CN1930446A - 光学读头 - Google Patents

Abstract

一种干涉测量设备，包括：测量光束(2a、2b)和参考光束(2c、2d)，它们相互作用以产生空间条纹图(24)。设置光学器件(12)，其与空间条纹图(24)相互作用，从而光在空间中被分离到不同方向(30、32、34、36)中。在空间分离光束的两个或更多个方向中的强度调制是相移的。该光学器件可包括例如衍射器件、折射器件或者衍射光学元件。

Description

光学读头

技术领域

本发明涉及一种用于干涉计的探测单元。

背景技术

在干涉测量设备中，两个相干光束一起干涉以在探测单元形成干涉条纹形式的空间散射场，该探测单元含有电子器件，例如光电二极管和放大器等。

有利的是，探测单元中无需任何电子器件。这可使得探测单元的尺寸降低。进而，如果探测单元不含电子器件，则消除了来自其它器件(例如电机)的电子噪声的问题。

探测单元中的电子器件是一种热源，由于设备例如探测单元自身的部件以及干涉计所测量系统的膨胀，这可导致测量误差。因此期望消除这种热源。

发明内容

本发明提供一种干涉测量设备，包括：

测量光束和参考光束，它们相互作用以产生空间条纹图；

光学器件，其与空间条纹图相互作用，从而光在空间中被分离到不同方向中；

并且其中在空间分离光束的两个或更多个方向中的强度调制是相移的。

该光学器件可与空间条纹图相互作用从而在空间条纹图的条纹中，光在空间中被分离到不同方向中。

光可以在空间中在空间条纹图的一个或多个条纹的至少一部分上被分离。

光可以在空间中被分离成两个或更多个子束。

不同方向中的空间分离光束可由光学探测器探测。空间分离光束可以经由光学纤维到达探测器。

可以设置至少一个聚焦装置以将不同方向中的空间分离光束聚焦到光学纤维中或者光学探测器上。

该光学器件可包括至少一个菲涅耳透镜。

该光学器件可以是衍射器件。

在一个实施例中，该光学器件包括多个片段，其中入射到各个片段上的来自空间散射场的光被衍射到不同衍射方向中，由此在空间中将空间散射场分离。

该光学器件可具有多个具有不同结构的片段，这些不同的片段以重复图案布置。所述多个片段的两个或更多个片段可包括闪耀光栅，其中该闪耀光栅在不同方向中延伸。所述多个片段中的一个可以不具有任何结构。

该光学器件可包括衍射光学元件。

该光学器件可以是折射器件。

在一个实施例中，该光学器件可包括多个片段，其中入射到各个片段上的来自空间散射场的光被折射到不同方向中，由此在空间中将空间散射场分离。

该光学器件可具有异形表面，从而在异形表面处的折射使得空间散射场在空间中分离。

该光学器件可被如此构造，从而空间分离光束的相差能够使得探测器的输出相结合以产生具有已知相差的两个信号。该光学器件可被如此构造，从而空间分离光束的相差能够使得探测器的输出相结合以产生正交信号。

附图的简要说明

现在将通过实例并且参考附图描述本发明实施例，其中：

图1示意出现有技术中的干涉测量设备；

图2示意出本发明的探测单元；

图3示意了在图1所示设备中产生的四个光束的相差；

图4示意了在DOE上用于产生四个光束的余弦条纹；

图5示意了光栅复振幅Ω光栅(ω)和条纹复振幅Ω条纹(ω)的卷积以产生输出复振幅Ω输出(ω)；

图6a示意了第一方案中光栅振幅的实部和虚部；

图6b示意了第一方案中光栅的相位和强度；

图6c示意了第一方案中所产生的四个光束的输出光强关于角位移的曲线；

图7a示意了第二方案中光栅振幅的实部和虚部；

图7b示意了第二方案中光栅的相位和强度；

图7c示意了第二方案中所产生的四个光束的输出光强关于角位移的曲线；

图8a示意了第三方案中光栅振幅的实部和虚部；

图8b示意了第三方案中光栅的相位和强度；

图8c示意了第三方案中所产生的四个光束的输出光强关于角位移的曲线；

图9示意了光栅复振幅Ω光栅(ω)和条纹复振幅Ω条纹(ω)的卷积以为三相光栅产生输出复振幅Ω输出(ω)；

图10a示意了用于3相分裂光栅的光栅振幅的实部和虚部；

图10b示意了用于3相分裂光栅的光栅相位和强度；

图10c示意了用于3相分裂光栅的所产生的四个光束的输出光强关于角位移的曲线；

图11示意了具有异形上表面的光学器件；

图12示意了图11的光学器件，示出偏转光路；

图13示意了具有闪耀光栅的光学器件的透视图；

图14是图13光学器件的平面视图；

图15是图13光学器件的侧视图；

图16示意了具有异形上表面的双折射光学器件；以及

图17示意了通过图13-15光学器件的光利用菲涅耳波带片被聚焦到光学纤维中。

具体实施方式

图1示意了在GB2296766中描述的现有技术中的干涉计。光源1产生被导向偏振立方体光束分裂器件3的相干光束2。该偏振光束分裂器3从光束2产生第一、透射光束2a和第二反射光束2c。使用偏振光束分裂器3可保证透射和反射光束2a、2c相互间正交偏振。在该实例中形成干涉计测量臂的第一透射光束2a直线地通过偏振光束分裂器3并且被导向联接到移动物体(未示出)的回射器6，利用干涉计对该物体的位置进行测量。回射器作为光束2b将该光束返回到偏振光束分裂器3。该返回光束2b透过该偏振光束分裂器并且向前到达探测单元4。

该偏振光束分裂器3还产生第二、反射光束2c，该光束形成干涉计的参考臂。该反射光束被导向关于光束分裂器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从偏振光束分裂器反射到探测单元。

如上所述，该布置使得光束2b和2d具有不同的偏振态。

双折射棱镜8以不同角度折射光束2b、2d，使得它们会聚并且偏振元件9将其偏振态混合，从而它们干涉并且产生空间散射场。

该探测单元4置于交叠光束的光路中以接收空间散射场。所使用的探测器为电子光栅。这种探测器在本申请人的欧洲专利No.0543513中公知并且包括半导体基底，在该基底上设置多个细长的、基本平行的光敏元件。

本发明提供一种探测单元，其中从空间散射场产生信号，而无需电子光栅。图2示意了一种探测单元10，包括衍射光学元件(DOE)12、透镜14和四个探测器16、18、20、22。利用两个相干光束26、28(即，如图1所示干涉计的测量臂和参考臂)的干涉，在探测单元10处形成包括余弦条纹的空间散射场24。

当探测单元10受到余弦条纹照射时，形成四个光束30、32、34、36，它们由透镜14聚焦到探测器16、18、20、22上。该透镜可与DOE成一体的形成。可替代的，可以使用四个单独的透镜。这四个光束相移90°并且因此当余弦条纹平移通过探测单元时，在探测器处探测到的强度正交改变。

图3示意了当余弦条纹关于探测单元10横向移动时在探测器16、18、20、22处的强度随时间的变化。可以看出在各个探测器16、18、20、22处强度周期地变化并且关于彼此相移90°。

本发明并不限制于产生四个光束。例如DOE可设计成产生三个光束，它们根据设计而相移π/2或4π/3。探测器的输出可以结合以产生正交信号，该信号可用于对条纹和周期光图像之间相对运动的幅值和方向进行内推。在本申请人在前公开的国际专利申请WO87/07944中公开了结合来自三个探测器的输出以产生这种正交信号的方法。

可以参考图4-8如下计算DOE的数学规格。

图4示出入射到DOE40上以产生四个光束a、b、c、d的余弦条纹24，当余弦条纹相对于读头平移时这四个光束的光强I1、I2、I3、I4改变正交。该余弦条纹可由该方程描述：

其中x是线位移；Δx是线位移的改变；并且p是由两个入射光束的干涉所产生的复振幅场的周期。强度干涉图的周期为p/2。

DOE的输出复振幅Ω输出(ω)由余弦条纹(U条纹(x))和DOE乘积的Fourier变换给出如下。输出坐标为：

x＝ ω·λz

其中λ是入射光的波长，ω是坐标系统的空间角频率，并且z是传播距离。

Ω输出(ω)＝Ft[U条纹(x).U光栅(x)]

＝Convolution[Ft[U条纹(x)，Ft[U光栅(x)]

＝Convolution[Ω条纹(ω)，Ω光栅(ω)]

其中Ft是Fourier变换。

光栅复振幅Ω光栅(ω)的形式使得当与条纹复振幅Ω条纹(ω)卷积时，至少产生四个光束。而且由于要求四个光束的强度随着Δx正交地变化，各个光束的复振幅需要包括至少两个分量从而可以施加所需的相位关系。(单分量的光束并不合适，因为它们将具有恒定强度。)在图5中示意出一个可能的方案。图5示意了Ω光栅(ω)和Ω条纹(ω)的卷积以产生Ω输出(ω)。A-E是复数并且

φ＝2πΔx/p

输出光强由输出振幅模数的平方给出。然后四个光束的强度等于所需的正交信号：

I_n(Δx)＝1+qCos(2φ+nπ/2)

其中q是利用单位DC电压的AC调制。

令I₁为入射光束和DOE性能相结合产生的第一输出光束复振幅的模数平方则

I₁＝|1/2(Ae^-iφ+Be^+iφ)|²

＝1/4(Ae^-iφ+Be^iφ)(A*e^iφ+Be^-iφ)

这可通过下式而与所需被调制强度条件相关。

I₁＝1/4(|A|²+|B|²+AB*e^-2iφ+A*Be^2iφ)

$=1+\mathrm{qCos}2\mathrm{\φ}=1+\frac{q}{2}(e^{2\mathrm{i\φ}}+e^{-2\mathrm{i\φ}})$

类似的，

I₂＝1/4(|B|²+|C|²+BC*e^-2iφ+B*Ce^2iφ)

$=1+\mathrm{qCos}(2\mathrm{\φ}+\mathrm{\π}/2)=1+\frac{q}{2}(e^{i(2\mathrm{\φ}-\mathrm{\π}/2)}+e^{-i(2\mathrm{\φ}-\mathrm{\π}/2)})$

I₃＝1/4(|C|²+|D|²+CD*e^-2iφ+C*De^2iφ)

$=1+\mathrm{qCos}(2\mathrm{\φ}-\mathrm{\π})=1+\frac{q}{2}(e^{i(2\mathrm{\φ}-\mathrm{\π})}+e^{-i(2\mathrm{\φ}-\mathrm{\π})})$

I₄＝1/4(D²+|E|²+DE*e^-2iφ+D*Ee^2iφ)

$=1+\mathrm{qCos}(2\mathrm{\φ}-3\mathrm{\π}/2)=1+\frac{q}{2}(e^{i(2\mathrm{\φ}-3\mathrm{\π}/2)}+e^{-i(2\mathrm{\φ}-3\mathrm{\π}/2)})$

因此，

$1/4\mathrm{AB}*=\frac{q}{2}$ 并且 $1/4A*B=\frac{q}{2}$

$1/4\mathrm{BC}*=\frac{q}{2}{e}^{+\mathrm{i\π}/2}$ 并且 $1/4B*C=\frac{q}{2}{e}^{-\mathrm{i\π}/2}$

$1/4\mathrm{CD}*=\frac{q}{2}{e}^{+\mathrm{i\π}}$ 并且 $1/4C*D=\frac{q}{2}{e}^{-\mathrm{i\π}}$

$1/4\mathrm{DE}*=\frac{q}{2}{e}^{+i3\mathrm{\π}/2}$ 并且 $1/4D*E=\frac{q}{2}{e}^{-i3\mathrm{\π}/2}$

右侧等式恰为左侧等式的复共轭并且可被忽略。

利用任意的A值。

$B=\left(\frac{2q}{A}\right)*$

C＝((2q/B)e^iπ/2)*

D＝((2q/C)e^iπ)*

E＝((2q/D)e^i3π/2)*

现在令A＝1，q＝1/2，则A-E的值为：

A＝1

B＝1

C＝-i

D＝+i

E＝-1

该系统在图6中示意出。图6a示出光栅振幅实部和虚部关于位移x的曲线，图6b示出光栅相位和强度关于位移x的曲线并且图6c示出在空间频率坐标系统(ω)中的输出光强。

两个可替代的方案也是可能的，其仅在相位量级方面不同。这两个方案在图7和8中示意。

图7a示出光栅振幅实部和虚部关于位移x的曲线，图7b示出光栅相位和强度关于位移x的曲线并且图7c对于下面的A-E值的四个光束a、b、c、d，示出在空间频率坐标系统(ω)中的光强：

A＝1

B＝e^i0π/2/A

C＝e^i1π/2/B

D＝e^i3π/2/C

E＝e^i2π/2/D

因此

A＝1  B＝1  C＝i  D＝-1  E＝1

图8a示出光栅振幅实部和虚部关于位移x的曲线，图8b示出光栅相位和强度关于位移x的曲线并且图8c对于下面的A-E值的四个光束a、b、c、d，示出在空间频率坐标系统(ω)中的光强：

A＝1

B＝e^i0π/2/A

C＝e^i2π/2/B

D＝e^i1π/2/C

E＝e^i3π/2/D

因此

A＝1  B＝1  C＝-1  D＝-i  E＝1

也能够使用DOE产生三个光束。一个可能的方案由图9和下面的等式示意。

A＝1

B＝e^-i.1.π/2/A

C＝e^i.0.π/2/B

D＝e^i.1.π/2/C

因此

A＝1  B＝-i  C＝i  D＝1

图10a示出三相分裂光栅的光栅振幅实部和虚部的曲线，图10b示出三相分裂光栅的相位和强度的曲线并且图10c示出三个输出光束a、b、c的输出强度关于角位移(ω)的曲线。

上面的方案为特殊的解析方案。DOE的数值优化一般使用计算机并且产生可以并非为上面形式而是使得DOE更易于制造和使用的设计。

现在参考图11和12描述用于从空间散射场形成多个光束的可替代光学器件。

图11示意了光学器件50，包括透明的例如玻璃元件52，该元件在一个表面上具有外形54，该外形包括等距的并且例如以120°相互成角度的三个表面56、58、60的重复图案。

该外形可从锯齿形轮廓形成，其中上面的三分之一被切除(例如通过抛光)。

通过两个相干光束64、66的干涉在光学器件50处形成包括余弦条纹62的空间散射场。图11示出入射到光学器件50上的余弦条纹62。入射到异形光学器件上的光被通过三个成角度表面折射到三个不同方向68、70、72中，如图12所示。光学器件74的周期等于余弦条纹76的周期，从而产生具有不同相位0°、+120°和-120°的三个光束。

设置探测器(未示出)以探测所产生的三个光束68、70、72。可替代的，可设置光学纤维以将所产生的三个光束耦合到其相应的远程探测器。

在相反的布置中，相干光束64、66入射到光学器件的平表面上，从而光从玻璃侧通过异形玻璃/空气界面。在该布置中光束64、66的入射角度将大于在图11和12中所示意的布置以在玻璃中产生等于异形表面周期的条纹间距。

相互干涉以产生干涉图的入射光束不必彼此成一定角度。图16示意了一种实施例，其中光学器件150由双折射材料制成，在其异形表面158上涂覆有偏振材料151。正交偏振的两个平行光束164、166入射到光学器件上，并且被双折射材料以不同的程度折射。因此光束当相遇时不再平行并且在偏振涂层处干涉以形成干涉图。该干涉图与如上参考图11和12所述的异形表面相互作用。

现在参考图13-15描述另一种类型的异形光学元件。在该实施例中，光学器件80包括具有异形表面84的透明元件82例如玻璃。

光学器件的异形表面84被划分成片段88、90、92的重复图案，片段图案平行于光条纹86的方向延伸。图13和14示出片段的重复图案。图13是光学器件的透视图并且图14是平面视图。该图案的各个可重复部分包括第一片段88，其中不具有任何结构；第二片段90，其中具有沿着第一方向(在图14中箭头A所示)延伸的闪耀光栅；以及第三片段92，其中具有沿着第二方向(在图14中箭头B所示)延伸的闪耀光栅。

入射到光学器件异形表面的不同片段上的光被衍射到不同方向中。入射到不具有任何结构的第一片段上的光直线地通过该光学器件(即第0级衍射)。入射到第二和第三片段上的光被以不同的角度折射。

图15是图13和14的光学元件的端视图。入射到光学器件80顶表面上的光94直线地通过片段88(不具有结构)，通过片段90(具有沿着第一方向的闪耀光栅)在第一方向中衍射并且通过片段92(具有沿着第二方向的闪耀光栅)在第二方向中衍射。由这三个片段产生的光束由透镜96聚焦到三个光斑98、100、102上，它们横向于重复片段图案的方向。由于入射到各个片段88、90、92上的光各自与余弦条纹的不同部分相关，三个光斑各自具有不同的相位，即0°、+/-120°。

使用闪耀光栅具有如此优点，即通过将菲涅耳波带片迭加到闪耀光栅上，透镜96可结合于光学器件80中，由此降低系统的总尺寸。

图17示意了将光聚焦到光学纤维中的菲涅耳波带片的一部分。该波带片包括区域A、B、C的组，其中各个给定组的区域将光聚焦到给定的焦点。不同区域的组将光聚焦到不同的焦点。菲涅耳波带片可被构造成使得这些焦点平行于或者横向于光学纤维的平面布置。图17示出由闪耀光栅的第一组片段88衍射的光被聚焦到第一光学纤维170中，由闪耀光栅的第二组片段90衍射的光被聚焦到第二光学纤维172中，并且由闪耀光栅的第三组片段192衍射的光被聚焦到第三光学纤维174中。

相干光学纤维束可替代光学器件以及离散的光学纤维。在此情形中，在纤维束中各个光学纤维的一端邻近空间散射场设置并且相间隔以使得不同相位的光通过不同的光学纤维到达不同的探测器。

如果来自电子器件的热量是可以接受的，则可以使用光电探测器替代光学纤维。这里光电探测器可以是分离的，或者容纳于同一单元中，或者它们甚至可具有与在四元电池或线性阵列中相同的基底。

虽然图11-17示意了透射系统，在本发明中也可使用反射光学器件。

所有上述实施例为光电光栅提供了可替代形式，因此提供了其中无需任何电子器件的探测单元。而且，由于探测器可关于探测单元远程设置(即通过使用光学纤维)，读头的尺寸大大降低。

上述探测单元适用于在其中产生空间散射场的任何干涉计。

Claims (20)

1.一种干涉测量设备，包括：

测量光束和参考光束，它们相互作用以产生空间条纹图；

光学器件，其与空间条纹图相互作用，从而光在空间中被分离到不同方向中；

并且其中在空间被分离光的两个或更多个方向中的强度调制是相移的。

2.根据权利要求1所述的干涉测量设备，其中光学器件与空间条纹图相互作用从而在空间条纹图的条纹中，光在空间中被分离到不同方向中。

3.根据权利要求1所述的干涉测量设备，其中所述的光在空间中在空间条纹图的一个或多个条纹的至少一部分上被分离。

4.根据权利要求1到3中任何一项所述的干涉测量设备，其中所述的光在空间中被分离成两个或更多个子束。

5.根据前面任何一项权利要求所述的干涉测量设备，其中利用光学探测器探测不同方向中的空间分离光。

6.根据权利要求5所述的干涉测量设备，其中空间分离光经由光学纤维到达探测器。

7.根据权利要求5或6中任何一项所述的干涉测量设备，其中设置至少一个聚焦装置以将不同方向中的空间分离光聚焦到光学纤维中或者光学探测器上。

8.根据前面任何一项权利要求所述的干涉测量设备，其中该光学器件包括至少一个菲涅耳透镜。

9.根据前面任何一项权利要求所述的干涉测量设备，其中该光学器件是衍射器件。

10.根据权利要求9所述的干涉测量设备，其中该光学器件包括多个片段，入射到各个片段上的来自空间散射场的光被衍射到不同衍射方向中，由此在空间中将空间散射场分离。

11.根据权利要求9或10中任何一项所述的干涉测量设备，其中该光学器件具有多个具有不同结构的片段，所述不同的片段以重复图案布置。

12.根据权利要求10或11中任何一项所述的干涉测量设备，其中所述多个片段的两个或更多个片段包括闪耀光栅，该闪耀光栅在不同方向中延伸。

13.根据权利要求10到12中任何一项所述的干涉测量设备，其中所述多个片段中的一个不具有任何结构。

14.根据权利要求1到7中任何一项所述的干涉测量设备，其中该光学器件是衍射光学元件。

15.根据权利要求1到8中任何一项所述的干涉测量设备，其中该光学器件是折射器件。

16.根据权利要求15所述的干涉测量设备，其中该光学器件包括多个片段，入射到各个片段上的来自空间散射场的光被折射到不同方向中，由此在空间中将空间散射场分离。

17.根据权利要求15或16中任何一项所述的干涉测量设备，其中该光学器件具有异形表面，从而在异形表面处的折射使得空间散射场在空间中分离。

18.根据权利要求1到8中任何一项所述的干涉测量设备，其中该光学器件包括相干光学纤维束。

19.根据前面任何一项权利要求所述的干涉测量设备，其中该光学器件被如此构造，从而空间分离光束的相差能够使得探测器的输出相结合以产生具有已知相差的两个信号。

20.根据权利要求19所述的干涉测量设备，其中该光学器件被如此构造，从而空间分离光束的相差能够使得探测器的输出相结合以产生正交信号。

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