CN113574344A - 通过偏振光纤连接到源/检测器的部分相干范围传感器笔 - Google Patents

Abstract

一种用于光学测量系统的探头，包括探头主体，该探头主体被布置成可调节地安装在用于光学地测量测试物体的测量机中。光学耦合在探头主体内的偏振光纤将具有跨越一系列波长的瞬时或顺序建立的带宽的源光束传输到探头主题，并且还将测量光束从探头主体朝向检测器传输。提供了可调节光束操纵器，用于沿着参考臂角度地重新分布参考光束。

Description

通过偏振光纤连接到源/检测器的部分相干范围传感器笔

技术领域

在光学计量的领域中，坐标测量机的光学探头通常在测试物体上移动，以获取测试物体的逐点高度测量。光学器件通常被划分为探头和机器的另一部分。

背景技术

通过测量干涉相位随波数变化的速率，可以在一系列（a range of）这样的光学位移上对相对光路长度位移进行逐点测量。例如，由多个波长组成的空间相干源光束，即低时间相干光束，可以被分束器划分成从测试物体反射的物体光束和从参考反射器反射的参考光束。来自测试物体和参考反射器两者的反射光在分束器处被重新组合成测量光束，并在诸如光谱仪的检测器内重新聚焦，该检测器记录返回的测量光束的不同光谱分量的干涉强度。基于（a）干涉相位中的变化随被称为调制频率的光束频率中的变化的速率，与（b）物体光束和参考光束之间的光路长度差之间的近似线性关系，可以确定不同测量点之间的相对光学位移。

由于信息是在逐点的基础上收集的，因此单模光纤可以被用来沿着物体和参考臂的部分传送光，以及传送去往和来自光源和检测器的光。然而，在单模光纤中引起应力诱导（induce）双折射的弯曲运动可能产生光路长度变化，这降低了干涉振幅和测量精度。附接到铰接光学探头的光纤光缆易受这样的干扰的影响，尤其是当它们使用分离的传输和接收光纤时。

发明内容

某些实施例提供用于增强光学测量系统中的干涉相位对比度，该光学测量系统具有通过外部偏振光纤连接到光源和检测器两者的干涉仪探头。根据一种方法，具有跨越一系列波长的瞬时或顺序建立的带宽的准直源光束被引导到干涉仪探头内的分束器，在该分束器处，准直源光束被划分成（a）沿着物体臂通过干涉仪探头内的物体物镜被引导到测试物体上的物体焦点的物体光束，和（b）沿着参考臂被引导到干涉仪探头内的参考反射器的参考光束，参考光束沿着参考臂被角度地重新分布。从测试物体反射的物体光束和从参考反射器反射的角度重新分布的参考光束在分束器处被重新组合成测量光束。测量光束朝向具有接收锥的偏振光纤的端部被聚焦，该接收锥限制测量光束的角度分布，该测量光束被接收以用于沿着偏振光纤朝向检测器的进一步传播。参考光束的角度重新分布包括调节参考光束的角度重新分布，以限制聚焦测量光束的参考光束部分，该参考光束部分通过偏振光纤的接收锥被接收，以用于朝向检测器的进一步传播。

为了进行调节，可以比较测量光束中的反射物体光束和反射参考光束的相应强度，并且可以限制通过偏振光纤的接收锥接收的测量光束的参考光束部分，以更紧密地平衡沿着偏振光纤传播的测量光束的反射物体光束部分和参考光束部分的强度。例如，可以通过测量检测器中不同波长的相位调制之间的对比度来进行比较。被排除的部分可以包括参考光束的连续（contiguous）或不连续部分。

在分束器处，参考光束可以沿着参考臂通过干涉仪探头内的参考物镜被引导到参考反射器上的参考焦点。参考光束的角度重新分布可以包括使参考光束在反射器上散焦。可以通过沿着公共光轴相对于参考物镜平移参考反射器以及光路长度调节以维持参考臂和物体臂之间的相对光路长度来使参考光束散焦。替代地，可以通过围绕穿过参考焦点的轴枢转参考反射器来使参考光束角度地重新分布。

优选地，源光束由相同的偏振光纤传输到准直透镜，以用于将准直源光束引导到干涉仪探头内的分束器。因为由于当前技术的优选多波长光源通常发射不可见光，所以第二光源可以被用于发射在测试物体上可以看到的可见光。可见光可以沿着偏振光纤被传输到准直透镜，通过分束器，并且沿着物体臂通过物体物镜去往测试物体上的焦点光斑。因此，为了设置和监视的目的，可以在测试物体上看到物体光束的焦点位置。

参考物镜也可以被安装在探头主体内，使得参考光束沿着参考臂通过参考物镜传播到接近参考反射器的参考焦点。为了在空间上排除参考光束的可变部分进入偏振光纤，可调节光束操纵器可以被布置用于使参考光束在参考反射器上不同地散焦。例如，可调节光束操纵器可以包括第一线性调节器和第二线性调节器，所述第一线性调节器用于沿着公共光轴相对于参考物镜平移参考反射器，所述第二线性调节器用于相对地调节参考臂和物体臂之间的相对光路长度，以补偿与参考反射器的平移相关联的光路长度中的变化。替代地，可调节光束操纵器可以包括倾斜致动器或其他倾斜调节器，用于围绕穿过参考焦点的轴枢转参考反射器。替代地，调节器可以阻挡参考光束的一部分。

优选地，在探头主体内光学地耦合的偏振光纤是单根光纤，其提供用于既将源光束传输到探头主体并且又从探头主体传输测量光束。参考光束的被排除部分可以包括参考光束的不连续部分。例如，在基于测试物体的预期反射率的测量机的初始校准期间，在为了相同或其他目的的测量机的之后的重新校准期间，在测试物体的测量之间，包括在具有不同预期反射率的测试物体之间，或者在各个测试物体的测量期间，测量光束的参考光束部分的相对强度可以相对于测量光束的物体光束部分的强度来调节，以在检测器内维持期望的干涉对比度的水平。

附图说明

图1是具有垂直可移位滑动机构的多轴测量机的示意性侧视图。

图2是用于图1的测量机的光学测量系统的图，其中干涉仪的物体和参考臂被安装在探头中，并通过外部偏振光纤连接到光源和检测器两者，其中参考光束操纵器与参考臂相关联，用于更紧密地平衡引导到检测器的物体和参考光束的强度。

图3A和3B图形地描绘了干涉仪的两个不同测量输出，其中强度作为波数的函数在与物体相对于参考光束的不同光路长度相关联的不同调制频率下变化。

图4图形地描绘了用于基于检测器的输出来标识调制频率的处理器的计算输出。

图5描绘了根据图2的布置的光束操纵器的效果，其中参考光束的一部分被扩展到偏振光纤的接收锥外部。

图6是替代探头的放大图，其中参考臂被折叠，并且不同类型的光束操纵器的特征在于（is featured for）更紧密地平衡引导到检测器的物体和参考光束的强度。

图7描绘了根据图6的布置的光束操纵器的效果，其中参考光束的一部分从偏振光纤的接收锥被排除。

图8是包含另一种不同类型的光束操纵器的替代参考臂的放大图。

图9描绘了根据图8的布置的光束操纵器的效果，其中参考光束的一部分被拦截（intercept）和衍射，以免到达偏振光纤的接收锥。

图10是简化以与图8的光束操纵器一起使用的替代参考臂的放大图。

图11是类似的光学测量系统的图，其中可见光源被结合到系统中以用于照亮测试物体上的焦点光斑。

图12图形地描绘了用于利用“偏振保持”单模光纤标识调制频率的处理器的计算输出。

图13图形地描绘了当物体光束被阻挡并且无法返回到检测器时图12的调制频率，从而图示了返回参考光束和两个固定延迟。

具体实施方式

以光学测量机的许多可能配置中的一种的图1中描绘的多轴机器10，包括用于沿X和Y坐标轴水平平移测试物体18的x-y平台14和用于沿Z坐标轴垂直平移干涉仪探头20的滑动机构16。x-y平台14被支撑在机器底座22上。滑动机构16被支撑在承载在柱24上的滑动支撑件26中。干涉仪探头20被承载在铰接臂28上，该铰接臂28是既可绕水平轴枢转又可与枢轴一起绕Z坐标轴旋转的，尽管它可以被固定安装到Z坐标轴。包括一个或多个光源和检测器的探头光学器件的其他未看到的部分，或者支持机器10的计量功能的其他装置可以被容纳在滑动支撑件26中，滑动机构16是可在滑动支撑件26内平移的。干涉仪探头20和测试物体18之间的相对运动沿着或围绕各个轴测量，以监视干涉仪探头相对于测试物体18在公共坐标系内的相对位置。除了干涉式探头20之外，多轴机器还可以包括安装到Z坐标轴的视觉系统和其他探头。

测量机10可以布置有旋转和平移轴的其他组合，用于相对移动测试物体18和干涉仪探头20中的一个或另一个。优选地，为了收集关于测试物体18的信息，诸如测试物体轮廓的经验描述，相对运动提供用于在测试物体18上的一系列不同位置上，在对收集来自测试物体18的光通过探头20的相同光学元件的镜面或漫反射有效的取向处，维持接近测试物体18的通过探头20的光学元件发射的光的光学焦点30。

图2中示出了用于利用用于测量机10的光学测量系统对测试物体18进行测量的光学布置。容纳在机器外壳（诸如滑动支撑件26）中的光源32（诸如超发光二极管）提供用于通常通过单模光纤34（尽管它可以是偏振光纤）向干涉仪探头20传送高空间相干但低时间相干（即包含连续的波长内的一系列波长的光）。优选地，在相同的外壳（诸如滑动支撑件26）内，检测器36被布置用于通过通常单模光纤38（尽管它可以是偏振光纤）接收从干涉仪探头20返回的光，尽管它可以是偏振光纤。用于处理来自检测器36的信息的处理器40优选地位于外壳外部以用于与用户界面（未示出）通信。

其可以是50%/50%耦合器的光纤耦合器42将单模光纤34和38连接到公共外部偏振光纤44，用于将高空间相干、低时间相干的光传输到干涉仪探头20和从干涉仪探头20传输。如示意性示出的，偏振光纤44具有额外的长度，以适应（accommodate）干涉仪探头20相对于滑动支撑件26的运动。

偏振光纤44被配置成使得通过弯曲偏振光纤44产生的应力对探头20的SNR和测量精度具有不显著的影响。偏振光纤44将从光源32到探头20的吞吐量（throughput）减少大约50%，但是可以通过选择具有更大辐射输出的光源来增加吞吐量。因此，源光束48（以虚线示出）是线性偏振的，而不是非偏振的。

图4图示了来自远程探头系统的信号，其中横坐标与测试物体18和探头20之间的距离成比例，并且纵坐标与信号强度成比例。探头20在Z轴上的移动（远离测试物体18）将导致信号的峰值朝向右手方向偏移。然而，如果使用单模光纤而不是偏振光纤44，并且单模光纤被强烈弯曲，则信号的峰值水平将降低，并且峰值水平的小的偏移（大约在0和1.5 um之间）可能发生。使用测量机10的偏振光纤44将这些影响降低到不显著的水平。

然而，“偏振保持/维持”单模光纤将不具有与测量机10的偏振光纤44相同的益处。如图12中所示，由于“偏振维持”单模光纤将非偏振光束（例如，来自通过单模光纤到达的光源32的光束）分布到正交分量中，并且然后沿着“偏振维持”单模光纤的快轴和慢轴传播具有不同折射率的正交分量（例如，快和慢），因此出现多个峰值。因此，对于从光源32传播到探头20并且然后通过外部“偏振维持”单模光纤再次回到检测器36的相对非偏振光束，波前（wavefront）中的固定延迟出现。

偏振光纤44是专用光纤，其仅在一个偏振方向传播而没有显著损耗，从而偏振通过偏振光纤44传播的光。这种形式的单偏振传输相对于单模或偏振维持光纤具有（carry）若干个益处。虽然偏振维持光纤维持与双折射轴对准的偏振方向，但是由于偏振维持光纤能够引导任何偏振方向，因此串扰（cross talk）可能发生。单模光纤可能受到应力而诱导双折射，这使得单模光纤表现得很像波片（wave plate）。虽然在这种情况下可以操纵偏振轴，但是单模光纤不会使光偏振。

相比之下，偏振光纤44仅包括一个偏振方向；所有其他方向都被衰减。结果，偏振光纤44将使通过它引导的光偏振，从而对其他偏振方向产生极好的抑制。

图13图示了当物体光束被阻挡时，穿过“偏振保持/维持”单模光纤的图2中系统的检测信号。如果物体光束60被阻挡，使得它不与参考光束70组合，则参考光束70被返回到测量机10的检测器。图13中观察到的两个峰值是通过“偏振保持/维持”单模光纤将非偏振源光束48分成（break into）正交分量并以不同折射率传播它们而引起的；因此，固定的延迟被构建（build）到从源32传播到探头20并通过“偏振保持/维持”单模光纤返回到测量机10的检测器36的光束中。

以下段落展示了为什么在图12和13中出现多个峰值而不试图确定强度，其中OP=光路长度：

Intensity=[(2Fast+2Slow)]²用于前向和后向穿过“偏振维持”单模光纤。

·[(2Fast + 2Slow)]² = [e^{-i2π/λ[(2Fast OP)} + e^{-i2π/λ(2Slow OP)]}] [e^{i2π/λ[(2Fast OP)} +e^{i2π/λ(2Slow OP)]}]

= {2 + 2cos[(2π/λ)(2FastOP-2SlowOP)]}

= 2{1 + cos(2π/λ)(2δ)}

其中，FastOP=针对单个遍次的快轴光路，

SlowOP=针对单个遍次的慢轴光路，并且

δ = (FastOP - SlowOP)通过“偏振维持”单模光纤-单个遍次。

如图13中所示，右边的第二个最高峰值是由于上述干扰而造成的。如果在测量机10的探头20中存在少量的去偏振（depolarization），或者在偏振维持/保持单模光纤中存在串扰，则快轴的一部分可以被转换成慢轴，并且反之亦然，从而具有以下附加干扰：

· [(Fast out + Slow return)]²

· [(Slow out + Fast return)]²

这些干扰大约等于4{1+cos（2π/λ）（δ）}，这导致左边的最高峰值，如图13中所示。如图12中所示并在下表中提供的，通过在物体光束中添加包含物体路径相对于参考路径的偏移Δ的附加组合，该偏移Δ在部分相干干涉仪中是固定的。

其中：

S=“偏振维持”单模光纤-单个遍次中的慢光路。

F=“偏振维持”单模光纤-单个遍次中的快光路。

SS=“偏振维持”单模光纤中的慢光路输出和慢光路返回。

SF=“偏振维持”单模光纤中的慢光路输出和快光路返回。

FS=“偏振维持”单模光纤中的快光路输出和慢光路返回。

FF=“偏振维持”单模光纤中的快光路输出和快光路返回。

ref.=干涉仪笔中的参考路径

obj.=干涉仪笔中的物体路径。

因为由“偏振保持/维持”单模光纤的固有性质导致的信号中的附加的干涉的峰值，因此，“偏振保持/维持”单模光纤无法提供与测量机10的偏振光纤44相同的益处。

在具有示意性地与干涉仪探头20的表示性虚线轮廓重合的探头主体20a的干涉仪探头20内，光被引导到Linnik型干涉仪，尽管可以使用其他干涉布置。在所示的布置中，作为源光束48（以虚线示出）从偏振光纤44的端部46发射的光被准直器/聚光透镜50聚集和准直，该准直器/聚光透镜50与非偏振分束器52对准。在非偏振分束器52的部分反射表面54处，源光束48被划分成传输通过部分反射表面54的物体光束56（以虚线示出）和被部分反射表面54反射的参考光束58（以虚线示出）。物体光束56沿着物体臂60通过探头主体20a内的物体物镜62传播到探头主体20a之外的接近测试物体18的物体焦点64。参考光束58沿着参考臂70通过探头主体20a内的参考物镜72传播到接近参考反射器76的参考焦点74，参考反射器76可以是以也在探头主体20a内的平面镜的形式的。优选地，所有三个透镜50、62和72都是消色差的低色散透镜，用于匹配源、物体、参考和测量光束48、56、58和80内不同波长的聚焦效果。

来自测试物体18的物体光束56的镜面反射或漫反射在返回到分束器52的途中（onroute）被物体物镜62收集并重新准直。类似地，来自参考反射器76的反射在返回到分束器52的途中被参考物镜72收集并重新准直。在分束器52处，传输通过部分反射表面54的返回物体光束56的至少一部分与从部分反射表面54反射的返回参考光束58的至少一部分在到准直器/聚光透镜50的返回路径上重新组合成公共测量光束80（示出为与源光束48重叠）。因为测试物体18的反射率通常小于参考反射器76的反射率，所以分束器52优选地被布置成更高效地将光传输通过部分反射表面54，并且被布置成较不高效地反射来自部分反射表面54的光。准直器/聚光透镜50将包含物体和参考光束56和58的部分的测量光束80聚焦回到偏振光纤44中，以便传输到检测器36。偏振光纤44的端部46通过接收锥的体积接收测量光束80，该体积通常与光纤芯和包层（cladding）的折射率相关。

在布置为光谱仪的检测器36内，测量光束80可以在一系列光谱色散取向上被重新准直并从衍射光栅中反射，并且测量光束80的色散取向可以沿着光电二极管或电荷耦合器件（CCD）的线性阵列聚焦。来自测量光束80的物体光束56部分的每个不同频率（作为波长的倒数）在沿着阵列的不同聚焦位置处与测量光束80的参考光束58部分的相应频率干涉。表示测量光束80的物体和参考光束56、58部分之间的模2π相位差的沿着阵列聚焦的光的强度以可检测的频率调制，该频率被称为在与测量光束80的物体和参考光束56、58部分之间的光路长度差成比例的Nyquist间隔（由于像素采样）内变化的调制频率。由于强度信息由离散数量的像素收集，因此可区分的频率范围通常从零直到测量中涉及的像素的数量的一半。

图3A和3B用曲线图表示（graph）沿着线性阵列像素捕获的强度变化的两个不同示例，并且不同频率（波数）的焦点位置沿着其色散。对应于干涉相位中的变化的强度中的变化在称为调制频率的可测量频率下基本上是周期性的。随着测量光束80的物体和参考光束56、58部分之间的光路长度差从零（即零位置）增加，调制频率在测量的Nyquist间隔内成比例地增加。例如，图3A中描绘的调制的频率似乎高于图3B中描绘的调制的频率，从而证明了与如图3B中所示的由检测器36捕获的光路长度差的测量相比的在如图3A中所示的由检测器36捕获的测量中的测量光束80的物体和参考光束56、58部分之间的更大的光路长度差。图4将计算的调制频率示出为所描绘的测量的范围内的频率尖峰86，如可以从处理器40图形地输出的那样。

在处理器40内，计算的调制频率也可以被转换成测试物体18的表面上的高度。为了在公共坐标系内的测试物体18上的一系列点上收集数据，监视探头20和测试物体18之间的相对运动，以追踪探头20在空间中的焦点64的位置。在设置期间，在理想聚焦位置处考虑的物体和参考光束56、58之间的光路长度差被设置在给定的调制频率处。在测量期间，可以将解释为表面高度变化的与给定调制频率的偏离与测量的探头焦点64的相对位置相加或相减，以提供在物镜62的焦深内的测试物体18上的测量点的位置的更精细的测量。

由于与给定调制频率的偏离也是与理想聚焦位置的偏离的度量，因此与给定调制频率的偏离也可以被用于将聚焦维持在可使用的范围内。换句话说，探头20的相对位置可以通过沿着Z轴将探头20移位来校正，以将理想焦点定位得更靠近测试物体18的表面，并且处于更靠近给定调制频率的调制频率处。聚焦校正又将探头维持在预期的测量的Nyquist间隔和物镜62的焦深两者内。

可以以其确定调制频率的精度部分地基于以其表达干涉相位调制的对比度。由于强度与波形的振幅的平方有关，当测量光束80的物体和参考光束56、58部分的相对强度相等时，干涉相位调制的最高对比度发生。测量光束80的返回物体光束56分量的强度取决于测试物体18在测量的点处的反射率，该反射率在测试物体之间或在相同测试物体的不同部分之间可能相当大地变化。

为了更紧密地平衡反射物体光束56和反射参考光束58的强度，各种实施例提供用于在一系列（a progression of）不同大小部分上可调节地排除参考光束58的一部分被聚焦在偏振光纤44的接收锥内。参考光束58的不同大小部分可以被阻挡或以其他方式排除到达偏振光纤44的接收锥，以根据来自测试物体18的标称反射率来调节参考光束58的强度。

例如，如图2中所示，参考反射器76可以被连接到以线性调节器82的形式的可调节光束操纵器，诸如调节-螺杆-驱动机构，用于沿着物镜72的光轴将参考反射器76移位，以使物镜72可变地散焦。作为操纵器的另外的部分，其可以是以螺纹筒（threaded barrel）的形式的第二线性调节器84将物镜62移位相关的量，以补偿物体臂60和与参考反射器76的平移相关联的参考臂70之间的光路长度差。物体焦点64的得到的位移可以通过相对于由其他机器轴限定的坐标位置重新校准物体焦点位置来适应。替代地，参考臂70的物镜72可以类似地与参考反射器76一起平移，以补偿由参考反射器76的平移所产生（impart）的光路长度差。物镜72和参考反射器76的组合平移消除了对针对物体焦点64的位置中的变化重新校准的需要。代替移动参考反射器76，物镜72可以类似地沿着其光轴被平移，以使参考光束58在参考反射器76上可变地散焦，而不改变参考臂70的光路长度。例如，物镜72可以被安装在螺纹筒中，作为类似线性调节器的一部分，以使返回参考光束58的强度更紧密地匹配返回物体光束56的标称强度。

使参考臂70的物镜72散焦将不同量的波前曲率引入到反射参考光束58中，这将测量光束的聚焦体积扩展到偏振光纤44的接收锥之外。增加散焦排除了反射参考光束58的较大部分。该调节提供了调节反射参考光束58的强度的简单和对称的方式，以用于抵抗来自诸如热偏移的干扰的不稳定影响。为了确定期望的散焦的量，可以通过总体测量强度变化和返回物体光束强度56在检测器36内测量干涉对比度，并且可以对散焦的量进行调节以更好地优化测量强度变化。

如图5中所示，当由准直器/聚光透镜72重新聚焦时，测量光束80的参考光束58部分包含围绕光轴98的较大111或较小106角度的范围（取决于散焦的方向），并且在偏振光纤44的端部46处导致较大的光斑大小，使得测量光束80的参考光束58部分的会聚元件中的至少一些被取向在偏振光纤44的接收锥外部。

例如，如图5中所示，能够进入偏振光纤44的光的量被包含在以虚线示出的接收锥100中。偏振光纤44的横截面示出了暴露有周围包层104的偏振光纤44的芯102。以实线示出的另一个锥106表示测量光束80的参考光束58部分，该部分在偏振光纤44的端部46之前会聚的路径上经受（subject to）被参考反射器76散焦。虽然锥106仍然以关于准直器/聚光透镜50的光轴98对称的方式会聚，但是锥106具有分布在接收锥100外部的角元件。结果，测量光束80的参考光束58部分相对于测量光束80的物体光束56部分的相对强度降低。

图6描绘了以更紧凑配置形式的替代干涉仪探头90。大多数部件是相同的，并且由相同的标号表示。然而，诸如平面镜的反射器92被添加到参考臂94，以将参考臂94折叠成更紧凑的配置。尽管参考反射器76仍然可以被布置用于在更紧凑的配置中平移，但是参考反射器76在图6中被示出为安装在倾斜调节器96上，倾斜调节器96使参考反射器76围绕穿过参考焦点74的轴枢转。例如，参考反射器76可以以平面镜的形式布置，该平面镜是可围绕位于镜的反射表面上的固定轴倾斜的。镜可以被支撑在例如万向节、半圆柱轴承或挠性接头上，并且可以诸如通过螺杆型倾斜调节器被手动倾斜或者诸如通过压电致动器自动倾斜。

围绕焦点74倾斜参考反射器76不会相对于物体臂60的光路长度改变参考臂94的标称光路长度，或不需要与物体焦点64位置的位移相关联的任何重新校准。物镜72在横向偏移的位置中重新准直倾斜的反射参考光束58，例如不再以光轴98为中心。当被准直器/聚光透镜50重新聚焦时，测量光束80的参考光束58部分包含关于光轴98的不对称角度的分布，使得测量光束80的参考光束58部分的角元件中的至少一些从偏振光纤44的接收锥移除。

例如，如图7中所示，以实线示出的锥112（与以虚线示出的接收锥100相反）表示测量光束80的参考光束58部分，该部分在朝向偏振光纤44的端部46会聚的路径上经受被参考反射器76围绕焦点74倾斜。虽然锥112仍然沿着准直器/聚光透镜50的光轴98朝向偏振光纤44的芯102会聚，但是锥112具有围绕光轴98不对称分布的角元件。因此，移除了将已经被接收在偏振光纤44的锥100内的112的角部分。结果，测量光束80的参考光束58部分相对于测量光束80的物体光束56部分的相对强度降低。

基于测试物体18的形状和漫射特性，测量光束80的物体光束56部分可能经受类似的排除，但是可调节光束操纵器（诸如线性调节器82或倾斜调节器96）可以分离地调节测量光束80的参考光束58部分的强度，以更紧密地匹配测量光束80的物体光束56部分的标称强度。

虽然参考光束58的某些不对称或其他转向元件将被偏振光纤44的有限接收锥100物理地排除，但是参考排除也可能在接收锥100之前通过光学部件的其他限制孔径发生。例如，参考光束58的元件可以倾斜到物镜72的收集范围之外，或者以其准直形式被准直器/聚光透镜50渐晕（vignetted）。在任一情况下，该排除与到达偏振光纤44的接收锥100之外的参考光束58的元件相关联。

也可以排除参考光束58的传播元件，否则所述参考光束58将到达偏振光纤44的接收锥100内，如例如在图8的实施例中示出和描述的那样。图8示出了类似于图6中所示的折叠参考臂的放大参考臂116，其中相应的光学部件共享相同的参考标号。然而，代替线性地或角度地调节参考反射器76以用于将测量光束80的参考光束58部分的体积的一部分引导到偏振光纤44的接收锥100的体积之外，参考臂116包括可调节孔径光阑（stop）118，诸如可调节光圈，用于阻挡否则将到达偏振光纤44的接收锥100的参考光束58的一部分。这里，参考光束58的一部分被阻挡甚至无法到达参考反射器76，并且衍射放大了偏振光纤44的入口46处的光斑大小。与原始参考光束58的虚线描绘相比，参考光束58的幸存（surviving）部分120以细虚线示出。如所述，例如，关于倾斜调节器96，可调节孔径光阑118可以被手动或自动调节，以在连续或不连续区域上拦截参考光束58的不同大小部分。由于相同的有用信息（即每个波长的相位）被包含在延伸穿过参考光束58的波前中，所以可以阻挡参考光束58的任何部分，以平衡其强度与测量光束80的物体光束56部分的强度，并且由此增强干涉对比度。

如图9中所示，代替以最初从偏振光纤44发射的大小填充偏振光纤44的接收锥100，如由可调节孔径光阑118裁剪的测量光束80的幸存参考光束120部分以锥122的形式会聚，其下填充（underfill）偏振光纤44的接收锥100并在46处衍射到更大的光斑。因此，测量光束80的原始参考光束58部分的一部分丢失，否则该部分将在偏振光纤44的接收锥100范围内（fit within）。由可调节孔径光阑118控制的孔径大小可以被调节，以便相对调节进入偏振光纤44的测量光束80的参考光束58部分的强度。

代替通过径向减小孔径大小来阻挡和衍射光，可以阻挡参考光束58的横向区域的任何一个或多个部分。例如，可调节孔径光阑118可以以百叶窗的形式来构造，其中一个或多个叶片成角度地移位以便阻挡更多或更少的光。此外，通过阻挡和衍射参考光束58的部分的各种组合或者通过将参考光束58的部分引导到接收锥100之外，在一系列不同大小部分上的参考光束58的部分可以被排除被聚焦在偏振光纤44的接收锥100内，所述参考光束58的部分否则将到达接收锥100。假设测量光束的参考光束58部分的强度最初与参考光束80的物体光束56部分的给定强度相匹配，则在测量的过程期间可以监视反射的物体光束56的相对强度，以确定是否需要更多或更少散焦、倾斜或增大或减小的孔径大小来重新平衡测量光束80的物体光束以及参考光束56和58部分的强度。

图10示出了类似于图8中所示的折叠参考臂116的放大参考臂124，以用于在干涉仪探头20中使用，其中相应的光学部件共享相同的参考标号。与图8的参考臂116相比，参考臂124不包括用于聚焦参考光束58的参考物镜。代之以，以回射器（retroreflector）的形式示出的参考反射器126，诸如角立方体（comer cube），回射准直的参考光束58。然而，类似于图8的实施例，可调节孔径光阑118提供类似地阻挡和衍射参考光束58的一部分，该部分否则将到达偏振光纤44的接收锥100。

图10的实施例取消了物镜，并且不需要重新调节物体和参考臂60、124的相对光路长度，或者不需要重新校准移位的物体焦点64。尽管示出在分束器52和反射器92之间，但是可调节孔径光阑118可以被定位在沿着参考臂124的任何位置，包括在参考反射器126处或在其附近，并且可以被布置成阻挡和衍射参考光束58的任何一个或多个部分。

用于为光学轮廓仪（profilometer）供电的光源32可以是超发光二极管，用于在连续的波长内产生光，所述波长通常在红外光谱内。优选地，工作光谱上的增益纹波（gainripple）是低的，并且带宽与检测器36的操作带宽一起匹配。使用红外光谱内的光的缺点是光是不可见的，并且因此不会在测试物体18上产生可见的焦点光斑，这在设置和使用期间可能是有用的，以允许操作者看到测量在哪里进行以及测量点是否在焦点中。

图11示出了类似的光学测量系统，其中诸如传统激光二极管的可见光源130与测量系统的不可见光源光学耦合，为了与其他实施例更好地比较，该不可见光源仍然用参考标号32表示。如由单模光纤132传送的从可见光源130输出的光在光纤耦合器136处与如由单模光纤134传送的从不可见光源32输出的光相组合，并且进一步沿着单模光纤138一起传播。光纤耦合器136可以被布置成补偿两个源之间的功率差，特别是用于保持更多的旨在用于测量的不可见光，并且用于仅传送产生期望的可见焦点光斑所需的可见光的量。例如，光纤耦合器136可以被布置为波分复用耦合器。此后，组合的可见光和不可见光沿着单模光纤138通过光纤耦合器142传送到偏振光纤144，偏振光纤144对应于用于传送去往和来自干涉仪探头20的光的偏振光纤44。光纤耦合器142还将偏振光纤144耦合到单模光纤140，以用于将光从干涉仪探头20传送到检测器36。单模光纤132、134、138和140也可以是偏振光纤。

在干涉仪探头20内，可见光遵循传输的路径，导致在测试物体18上产生可见焦点光斑146。也就是说，来自可见光源130的可见光沿着偏振光纤144通过准直/聚光透镜50被传输到分束器52，并且从分束器52沿着物体臂60通过物镜62来引导以形成可见焦点光斑146。

代替产生瞬时带宽，光源32可以通过在预期带宽上产生一系列不同的波长来建立类似的带宽。对于测试物体18上的给定测量点，借助由每个波长产生的单个干涉相位，可以诸如以简单的光电检测器的形式简化检测器36。

本领域技术人员将理解，参考接收锥和会聚光束锥是理想化的形式，并且偏振光纤端部的实际尺寸和光本身的波性质将锥渲染（render）为所讨论的总体光相互作用的近似。此外，本领域技术人员将理解，根据本发明的总体教导，可以进行示例实施例中公开的元件的替代、变化、修改、添加和不同组合，并且这旨在被下面的权利要求所包含。

要理解，为了清楚起见，在分离的实施例的上下文中描述的本公开的某些特征也可以在单个实施例中组合地提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本公开的各种特征也可以分离地或以任何合适的子组合来提供。

本公开考虑可以进行许多改变和修改。因此，尽管已经示出和描述了改进的形式，并且讨论了许多替代方案，但是本领域技术人员将容易地理解，在不脱离如由下面的权利要求限定和区分的本发明的范围的情况下，可以进行各种附加的改变和修改。

Claims (18)

1.一种在光学测量系统中增强干涉对比度的方法，所述光学测量系统具有通过外部偏振光纤连接到光源和检测器两者的干涉仪探头，所述方法包括：

将具有跨越一系列波长的瞬时或顺序建立的带宽的准直源光束引导到干涉仪探头内的分束器；

在分束器处将准直源光束划分成：

物体光束，其沿着物体臂通过干涉仪探头内的物体物镜被引导到接近测试物体的物体焦点，以及

参考光束，其沿着参考臂被引导到干涉仪探头内的参考反射器；

沿着参考臂角度地重新分布参考光束；

在分束器处将从测试物体反射的物体光束与从参考反射器反射的角度地重新分布的参考光束组合成测量光束；以及

将测量光束朝向具有接收锥的偏振光纤的端部聚焦，所述接收锥限制了测量光束的角度分布，所述测量光束被接收以用于沿着偏振光纤朝向检测器的进一步传播；

其中，参考光束的角度重新分布包括调节参考光束的角度重新分布，以限制聚焦测量光束的参考光束部分，所述参考光束部分通过偏振光纤的接收锥被接收，以用于朝向检测器的进一步传播。

2.如权利要求1所述的方法，进一步包括：

比较测量光束内的反射物体光束和反射参考光束的相应强度；以及

限制通过偏振光纤的接收锥接收的测量光束的参考光束部分，以更紧密地平衡沿着偏振光纤传播的测量光束的反射物体光束部分和参考光束部分的强度。

3.如权利要求2所述的方法，其中，被排除的部分包括参考光束的不连续部分。

4.如权利要求1所述的方法，其中，所述划分包括将参考光束沿着参考臂通过干涉仪探头内的参考物镜引导到接近参考反射器的参考焦点。

5.如权利要求4所述的方法，其中，参考光束的角度重新分布包括使参考光束在参考反射器上散焦。

6.如权利要求5所述的方法，其中，通过沿着公共光轴相对于参考物镜平移参考反射器以及光路长度调节以维持参考臂和物体臂之间的相对光路长度来使参考光束散焦。

7.如权利要求6所述的方法，其中，光路长度调节受相对于分束器相对平移物体物镜的影响。

8.如权利要求4所述的方法，其中，参考光束的角度重新分布包括围绕穿过参考焦点的轴枢转参考反射器。

9.如权利要求2所述的方法，其中，所述比较包括测量检测器中不同波长的相位调制之间的对比度。

10.如权利要求1所述的方法，进一步包括将来自光源的源光束沿着偏振光纤传输到准直透镜，以用于将准直的源光束引导到干涉仪探头内的分束器。

11.如权利要求10所述的方法，其中，光源是用于发射不可见光的第一光源，并且进一步包括：

将来自第二光源的可见光沿着偏振光纤通过准直透镜传输到分束器；以及

将来自分束器的可见光沿着物体臂通过物体物镜引导到测试物体上可见的焦点光斑。

12.一种用于光学测量系统的探头，包括：

探头主体，其被布置成可调节地安装在用于光学地测量测试物体的测量机中；

至少一个偏振光纤，其光学地耦合在探头主体内，用于将具有跨越一系列波长的瞬时或顺序建立的带宽的源光束传输到探头主体，并用于将测量光束从探头主体朝向检测器传输；

安装在探头主体内的至少一个准直器/耦合器、分束器、物体物镜、参考透镜和反射器；

所述至少一个准直器/耦合器被布置用于准直从至少一个偏振光纤发射的源光束；

分束器被布置用于将准直的源光束划分成沿着物体臂通过物体物镜被引导到接近测试物体的物体焦点的物体光束和沿着参考臂被引导到参考反射器的参考光束两者；

可调节光束操纵器，用于沿着参考臂角度地重新分布参考光束；

分束器还被布置用于将从测试物体反射的物体光束与从参考反射器反射的角度重新分布的参考光束组合成测量光束；

所述至少一个准直器/耦合器被布置用于将测量光束朝向至少一个偏振光纤聚焦，所述偏振光纤具有至少一个偏振光纤的接收锥，所述接收锥限制测量光束的角度分布，所述测量光束被接收以用于沿着偏振光纤朝向检测器的进一步传播；以及

可调节光束操纵器被布置用于调节参考光束的角度重新分布，以限制聚焦测量光束的参考光束部分，所述参考光束部分通过偏振光纤的接收锥被接收，以用于朝向检测器的进一步传播。

13.如权利要求12所述的探头，其中，参考物镜也被安装在探头主体中，并且参考光束沿着参考臂通过参考物镜被引导到接近参考反射器的参考焦点。

14.如权利要求13所述的探头，其中，可调节光束操纵器提供用于使参考光束在参考反射器上不同地散焦。

15.如权利要求14所述的探头，其中，可调节光束操纵器包括第一线性调节器和第二线性调节器，所述第一线性调节器用于沿着公共光轴相对于参考物镜平移参考反射器，所述第二线性调节器用于相对地调节参考臂和物体臂之间的相对光路长度，以补偿与参考反射器的平移相关联的光路长度中的变化。

16.如权利要求13所述的探头，其中，可调节光束操纵器包括倾斜调节器，用于围绕穿过参考焦点的轴枢转参考反射器。

17.如权利要求16所述的探头，其中，在探头主体内光学地耦合的所述至少一根偏振光纤是单根光纤，所述单根光纤提供用于既将源光束传输到探头主体，并且又从探头主体传输测量光束。

18.如权利要求16所述的探头，其中，被排除的部分中的每个包括参考光束的不连续部分。

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