瞬时相位偏移干涉仪的制作方法

本发明涉及一种瞬时相位偏移干涉仪。特别地，本发明涉及为了提高精度而提出的瞬时相位偏移干涉仪，从而使得用户能够容易地对通过例如多个不同摄像部或单个摄像部的不同摄像区域所获得的多个相位偏移的干涉条纹图像之间的偏压、振幅和相位偏移量进行预测量(校正)。

背景技术：

用于分析通过从参考面反射的光和从测量对象反射的光所产生的干涉条纹的相位的干涉仪是能够使用光的波长作为量尺来高精度地对测量对象的形状进行测量的装置。高精度地对干涉仪所获得的干涉条纹的相位进行分析的代表性技术是用于使干涉条纹的相位偏移并且拍摄并分析多个图像的相位偏移干涉仪。在这些相位偏移干涉仪中，瞬时相位偏移干涉仪使用照相机和多个干涉光路，以同时对分析所需的多个相位偏移的干涉条纹进行测量。该瞬时相位偏移干涉仪是能够在传统相位偏移干涉仪不适合的诸如组装现场等的振动环境下对测量对象的形状进行测量的实用性极高的干涉仪。

在瞬时相位偏移干涉仪中，由于不同照相机所拍摄的多个干涉条纹图像之间的偏压和振幅的变化以及相位偏移量计算时的规定值和以光学方式实现的有效值之间的差异，产生了干涉条纹相位的分析误差。因此，预先测量各干涉仪的光学参数特性(即，通过各照相机所获得的干涉条纹的偏压、振幅和相位偏移量)，并且在测量实际的测量对象的情况下，除非考虑利用这些光学参数来进行计算，否则无法获得高精度的测量。

本申请人已经在日本特开2002-13907(图1和图3)以及日本特开2002-13919(图1和图2)中提出了用于测量这些光学参数的方法。在这些文献中，在图1所示的瞬时相位偏移干涉仪中，如图2所示，使测量对象(这两个文献中被描述为被检面7)在光轴方向上相对于参考面5偏移了Δd_i，并且对多个干涉条纹进行摄像。然后，例如通过使用这两个文献中所记载的公式来进行数据处理，可以计算出瞬时相位偏移干涉仪的光学参数。在附图中，附图标记1是激光光源，附图标记2是透镜，附图标记3是分束器，附图标记4是准直透镜，附图标记6和8是1/4波片，附图标记9是三向(分割)棱镜，附图标记10～12是偏光板，并且附图标记13～15是摄像装置。

为了实现之前提出的方法，需要使测量对象7在光轴方向上相对于瞬时相位偏移干涉仪的参考面5精确地偏移。为此，需要准备成本高且精度极高的扫描台，并且需要将测量对象7安装在该台上以使测量对象7不移动。另外，光学参数的测量期间测量环境的振动可能引起测量对象7相对于参考面5的相对偏移误差，因此需要准备用于消除该振动的精确测量环境。

由于误差是各干涉仪特有的固定误差，因此理论上在干涉仪的组装和调节之后仅应当进行一次光学参数的测量。然而，实际上，由于用于构成干涉仪的光学装置随时间的变化以及用于保持光学装置的干涉仪壳体的变形等，导致了光学参数发生变化。因此，需要定期进行测量并更新值以维持高水平的性能。每当使干涉仪处于可以使测量对象7精确地偏移的环境并且使测量对象7精确地偏移以测量光学参数时，需要花费极大的精力。

具体地，为了提高瞬时相位偏移干涉仪的精度而提出的传统技术需要特殊的装置和特殊的测量环境，并且用户进行定期测量存在极大困难。

技术实现要素：

为了解决上述传统问题而构思了本发明，并且提出本发明以提高瞬时相位偏移干涉仪的精度。例如，本发明使得用户能够容易地对通过多个不同摄像部或单个摄像部的不同摄像区域所获得的多个相位偏移的干涉条纹图像之间的偏压、振幅和相位偏移量进行预测量(校正)。

本发明利用下述的瞬时相位偏移干涉仪解决了上述问题，其中该瞬时相位偏移干涉仪用于将包括测量光束和作为测量基准的参考光束的被检测光束分割成多个光束或多个区域，使所述参考光束和所述测量光束之间的相位差发生相对偏移，然后产生干涉条纹并同时拍摄相位偏移的多个干涉条纹图像，并且对测量对象的形状进行测量，其中所述测量光束是通过从所述测量对象反射或穿过所述测量对象所获得的光束，所述瞬时相位偏移干涉仪包括：光源，其相干距离比从参考面反射的光和从测量面反射的光之间的光路长度差小；分束器，其被配置为分割来自所述光源的光束；以及延迟光路，其具有能够改变的光路长度，并且被配置为使第一光束延迟以引起光路长度差，其中所述分束器被配置为将所述第一光束叠加在与第二光束相同的光轴上，之后产生所述参考光束和所述测量光束，其中，在所述延迟光路的调整期间改变所述延迟光路的光路长度，分别拍摄相位偏移的多个干涉条纹图像，并且计算各个干涉条纹图像中所获得的干涉条纹的偏压、振幅和相位偏移量至少之一，以及在测量期间，基于干涉条纹的偏压计算结果、振幅计算结果和相位偏移量计算结果至少之一来测量所述测量对象的形状。

在本示例中，在所述延迟光路的调整期间改变所述延迟光路的光路长度并且分别拍摄相位偏移的多个干涉条纹图像的情况下，使所述测量对象相对于干涉仪主体固定。

另外，所述多个光束或所述多个区域是单位单元内的多个微小区域，并且由微小偏光器分割得到。

在根据本发明的瞬时相位偏移干涉仪中，使用低相干光源，并且设置用于改变参考光束和测量光束之间的光路长度差的延迟光路。另外，为了校正瞬时相位偏移干涉仪，例如，在对通过多个摄像部或单个摄像部的不同摄像区域所获得的干涉仪的光学参数进行测量的情况下，非常轻微地平行移动延迟光路中的镜，使干涉条纹的相位偏移，并且拍摄该干涉条纹。然后，根据通过各摄像部或各摄像区域所获得的多个相位偏移的干涉条纹图像来计算光学参数。

因此，用户可以在无需使用特殊装置的情况下，在实际使用干涉仪的环境下简单地进行光学参数的预测量(校正)。因而，可以极大减少用以维持干涉仪的性能所花费的时间和精力。因此，可以减小或避免由于多个不同摄像部各自或者单个摄像部的不同摄像区域各自所获得的干涉条纹之间的偏压和振幅的差异、以及相位偏移量的规定值与以光学方式实现的有效值之间的差异而产生的误差，从而使得能够高精度地对测量对象的形状进行测量。

附图说明

在以下的详细说明中，通过本发明的典型实施例的非限制性示例的方式参考所述的多个附图来进一步说明本发明，其中在附图的几个视图中，相同的附图标记表示相似的部件，并且其中：

图1是示出日本特开2002-13907(图1和图3)以及日本特开2002-13919(图1和图2)中所述的传统瞬时相位偏移干涉仪的典型光学结构的光路图；

图2示出传统瞬时相位偏移干涉仪中的偏压、振幅和相位偏移量的测量方法；

图3是示出根据本发明的瞬时相位偏移干涉仪的第一实施例的光学结构的光路图；

图4是示出第一实施例的测量之前的光学参数的状态的光路图；

图5是示出第一实施例的变形结构的相关部分的截面图；

图6是示出根据第一实施例的延迟光路的变形例的光路图；

图7是示出根据本发明的瞬时相位偏移干涉仪的第二实施例的相关部分的结构的光路图；

图8是示出根据本发明的瞬时相位偏移干涉仪的第三实施例的相关部分的结构的光路图；以及

图9是第三实施例中所使用的典型偏光板的说明图。

具体实施方式

这里所示的细节是举例，并且仅用于例示性地论述本发明的实施例的目的，并且是为了提供被认为是针对本发明的原理和概念方面的最有用和最容易理解的说明而呈现的。在这方面，没有尝试以比本发明的基本理解所需的细节更详细的方式示出本发明的结构细节，其中利用附图所进行的说明使本领域技术人员显而易见地明白在实践中可以如何实现本发明的各种形式。

以下，参考附图来详细说明本发明的各实施例。此外，本发明不限于在以下实施例和示例中所说明的内容。以下实施例和示例的构成要求还可以包括本领域技术人员容易想到的内容、实质上相同的内容、以及包含等同范围的内容。此外，以下实施例和示例所公开的构成要求还可以适当结合、或者适当的选择性应用。

图3示出根据本发明的瞬时相位偏移干涉仪的第一实施例的结构。将来自光源100的光束分割成具有正交的偏光面的两个分量。在本实施例中，通过偏光分束器(PBS)201将光束分割成水平偏光束l₁和垂直偏光束l₂。垂直偏光束(l₂)的反射光束被用作镜的直角棱镜203反射并转向，之后通过PBS 202使水平偏光束l₁和垂直偏光束l₂彼此叠加。然后，在通过包括透镜301、分束器302和透镜303的光束扩大光学系统300的扩大和准直之后，照射参考面400和测量对象500的面(以下称为测量面)，其中参考面400和测量面配置在与传统的Fizeaur型干涉仪(菲佐型干涉仪)相同的光轴上。利用分束器302从光束扩大光学系统300提取来自各面的被检测光束，并且该被检测光束穿过成像透镜600。然后，该被检测光束穿过λ/4板700，将水平偏光束l₁和垂直偏光束l₂转换成左/右反转的圆形偏光，之后光束l₁和l₂入射至摄像系统800。在通过摄像系统800内的三向分割棱镜809对被检测光束进行分割之后，通过在各个分割光路上配置进行不同转动调整的偏光板810、811和812，从测量面500反射的光相对于参考面400的相位差在干涉条纹中变得可见。然后，通过三个照相机813、814和815拍摄干涉条纹图像。

在该干涉仪中，使转向的光路长度差L_a与从参考面400和测量面500反射的光的光路长度差L_b一致，然后使用相干距离ΔL比光路长度差L_a短的光源作为光源100。然后，通过从参考面400反射的光的垂直偏光分量和从测量面500反射的光的水平偏光分量的光束，仅产生了通过穿过设置在三条光路上的偏光板810、811和812而被可视化的干涉条纹。另外，通过三个照相机813、814和815所获得的干涉条纹是根据分别配置在照相机813、814和815各自的前方的偏光板810、811和812的安装角度而相位偏移的干涉条纹。

以下，说明在无需使用特殊设备的情况下对通过三个照相机813、814和815各自所获得的干涉条纹图像的偏压和振幅以及干涉条纹之间的相位偏移量进行简单测量的方法。

在参考面400反射的穿过了延迟光路200的垂直偏光束l₂和通过在没有偏离的情况下照射测量对象500所获得的水平偏光束l₁之间，产生了干涉仪所获得的干涉条纹。因此，如图4所示，通过使直角棱镜203的位置在附图中上下偏移并且改变装置内的延迟光路200的参考光束(l₂)的延迟量，可以使测量光束(l₁)相对于参考光束(l₂)产生相位偏移。在这些情形下，将微小移位机构204添加至延迟光路200的直角棱镜203，从而使干涉条纹的相位偏移。然后，通过照相机813、814和815各自拍摄干涉条纹图像，并且例如通过使用日本特开2002-13907或日本特开2002-13919中所给出的公式来进行计算，可以获得通过照相机813、814和815各自所拍摄的干涉条纹图像之间的诸如偏压、振幅和相位偏移量等的光学参数。

通过安装在装置内的微小移位机构204的操作，来实现照相机813、814和815各自所拍摄的干涉条纹的光学参数的测量。因此，用户不需要单独准备高精度的移位台，从而使得任何人都可以简单地进行移位。

在使用诸如附图所示的直角棱镜等的直角棱镜203作为延迟光路200的镜的情况下，由于直角棱镜203的光学性质，因而可以减小由于伴随着微小移位的直角棱镜203的横摆等而导致的光轴偏移。在使测量对象500偏移的传统情况下，需要在保持测量面相对于参考面400的相对姿势恒定的情况下，在光轴方向上进行精确的平行移位。与之相对，在根据本发明的方法中，可以更简单地制作进行相位偏移所需的微小移位机构204。

接着，说明根据本发明的用于对干涉条纹的诸如偏压、振幅和相位偏移量等的光学参数进行测量的方法的其它方面。

在传统方法中，使测量对象500相对于参考面400偏移的机构与干涉仪分开配置。在这种情况下，干涉仪和测量对象500需要独立性高的保持器，并且由于测量环境中发生的振动而导致针对测量对象500发生相对偏移误差。因此，在测量光学参数时，要求消除了振动的精确测量环境。

与此相对，在根据本发明的方法中，可以将测量对象500设置在相对于参考面400固定的光路上。因此，如图5所例示那样，可以利用固定构件501将测量对象500牢固地固定并配置于参考面400的镜筒401。因此，可以将干涉仪主体900和测量对象500设置成具有某种程度的刚性，因此即使在诸如组装现场等的环境下，也可以在不受振动影响的情况下进行测量。具体地，即使在不刻意准备如传统方法中那样的精确测量环境的情况下，根据本发明的方法也使得能够进行干涉条纹的参数的测量。

以上使用Fizeaur型干涉仪的示例说明了测量干涉仪的光学参数的实施例。然而，适用于本发明的干涉仪不限于此。

只要干涉仪将光分割成彼此干涉的两种光束(参考光束和测量光束)，本发明可以应用任意类型的干涉仪，例如使用分束器将光以大致90°分割成彼此干涉的参考光束和测量光束的Twyman-Green型干涉仪(特怀曼-格林型干涉仪)或者用于将光分割成独立光路并测量透过波面的Mach-Zehnder型干涉仪(马赫-策恩德型干涉仪)等。

在图3所示的干涉仪的典型光学结构中，示出了延迟光路200使用直角棱镜203以及偏光分束器201和202的示例。然而，本发明不限于该结构，并且只要延迟光路抵消参考光束和测量光束之间的光路长度差，就可以使用任意结构。例如，如图6所示的变形结构210那样，可以是如下结构：将PBS 211、λ/4板212和214以及平面镜213和215进行组装，并且在PBS 211处引起透过光和反射光之间的延迟。在这种情况下，使彼此面对的平面镜213和215其中之一或两者(在图6中，仅平面镜213)在光轴方向上移位，从而产生与图4所示的偏移量相同的偏移量Δd_i。

另外，用以引起延迟的镜不限于图3、4和6的示例中所示的直角棱镜203以及平面镜213和215。作为替代，可以使用能够反射光的诸如折回反射镜或小型反光镜等的任意元件。

此外，照相机的数量不限于三个。只要可以同时获得多个图像，如图7示意性示出的第二实施例的相关部分那样，可以使用单个照相机820的被分割成三个照相机区域的摄像区域。可选地，如图8示意性示出的第三实施例的相关部分那样，并且如图9所示，根据照相机的像素大小，可以使用作为单个单元内所形成的具有与偏光板810、811和812相对应的微小区域的偏光板的微小偏光器(以下还称为偏光器阵列)830，并且由此可以在无需分割光束的情况下通过单个照相机820来获得相位偏移的干涉条纹。

注意，已提供的上述示例仅用于说明的目的，并且决没有被构造成对本发明的限制。尽管已参考典型实施例说明了本发明，但应当理解，这里已使用的词语是用于描述和说明的词语，而不是用于进行限制的词语。在没有背离本发明的各方面的精神和范围的情况下，可以在如当前陈述和修改的权利要求书的界限内进行改变。尽管这里已参考特定结构、材料和实施例说明了本发明，但本发明并不意图局限于这里所公开的细节；相反，本发明扩展至诸如处于所附权利要求书的范围内等的在功能上等同的所有结构、方法和用途。

本发明不限于上述实施例，并且可以在没有背离本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年7月14日提交的日本专利申请2015-140397的优先权，在此通过引用明确包含其全部内容。