CN1246666C - 样品倾斜的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种样品倾斜的测量方法，这种方法在于，使具有平面形状前端面的柱状件处于由夹具夹持的状态，相对干涉仪转动一个预定角度，测定两个转动位置中每个位置的所述干涉仪的基准面和前端面之间的相对角度，根据如此测得的两个角度，使用预定的算术表达式测量所述柱状件的轴线倾斜度。

Description

样品倾斜的测量方法

本申请要求2002年7月1日的日本专利申请2002-192764的优先权。

技术领域

本发明涉及一种样品倾斜的测量方法，用于测量柱状件、例如套管的轴线的倾斜度，柱状件在例如使用显微干涉仪分析其前端部分的形状等时由夹具加以夹持。

背景技术

近来人们正在开展用于光通信的光纤的研发工作。

公知的这种光纤包括外径约为10微米的纤芯和布置在纤芯外围的外径约为125微米的包层，同时还包括一个布置在其连接端部的用于连接光纤与另一根光纤的套管。

套管是圆柱形构件，用于使光纤的一端保持和固定在一组插头的每个插头中。在光纤插入并用粘合剂之类固定在一个套管的外径的中央部分之后，套管的前端抛光成一个镜面，当两个套管的前端面相互对接时，使两根由各自的套管保持的光纤彼此连接。

通常公知的套管前端面抛光成一个与光轴正交的平面。

为减少光纤彼此连接时的光损耗，日本工业标准已规定各种微米数量级的高精度技术要求。

同时，显微干涉仪也用于检查生产出来的套管是否符合技术规格。显微干涉仪成形成载有相位信息、例如小样品的表面形状和折射率分布的物体光以及从一个预定基准板反射的基准光彼此干涉，从而观察所获得的干涉条纹，测量和分析干涉条纹的形状和变化，得到样品的相位信息。

使用这种显微干涉仪检查生产出来的套管时，夹具布置在基准板前面的预定位置，夹持待检查的套管。

由于套管前端面的技术规格如上所述为微米数量级，因此，要求其测量有很高的精度，即使由夹具夹持的套管仅仅略有倾斜，也难以达到适于检查的测量精度。在某些测量项目中，适于检查的测量精度难以达到，除非显微干涉仪基准面的法线和套管的轴线之间的倾斜误差为10秒或以下的角度。

虽然直接测量这种套管的倾斜度时可以调整夹具的倾斜度，但是，其测量和调整十分复杂，要求有高精度，倾斜误差不容易调整。

如果是前端面的倾斜度与套管轴线的垂线相重合的套管，如果前端面相对于套管轴线的垂线的角误差(垂直度)可以与套管轴线的倾斜度(同心度)一起测量，那么，就可以进行有效测量。

就测量垂直度而言，使用编码器确定预定角度(90°)的技术和使用水准仪直接确定角度的技术得到尝试。但是，使用这些技术难以获得高精度测量结果。

发明内容

鉴于这种情况，本发明的第一个目的是提出一种样品倾斜的测量方法，能够低成本、高精度、易实施地测量由夹具夹持的套管的轴线的倾斜度。

本发明的第二个目的是提出一种样品倾斜的测量方法，能够低成本、高精度、易实施地同时调整由夹具夹持的套管的轴线的倾斜度和套管的前端面相对于套管轴线的垂线的倾斜度。

为达到第一目的，本发明提出第一种样品倾斜的测量方法，用于测量具有平面形状前端面的柱状件的轴线的倾斜度，所述柱状件由夹具加以夹持，作为样品的所述前端面用角度测量仪进行观察；

这种方法包括以下步骤：

使柱状件相对于角度测量仪转动一个预定角度，同时处于由夹具夹持的状态，测定两个转动位置中每个位置的角度；

根据测得的两个角度，使用预定的算术表达式测量柱状件的轴线的倾斜度。

角度测量仪可以是自动准直仪。

此外，本发明还提出另一种样品倾斜的测量方法，用于测量具有平面形状前端面的柱状件的轴线的倾斜度，柱状件由夹具加以夹持，作为样品的所述前端面用干涉仪进行观察；

这种方法包括以下步骤：

使柱状件相对于干涉仪转动一个预定角度，同时处于由夹具夹持的状态，在两个转动位置中的每个位置测定干涉仪的基准面和前端面之间的相对角度；以及

根据测得的两个角度，使用预定的算术表达式测量柱状件的轴线的倾斜度。

最好，在这种情况下，干涉仪基准面和前端面之间的相对角度在彼此按预定的180°角度分开的第一和第二转动角度中的每个角度进行测定；以及

使用以下的条件表达式(1)测量柱状件的轴线的倾斜度：

β_x＝(m_x1+m_x2-180)/2

β_y＝(m_y1+m_y2-180)/2         (1)

其中，m_x1和m_y1是分别在第一转动位置测得的x方向角和y方向角；m_x2和m_y2是分别在第二转动位置测得的x方向角和y方向角；β_x和β_y是分别沿x方向和y方向的转动轴线的倾斜角。

为达到第二目的，本发明提出第二种样品倾斜的测量方法，用于测量具有平面形状前端面的柱状件的轴线的倾斜度、以及前端面相对于柱状件轴线的垂线的角度，柱状件由夹具加以夹持，作为样品的前端面用干涉仪进行观察。

这种方法包括以下步骤：

使柱状件相对于干涉仪转动一个预定角度，同时处于由夹具夹持的状态，在两个转动位置中的每个位置测定干涉仪的基准面和前端面之间的相对角度；以及

根据测得的两个角度，使用预定的算术表达式测量柱状件的轴线的倾斜度、以及前端面相对于柱状件轴线的垂线的倾斜度。

最好是，在这种情况下，干涉仪基准面和前端面之间的相对角度在彼此按预定的180°角度分开的第一和第二转动角度中的每个角度进行测定；以及

使用以下的条件表达式组(2)和(3)测量柱状件的轴线的倾斜度以及前端面相对于柱状件轴线的垂线的倾斜度：

α_x＝(180-m_x1+m_x2)/2

α_y＝(180-m_y1+m_y2)/2       (2)

β_x＝(m_x1+m_x2-180)/2

β_y＝(m_y1+m_y2-180)/2       (3)

其中，m_x1和m_y1是分别在第一转动位置测得的x方向角和y方向角；m_x2和m_y2是分别在第二转动位置测得的x方向角和y方向角；β_x和β_y是分别沿x方向和y方向的转动轴线的倾斜角；α_x和α_y分别是前端面相对于柱状件轴线的垂线的倾斜角。

在每个上述方法中，可以采用相移条纹分析或傅里叶条纹分析测定两个转动位置的角度。

如果柱状件是一个套管，则这些方法特别有用。

干涉仪可以是显微干涉仪。

附图说明

图1A和1B是样品倾斜的测量方法的一维示意图；

图2A和2B是样品倾斜的测量方法的二维示意图；

图3是套管前端面和基准面之间角度的测定技术的流程图；

图4是图3所示技术的一部分的示意图；

图5是图3所示流程图的改进实施例；

图6是套管前端面和基准面之间的角度测定系统的实施例的方框图；

图7是本发明实施例中套管夹具的剖视图；

图8是图7所示夹具的外部立体图；

图9是图7所示夹具的局部前视图；

图10是图7所示夹具的一部分的立体图；

图11是配有图7所示夹具的显微干涉仪的立体图；

具体实施方式

下面参照附图描述本发明的一些实施例。在描述本发明实施例所述的样品倾斜的测量方法之前，先参照图11描述一下显微干涉仪，显微干涉仪配有夹持套管的夹具，用于通过预定的干涉光系统观察套管的前端面。

显微干涉仪

图11是本发明一个实施例中显微干涉仪的局部剖开的立体图。

图11所示的显微干涉仪1包括一个主机身，主机身由一个底板2、一个前板3(以局部剖开的方式示出)、一个后板4、一个隔板5和一个盖罩6(以局部剖开的方式示出)构成，一个电源7、一个控制盒8和一个主系统10布置在主机身内。

主系统10包括一个物镜单元11、一个压电单元12、一个半反射镜/光源单元13、一个成象透镜单元14、一个镜箱15和一个CCD摄像单元16。其中，成象透镜单元14、镜箱15和CCD摄像单元16与一个固定到隔板5上的固定台17相连接，物镜单元11、压电单元12、半反射镜/光源单元13与一个聚焦台18(以局部剖开的方式示出)相连接。

聚焦台18由沿前后移动方向(如图中箭头B和F所示)平行延伸的上、下导轴19A、19B(以局部剖开的方式示出)加以支承，以进行前后滑动。一个螺旋弹簧9布置在固定台17和聚焦台18之间，使聚焦台18在螺旋弹簧9的弹性作用下前移(沿图中箭头F的方向)。

前板3配有一个用于移动聚焦台18的聚焦调整螺钉20，以进行主系统10的聚焦调整。聚焦调整螺钉20包括一个旋入到前板3上一个未示出的螺孔中以便在围绕其轴转动时进行前后移动的螺旋轴21和一个用于使螺旋轴21转动的旋钮22。螺旋轴21的前端面靠着一个布置在聚焦台18的前端面部分的半球形凸起18a。随着通过转动旋钮22改变螺旋轴21从前板3伸出的长度，聚焦调整螺钉20可以使聚焦台18沿导轴19A、19B前后移动，从而进行聚焦调整。

具有上述结构的干涉仪主系统10以来自一个独立于基准光的未示出光源的照明光照射一个夹持在物镜单元11前面预定位置的微小样品(未示出)，使从样品反射的物体光与基准光相干涉，使如此产生的干涉光通过成象透镜单元14内的一个成象透镜系统(未示出)，然后在一个未示出的CCD摄像单元上形成一个干涉条纹图象。当测定和分析如此形成的干涉条纹的形状和变化时，可以进行样品的表面形状的三维测量及其物理特性的测定。干涉仪主系统10有多种类型，例如Mireau、Michelson和Linnik等型号。

前板3配有一个倾斜度调整器100。倾斜度调整器100包括一个固定在前板3上的L形第一基础件110和一个呈类似于第一基础件110的L形的并同第一基础件110相对置的第二基础件120。第二基础件120支承成使用一个支承部分130作为支点同第一基础件110相倾斜，并且适于分别通过第一和第二调整件140、150围绕一个从支承部分130基本沿水平方向延伸的轴线以及围绕一个从支承部分130基本沿垂直方向延伸的轴线进行倾斜，从而调整其同第一基础件110的倾斜度。

一个夹具架200固定在倾斜度调整器100的第二基础件120上。夹具架200包括一个前部210、一个后部220和一个使之相连的连接部分230，前部210由三个连接螺钉240固定到第二基础件120上。夹具架200的前部210定位在物镜单元11的前端面一侧，而其中央部分形成一个夹具架凹口221，用于在其内保持一个夹具300。前板3还配有一个电源开关30，用于开/关显微干涉仪1的电源。

夹具的结构

现在参照图7至10详细描述夹具300。实际上，用于进行本发明样品倾斜的测量方法的夹具不限于这里所描述的夹具。图7是本发明一个实施例中套管夹具的剖视图，图8是其立体图，图9是其局部正视图，图10是其一部分的立体图。图7示出夹持套管的状态。

所示的夹具300用于将图7所示的一个管件410内接纳的一个套管420保持在图11所示的显微干涉仪1中物镜单元11前面的预定位置。

管件410构成一个光连接器插头400(以下简称为“插头400”)，插头400通过一个套筒与另一个插头(未示出)相连接。管件410包括一个内管412和一个相对于内管412前后滑动的外管411，将套管420接纳在其中。

套管420将一根单模光纤430的一个端部固定在一个套管主体421的外径中央。由一个圆柱形部分422和一个边缘423构成的一个保持架固定在套管主体421的后端部分。套管主体421由锆陶瓷制成，其前端面424抛光成一个平表面。

套管420接纳在管件410内，处于一个螺旋弹簧425与圆柱形部分422相连接的状态，一个弹簧止动环413阻止其向后松脱。螺旋弹簧425的弹性以预定压力将套管420向前压(图7中向右)，从而使前端面424易于同未示出的另一个套管的前端面紧密接触。

如图7和8所示，夹具300包括一个基本呈环形的底座310、一个比底座310厚的形如圆盘的支座320、一个相对于支座320进行上下移动的移动装置330以及一个用于从其上方压紧移动装置330的压紧件340。

如图8所示，底座310包括三个螺孔311和两个形状相同的彼此分开180°的定位开口312。螺孔311接纳用于将夹具300固定在夹具架200上的螺钉(见图11)，开口312布置成如果夹具300设置成一个配有夹具架200的定位销(图11中标号为350)插入到开口312之一中，那么，夹具300可以相对于夹具架200进行定位。因此，夹具300可以在彼此转动180°的两个位置固定到夹具架200上，套管420就易于定位在彼此转动180°的两个位置，如后所述。

底座310的顶部形成一个凹口313。

支座320与底座310连为一体，一个矩形窗口321处于其中央部分稍微向上的位置。支座320的前端面配有一个邻接窗口321下侧的半圆形凹口322，一个沿夹具300的轴线L朝前延伸的第一支承件323布置在凹口322内。如图8所示，第一支承件323的外周边形成一个半圆柱形表面，而其内周边形成一个具有V形截面的凹槽。图7所示的第一支承件323的截面示成沿着第一支承件323和套管420彼此接触的位置进行延伸。

移动装置330与底座310分开，布置在支座320的窗口321内。移动装置330的前端面形成一个与支座320的凹口322对称的半圆形凹口332。布置在凹口332内的是一个第二支承件333，第二支承件333向前延伸，相对于夹具300的轴线L同第一支承件323对置。如图8所示，第二支承件333的外周边形成一个半圆柱形表面，而其内周边形成一个具有梯形截面的凹槽。

具体地说，如图9所示，移动装置330沿着分别在支座320的窗口321内左右端部部分竖直延伸的导轴334A、334B上下移动。如图10所示，用于上推移动装置330的螺旋弹簧335(仅示出导轴334B一侧的一个)分别安装到两个导轴334A、334B上，而移动装置330形成弹簧接纳凹口336，用于保持螺旋弹簧335的上端部分。当压紧件340未压紧移动装置330时，由于螺旋弹簧335的弹性的缘故，移动装置330的第二支承件333定位在离开套管420一侧的夹持松开位置，其另一侧由支座320的第一支承件323进行支承。螺旋弹簧335可以布置在与导轴334A、334B不同的位置。其它弹性件、例如橡胶件可以用作上推移动装置330的构件。

如图7所示，压紧件340包括一个螺旋轴341、一个螺旋底座342和一个杆件345，螺旋轴341旋入到一个螺孔324中，螺孔324从底座310顶部凹口313的底面延伸到支座320上的窗口321，螺旋底座342的直径大于螺旋轴341的直径，杆件345具有一个螺旋轴344，螺旋轴344旋入到螺旋底座342上的一个螺孔343中。随着杆件345围绕螺旋轴341的轴线C’转动，压紧件340可以下压移动装置330，处于螺旋轴341的球形前端面与移动装置330接触的状态，从而使第二支承件333从夹持松开位置移动到与套管420的上述一侧相接触的夹持位置抵住螺旋弹簧335。

如图7所示，移动装置330配有一个承压件337，承压件337在由夹具300夹持的管件410的一个侧壁部分的对面与第二支承件333对置。压紧件340布置成通过其压紧点P’(螺旋轴341的球形前端面和承压件337之间的交点)的力的作用线(与上述轴线C’重合)穿过管件410，与承压件337相交，并穿过由第一支承件323支承的套管420区域(图7中点S’和点T之间的区域)。如图8所示，压紧件340的杆件345的转动区域由一个止动件314加以限制，止动件314由夹具300的底座310顶部上的凹口313的左右壁部分构成。

夹具的操作

如此构成的夹具300夹持光连接器插头400的情况如下。首先，插头400压紧在夹具300的前端面上，使套管420的前端部分插入在夹具300的支座320的第一支承件323和移动装置330的第二支承件333之间。然后，转动压紧件340的杆件345，使压紧件340的螺旋轴341的前端面压紧移动装置330的承压件337，从而使移动装置330的第二支承件333从夹持松开位置移动到夹持位置，由此，第二支承件333和第一支承件323保持套管420的前端部分。因此，插头400为夹具300所保持，处于套管420的轴线(未示出)与夹具300的轴线L相重合的状态。

在这种夹持状态，夹具300的第一支承件323和第二支承件333从管件410前端的外侧延伸到内侧而彼此相对。因此，第一和第二支承件323、333可以获得较长的套管420夹持边缘。同时，压紧件340的螺旋轴341的球形前端面压紧在第二支承件333上面延伸的移动装置330的承压件337。这样，压紧件340的力的作用线通过管件410，与承压件337相交，并进一步通过由第一支承件323加以支承的套管420区域。因此，即使移动装置330由压紧件340压紧，也可以防止移动装置330扭曲(如图7所示，当力的作用线通过由第一支承件323加以支承的套管420区域的外部时，顺时针转动移动装置330)，由此可以可靠地夹持套管420。

如果要从夹具300卸下插头400，只要反向转动压紧件340的杆件345，停止螺旋轴341的前端面压紧移动装置330，使移动装置330的第二支承件333移动到夹持松开位置，这样，第一支承件323和第二支承件333不再夹持套管420，从而松开套管420。

样品倾斜的测量

虽然套管420由夹具300可靠夹持，但是套管前端面424的形状规格如上所述为微米数量级，其测量必须高度精确。因此，即使由夹具夹持的套管相对于显微干涉仪1倾斜一个微小的角度，也难以达到适于检查的测量精度。

这种仪器具有如上所述的各种机械部件(倾斜度调整器100和夹具架200等)，其机械误差易于累积，从而使套管倾斜一个微小角度。

这种倾斜误差必须调整。因为调整精度要求很高，所以要采用本实施例方法中的下述技术测量套管的轴线相对于显微干涉仪1的光轴(假定垂直于显微干涉仪1的基准面)的倾斜度。

图1A和1B示出本发明一个实施例中的样品倾斜的测量方法。

这里，为方便起见，仅描述一个方向的倾斜度(x方向的倾斜度)。

在套管420由夹具300夹持的情况下，分别在套管420的一个第一转动位置(图1A)和一个从第一转动位置转动180°的第二转动位置(图1B)测量套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度(m_x1和m_x2)。

这里，假设套管420的前端面424相对于套管420的轴线S的垂线倾斜一个角度α，并且相对于显微干涉仪1的光轴(显微干涉仪1的基准面的垂线、即Z轴)倾斜一个角度β，那么，可以确定角度β如下：

由于：

m_x1＝α+β                           (4)

m_x2＝180-α+β                       (5)

得：

β＝(m_x1+m_x2-180)/2                 (6)

如果是前端面424的倾斜度与套管420轴线S的垂线相重合的套管，如果套管420的轴线S的倾斜度(同心度)和前端面相对于套管420的轴线S的垂线的角误差(角α)可以同时测量，那么，就可以提高测量效率。

在这种情况下，引入下述表达式(7)：

α＝(-m_x1+m_x2+180)/2    (7)

即可与从上述表达式(4)和(5)导出的表达式(6)一起确定角α与角β。

虽然上面对一维倾斜测量方法进行了描述，但是实际上需要的样品倾斜是二维倾斜。二维倾斜测量方法基本与上述一维倾斜测量方法相同，具体如下：

图2A和2B示出用于确定二维倾斜(x方向倾斜和y方向倾斜)的样品倾斜的测量方法。

在套管420由夹具300夹持的情况下，分别在套管420的一个第一转动位置(图2A)和一个从第一转动位置转动180°的第二转动位置(图2B)测量套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度(m_x1，m_y1)和(m_x2，m_y2)。

这里，假设套管420的前端面424与套管420的轴线S的垂线倾斜成角度(α_x，α_y)，并与显微干涉仪1的光轴(显微干涉仪1的基准面的垂线、即Z轴)倾斜成角度(β_x，β_y)，那么，使用一维测量方法的转换方法可以确定角度(β_x，β_y)如下：

由于：

m_x1＝α_x+β_x

m_y1＝α_y+β_y             (8)

m_x2＝180-α_x+β_x

m_y2＝180-α_y+β_y          (9)

得：

β_x＝(m_x1+m_x2-180)/2

β_y＝(m_y1+m_y2-180)/2      (10)

如果是前端面424的倾斜度与套管420轴线S的垂线相重合的套管，如果套管420的轴线S的倾斜度(同心度)和前端面相对于套管420的轴线S的垂线的角度(α_x，α_y)可以如同一维测量情况下那样同时进行测量，那么，就可以提高测量效率。

在这种情况下，引入下述表达式(11)：

α_x＝(180-m_x1+m_x2)/2

α_y＝(180-m_y1+m_y2)/2      (11)

即可与从上述表达式(8)和(9)导出的表达式(10)一起确定角(α_x，α_y)与角(β_x，β_y)。

虽然上述实施例使用在两个彼此分开180°的位置测得的套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度(m_x1，m_y1)和(m_x2，m_y2)，但是在本发明样品倾斜的测量方法中，两个相对转动角度可以取任意值。

在这种情况下，通式表达为下述表达式组(12)：

θ_xz＝θ_x-tan^-1(tanθ·sinφ)

θ_yz＝θy-tan^-1(tanθ·cosφ)      (12)

其中

θ_xz是套管420的轴线S的x方向倾斜度；

θ_yz是套管420的轴线S的y方向倾斜度；

θ_x是前端面424的x方向倾斜度；

θ_y是前端面424的y方向倾斜度；

θ是前端面424的倾斜度(最大倾斜角)；以及

φ是从前端面424的最大倾斜线的x-y平面上投影线的X轴线的移动角度。

上述φ由下述表达式(13)确定：

$\begin{array}{c}A[(1-\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{2})(1-\cos \mathrm{\Φ})+(\mathrm{\φ}-\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{6})\sin \mathrm{\Φ}]=\mathrm{\φ}-\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{6}(\mathrm{\φ}-\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{6})\cos \mathrm{\Φ}\\ -(1-\frac{{\mathrm{\φ}}^2}{2})\sin \mathrm{\Φ}[-\frac{A}{2}(1-\cos \mathrm{\Φ})-\frac{\sin \mathrm{\Φ}}{6}+\frac{1}{6}-\frac{\cos \mathrm{\Φ}}{6}-\frac{\sin \mathrm{\Φ}}{2}]{\mathrm{\φ}}^2\\ +(A\sin \mathrm{\Φ}-1+\cos \mathrm{\Φ})\mathrm{\φ}+A(1-\cos \mathrm{\Φ})\mathrm{\φ}+\sin \mathrm{\Φ}=0\end{array}$

其中

$A=\frac{{\mathrm{\θ}}_x{{-\mathrm{\θ}}^{\′}}_x}{{\mathrm{\θ}}_y-{{\mathrm{\θ}}^{\′}}_y}$

Φ是转动角度；

θ’_x是转动角度为Φ时前端面424的x方向倾斜度；

θ’_y是转动角度为Φ时前端面424的y方向倾斜度。

上述θ由下述表达式(14)确定：

θ_y-θ’_y＝tanθ[cosφ-cos(φ+Φ)]      (14)

套管前端面和基准面之间的角度的测定

为了实施上述实施例的方法，必须测定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度。各种技术可以用于测定这个相对角度。例如，由于显微干涉仪1可以获得样品的干涉条纹信息，因此，这可以用于产生样品的干涉条纹图象。然后，分析干涉条纹图象，测定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的二维相对角度。作为干涉条纹图象分析技术，采用相移干涉条纹分析的技术和采用傅里叶变换干涉条纹分析的技术任何一种都可以使用。

实际上，也可以使用角度测量仪、例如自动准直仪代替分析干涉条纹图象来测定二维相对角度。

本发明要点在于测量套管420的轴线相对于显微干涉仪1的光轴的倾斜度以及套管420的前端面424相对于套管420轴线的垂线的倾斜度。因此，所有测定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度的技术将予以详述。作为其典型的实施例，下面将单独详述采用上述傅里叶变换干涉条纹分析测定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度的技术。

图3是测定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度的技术的流程图。

首先，用CCD摄像机获得载有样品形状信息的与空间载体干涉条纹重叠的干涉条纹图象(S11)。然后，如此获得的干涉条纹图象进行傅里叶变换(S12)，通过滤波分离出空间载频(f_x，f_y)(S13)，并根据这个载频进行傅里叶变换干涉条纹分析，从而得出c(x，y)(后面将予以描述)，由此确定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的倾斜度(相对角度)(S14)。

现在参照图6描述测量套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间倾斜度的示意系统。

如图6所示，分别由来自样品前端面602(424)和Michelson式干涉仪601的基准面603的反射光流形成的干涉条纹在摄像机604的CCD605的成象面获取，通过图象输入板606输入到配置有CPU和图象处理存储器的计算机607中。如此输入的干涉条纹图象数据进行各种算术运算，运算结果显示在监视器荧屏607A上。这里，从摄像机604输出的干涉条纹图象数据在CPU控制下暂时存储到存储器中。

计算机607在软件方面配置成对获得的干涉条纹图象数据进行傅里叶变换，根据干涉条纹图象计算套管420的前端面602和显微干涉仪1的基准面603之间的倾斜度，并根据套管420的前端面602和显微干涉仪1的基准面603之间的倾斜度计算套管420的轴线的倾斜度，如图3所示。

如图6所示，当计算机607通过D/A转换板608向驱动器609发出预定指令时，调节器610适于调整基准面603的倾斜度。

现在参照一些表达式说明上述测定技术。

如上所述，傅里叶变换干涉条纹分析仅仅通过引入载频(样品前端面424和基准面之间的倾斜度)即可从单个干涉条纹图象资料确定相位。引入载频时，干涉条纹强度表达为下述表达式(15)：

i(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πf_xx+2πf_yy+φ(x，y)+ξ)  (15)

其中

a(x，y)是干涉条纹背景；

b(x，y)是干涉条纹可见度；

φ(x，y)是样品相位；

ξ是相移量(2πx/λ)；

f_x和f_y是载频。

载频f_x、f_y表达为下述表达式组(15a)：

f_x＝2·tanθ_x/λ  f_y＝2·tanθ_y/λ     (15a)

令λ为光的波长，f_x和f_y为样品前端面424的x方向和y方向倾斜度，x为相移装置的相移量，则上述表达式(15)可以变更为下述表达式(16)：

i(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp[i(2πf_x+2πf_y)]+c^*(x，y)exp[i(2πf_x+2πf_y)] (16)

其中

c^*(x，y)是c(x，y)的共轭值：

$c(x,y)=\frac{b(x,y)\exp \left\{i\right[\mathrm{\φ}(x,y)+\mathrm{\ξ}\left]\right\}}{2}$

上述表达式(17)可以进行傅里叶变换而成为下述表达式(18)：

I(η，ξ)＝A(η，ξ)+C(η-f_x，ξ-f_y)+C*(η-f_x，ξ-f_y)  (18)

其中

A(η，ξ)是a(x，y)的傅里叶变换；

C(η-f_x，ξ-f_y)是c(x，y)的傅里叶变换；

C^*(η-f_x，ξ-f_y)是c^*(x，y)的傅里叶变换。

总之，在傅里叶变换中，C(η-f_x，ξ-f_y)由滤波确定，位于频率坐标系上位置(f_x，f_y)的频谱峰值移动到坐标原点，如图4所示，以消除载频。然后，采用反向傅里叶变换确定c(x，y)，从而获得包覆相位。然后，解包确定样品的Φ(x，y)相位。鉴于样品前端面424和基准面之间存在预定的角度关系，具体地说是表达式(15a)的关系，因此要确定载频位置(f_x，f_y)的各个数值，再根据这些数值确定样品前端面424和基准面之间的相对角度。

当从上述表达式(18)的结果获得次峰位置而不是位于坐标原点的最大峰值即C(η-f_x，ξ-f_y)的位置时，就获得(f_x，f_y)的各个数值。因此，可以确定样品前端面424的x方向和y方向倾斜度m_x和m_y。

不仅上述技术(第一技术)，而且下述技术(第二技术)也可以确定样品前端面424的x方向和y方向倾斜度m_x和m_y。

图5的流程图示出这种倾斜测定方法。

首先，用CCD图象采集摄像机获得载有样品形状信息的与空间载体干涉条纹重叠的干涉条纹图象(S21)。然后，如此获得的干涉条纹图象进行傅里叶变换(S22)，通过滤波分离出载频的频谱分布(旁瓣)C(η-f_x，ξ-f_y)(S23)。然后，这种分布C(η-f_x，ξ-f_y)进行反向傅里叶变换，获得c(x，y)，从而获得包覆相位(S24)。然后解包，根据样品前端面424的形状信息确定样品的相位P(x，y)(S25)。然后，采用最小平方法确定相位P(x，y)的最小平方平面(S26)。最后，根据最小平方平面的微分系数确定样品前端面424的倾斜度(S27)。

在上述第一技术中的傅里叶干涉条纹分析方法中，分离出载频的频谱分布(旁瓣)C(η-f_x，ξ-f_y)(S23)，然后，其峰值从其位置(f_x，f_y)移动到坐标原点，以消除载频，然后，进行反向傅里叶变换，确定样品前端面424的相位(形状)。

相反，在第二技术中，样品前端面424的倾斜度被认为是其形状的一部分，

上述表达式(18)中载频的频谱分布(旁瓣)C(η-f_x，ξ-f_y)的峰值进行反向傅里叶变换，但不移动即不消除载频。因此，最终获得的样品前端面424的相位P(x，y)包括倾斜分量。

换句话说，上述相位P(x，y)表达为下述表达式(19)：

P(x，y)＝2πf_xx+2πf_yy+φ(x，y)

       ＝ax+by+φ(x，y)                       (19)

       ＝tan(θ_x)x+tan(θ_y)y+φ(x，y)

其中

a是x方向上最小平方平面的微分系数；

b是y方向上最小平方平面的微分系数。

这样，第二技术采用最小平方法确定未消除载频而确定的样品前端面424的形状的最小平方平面(即通过最小平方法拟合形状而获得的平面)，确定最小平方平面在x方向和y方向上的微分系数，使用上述表达式(19)获得样品前端面424的倾斜度m_x和m_y，由此易于确定样品前端面424相对于基准面的倾斜度。

在上述技术中，当确定样品前端面424的形状的平面表示式时，可以不采用最小平方法而使用拟合法。例如，可以用预定球面进行拟合，可以确定球面中心坐标点切面的倾斜度，计算样品前端面424相对于基准面的倾斜度。

因此，采用傅里叶变换干涉条纹分析，可以测定样品前端面424相对于基准面的二维倾斜度。当采用傅里叶变换干涉条纹分析确定样品前端面424相对于基准面的二维倾斜度时，不必使用干涉条纹图象的整个区域。分析一部分干涉条纹图象区域足以得到有效数据。

样品倾斜的校正

因为套管420的轴线S相对于显微干涉仪1的光轴的相对角度(β_x，β_y)可以如上所述进行测量，所以可以根据如此测得的数值校正套管420的轴线S的倾斜度。

在这种情况下，套管420的轴线S相对于显微干涉仪1的光轴的相对角度(β_x，β_y)的显示，其优越性在于更容易校正倾斜度。

可以根据相应于相对角度(β_x，β_y)的输出值通过手动调整或自动调整来校正倾斜度。

此外，使用相应于相对角度(β_x，β_y)的数值作为校正值，可以校正测得的数据，以校正倾斜度。

其它

不限于上述的实施例，本发明的样品倾斜的测量方法可以进行各种各样的改进。例如，虽然上述实施例在两个彼此转动180°的位置测定套管420的前端面424和显微干涉仪1的基准面之间的相对角度，但是，在本发明样品倾斜的测量方法中，相对转动角度可以取任意值。在这种情况下，使用转动角度传感器、例如回转仪可以测定角度。

正如详述的那样，本发明第一种样品倾斜的测量方法，按照相对于干涉仪的预定角度，在用夹具夹持柱状件的同时，使具有呈平面形状的前端面的柱状件转动，测定干涉仪的基准面和处于两个转动位置中每个位置的前端面之间的相对角度，根据如此测得的两个角度，使用预定的算术表达式，测量柱状件的轴线的倾斜度。

由于只要测定干涉仪的基准面和处于柱状件相对于干涉仪的两个转动位置中每个位置的前端面之间的相对角度，将如此测得的数值导入到预定的算术表达式中进行算术运算，即可测量柱状件的轴线的倾斜度，因此，可以低成本高精度且方便地测量轴线的倾斜度，这是调整轴线的倾斜度时必不可少的。

本发明第二种样品倾斜的测量方法，按照相对于干涉仪的预定角度，在用夹具夹持柱状件的同时，使具有呈平面形状的前端面的柱状件转动，测定干涉仪的基准面和处于两个转动位置中每个位置的前端面之间的相对角度，根据如此测得的两个角度，使用预定的算术表达式，测量柱状件的轴线的倾斜度以及前端面相对于柱状件轴线的垂线的倾斜度。

因此，第二种样品倾斜的测量方法同时测量柱状件的轴线的倾斜度和前端面相对于柱状件轴线的垂线的倾斜度，从而除了获得第一种样品倾斜的测量方法的效果外还能进行高效率测量。

本发明的样品倾斜的测量方法中使用的柱状件不限于其截面平面为圆形的圆柱形件。

Claims (12)

1.一种样品倾斜的测量方法，用于测量具有平面形状前端面的柱状件的轴线的倾斜度，所述柱状件由夹具加以夹持，作为样品的所述前端面用干涉仪进行观察；

所述方法包括以下步骤：

使所述柱状件相对于所述干涉仪转动一个预定角度，同时处于由所述夹具夹持的状态，在两个转动位置中的每个位置，测定所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的相对角度；以及

根据所述测得的两个角度计算所述柱状件的所述轴线的所述倾斜度。

2.根据权利要求1所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的所述相对角度在第一和第二转动角中的每个角度进行测量，第一和第二转动角彼此按预定的180°角分开；以及

使用以下的条件表达式组测量所述柱状件的所述轴线的所述倾斜度：

β_x＝(m_x1+m_x2-180)/2

β_y＝(m_y1+m_y2-180)/2

其中，m_x1和m_y1是分别在第一转动位置测得的x方向角度和y方向角度；m_x2和m_y2是分别在第二转动位置测得的x方向角度和y方向角度；β_x和β_y是分别沿x方向和y方向的转动轴线的倾斜角。

3.根据权利要求1所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，在所述两个转动位置中每个位置的所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的相对角度通过相移干涉条纹分析进行测定。

4.根据权利要求1所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，在所述两个转动位置中每个位置的所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的相对角度通过傅里叶变换干涉条纹分析进行测定。

5.根据权利要求1所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，所述柱状件是一个套管。

6.根据权利要求1所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，所述干涉仪是显微干涉仪。

7.一种样品倾斜的测量方法，用于测量具有平面形状前端面的柱状件的轴线的倾斜度以及前端面相对于柱状件轴线的垂线的角度，所述柱状件由夹具加以夹持，作为样品的所述前端面用干涉仪进行观察；

所述方法包括以下步骤：

使所述柱状件相对于所述干涉仪转动一个预定的角度，同时处于由所述夹具夹持的状态，在两个转动位置中的每个位置，测定所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的相对角度；以及

根据所述测得的两个角度计算所述所述柱状件的所述轴线的所述倾斜度、以及所述前端面相对于所述柱状件的所述轴线的所述垂线的所述倾斜度。

8.根据权利要求7所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的所述相对角度在第一和第二转动角度中的每个角度进行测定，第一和第二转动角度彼此按预定的180°角度分开；以及

使用以下的条件表达式组测量所述柱状件的所述轴线的所述倾斜度、以及所述前端面相对于所述柱状件的所述轴线的所述垂线的所述倾斜度：

α_x＝(180-m_x1+m_x2)/2

α_y＝(180-m_y1+m_y2)/2

β_x＝(m_x1+m_x2-180)/2

β_y＝(m_y1+m_y2-180)/2

其中，m_x1和m_y1是分别在第一转动位置测得的x方向角度和y方向角度；m_x2和m_y2是分别在第二转动位置测得的x方向角度和y方向角度；β_x和β_y是分别沿x方向和y方向的转动轴线的倾斜角；α_x和α_y分别是前端面相对于柱状件轴线的垂线的倾斜角。

9.根据权利要求7所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，在所述两个转动位置中每个位置的所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的相对角度通过相移干涉条纹分析进行测定。

10.根据权利要求7所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，在所述两个转动位置中每个位置的所述干涉仪的基准面和所述前端面之间的相对角度通过傅里叶变换干涉条纹分析进行测定。

11.根据权利要求7所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，所述柱状件是一个套管。

12.根据权利要求7所述的样品倾斜的测量方法，其特征在于，所述干涉仪是显微干涉仪。

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