处划分经准直的源射束的步骤优选地包括：以一方向来反射源射束的一部分作为参考射束，所述方向相对于源和测量射束的公共光轴倾斜不多于六度。反射源射束的所述部分作为参考射束优选地包括：反射源射束的中央或近轴射线而不类似地反射源射束的形成对象射束的更边缘射线。另外，参考射束和返回参考射束二者都可以沿着去往和来自参考反射器的在途的折叠路径而被进一步反射。优选地，所述折叠路径与源和测量射束的路径相交，使得被参考和返回参考射束所占据的更多体积保持在由源和测量射束所占据的体积内。

另外，参考反射器可以沿着参考光轴被调节，以使返回参考射束散焦，用于平衡单模光纤端部处的接受锥内的测量射束的返回参考射束部分和返回对象射束部分之间的射束能量。特别是在反射源射束的所述部分作为参考射束的步骤包括反射源射束的中央或近轴射线而不类似地反射源射束的更边缘射线的情况中，参考反射器优选地被定位在距第一聚焦光学器件的大体上等于或大于第一聚焦光学器件的焦距的光学距离处。

附图说明

图1是具有可竖直移位的滑动机构的多轴测量机器的示意性侧正面视图。

图2是用于图1的测量机器的光学测量系统的图解，其中干涉仪的对象和参考臂被装配在光学笔中并且由单模光纤连接到光源和检测器二者。

图3A和3B以图形方式描绘了干涉仪的两个不同的测量输出，其中强度作为在与对象射束和参考射束的不同光学路径长度相关联的不同调制频率处的波数的函数而变化。

图4以图形方式描绘了用于基于检测器的输出来识别调制频率的处理器的所计算的输出。

图5描绘了根据图2的布置的射束操纵器的效应，其中参考射束的一部分在单模光纤的接受锥外部扩张。

图6是替换的光学笔的图解，其中参考臂被折叠以提供更紧密的配置。

图7是一种光学测量系统的图解，该光学测量系统类似于图2的系统，但是示出了具有聚焦光学器件的不同布置的光学笔。

具体实施方式

图1中所描绘的多轴机器10是光学测量机器的许多可能的配置之一，包括用于沿着X和Y坐标轴水平地转移测试对象18的x-y载物台14，以及用于沿着Z坐标轴竖直地转移光学笔20（作为干涉仪探针的可见部分）的滑动机构16。x-y载物台14被支撑在机器基底22上。滑动机构16被支撑在滑动支撑物26中，滑动支撑物26承载在支柱24上。光学笔20被承载在铰接臂28上，所述铰接臂28既绕水平轴枢转又连同枢轴一起绕Z坐标轴可旋转，但是光学笔20可被固定装配到Z坐标轴。探针光学器件的其它未见部分（包括一个或多个光源和检测器）或支持机器10的计量学功能的其它装置可以被容纳在滑动支撑物26中，滑动机构16在所述滑动支撑物26内可转移。光学笔20与测试对象18之间的相对运动沿着或绕各种轴被测量，以监测光学笔20在公共坐标系内相对于测试对象18的相对位置。除了光学笔20之外，多轴机器还可以包括视觉系统以及被装配到Z坐标轴的其它探针。

测量机器10可以利用旋转和转移轴的其它组合来被布置，以相对地移动测试对象18和光学笔20中的一个或另一个。优选地，为了收集关于测试对象18的信息，诸如测试对象简档的经验描述，相对运动提供用于将通过光学笔20的光学元件所发射的光的光学焦点30维持为在测试对象18上的一系列不同位置之上邻近于测试对象18，相对运动的定向有效用于通过光学笔20的相同光学元件收集光从测试对象18的镜面反射或漫反射。

在图2中示出用于利用测量机器10的光学测量系统来进行对测试对象18的测量的光学布置。被容纳在诸如滑动支撑物26之类的机器外壳中的诸如超发光二极管之类的光源32提供用于通过单模光纤34将高空间相干但是低时间相干（即，包含在连续波长上的一系列波长的光）递送到光学笔20。优选地在相同的外壳（诸如滑动支撑物26）内，检测器36被布置用于通过单模光纤38接收从光学笔20返回的光。用于处理来自检测器36的信息的处理器40优选地位于外壳的外部，以用于与用户接口（未被示出）通信。

优选地，在工作频谱上的增益波动低，并且带宽与检测器36的操作带宽匹配在一起。然而，代替于生成瞬时带宽，光源32可以通过在所意图的带宽之上生成一连串不同的波长而建立类似的带宽。在由每个波长针对测试对象18上的给定测量点生成单个干涉相位的情况下，检测器36可以被简化，诸如采用简单光电检测器的形式。

光纤耦合器42（其可以是50%/50%耦合器）将单模光纤34和38连接到公共单模光纤44，以向和自干涉仪探针20传送高空间相干、低时间相干的光。单模光纤44可以是单模偏振光纤。如示意性地示出的，单模光纤44具有额外的长度以适应于干涉仪探针20相对于滑动支撑物26的运动。

在光学笔20的笔主体20a内——所述笔主体20a被示意性地示出为与光学笔20的代表性虚线轮廓重合——高空间相干、低时间相干的光从单模光纤44的端部46发射，作为源射束48（以点线被示出）。笔主体20a内的第一聚焦光学器件50（其被示出为双合透镜之一）收集源射束48并且使其准直。笔主体20a内的分束器52将经准直的源射束48划分成（a）对象射束60（以点线被示出），其透射通过分束器52和（b）参考射束62（也以点线被示出），其由分束器52以相对于第一聚焦光学器件50的光轴58的非法角反射。

分束器52被描绘为透射平面平行板54，在板54的前表面上具有居中的反射表面56。透射平面平行板54连同反射表面56一起通过角α相对于光轴58倾斜，所述角α等于由分束器52反射参考射束62所根据的反射角（即2α）的一半。虽然在图2中为了图示的目的而被夸大，但是角α优选地不大于3度并且优选地近似1.5度。

反射表面56具有以光轴58为中心的圆形区域，该圆形区域用于反射源射束48的中央或近轴射线作为参考射束62，而不类似地反射形成对象射束60的其余更边缘的射线或以其它方式阻碍形成对象射束60的其余更边缘的射线的透射。反射表面56优选被形成为光学涂层，但是也可以被形成为在透射板54的前或后表面上的反射板或其它这样的附加反射主体。尽管仍优选地以光轴58为中心，但是反射表面56还能够以其它方式成形，包括作为环形。可替换地，反射表面56可以在透射板52的任一侧的全部或一部分之上被形成作为部分反射性的表面，诸如所谓的“半镀银”表面，用于支持类似的分束功能。

在通过分束器52透射时，对象射束60通过笔主体20a内的第二聚焦光学器件64（其被示出为双合透镜之一）沿着对象臂70传播，所述第二聚焦光学器件64将对象射束60聚焦到在笔主体20a之外的邻近测试对象18的对象焦点66。优选地，对象射束60与第二聚焦光学器件64共享光轴68，所述光轴68还优选地与第一聚焦光学器件的光轴58对准。

在从分束器52反射时，参考射束62通过第一聚焦光学器件50沿着参考臂72往回传播，所述第一聚焦光学器件50将倾斜的参考射束62聚焦到邻近参考反射器76的参考焦点74，所述参考反射器76可以采用平面镜的形式，也在探针主体20a内。参考射束62的参考焦点74从单模光纤44的端部46在空间上偏移一定量，所述量对应于与第一聚焦光学器件50的焦距和反射角（2α）有关的函数。参考射束62具有光轴78，所述光轴78类似地相对于第一聚焦光学器件50的光轴58倾斜近似2α，2α优选地按照反射表面56以最小角量α的倾斜来设置，所述最小角量α是反射经聚焦的参考射束62而不干扰源射束48从单模光纤44的端部46通过第一聚焦光学器件50的所预期的传播所必要的角量。

尽管参考射束62以轻微离轴的方向传播通过第一聚焦光学器件50，但是可以通过将参考射束62的内容限制为源射束48的中央或近轴射线而使像差（例如彗形像差（coma））效应最小化。因而，由第一聚焦光学器件50所聚焦的参考射束62的数值孔径小于由第二聚焦光学器件64类似地聚焦的对象射束60的数值孔径。参考射束62相对于源射束48的受限角倾斜连同参考射束62的受限尺寸一起有助于优化在源和参考射束48和62的体积之间的重叠，从而实现更紧密和轴对称的笔主体20a。优选地，聚焦光学器件50和64二者都是消色差，低分散透镜，其用于匹配对象射束和参考射束60和62内的不同波长的聚焦效应。三合透镜、非球面消色差透镜、或具有更多自由度的其它透镜设计可以用于适应附加尺寸的离轴参考射束。

对象射束60从测试对象18的镜面反射或漫反射在途中由第二聚焦光学器件64收集并且重新准直，返回到分束器52。类似地，从参考反射器76的后向反射在途中由第一聚焦光学器件50收集并且大体上重新准直，返回到分束器52。在分束器52处，透射通过分束器52的返回对象射束60的至少一部分与从反射表面56往回反射成与对象射束60对准的返回参考射束62的至少一部分重新组合，作为公共测量射束80，公共测量射束80由第一聚焦光学器件50聚焦到邻近单模光纤44的端部46的测量焦点82。单模光纤44的端部46通过接受锥的体积来接收测量射束80，所述接受锥的体积一般与光纤芯以及包层的折射率有关。

在被布置作为分光仪的检测器36内，测量射束80可以在一系列频谱分散的定向上被重新准直并且反射离开衍射光栅，并且测量射束80的分散定向可以沿着光电二极管或电荷耦合器件（CCD）的线性阵列被聚焦。来自测量射束80的对象射束60部分的每个不同频率（作为波长的倒数）在沿着所述阵列的不同焦点位置处与测量射束80的参考射束62部分的对应频率发生干涉。沿着所述阵列被聚焦的光的强度（表示测量射束80的对象射束60部分和参考射束62部分之间的模2π相位差）以可检测到的频率进行调制，所述可检测到的频率被称为调制频率，该调制频率在奈奎斯特（Nyquist）间隔（由于像素采样所致）内变化，所述奈奎斯特间隔与测量射束80的对象射束60部分和参考射束62部分之间的光学路径长度差成比例。由于强度信息由离散数目的像素来收集，所以可区分的频率一般范围从零直到在测量中所涉及的像素数目的一半。

图3A和3B用曲线图表示沿着线性阵列像素所捕获的强度变化的两个不同示例，并且沿着所述线性阵列像素分散了不同频率（波数）的焦点定位。与干涉相位中的变化相对应的强度中的变化在被称为调制频率的可测量频率处大体上是周期性的。由于在测量射束80的对象射束60部分和参考射束62部分之间的光学路径长度差从零（即零位置）增大，所以调制频率在测量的奈奎斯特间隔内成比例地增大。例如，在图3A中所描绘的调制频率显得高于图3B中所描绘的调制频率，证明了相对于如图3B中所示的由检测器36所捕获的光学路径长度差的测量，在如图3A中所示的由检测器36所捕获的测量中，测量射束80的对象射束60部分和参考射束62部分之间的较大光学路径长度差。图4将所计算的调制频率示出为可以从处理器40以图形方式输出的所描绘的测量范围内的频率尖峰86。

在处理器40内，所计算的调制频率还可以被转换成测试对象18的表面上的高度。为了收集关于在公共坐标系内测试对象18上一系列点的数据，光学笔20与测试对象18之间的相对运动被监测以追踪空间中光学笔20的对象焦点66的位置。在设立期间，以给定的调制频率来设置在理想焦点位置处所考虑的对象射束和参考射束60、62之间的光学路径长度差。在测量期间，被解释为表面高度变化的从给定调制频率的背离可以被加到对象焦点66的所测量的相对位置或从对象焦点66的所测量的相对位置中减去以提供测试对象18上的所测量的点的位置的更精细度量。

由于从给定调制频率的背离也是从理想焦点位置的背离的度量，所以从给定调制频率的背离还可以用于将焦点维持在可用范围内。换言之，光学笔20的相对位置可以通过如下方式来被校正：使光学笔20沿着Z轴移位以将理想焦点定位得更靠近于测试对象18的表面并且在更靠近于给定调制频率的调制频率。焦点校正进而将光学笔维持在测量的所预期的奈奎斯特间隔以及聚焦光学器件64的焦点深度二者内。

调制频率可以被确定的准确性部分地基于用来表述干涉相位调制的对比度。由于强度与波形幅度的平方有关，所以当测量射束80的对象射束60部分和参考射束62部分的相对强度相等时，发生干涉相位调制的最高对比度。测量射束80的返回对象射束60分量的强度取决于在测量点处测试对象18的反射率，反射率在测试对象之间或在相同测试对象的不同部分之间可变化相当大。

由于测试对象18的反射率一般小于参考反射器76的反射率，所以分束器52优选地被布置成与反射光相比更有效地透射光，从而促进以参考射束62为代价而将源射束48的更多能量分布到对象射束60中。反射表面56的尺寸、位置和反射率可以被控制以调节对象射束60和参考射束62之间的能量分布。

为了更密切地平衡反射的对象射束60与反射的参考射束62的强度，参考射束62的不同尺寸部分的进展可以可调节地被阻止聚焦在单模光纤44的接受锥内。例如，如图2中所示，参考反射器76可以被连接到采用线性调节器84形式的可调节射束操纵器，诸如在处理器40或其它控制器的控制下的调节-螺旋-驱动机构或驱动器（例如换能器），以使参考反射器76沿着参考射束62的光轴78移位，从而可变地使参考射束62散焦。

使参考射束62散焦将差分量的波前曲率引入到反射的参考射束62中，这将测量射束80的聚焦体积扩张超出单模光纤44的接受锥。增加散焦排除测量射束80的反射的参考射束62部分的更大部分。调节提供了调整反射的参考射束62的强度的简单并且对称的方式。为了确定散焦的所期望的量，可以在检测器36内通过总体测量的强度变化来测量干涉对比度，并且可以对散焦量做出调节以更好地优化所测量的强度变化。

如图5中所示，当被第一聚焦光学器件50重新聚焦时，测量射束80的参考射束62部分包含围绕光轴58的较大111或较小106范围的角（取决于散焦方向），并且导致在单模光纤44的端部46处的较大斑点尺寸，使得测量射束80的参考射束62部分的会聚元素中的至少一些被定向在单模光纤44的接受锥100（其以双点划线被示出）外部。

能够进入单模光纤44的光的体积被包含在接受锥100中。单模光纤44的横截面示出了利用周围的包层104被暴露的单模光纤44的芯102。以实线示出的另一锥106表示测量射束80的参考射束62部分，参考射束62部分经受被参考反射器76散焦到在单模光纤44的端部46之前会聚的路径上。虽然锥106仍关于第一聚焦光学器件50的光轴58以对称方式会聚，但是锥106具有被分布在接受锥100外部的角元素。作为结果，测量射束80的参考射束62部分的相对强度相对于测量射束80的对象射束60部分被减小。反射的对象射束60的相对强度可以在测量期间被监测以确定是需要更多还是更少的散焦来重新平衡测量射束80的对象射束60部分与参考射束62部分的强度。

特别是在反射表面56在分束器板54的一部分内居中以用于反射源射束48的中央或近轴射线而不同样地反射源射束48的更边缘射线的情形中，参考反射器76优选地沿着参考光轴78被定位在距第一聚焦光学器件50光学距离处，所述光学距离大体上等于或大于第一聚焦光学器件50的焦距，使得返回参考射束62不扩张超出反射表面56。虽然这样的扩张不太可能对主调制频率有很多影响，但是保持在聚焦光学器件50和64的光学孔径内的杂散光可能增大本底辐射。例如，返回参考射束62可以被第二聚焦光学器件64聚焦到测试对象18上的偏移聚焦斑点。

对象射束60可以被布置成沿着分束器52和对象焦点66之间的对象光轴68行进通过第一光学距离，并且参考射束62可以被布置成沿着分束器52和参考反射器76之间的参考光轴78行进通过第二光学距离。由于这样被布置，第一和第二光学距离优选按最小量偏移以避免零干涉状况。然而，考虑对于在笔主体20a与对象焦点66之间的长工作距离的需要，所述长工作距离倾向于延伸对象射束60的光学路径长度，参考射束62的光学路径长度因此优选地接近一样长或更长。第二聚焦光学器件64可以沿着其轴68被调节以提供所期望的偏移。

特别是为了目的（a）以可以如所期望那样被聚焦到单模光纤44的端部46中的形式使测量射束80返回和（b）避免在对象射束和参考射束之间的非预期的差分效应，包括第一和第二聚焦光学器件50和64的各种光学器件优选地被布置成最小化或以其它方式控制色散和其它像差。总体上，像差优选地被最小化以确保测量射束可以如所期望的那样被聚焦到单模光纤44的端部46中。像差还优选地被最小化或以其它方式在传播射束的对象射束分量和参考射束分量之间被平衡，以避免对测量的非预期的影响。例如，包括对象射束的光两次传播通过第一和第二聚焦光学器件50和64中的每一个，而包括参考射束的光四次传播通过第一聚焦光学器件50。与不同透射路径相关联的任何差分像差效应优选地被最小化。虽然包括对象射束和参考射束的光一起在源和测量射束48和80内传播，但是还优选地考虑通过第一聚焦光学器件50的不同传播路径。

图6描绘了采用更紧密的配置的替换的光学笔90，该更紧密的配置以更窄的笔主体92为特征，同时适应于参考射束62的所期望的光学路径长度。大多数组件与光学笔20相同并且通过相同的标号被提及。然而，中间反射器94（诸如平面镜）被添加以将新的参考臂96折叠成更紧密的配置。如所示出的，可以如针对光学笔20所描述的那样从源射束48中划分出来的参考射束62的路径跨第一聚焦光学器件50的光轴58被折叠，即，跨源射束48和测量射束80的路径被折叠。因而，由参考射束62所占据的更多体积保持在由源射束48所占据的体积内。另外，参考射束62的折叠路径限制参考射束62从源射束48的径向偏移，使得笔主体92可以更窄和/或关于聚焦光学器件的经对准的光轴58和68更径向对称。

在这样的折叠状况中，参考反射器76可以具有被定向成与第一聚焦光学器件50的光轴58垂直的表面法线。这允许参考反射器76被定位在笔主体92的径向外围附近的如下位置中：凭借所述位置，调节机构84更容易地可接近或通过笔主体92经受调节。虽然在笔主体92的径向外围附近类似地保持可接近，但是参考反射器76的表面法线可以从与第一聚焦光学器件50的光轴58垂直被倾斜少量（例如3到10度），并且调节器84可以被布置用于沿着光轴58转移如此倾斜的参考反射器76，以对保持在单模光纤44的接受锥内的参考射束62的部分进行调节。尽管被倾斜，但参考反射器76的表面法线仍在很大程度上保持与光轴58垂直，以支持源射束48和参考射束62的交叉路径。中间反射器94的倾斜可以被设置成维持参考射束62的定向，以从倾斜的参考反射器76后向反射，使得沿着光轴58转移的效应将可变地使参考射束62散焦，并且由此对保持在单模光纤44的接受锥内的参考射束62的部分进行调节。

图7描绘了另一替换的光学笔110，其中第一聚焦光学器件50的光轴58与参考射束62的光轴78重合。第二聚焦光学器件64和对象射束60继续共享公共光轴68，与先前的实施例一致。因而，在光学笔110中，参考射束62和对象射束60二者分别作为沿轴射束传播通过第一和第二聚焦光学器件50和64，从而限制射束60和62之间差异的来源。然而，第一聚焦光学器件50的光轴58相对于第二聚焦光学器件64的光轴68倾斜。另外，第一聚焦光学器件50的光轴58类似地相对于源射束48和测量射束80的公共光轴112倾斜，所述源射束48和测量射束80在途向和自单模光纤44的端部46传播。源射束48和测量射束80的公共光轴112保持与第二聚焦光学器件64的光轴68对准。

在光学笔110的笔主体20a内，由光纤44传送的高空间相干，低时间相干的光作为源射束48从单模光纤44的端部46发射，源射束48作为发散射束朝向第一聚焦光学器件50传播。然而，代替从处于沿着第一聚焦光学器件50的光轴58的位置中的单模光纤44的端部46被发射，单模光纤44的端部46在第一聚焦光学器件50的焦平面内位于从第一聚焦光学器件50的光轴58偏移的位置。因而，聚焦光学器件50仍被布置成使源射束48准直，但是源射束48被准直为处于相对于第一聚焦光学器件50的光轴58倾斜的定向。

笔主体20a内的分束器52将经准直的源射束48划分成（a）透射通过分束器52的对象射束60和（b）参考射束62，所述参考射束62被分束器52反射成与第一聚焦光学器件50的光轴58对准。因而，第一聚焦光学器件50的光轴58相对于源和测量射束48、80的公共光轴112倾斜一定量，参考射束62被预期相对于源射束48倾斜所述一定量。为了将参考射束62反射成与第一聚焦光学器件50的光轴58对准，分束器52的反射表面56的表面法线相对于源和测量射束48、80的公共轴112相对地倾斜所述一定量的一般。因而，与先前的实施例一致，分束器板52的反射表面56的表面法线通过角α相对于光轴58倾斜，所述角α等于分束器52反射参考射束62的反射角（即2α）的一半。相同的表面法线也通过角α相对于源和测量射束48、80的公共轴112倾斜，导致第一聚焦光学器件50和参考射束62的对应轴58、78通过角2α相对于源和测量射束48、80的公共轴112倾斜。再次，虽然在图7中为了图示的目的而被夸大示出，但是角α优选地不多于3度并且优选地近似1.5度。

类似于前述实施例，对象射束60透射通过分束器52并且沿着对象臂70传播通过笔主体20a内的第二聚焦光学器件64，所述第二聚焦光学器件64将对象射束60聚焦到笔主体20a之外的邻近测试对象18的对象焦点66。对象射束60共享第二聚焦光学器件64的光轴68，光轴68也优选地与源和测量射束48、80的公共光轴112对准，但是相对于第一聚焦光学器件50的光轴58倾斜。

在从分束器52反射时，参考射束62沿着参考臂72往回传播通过第一聚焦光学器件50，所述第一聚焦光学器件50将倾斜的参考射束62聚焦到邻近参考反射器76的参考焦点74。不同于先前的实施例，参考射束62的轴78与第一聚焦光学器件50的光轴58重合，这限制离轴方向影响，所述离轴方向影响可以与对象射束60不同地影响参考射束62。然而，参考射束62的参考焦点74在空间上从单模光纤44的端部46偏移一定量，所述一定量对应于与第一聚焦光学器件50的焦距和反射角（2α）有关的函数。所述偏移使得参考射束62能够被参考反射器76后向反射返回到第一聚焦光学器件50，而不干扰源射束48从单模光纤44的端部46通过第一聚焦光学器件50的预期的传播。

尽管分束器52被描绘为具有被设置在中央的反射表面56，被设置在中央的反射表面56将参考射束62限制到中央或近轴射线，但是反射表面56可以在透射板52的任一侧的全部或一部分之上形成为部分反射性的表面，诸如所谓的“半镀银”表面，用于支持类似的分束功能。以此方式，参考射束62的尺寸可以被定成类似于对象射束60，从而增加两个射束之间的系统对应性。然而，作为部分反射器，非预期的次要遭遇可能与返回对象射束60或参考射束62相关联地发生，但是这样的次要遭遇具有减小的幅度并且倾向于以超出测量范围的相对路径长度行进。例如，参考射束62的一些返回射线能够以一离轴角到达第二聚焦光学器件64并且聚焦在测试对象18上的别处。从替换的焦点所收集的光可能在已经行进了预期用于参考射束62的距离的两倍之后加入参考射束62。

类似于前述实施例，对象射束60从测试对象18的镜面反射或漫反射在途中由第二聚焦光学器件64收集并且重新准直，以返回到分束器52。类似地，从参考反射器76的后向反射在途中由第一聚焦光学器件50收集并且大体上重新准直，以返回到分束器52。在分束器52处，透射通过分束器52的返回对象射束60的至少一部分与从反射表面56往回反射成与对象射束60对准的返回参考射束62的至少一部分重新组合作为公共测量射束80，公共测量射束80由第一聚焦光学器件50聚焦到邻近单模光纤44的端部46的测量焦点82。单模光纤44的端部46通过接受锥的体积来接收测量射束80，所述接受锥的体积一般与光纤芯以及包层的折射率有关。

然而，与前述实施例形成对比，现在被视为公共测量射束80的经重新准直和对准的对象射束60和参考射束62以离轴角（即2α）遭遇第一聚焦光学器件，并且被聚焦在单模光纤44的端部46附近，所述单模光纤44的端部46在第一聚焦光学器件50的焦平面内位于从第一聚焦光学器件50的光轴58偏移的位置。因而，第一聚焦光学器件50应当被设计成具有足够的品质，以最小化像差（例如彗形像差）效应，所述像差效应可不利地影响测量焦点82相对于单模光纤的端部46处的接受锥的尺寸或形状。

类似于两个前述实施例，对象射束和参考射束对于测量射束80的贡献的相对强度可以通过以下方式被调节以更好地优化所测量的强度变化：使用可调节射束操纵器（诸如线性调节器84）在处理器40或其它控制器的控制下沿着参考射束62的光轴78使参考反射器76移位以使参考射束62可变地散焦到单模光纤44的端部46附近。类似于图6的实施例，中间反射器94（诸如平面镜）可以被添加以将新的参考臂折叠成更紧密的配置。

本领域技术人员将领会到，示例实施例中所公开的元素的替换方案、变型、修改、添加和不同组合可以根据本发明的总体教导而被做出，并且它们意图被以下权利要求涵盖。

Claims (38)

1.一种用于在测试对象上的多个点之上进行干涉计量距离测量的光学笔，包括：

笔主体，被布置用于容纳单模光纤的端部，所述端部用于将源射束传送到笔主体并且用于从笔主体传送测量射束；

由笔主体所支撑的第一聚焦光学器件，用于使从单模光纤的端部发射的源射束准直；

由笔主体所支撑的分束器，用于透射源射束的第一部分作为对象射束，并且用于反射源射束的第二部分作为参考射束，参考射束以入射的非法角往回通过第一聚焦光学器件；

由笔主体所支撑的第二聚焦光学器件，用于将在笔主体之外的对象射束聚焦到邻近测试对象的对象焦点，并且用于使从测试对象反射的对象射束准直作为返回对象射束；

参考反射器，用于反射参考射束作为返回参考射束，返回参考射束往回通过第一聚焦光学器件到分束器；

所述分束器被布置用于透射所述返回对象射束并且用于将所述返回参考射束反射成与所述返回对象射束对准，从而将所述返回对象射束和所述返回参考射束组合成所述测量射束；

所述第一聚焦光学器件被布置用于将所述测量射束聚焦到单模光纤的端部中；

第一和第二聚焦光学器件具有相应的光轴，并且第一聚焦光学器件的光轴相对于第二聚焦光学器件的光轴倾斜；并且

所述分束器还被布置用于：沿着与第二聚焦光学器件的光轴对准的对象光轴透射源射束的第一部分作为对象射束并且沿着与第一聚焦光学器件的光轴对准的参考光轴反射源射束的第二部分作为参考射束。

2.根据权利要求1所述的光学笔，其中所述对象射束和返回对象射束共享与第二聚焦光学器件的光轴对准的对象光轴，并且所述参考射束和返回参考射束共享与第一聚焦光学器件的光轴对准的参考光轴。

3.根据权利要求2所述的光学笔，其中所述源射束和测量射束的公共光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准。

4.一种用于在测试对象上的多个点之上进行干涉计量距离测量的光学笔，包括：

笔主体，被布置用于容纳单模光纤的端部，所述端部用于将源射束传送到笔主体并且用于从笔主体传送测量射束；

由笔主体所支撑的第一聚焦光学器件，用于使从单模光纤的端部发射的源射束准直；

由笔主体所支撑的分束器，用于透射源射束的第一部分作为对象射束，并且用于反射源射束的第二部分作为参考射束，参考射束以入射的非法角往回通过第一聚焦光学器件；

由笔主体所支撑的第二聚焦光学器件，用于将在笔主体之外的对象射束聚焦到邻近测试对象的对象焦点，并且用于使从测试对象反射的对象射束准直作为返回对象射束；

参考反射器，用于反射参考射束作为返回参考射束，返回参考射束往回通过第一聚焦光学器件到分束器；

所述分束器被布置用于透射所述返回对象射束并且用于将所述返回参考射束反射成与所述返回对象射束对准，从而将所述返回对象射束和所述返回参考射束组合成所述测量射束；

所述第一聚焦光学器件被布置用于将所述测量射束聚焦到单模光纤的端部中；以及

中间反射器，用于折叠在途去往和来自参考反射器的参考射束的路径。

5.根据权利要求4所述的光学笔，其中所述第一聚焦光学器件包括光轴，并且所述分束器包括至少部分反射性的表面，所述至少部分反射性的表面以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜。

6.根据权利要求5所述的光学笔，其中所述至少部分反射性的表面的法线从第一聚焦光学器件的光轴背离不多于三度。

7.根据权利要求4所述的光学笔，其中所述参考射束和返回参考射束共享参考光轴，并且所述参考光轴相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜。

8.根据权利要求7所述的光学笔，其中所述源射束和测量射束的公共光轴与第一聚焦光学器件的光轴对准。

9.根据权利要求8所述的光学笔，其中所述对象射束和返回对象射束共享对象光轴，并且所述对象光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准。

10.根据权利要求9所述的光学笔，其中所述第一聚焦光学器件的光轴与第二聚焦光学器件的光轴对准。

11.根据权利要求4所述的光学笔，其中所述分束器的部分反射性的表面沿着相对于源射束和测量射束的公共光轴倾斜的参考光轴反射源射束的中央或近轴射线，而不类似地反射源射束的形成对象射束的更边缘的射线。

12.根据权利要求4所述的光学笔，其中所述分束器被形成为包括至少部分反射性的表面的透射板，并且所述透射板以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜。

13.根据权利要求12所述的光学笔，其中所述透射板包括以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜的前表面和后表面，并且所述至少部分反射性的表面被形成为反射涂层，所述反射涂层占据以第一聚焦光学器件的光轴为中心的前表面和后表面之一的一部分。

14.根据权利要求4所述的光学笔，其中所述分束器包括被设置在中央的反射器，所述被设置在中央的反射器以相对于第一聚焦光学器件的光轴的非法角倾斜并且以透射区为边界。

15.根据权利要求14所述的光学笔，其中所述被设置在中央的反射器被成形为盘。

16.根据权利要求14所述的光学笔，其中所述被设置在中央的反射器被成形为环。

17.根据权利要求4所述的光学笔，其中所述源射束和测量射束包括与光纤的端部对准的公共光轴，并且所述中间反射器跨所述源射束和测量射束的公共光轴折叠所述参考射束的路径。

18.根据权利要求4所述的光学笔，其中：（a）单模光纤的端部限定接受锥，光通过所述接受锥进入所述单模光纤，（b）参考射束和返回参考射束共享参考光轴，以及（c）参考反射器沿着参考光轴可调节，以使返回参考射束散焦，从而在单模光纤的端部处的接受锥内的测量射束的返回参考射束部分和返回对象射束部分之间平衡射束能量。

19.根据权利要求4所述的光学笔，其中（a）所述部分反射性的表面在分束器的一部分内居中以用于反射源射束的中央或近轴射线而不同样地反射源射束的形成对象射束的更边缘的射线，（b）第一聚焦光学器件具有一焦距，并且（c）所述参考反射器沿着所述参考光轴被定位在距第一聚焦光学器件大体上等于或大于第一聚焦光学器件的所述焦距的光学距离处，使得所述返回参考射束不扩张超出所述部分反射性的表面。

20.根据权利要求4所述的光学笔，其中（a）对象射束和返回对象射束沿着分束器和对象焦点之间的对象光轴行进通过第一光学距离，（b）参考射束和返回参考射束沿着分束器和参考反射器之间的参考光轴行进通过第二光学距离，并且（c）第一和第二光学距离按一定量偏移以避免零干涉状况。

21.根据权利要求4所述的光学笔，其中第一和第二聚焦光学器件被校正以限制色散，并且与包括参考射束的光通过第一聚焦光学器件的透射相关联的分散被匹配到包括对象射束的光通过第一和第二聚焦光学器件的透射。

22.一种利用光学测量系统来在测试对象上的多个点之上进行干涉计量距离测量的方法，所述光学测量系统具有光学笔，所述光学笔通过单模光纤被连接到光源和检测器二者，所述方法包括如下步骤：

通过光学笔的第一聚焦光学器件使从单模光纤的端部发射的源射束准直；

在分束器处将经准直的源射束划分成（a）对象射束，其透射通过光学笔的第二聚焦光学器件到达邻近测试对象的对象焦点，以及（b）参考射束，其以入射的非法角被往回反射通过第一聚焦光学器件到达光学笔的参考反射器；

通过第二聚焦光学器件使从测试对象被反射的对象射束准直作为返回对象射束；

通过第一聚焦光学器件使从参考反射器被反射的参考射束准直作为返回参考射束；以及

在分束器处将返回对象射束和返回参考射束组合成测量射束，所述测量射束被透射通过第一聚焦光学器件到去往单模光纤的端部的会聚路径上，

其中所述源射束和测量射束以及对象射束和返回对象射束沿着与第二聚焦光学器件的光轴以及单模光纤的端部对准的相应光轴传播，并且

其中所述参考射束和返回参考射束沿着与第一聚焦光学器件的光轴对准并且相对于第二聚焦光学器件的光轴倾斜的参考光轴传播。

23.根据权利要求22所述的方法，其中将返回对象射束和返回参考射束组合的步骤包括：通过所述分束器透射所述返回对象射束并且将来自所述分束器的所述返回参考射束反射成与所述返回对象射束对准。

24.根据权利要求22所述的方法，其中所述源射束包括跨越一系列波长的瞬时或顺序确立的带宽。

25.根据权利要求22所述的方法，包括以下步骤：将测量射束聚焦到单模光纤的接受锥内的单模光纤的端部中。

26.根据权利要求22所述的方法，其中在分束器处划分经准直的源射束的步骤包括：沿相对于第二聚焦光学器件的光轴倾斜不超过六度的方向反射源射束的一部分作为参考射束。

27.根据权利要求26所述的方法，其中所述源射束被反射作为参考射束的方向相对于第二聚焦光学器件的光轴倾斜不超过三度。

28.根据权利要求26所述的方法，其中反射所述源射束的一部分作为参考射束的步骤包括：反射源射束的中央或近轴射线而不类似地反射形成对象射束的源射束的更边缘射线。

29.一种利用光学测量系统来在测试对象上的多个点之上进行干涉计量距离测量的方法，所述光学测量系统具有光学笔，所述光学笔通过单模光纤被连接到光源和检测器二者，所述方法包括如下步骤：

通过光学笔的第一聚焦光学器件使从单模光纤的端部发射的源射束准直；

在分束器处将经准直的源射束划分成（a）对象射束，其透射通过光学笔的第二聚焦光学器件到达邻近测试对象的对象焦点，以及（b）参考射束，其以入射的非法角被往回反射通过第一聚焦光学器件到达光学笔的参考反射器；

通过第二聚焦光学器件使从测试对象被反射的对象射束准直作为返回对象射束；

通过第一聚焦光学器件使从参考反射器被反射的参考射束准直作为返回参考射束；

在分束器处将返回对象射束和返回参考射束组合成测量射束，所述测量射束被透射通过第一聚焦光学器件到去往单模光纤的端部的会聚路径上；以及

沿着在途去往和来自参考反射器的折叠路径反射参考射束和返回参考射束二者。

30.根据权利要求29所述的方法，其中所述折叠路径与源和测量射束的路径相交，使得被参考射束和返回参考射束所占据的更多体积保持在由源射束和测量射束所占据的体积内。

31.根据权利要求29所述的方法，包括如下步骤：将与包括参考射束的光通过第一聚焦光学器件的透射相关联的色散匹配到与包括对象射束的光通过第一和第二聚焦光学器件的透射相关联的色散。

32.根据权利要求29所述的方法，其中所述参考射束沿着参考光轴从分束器传播到参考反射器，并且包括以下步骤：沿着参考光轴来调节参考反射器，以使返回参考射束散焦，从而在单模光纤的端部处的接受锥内的测量射束的返回参考射束部分和返回对象射束部分之间平衡射束能量。

33.根据权利要求29所述的方法，其中（a）在分束器处划分经准直的源射束的步骤包括：沿一方向反射源射束的一部分作为参考射束，所述方向相对于第一聚焦光学器件的光轴倾斜，并且（b）反射源射束的所述部分作为参考射束的步骤包括：反射源射束的中央或近轴射线而不类似地反射形成对象射束的源射束的更边缘射线，并且所述方法包括如下步骤：将参考反射器定位在距第一聚焦光学器件大体上等于或大于第一聚焦光学器件的焦距的光学距离处。

34.根据权利要求29所述的方法，其中（a）对象射束和返回对象射束沿着分束器和对象焦点之间的对象光轴行进通过第一光学距离，（b）参考射束和返回参考射束沿着分束器和参考反射器之间的参考光轴行进通过第二光学距离，并且包括以下步骤：使第一和第二光学距离偏移用于避免零干涉状况的最小量。

35.根据权利要求29所述的方法，包括以下步骤：沿着去往光学笔的单模光纤传送来自光源的源射束；以及沿着去往检测器的单模光纤传送测量射束。

36.根据权利要求29所述的方法，其中在分束器处划分经准直的源射束的步骤包括：沿相对于源射束和测量射束的公共光轴以及第一聚焦光学器件的光轴二者倾斜的方向反射源射束的一部分作为参考射束。

37.根据权利要求36所述的方法，其中在分束器处划分经准直的源射束的步骤包括：沿与源射束和测量射束的公共光轴以及第一聚焦光学器件的光轴二者对准的方向透射源射束的一部分作为对象射束。

38.根据权利要求36所述的方法，其中在分束器处划分经准直的源射束的步骤包括：沿与源射束和测量射束的公共光轴以及第二聚焦光学器件的光轴二者对准的方向透射源射束的一部分作为对象射束。

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