专利名称：可调源相移干涉仪自校准的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明概括而言涉及干涉仪，具体涉及一种可调源相移干涉仪自校准的方法和装置。
背景技术：
许多相移干涉仪设计(以及用于测量距离的其他种类的干涉仪设计)都意在产生两个正交信号，理想情况下为下面公式1和2中所示的正交输出信号V1ideal与V2idealV1ideal=Sin2πλz]]>(公式1)V2ideal=Cos2πλz]]>(公式2)其中λ为干涉仪中所用辐射的波长，z为干涉检测物体物光束光程与参考光束光程之间的光程长度差(OPD)。干涉仪的这两个正交输入信号在理想情况下都应当来自于检测物体精确相同部分的光。从而由公式3在特定波长内可以高分辨率地确定检测物体该部分的OPDz，此处称作在特定波长内形成z值的“信号插值”，或者对于z的“插入”值或者插入的干涉仪测量值z=λ2πTan-1V1idealV2ideal]]>(公式3)不过，在实际干涉仪中，用公式4和5所示的一般形式可更好地描述输出信号V1=C1+A1Sin2πλz]]>(公式4)V2=C2+A2Cos2πλz]]>(公式5)其中C1和C2为信号中的偏移或者“DC”分量，A1和A2为“AC”信号幅度。信号的偏移分量具有若干来源。例如主要成分来源于对于各干涉仪输出信号有贡献的各干涉光束的标称DC强度。例如，其将随激光源的强度而变。此外，应当理解物光束标称DC强度或物光束各部分发生改变的主要原因，是通常存在检测物体任何特定部分的有效反射率的改变。参考光束中也会产生类似效果。不过，与各种“不受控制的”检测物体相比，参考镜的反射率常常更加均匀和更加稳定。偏移的其他成分来自于各种环境光的贡献，以及与检测器和用于例如检测和测量信号V1和V2的相关信号调节电子装置等有关的偏移。
因此，即使A1＝A2，如果信号中存在偏移，则信号与公式3中所示的形式不同，所产生的内插z值包括相关误差。从而，为了进行高精度插值，必须消除或补偿内插值计算之前的偏移。
已经设计出多种不同方法来消除或补偿相移干涉仪中的这种偏移。例如，美国专利No.6,304,330(此处其所有相关教导引作参考)披露了一种新的多相移图像产生结构，其结合波前扩展元件、相移干涉元件和传感元件。通过结合波前扩展元件、相移干涉元件和传感元件，’330专利中所述的多相移图像产生结构能将干涉测量中包括对信号偏离分量有贡献的多种潜在误差源转换成共态(common-mode)误差。即，从’330专利中披露的多相移图像产生结构提供的信号的观点看，这些误差对于该系统中提供的多测量信号具有同等影响。结果，通过适当处理’330专利中所述多相移图像产生结构提供的干涉测量信号，这些共态误差的幅度和方向可被确定并基本消除。
不过，’330专利的结构和方法，以及用于消除或补偿偏移误差的其他已知现有技术方法，通常或者要求附加光路，或者要求用于引入精确控制光路长度改变的装置，以及相关的附加部件，以提供所需信号。此外，在已知的现有技术系统中常常残留有剩余的偏移误差源。因此，希望能有单独或者结合地克服上述缺点的系统和方法。
发明内容
如前面所述，用于消除或补偿偏移误差的已知方法，常常通过提供相应的光路或可控光路长度改变而提供除V1和V2以外的信号。这些附加信号相移可控和已知的量。例如，常常有意地将等于λ/2奇数倍的附加光路长度差引入这种信号中，其与干涉仪提供的其他信号相比，通过下面详细描述的方法，可以有效地转化这种信号的AC成分，并且能去除或补偿一定的偏移误差。
相反，本发明通过改变源波长，同时采集偏移表示信号，提供用于产生信号的系统和方法，该信号表示或者用于确定干涉仪中各种检测器通道信号的偏移成分。与现有技术方法不同，本发明提供一种对于干涉仪的每个或任何光路都可行的方法，无需附加特殊光路或者可控光路长度改变。另外，根据本发明的系统和方法，无需任何移动部分来调节或控制光路长度。不过，对于已经包括这种部件的干涉仪系统，依然可使用根据本发明的系统和方法取代或者附加可用于这种系统的其他偏移校正方法，来消除或补偿可用于这种系统的其他方法所不能消除的附加的残留偏移误差源。
如此处所使用的，术语探测器通道一般指检测器及其相关的光学元件，以及用于产生干涉测量信号的电子信号路径，干涉测量信号如例如与前面所述的信号V1或V2大致相当的测量信号。在各种示范实施例中，探测器阵列的每个象素对应于一个分离的探测器通道，并且接收与处于干涉仪物光束中的检测物体的某一特定部分相应的干涉光。在各种示范实施例中，一个或多个探测器阵列的多个象素，与多个分离探测器通道相应，其中多个分离探测器阵列接收与检测物体同一特定部分或检测物体近似相同的特定部分相应的干涉光，以提供可组合以提供与该(近似相同)特定部分相应的内插干涉测量的多个干涉测量信号。
本发明通过在由探测器通道的探测器采集或者积分相应信号期间，改变干涉仪照明源的辐射波长，提供一种表示干涉仪中探测器通道信号的偏移成分的信号。对于各种干涉仪设计而言可通过干涉仪的每个探测器通道方便地实施该方法。例如，在各种相移干涉仪中常采用CCD或CMOS照相机等作为提供2维干涉图的探测器。在此情形中，根据本发明的系统和方法可以改变照明源的辐射波长，同时积分照相机的每个象素上的光信号。因此，可以确定照相机的每个或任何象素中的偏移信号成分。此外，可使用该方法消除或补偿非常短的时间周期内的偏移误差。例如，该时间周期可以远小于进行机械调节所需的时间，其中需要机械调节来步进一个或多个分离光程长度差。另外，积分时间内不必了解或测量波长。在各种示范实施例中，在与提供给探测器的光信号的几个周期相应的时间周期上，波长应当以相对恒定的速率改变，以对偏移提供最佳估计。
根据本发明一个方面，操纵照明源以为干涉仪提供可变波长照明，从而对来自于可变波长照明的信号积分，至少大致对应于对来自于在至少一部分信号积分期间连续和单调地改变的可变波长照明的信号积分。
根据本发明另一方面，在各种实施例中，信号积分周期的持续时间为毫秒或微秒量级。
根据本发明再一方面，在一个实施例中，在整个信号积分周期内单调地改变波长可变辐射。
根据本发明又一方面，在一个实施例中，可变波长辐射以大致恒定的速率改变。
根据本发明另一方面，在改变可变波长辐射时干涉光光信号经历多个相位改变周期，响应干涉光信号而在探测器中产生的信号，在干涉光光信号的多个周期上积分。
根据本发明一个独立方面，在一个实施例中，操纵干涉仪，使得在确定可用于确定各种探测器通道的偏移校正的信号时，干涉仪的各种探测器通道的积分周期大体上是同时的。
根据本发明一个独立方面，干涉仪设计成使至少第一和第二相应探测器通道的相应组，与来自于位于物光路径中的检测物体的至少第一和第二大致相同部分的相应组的光对应；每组大致相同部分的相应组与检测物体上的各标称位置相应；每个相应组中至少两个相应的干涉光光信号具有不同的相应相对相位；并且对于每个相应组而言，根据本发明原理确定的积分信号，可用于确定可用于对该组探测器通道提供的干涉测量信号进行校正的至少一个偏移校正，并且可将经过校正的干涉测量信号组合，以提供与检测物体上各标称位置相应的内插干涉测量，其相对没有偏移导致的误差。
根据本发明另一方面，在一个实施例中，对于每个相应组，将积分信号求平均，以确定可用于校正该组探测器通道提供的干涉测量信号的至少一个偏移校正。
根据本发明另一方面，在一个实施例中，干涉仪包括至少一个二维照相机，至少第一和第二相应探测器通道的每个相应组具有包括至少一个二维照相机的象素，并且，可使用与检测物体上各标称位置相应的一组内插干涉测量，以提供检测物体至少一部分的二维表面高度分布，该二维表面高度分布相对没有偏移导致的误差。
通过结合附图时参照下述详细描述，更易于和更好地理解本发明的上述方面和许多伴随的优点，其中图1为通过本发明各种示范实施例可使用的干涉仪系统的第一一般实施例的方框图；图2表示’330专利中披露的多相移图像产生部分的第一示范实施例，包括多相移产生结构的第一示范实施例，均可用于图1中所示干涉仪装置的各个特定实施例中；图3更详细表示出’330专利中披露的和图2中所示多相移图像产生部分的第一示范实施例中使用的相移元件；图4表示使用’330专利中披露的和图2中所示多相移图像产生部分的第一示范实施例所产生的光的四部分之间的相对相移；图5表示在使用’330专利中披露和图2-4中所示多相移图像产生部分的第一示范实施例时四部分光在成像阵列上如何分布；图6A-6E表示包括多相移产生结构的第二和第三示范实施例的多相移图像产生部分第二示范实施例的分解图，所有这些都可用于图1中所示干涉仪装置的各种示范实施例中；图7为说明图1中所示一般干涉仪系统另一示范实施例的方框图，其明显包括根据本发明的偏移确定电路、程序或应用软件；图8为时序图，说明根据本发明的第一示例方法，用于改变辐射波长并且积分探测器上的相应信号；图9的曲线表示探测器中光信号VIN1的性质，以及探测器信号的时间平均，这是由于连续改变干涉仪激光源频率或波长而波长周期在探测器上积累时将信号VIN1积分而产生的；图10的曲线表示将输入光信号VIN1和VIN2积分的探测器信号的时间平均性质，以及作为这两个时间平均的信号的平均值的信号，这是由于连续改变干涉仪激光源频率或波长而波长周期在探测器上积累时的曲线；图11为时序图，说明根据本发明改变辐射波长和积分探测器上的相应信号的第二示例方法；图12所示为举例说明图7中所示干涉仪系统各特定实施例中激光器驱动和控制电路的方框图，其中该激光器驱动和控制电路可使用图11中所示的时序方法；图13的特性曲线说明在第一时间段上积分信号VIN1的探测器信号的时间平均，在相对第一时间段延迟四分之一波长周期的第二时间段上积分信号VIN2的探测器信号的时间平均，以及作为这两个时间平均的信号的平均的信号，这是由于连续改变干涉仪激光源频率或波长而波长周期在探测器上积累时的曲线；以及图14所示流程图说明在根据本发明的各种示范实施例中用于消除和/或补偿干涉仪探测器通道中各种偏移误差的一般方法。
具体实施例方式
图1表示干涉仪系统100的第一一般实施例，其可用于本发明的各个示范实施例。如图1中所示，干涉仪系统100概括而言包括传输部分102和成像部分104。传输部分102包括发射相干光波前112的激光源110。正如下面详细描述的，在根据本发明的各种示范实施例中，激光源110是可调节或者能通过其他方式产生可变辐射频率和照射波长。在各种示范实施例中，激光源110可包括波长调制或者任何其他现在已知或最近开发的可产生波长随时间改变的光的装置、结构或设备，用于相干光波前112。如此处所使用的，术语“光”不仅包括可见光，而且还包括电磁波谱中根据本发明原理另外可使用的任何部分。在各种示范实施例中，激光源110进而是可调谐的，或者通过其他方式能产生至少两个精确确定或测量的波长的光。当产生至少两个这种波长的光时，干涉仪100基于如现有技术中一般已知并且如’330专利和美国申请No.10/270,130(“Improved Interferometer Using Integrated ImagingArray and High-Density Polarizer Array”)和10/282,110(“ImprovedInterferometer Using Integrated Imaging Array and High-Density Phase-ShiftingArray”)(在此引全文作参考)中概括描述的双波长或“双色干涉测量”信号处理和测量确定方法，提供某种类型的绝对测量。在任何情况下，激光源110发射出的相干光波前112，经由镜114重定向到单一偏振波前分裂器120中。单一偏振波前分裂器120将相干光波前112分成发送给参考镜的参考波前122和发送给物体130的物波前126，并将返回参考波前124与返回物波前128组合成组合波前129。然后组合波前129通过光输入部分135。
如图1中所示，干涉仪100的示范实施例的成像部分104除单一偏振波前分裂器120和光输入部分135以外，还包括多相移图像产生部分160。在各种示范实施例中，光输入部分135包括一个或多个光学元件，如透镜、光阑等，从而由光输入部分135传输的组合波前129与多相移图像产生部分160相适应。如图1中所示，多相移图像产生部分160包括多相移产生结构140，其从光输入部分135输入组合波前129，并将多相移干涉图像信息149输出至探测器子系统150。
探测器子系统150一般具有由一个或多个光学阵列定义的一个或多个活性表面。各光学阵列可以为二维象素阵列，并且可为视频成像传感器，如电荷耦合器件(CCD)照相机等。探测器子系统150输入多相移干涉图像信息149，并在信号和/或控制线172上将探测器子系统150采集的图像数据输出至控制系统170。在各种示范实施例中，多相移干涉图像信息149包括至少两个二维干涉图，可用于确定物体130的表面的相应部分的二维高度图。在根据本发明的各种示范实施例中，控制系统170可包括根据本发明的原理执行任何希望的控制操作、数据存储、对所采集的图像数据进行图像处理和/或分析(包括提供偏移校正和用于物体130的偏移校正的测定)等所必须的各种处理器、电路、程序和应用软件，如下面进一步描述的。在各种示范实施例中，控制系统170提供控制或者将探测器子系统150的操作与干涉仪系统100的各种其他操作同步的各种信号。在根据本发明的各种示范实施例中，控制系统170还在信号和/或控制线174上输出一个或多个控制信号，以驱动传输部分102的激光源110。应当理解，在各种示范实施例中，在需要在干涉仪系统100的各部件之间提供所需的信号和控制接口时，信号和/或控制线172和174中的每一个可包括一个或多个单独的信号连接和/或信号和控制总线等。
图2示意地表示大体上如引用的’330专利所披露的多相移图像产生部分160A的第一示范实施例，其可用于图1中所示干涉仪系统100的各个特定实施例中。多相移图像产生部分160A包括波前分裂元件210和相移干涉元件220，其可结合使用产生前面参照图1所述的多相移产生结构140的已知实施例。多相移图像产生部分160A还包括探测器阵列240，其类似提供探测器子系统150的已知实施例。
如图2中所示，透过光输入部分135的组合波前129包括来自于传输部分102的参考波前124，和通过偏振波前分裂器120由物体130返回或反射的物波前128。偏振波前分裂器120配置为使参考波前124和物波前128正交偏振，在图2中由应用于波前124和128的箭头和点符号约定表示。
组合波前129从光输入部分135引导到波前分裂元件210上。如’330专利中所披露的，波前分裂元件210是一种二维衍射光学元件(DOE)，具体而言，是一种全息光学元件(HOE)。在任何情况下，波前分裂元件210将组合波前129分裂成四个空间分离且名义上相同的子波前250、260、270和280，在各种实施例中，这些子波前可通过输出透镜(未示出)传输。具体来说，如’330专利中所述，每一个子波前250-280沿着空间分离的路径传播。每个子波前250-280从示例波前分裂元件210传输到示例相移干涉元件220，相移干涉元件220包括分别用于各子波前250-280的相应部分232、234、236和238。
特别是，如’330专利中所述，相移干涉元件220相对波前分裂元件210设置，从而多个子波前250-280分别入射在多个部分232-238其中之一上。具体来说，示范相移干涉元件220的每个部分232-238，每处偏移入射在部分232-238上的相应一个子波前250-280上的参考与物波前124与128之间的相对相位相应的离散相移Δφi。然后示例相移干涉元件220的部分232-238，使所产生的波前透过相应偏振片，以提供一种已知实施方式的前面参照图1所述的多相移干涉图像信息149。
特别是，相移干涉元件220的每个部分232-238，因此将完全相应的一个空间分离相移干涉图149a，149b，149c和149d传输给探测器阵列240。在相应一个空间分离相移干涉图149a-149d内，相应的离散相移Δφi总相同，并且与其他相移干涉图的相移不同相，相差的系数与各离散相移Δφi有关。
如’330专利中所述，探测器阵列240可以为视频成像传感器，如电荷耦合器件(CCD)照相机。如’330专利中所述，探测器阵列240相对相移干涉元件220设置，从而空间分离的多个相移干涉图149a、149b、149c和149d基本上同时入射在探测器阵列240的活性表面上。即，探测器阵列240的活性表面能成像各空间分离的相移干涉图149a、149b、149c和149d。根据所成像的空间分离的相移干涉图149a、149b、149c和149d，可在探测器阵列240的不同的各区域中即时测量每个空间分离相移干涉图149a、149b、149c和149d的空间可分辨的相位。
图3表示图2中所示且’330专利中披露的相移干涉元件220的一个示范实施例。如图3中所示，相移干涉元件220包括第一板222和第二板226。应当理解，在图3中，为了易于说明，将第一板222与第二板226表示为彼此分隔开。不过，在干涉仪系统100的操作中，第一板222与第二板226将会彼此相邻以邻接的关系设置。
如图3中所示，第一板222包括四分之一波片223和空白或中性板224。通常，四分之一波片将两个正交偏振入射波前的相对相位偏移90°。相反，空白或中性板将两个正交偏振入射波前的相对相位偏移0°。即，空白或中性板224不会在两个正交偏振入射波前之间产生任何相对相移。如图3中所示，板223和224共面，且将第一板222分成相应的两半。
该示例相移干涉元件220的第二板226包括一对用于使入射波前线偏振的偏振部分227和228，从而透射波前的电场矢量相互垂直。具体而言，在图3所示的示例实施例中，一个偏振部分如例如第一偏振部分227，用于发射出相对于纵轴成+45°的偏振光，如图3中箭头A所示。结果，使参考波前124和物波前128的同相成分干涉。
类似地，其它偏振部分如例如第二偏振部分228，使光相对于纵轴以-45°偏振，如箭头B所示。结果，参考波前124与物波前128的异相成分干涉。如同四分之一波片和空白或中性板223和224，第二板226的第一偏振部分227和第二偏振部分228通常也共面，并且将第二板226分成两半。
因此，应当理解，根据图3中所示的结构，示例相移干涉元件220的第一部分232与示例相移干涉元件220中中性板224与第一(+45°)偏振部分227重叠的部分相应。类似地，第二部分234与同第一(+45°)偏振部分227重叠的四分之一波片223相应。相反，第三部分236与同第二(-45°)偏振部分228重叠的中性板224相应，而第四部分238与同第二(-45°)偏振部分228重叠的四分之一波片223相应。
具体而言，在图3所示的示例实施例中，第一板222和第二板226设计成使第一板222的各部分223和224垂直于第二板226的第一偏振部分227和第二偏振部分228。
结果，在图3中所示的相移干涉元件220的示范实施例中，并且如图4中所示，在第一部分232中，中性板224与第一(+45°)偏振部分227同相分量干涉，即入射在相移干涉元件220上的参考波前124与物波前128之间0°分量干涉，产生干涉图149a。相反，在第二部分234中，四分之一波片223与第一(+45°)偏振部分227组合成同相正交分量干涉，即入射参考波前124与物波前128之间90°分量干涉，产生干涉图149b。与第一部分232和第二部分234对照，对于第三部分236而言，中性板224与第二(-45°)偏振部分228结合成异相分量干涉，即入射参考波前124与物波前128之间180°分量干涉，产生干涉图149c。最后，对于第四部分238而言，四分之一波片223与第二(-45°)偏振部分228结合成异相正交分量干涉，即参考波前124与物波前128之间270°分量干涉，产生干涉图149d。
如图5中所示，可将探测器阵列240视作具有不同部分242、244、246和248，其中各子波前250、260、270和280分别名义上适当地成像，成为分别具有感应的(induced)0度、90度、180度和270度相移的相移干涉图149a、149b、149c和149d。
在这些干涉图中每个干涉图可具有前面所述公式4和5形式的特征。可取具有各90度感应相移的干涉图149b与公式4相应。具有各0度感应相移的干涉图149a，即相移滞后于干涉图149b 90度，可采取与公式5相应。此外，由于多相移图像产生部分160A将单一组合波前分成四个相移干涉图149a、149b、149c和149d，并将每个干涉图成像在相同成像阵列上，可知由于各光路元件的相似性以及通过共享的探测器的类似的象素特征，到一阶近似，各信号将具有名义上相同的AC幅度，并且将包括名义上相同的共态偏移贡献。因此，多相移图像产生部分160A提供一种已知的提供干涉仪信号的方法，其包括作为共态误差的各种偏移信号分量，如前面所述。特别是，一阶近似下，具有各270度感应相移即相对于干涉图149b具有180度相移的干涉图149d，可采取对应于V1′=C1-A1Sin2πλz]]>(公式6)类似地，具有各180度感应相移即相对于干涉图149a具有180度相移的干涉图149c，可采取对应于V2′=C2-A2Cos2πλz]]>(公式7)因此，与公式3类似的下述公式，提供一种已知的消除共态偏移误差效应并且在特定波长内提供对z的插值的方法z=λ2πTan-1(V1-V1′)(V2-V2′)]]>(公式8)如上面概括指出，该已知的多相移图像产生部分160A将其他干涉仪中包括各种偏移误差在内的非共态误差的大量误差转变成当用于干涉仪系统100时的共态误差。不过，依然存在各种误差源。例如，不影响子波前250、260、270和280路径的任何旋转和/或平移同样会引起这些路径的光路长度改变。通常，这将在相关空间分离相移干涉图149a、149b、149c和149d中产生不同聚焦条件，和/或可引起各种部分空间分离相移干涉图149a、149b、149c和149d在探测器上的相对位置移动，这可引起误差。例如，对于第一部分242中的给定象素243，如图5中所示，分别处于第二-第四部分244-248中的相应象素245、247和/或249，不再严格地与物体130的同一部分相应，从而可能不再适于在公式8中适当可比较或适当可组合。此外，难以在不引入各种像差的条件下制造包括波前分裂元件210的、提供参照图2-5所述功能的多相移图像产生部分160A，和/或是代价昂贵地，其中空间分离相移干涉图149a、149b、149c和149d的可比较区域之间像差不同。而这些因素反过来将误差源引入控制系统170由信号线172上输出的图像数据产生的测量值中，其中图像数据来自于探测器阵列240。
此外，正如本领域中公知的，对于半导体成像装置如CCD阵列和基于CMOS的阵列而言，任何两个相邻象素将同样地具有近似相同的偏置或偏移特性，并且具有在输入强度与输出信号幅度之间的相同的响应曲线或转移函数。不过，如本领域中众所周知的，对于这种半导体成像装置而言，在阵列内明显分隔的象素，如象素243、245、247和249，与用于许多现代干涉仪系统的希望的插值和精度的水平有关，可具有明显不同的偏置或偏移特性和/或响应曲线。
应当理解，起因于象素水平的偏置和偏移误差的这种差异，以及在探测器240和/或控制系统170中进行的随后的有关像素的信号处理中，不能结合多相移图像产生部分160A提供的信号使用的公式8提供的共态误差去除方法来去除。不过，如前面所述，对于各种干涉仪设计而言，如下面详细描述的本发明的系统和方法可以方便地用于干涉仪的每个信号探测通道。例如，对于多相移图像产生部分160A，可使用根据本发明的系统和方法改变照明源的辐射波长，同时在探测器240的每个象素上积分光信号。因此，使用根据本发明的一种系统和方法，可确定探测器240的每个单独象素特有的偏移信号分量，并且通过每个单独象素提供的各干涉测量信号可具有确定的偏移信号分量，该偏移信号分量在随后处理中被消除或者补偿，以在使用已知多相移图像产生部分160A时提供改善的插值系统100的精度和插值的水平。应当理解，各种传统CCD或CMOS照相机探测器固有地提供适当的积分周期，其将这样的照相机的每个传统图像采集周期中通过积累的照射曝光而积累在每个象素中感应的电荷。
应当理解，上面参照图2-5中所示元件和操作描述的各种误差和困难，作为任何干涉仪系统中可能产生的同类误差和困难的例子，达到这样一种程度多相移产生结构140和多相移干涉图像信息149将空间分离波前，即空间分离的相移干涉图，分布到探测器子系统150的分离部分或表面。应当理解，与图2-5中所示的元件和操作相比，在使用附加光学元件和/或不同照相机提供不同光路以获得多个干涉图等的干涉仪系统中，这种误差和困难的大小相对加重。因此，当用于这种系统时，根据本发明的系统和方法可提供更大的相对优点。
图6表示在图1中所示干涉仪装置的各种特定实施例中可结合本发明的系统和方法使用的多相移图像产生部分160B的第二示范实施例。在多相移图像产生部分160B中，可进一步减小多相移图像产生部分160A中存在的各种非共态误差和其他误差源，并且理想情况下可以消除到一定程度，可为探测器子系统150上小区域内多个相位提供多相移干涉图像信息。这与分布各子波前250、260、270和280相对照，从而将各不同的空间分离的相移干涉图149a、149b、149c和149d分布到探测器阵列240的分离部分中，其在独立的光路上实施探测器子系统150。
以另一种方法描述，如果在调整或者消除波前分裂元件210时，可保持空间分离相移干涉图149a、149b、149c和149d的组合产生的多相移干涉图像信息，使得对于多相移干涉图像信息中包含的至少某些相位，在探测器子系统150的象限Q0-Q3和表面上，至少一些光路不再分离，那么在控制系统170根据探测器子系统150在信号线172上输出的图像产生的测量中，某些附加的非共态误差源可以消除和/或转换成共态误差。
图6为表示多相移图像产生部分160B第二示范实施例的分解图。在所引用的’130和’110申请中详细披露和描述了图6中所示各元件的制造、组装和操作。从而，下面仅描述多相移图像产生部分160B制造和操作的某些方面，以说明结合下面参照图7-14进一步描述的本发明的系统和方法可使用的某些特征和优点。应当理解，多相移图像产生部分160B的第二示范实施例可用于取代图2-5中所示多相移图像产生部分160A，而且更一般地作为参照图1所述的多相移图像产生部分160。
如图6A中所示，多相移图像产生部分160B包括多相移产生结构140B和探测器子系统150B。在各种示范实施例中，使用任何已知适合的或最新开发类型的单阵列探测器710实现探测器子系统150B。如图6中所示，在各种特定实施例中，多相移产生结构140B包含所引用的’110申请中所披露且在下面进一步描述的特殊高密度相移阵列元件490和偏振元件530，其中在各特定实施例中偏振元件530为所引用的’110和’130申请中描述且在下面进一步描述的高密度偏振器阵列，并且在结合根据本发明的系统和方法可使用的各种其他特定实施例中，为提供单一偏振方向的均匀偏振元件。
如图6A中所示，前面参照图1和2所述的组合波前129，透过光输入部分135’。所透过的组合波前129包括前面所述的参考波前124和物波前128。透过的组合波前129作为充满高密度相移阵列元件490的单一波前传播，其提供其间具有四分之一波延迟差的两个交错延迟片的组合功能，如所引用的’110申请和下面进一步详细描述的。因此，在各种示范实施例中，从高密度相移阵列元件490传播的透过组合波前129，包括至少两个相移部分的交错图案，这两个相移部分具有相对相移分隔90度的不同的相对相移。
穿过高密度相移阵列元件490、包括相差90度相对相移交错图案的透过组合波前129，传播到偏振元件530上，偏振元件530一般来说用于使从高密度相移阵列元件490穿过的透过组合波前129的各个部分中正交偏振分量124和128的各同相和/或异相分量透过并干涉，如所引用的’110和’130申请中及下面进一步详细描述的。
结果，在射出偏振元件530的多相移干涉图像信息640中产生干涉部分的二维交错图案。这种干涉部分的二维交错图案作为基本上扩展到探测器装置710整个表面区域上的单一图像被接收，其中探测器装置710用于实现探测器子系统150B。应当理解，在各种示范实施例中，干涉部分的二维交错图案可包括多相移干涉图像信息640中的第一、第二、第三和第四相对相位干涉部分，该第一至第四相对相位干涉部分功能上对应图4中所示Q0-Q3象限232-238的高密度即逐个象素交错，并且作为单一图像传输到用于实现探测器子系统150B的探测器装置710的表面上。
在图6所示多相移图像产生部分160B的第一示范实施例中，参考波前124与物波前128沿图6A中所示的正交方向132A和133A偏振。在第一示范实施例中，偏振元件530包括包含图6C中所示图案531A的高密度偏振片阵列，其包括条形的第一偏振部分532A和条形第二偏振部分534A，具有如图案531A的详细视图中各“栅格线”所示的相应偏振方向。
在该示范实施例中，当偏振元件530包括具有图案531A的高密度偏振器阵列时，高密度相移阵列元件490包括图案491A。如图6B中详细视图中所示，图案491A包括交替设置的条形0度相移部分P0和条形90度相移部分P90。在各种示范实施例中，按照所引用的’110申请中所述的任何方法，通过形成适当厚度的双折射材料层或双折射基底而制造高密度相移阵列元件490的条形0度相移部分P0和条形90度相移部分P90。不过，应当理解，在该特定示范实施例中，双折射材料层或双折射基底的快轴(fast axis)方向总是一律垂直的，如所引用的’110申请的图15中所示的实施方式。
在该示范实施例中，应当理解第一偏振部分532A使射出高密度相移阵列元件490的透射组合波前129中正交偏振分量124和128的同相分量透过和干涉。类似地，第二偏振部分534A用于使射出高密度相移阵列元件490的透射组合波前129中正交偏振分量124和128的异相分量透过和干涉。与该示范实施例对应的多相移干涉图像信息640的结构设计成不同相移“单元”的“棋盘状”结构，或者功能与图4中所示Q0-Q3象限232-238的高密度交错相应的部分，对应于下列矩阵的结构Q3Q1Q3Q1Q2Q0Q2Q0Q3Q1Q3Q1Q2Q0Q2Q0在相移部分P90与-45度偏振的第二偏振部分534A重叠的位置产生各Q3单元或部分。在相移部分P90与+45度偏振的第一偏振部分532A重叠的位置产生各Q1单元或部分。在相移部分P0与-45度偏振的第二偏振部分534A重叠的位置产生各Q2单元或部分。在相移部分P0与+45度偏振的第一偏振部分532A重叠的位置产生各Q4单元或部分。在各种示范实施例中，各单元或部分与用于实现探测器子系统150B的探测器装置710的单一像素相对应。
在该示范实施例中，可对多相移干涉图像信息640的各部分进行信号处理，如参照所引用的’110申请的图20所述，其大致对应公式8的实现，不过使用更可能具有更多类似共态误差的相邻像素，用于相对如多相移图像产生部分160A中提供的使用宽分隔像素的干涉仪系统提高精度。
不过，与参照多相移图像产生部分160A的上述描述类似，应当理解，在像素水平上产生的偏置和偏移误差中依然存在残留差异，在探测器710和/或控制系统170中随后有关像素的信号处理中，不能通过多相移图像产生部分160B提供的共态误差去除方法去除这些差异。不过，如前面所述，如下面详细描述的本发明系统和方法，对于各种干涉仪设计而言，可通过干涉仪的各信号探测通道方便地实现。例如，对于多相移图像产生部分160B，可使用根据本发明的系统和方法改变来自于照明源的辐射波长，同时在探测器710的各像素上积分光信号。因此，使用根据本发明的一种系统和方法，可确定探测器240各单独像素特有的偏移信号分量，并且通过各单独像素提供的各种干涉测量信号，可以在随后的处理中消除或者补偿所确定的偏置信号分量，以便在使用多相移图像产生部分160B时为内插系统100提供提高水平的内插值和精度。
或者，在各种示范实施例中，仅仅使用根据本发明的系统和方法提供误差减小和/或信号处理的另一种方法，其在某些应用中可提供各种优点，或者具有一定经济的干涉仪系统部件。
在多相移图像产生部分160B的第二示范实施例中，根据本发明的系统和方法允许将多相移产生结构140B的至少一个部件简化。在引用的’110和’130申请中没有具体披露该第二示范实施例。不过，基于其中的各种教导，下面所述各部件的制造、组装和操作将会清楚。
在多相移图像产生部分160B的第二示范实施例中，参考波前124与物波前128沿图6中所示的正交方向132B和133B偏振。在该第二示范实施例中，偏振元件530是提供单一偏振方向的均匀偏振元件，如图案531B详细视图中各“栅格线”532B所示。在各种示范实施例中，使用由空间分离的平行导电元件阵列构成的线栅偏振元件实现均匀偏振元件530。在此将其相关教导引作参考的美国专利No.6,108,131；6,122,103和6,243,199，披露了形成这种线栅偏振元件的系统和方法。
在该示范实施例中，当偏振元件530包括531B所示的偏振方向时，高密度相移阵列元件490包括图案491B。如图6D的详细视图中所示，图案491B包括0度相移部分P0与90度相移部分P90的棋盘状图案。在各种示范实施例中，根据所引用的’110申请中所述的任何方法，通过形成适当厚度的双折射材料层或双折射基底来制造高密度相移阵列元件490的0度相移部分P0和90度相移部分P90的棋盘状图案。在该特定示范实施例中，如在所引用的’110申请的图6和15所示的示范实施例中，双折射材料层或双折射基底的快轴方向总是一致垂直的。
在该示范实施例中，应当理解，偏振元件530用于使射出高密度相移阵列元件490的透射组合波前129中正交偏振分量124和128的同相分量透过和干涉。与该示范实施例相应的多相移干涉图像信息640的结构设计成不同相移“单元”的“棋盘状”结构，或者功能与图4中所示的仅仅Q0和Q1象限232和234的高密度交错相应的部分，对应于下列矩阵的结构Q0Q1Q0Q1Q1Q0Q1Q0Q0Q1Q0Q1Q1Q0Q1Q0在相移部分P0产生的各Q0单元或部分与水平偏振元件530重叠。在相移部分P90与水平偏振元件530重叠的位置产生各Q1单元或部分。在各种示范实施例中，各单元或部分与用于实现探测器子系统150B的探测器装置710的单一像素相对应。
与前面所述的多相移图像产生部分160A的实施例和多相移图像产生部分160B的第一示范实施例不同，多相移产生部分160B的此第二示范实施例在结构上更加简单，不过其分别提供仅与0和90度两个不同相移相应的交错相移图像部分。因此，与这些部分相比，没有提供180度相对相移的部分，并且不能应用前面有关公式6-8中描述的用于消除共态偏移误差的方法。不过，应当理解，根据本发明的系统和方法，如下面参照图7-14进一步详细描述的，依然可用于消除干涉仪系统100的双相实施例中的偏移误差，例如当使用多相移图像产生部分160B的该实施例提供干涉仪系统100的双相实施例时，在干涉仪系统100中无需提供附加光路或者附加的光路长度改变元件。
更具体而言，应当理解，根据本发明的系统和方法可与干涉仪系统包括但不限于所引用的’110和’130申请中任何实施例的各种双相、三相、四相组合，以提供上面概括指出的各种优点。因此，可结合根据本发明的系统和方法使用的上述干涉仪系统实施例，包括这种系统的特定多相移产生结构，仅是示例性的，并非限制性的。
现在转向消除和/或补偿干涉仪系统中各种偏移误差的问题，其是根据本发明的系统和方法的主要目的，如前面概括描述的，各种现有技术解决方法的主要缺点在于需要移动部件，和/或用于特别提供附加光信号路径的增加的系统复杂度和成本，和/或调节光信号路径长度，其可用于提供消除和/或补偿至少某些偏移误差分量所必须的附加信号。例如，前面参照图2-6C描述的4-相干涉仪系统，采用功能大致与公式8等效的信号处理，需要特殊、精密且复杂的元件，如衍射光学元件或高密度偏振器阵列等。此外，这种系统基本需要四个不同的相移干涉图共享单一探测器的区域，与仅两个不同相移干涉图共享单一探测器区域的系统相比，可为检测物体130提供的有效测量空间分辨率或测量密度减小。
已知有采用功能上大致与公式8等效的信号处理，并且使用两个照相机提供四个不同相移干涉图或者等效图像信息的其他系统，还有为此采用三个或四个照相机的其他系统。这种系统避免了上述一些缺点，不过复合了其他缺点。在所引用的’110和’130申请中披露了几种双照相机结构。在此全文引作参考的R.Smythe和R.Moore的文章“Instantaneous Phase MeasuringInterferometry”(Optical Engineering，July/August，1984，Vo1.23，No.4，pages361-364)中，描述了包含根据本发明原理可使用的另一例多相移结构的4照相机结构。
在用于消除或补偿偏移信号分量的另一种已知方法中，可调谐激光源干涉仪以N个离散的频率或波长步长步进，并且干涉仪系统采集并存储每个相关的干涉测量信号。在各种实施例中，N个离散频率或波长步长得到精确控制并且已知，增加了系统复杂度，降低了所需信号采集的执行速度。在各种其他实施例中，不精确控制频率或波长步长，其相对提高所需信号采集的执行速度，不过其缺点是将附加的复杂性引入用于确定偏移信号分量的后续信号处理中。在各种示范实施例中，使用各种已知算法来分析所获得的信号，以确定偏移信号分量，包括Heydeman算法、傅里叶分析等。
应当理解，实际上所有上述技术的另一个缺点是，它们都妥协于不可避免的外部振动，随获得偏移信号补偿所必须的信号测量花费的经过时间，改变各种现有技术系统和方法的各种光路长度。因此，振动以一种不受控制的方式改变各种信号和信号关系，并在相关的偏移信号补偿中引起相应误差。
与上述已知系统和方法不同，本发明利用一种独特的实施方法，通过改变源波长λ来测量信号偏移，从而使其可通过干涉仪系统标准探测器信号通道获得消除和/或补偿各种偏移误差所必须的信号，无需在干涉仪系统的标准光路中增加部件或者外加光路长度调节。本发明特别的优点还在于，因为其连续扫描源波长λ，从而可在非常短的时间内提供消除和/或补偿各种偏移误差所需的信号。应当理解，在非常短的时间内产生所需信号，相对来说减小了该方法对上述不可避免振动的敏感性。此外，由于光通信业的发展，适于改变源波长λ的可调波长光源可以降低的成本、逐渐增加的精度和速度逐渐可获得。
在下面的描述中将量(z/λ)称作光相位是方便的。如前面概括指出，本发明通过在由探测器通道的探测器采集或积分信号的期间改变来自干涉仪照明源的辐射波长，提供表示干涉仪中该探测器通道信号的偏移分量的信号。下面概括描述波长改变的目的。例如，公式4和5说明干涉仪的各种探测器通道中信号一般如何依赖于偏移C、OPDz和源波长λ。由于本发明的目的在于确定与任何探测器通道有关的偏移分量，为进行这种讨论我们必须假设偏移分量C是未知的。应当理解，当不同探测器通道与不规则检测物体的不同部分对应时，物体的不同部分通常具有不同的OPDz，并且OPDz常常是未知的，要对检测物体的每个部分确定OPDz。因此，对于检测物体的每个部分和每个探测器通道，光相位(z/λ)也是未知的。因此，例如，即使A1和λ是已知的，也不能求解公式4得到偏移C1。
不过，应当理解对于OPDz和波长λ的典型值，且当OPDz固定不变时，公式4中的量A1Sin2π(z/λ)对于波长λ值的小的改变是一种快变周期性函数。此外，当在多个周期上对该周期性函数进行积分并且求平均时，即使不是整数个周期，所产生的平均也将趋于近似收敛于0，而与A1值无关，与z值无关，并且与波长λ的精确的标称值或范围无关。因此，就干涉仪的操作而言，如果适当改变波长λ，则输入探测器的光的光相位也将适当改变，并且当将所产生的探测器响应积分，并在积分时间上将所得求平均时，公式4或5中的相应分量等将近似为0，保留的积分和时间平均信号将是我们希望确定的偏移分量、偏移C1(或C2)等。
在根据本发明的各种示范实施例中，可通过在大范围内连续、单调地改变波长而方便、经济且接近理想地满足这些条件。不过，应当理解，本发明不限于此。具体而言，在积分周期内可通过各种不同方法改变波长，包括没有为探测器输入产生不中断且“单向”光相位改变，并且依然可获得可比或可用结果。下面进一步概括指出各种替代方式。不过，应当理解，在这样的情形中，通常不希望以一种使积分信号偏移的方式停留于比一个波长更长的另一波长处。此外，通常希望提供使量Sin2π(z/λ)在可得值的全部范围内改变的波长，以进一步避免将偏移引入积分信号中。在各种示范实施例中，可至少大致或者充分地满足这种通常的期望条件，无需提供精确控制的光路长度改变或者精确控制的波长改变的昂贵的元件和机制，其用于在各种传统系统和方法中将光相位改变精确已知或者可控制的量。在根据本发明的各种示范实施例中，本发明的一个目的在于避免使用这种昂贵和/或慢元件和机制。在根据本发明的各种其他示范实施例中，这些元件预先存在于干涉仪中，本发明的一个目的是补充使用这些元件带来本发明的附加优点，或者提供一种更快的替代方法来确定这种干涉仪中的偏移。
还应当理解，虽然上述描述和下面的进一步说明，一般将我们希望确定的对于探测器通道的偏移分量说成是时间平均积分信号，或者等效概念，但在各种应用中，通过使根据本发明的偏移校正确定操作的总有效积分周期与将要使用所确定的偏移校正量偏移校正或补偿的各种干涉测量的总有效积分周期相同，可避免时间平均操作。根据这一过程，在每个情况下总积分偏移分量都将相同。因此，例如，可以直接从总积分干涉测量值中减去从偏移校正确定操作得到的总积分探测器信号值，以提供所需的偏移校正的干涉测量信号。
通常，对干涉仪每个信号探测器如用作干涉图探测器的照相机各像素的偏移值将会不同，从而应该在逐个探测器或逐个像素的基础上确定和去除偏移信号。对于各种干涉仪设计而言，通过干涉仪的各信号探测通道可方便地实施本发明。例如，根据本发明的系统和方法可以改变照射源的辐射波长，同时在干涉仪系统所使用的照相机的每个像素上积分光信号。这使得本发明在与如所引用参考文献中披露的各种多路径多照相机干涉仪系统结合使用时特别有价值。应当理解，与这种多路径多照相机系统有关的偏移误差的各个分量并不是共态误差，从而不能通过大多数上述现有技术方法来消除。相反，本发明对于这种多路径多照相机干涉仪系统是完全有效的。
现在参照图7-14更详细地描述本发明。
图7为表示干涉仪系统100A的方框图，是图1中所示一般干涉仪系统100的另一示范实施例，根据本发明其显然包括偏移确定电路、程序或应用软件171以及可调谐激光器110A。图7还表示出激光器驱动和控制电路、程序或应用软件173，如下面进一步描述的，其在干涉仪系统100A的各种示范实施例中是可选择或省略的元件。在各种实施例中，激光器驱动和控制电路、程序或应用软件173，分别通过信号和/或控制线174和175与控制系统170A和可调谐激光器110A相互连接。在各种其他示范实施例中，激光器驱动和控制电路、程序或应用软件173包含在控制系统170A和可调谐激光器110A中并且不可区分。另外，干涉仪系统100A的其他元件可以包括前面参照干涉仪系统100所述的其他实施例，以及本领域普通技术人员通常已知或者显然得出的各种其他替代实施例中的任何元件。下面参照图12进一步描述可调谐激光器110A及激光器驱动和控制电路、程序或应用软件173。
在图7所示的示范实施例中，偏移确定电路、程序或应用软件171作为控制系统170A的一部分实施。不过，应该理解，在各种其他示范实施例中，偏移确定电路、程序或应用软件171可以作为分离电路、程序或应用软件实施，其与控制系统170A和/或干涉仪系统100A的其他部件在一个或多个信号和/或控制线172和174或者类似的分离信号和/或控制线上接口。在各种示范实施例中，可操作偏移确定电路、程序或应用软件171实现参照图8-14所述的根据本发明的系统和方法的操作。
图8为根据本发明改变辐射波长并积分探测器上的相应信号的第一示例方法的时序图。具体来说，图8表示可用于从任何干涉仪探测器信号通道获取信号的操作顺序，该信号可用于确定该探测器信号通道的偏移信号分量。可根据控制系统170、和/或偏移确定电路、程序或应用软件171提供或者对其可得到的时钟信号和/或其他信号确定操作时序。如图8中所示，在时刻t0时开始操作序列。假设干涉仪系统的可调谐激光源110A最初为接近于其操作范围中间某处的额定操作波长，在时刻t1，偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，这使可调谐激光源110A开始将波长调节到稍微小于所期望的λstart。
在时刻t2，偏移确定电路、程序或应用软件171将探测器触发信号发送给探测器子系统150，开始探测器子系统150的信号采集时序。例如，在各种示范实施例中，探测器子系统150包括相对传统的CCD或CMOS照相机系统或芯片，并且探测器触发信号触发照相机异步复位。根据照相机的内在性能开始图像积分。在任何情况下，在后一时刻t4，探测器子系统150开始探测器信号积分周期。在各种示范实施例中，当探测器子系统150包括相对传统的CCD或CMOS照相机系统或芯片时，积分周期包括照相机的可编程固有积分周期。在另一个示范实施例中，积分周期可对应另一种电子或物理快门的控制，其可有效地确定探测器接收和积分光信号的周期。
在时刻t3，偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A开始扫描波长。根据上面的讨论应当理解，即使OPDz恒定，也将产生探测器积分的信号改变，开始于与时刻t4相应的波长λstart，连续进行直到在时刻t5时与探测器积分周期结束相应的波长λend。下面参照图9更详细地讨论有关的信号改变和积分信号。应当理解，在根据本发明的各种示范实施例中，不必采取任何特殊措施来得到或控制波长λstart和λend。相反，这些波长可以随测量不同，并且这些波长标记仅仅为各波长的方便的描述符号，可根据干涉仪系统100A各部件的固有特性，与积分周期的开始和结束相对应。
通常，在根据本发明的各种示范实施例中，由于下面更显而易见的原因，希望可调谐激光源110A在探测器积分结束时间t5后的时刻t6完成波长扫描操作。在时刻t6，偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A复位成探测仪系统100A常规干涉测量模式的希望操作波长。
应当理解，当使可调谐激光器110A回转到所期望调节范围下限时所需的时间量远大于信号积分准备时初始化或复位探测器子系统150所需的时间时，图8中所示的实施例是适当的。在这种情形中，为了在积分周期开始之前使激光器从所需调节范围的下限开始扫描，时刻t1的操作必须领先于时刻t2的操作。不过，应当理解，如果激光器能比探测器初始化或复位操作更快地回转到所需调节范围的下端，则这并非是必不可少的。具体而言，在根据本发明的各种示范实施例中，由于下面将会明显的原因，可调谐激光源110A在早于探测器积分开始时间t4的时刻t3完成重新调节到稍微小于所需λstart的波长的操作是足够的。
应当理解，在各种示范实施例中，与前面所述相比可反转扫描方向。即，通常，λstart可以为比λend更长的波长或更短的波长。在各种示范实施例中，在积分期间，波长改变正比于调节信号改变，并且如调节信号801所示随时间线性变化。在根据本发明的各种其他示范实施例中，如果在积分周期上波长改变率dλ/dt稍微改变就足够了，但通常对于多数积分周期而言，在与输入探测器的光信号的数个周期可比的时间周期上改变不大。
在根据本发明的各种示范实施例中，探测器子系统中包含照相机，照相机的各种像素提供根据本发明原理可用的探测器。在这种照相机的一个实施例中，照相机为可从位于加拿大British Columbia，Vancouver的West Broadway305-1847的Point Gray Research可得的“Dragonfly”照相机。在各种操作模式中，Dragonfly照相机支持从1/30秒到1/8000秒的积分周期。从而，在根据本发明的各种示范实施例中，合理的是积分周期短于67毫秒、34毫秒、10毫秒、1毫秒、200微秒、100微秒、20微秒和5微秒其中至少一个。应当理解，在根据本发明确定积分周期期间所积分信号的时间平均的各种示范实施例中，希望了解有效信号积分周期的持续时间，并且其精度在下面详细描述的所希望残留误差值ε的量级。对于较长积分周期而言这通常易于获得，不过对于使用数百微秒或更短量级的积分时间的高精度应用来说，要求特别小心。在这种情形中，可使用采用相对更高速度周期测量时钟等的已知高精度时间测量技术来提供所需精度。
图9包括表示输入探测器中的光信号VIN1的特性曲线，和偏移测量中百分比误差的曲线。图9中所示偏移测量中百分比误差曲线，代表探测器积分信号的时间平均的一般特性，这是由于连续改变干涉仪激光源的频率或波长而波长周期在探测器上积累时积分信号VIN1而产生的。可根据公式4确定探测器处出现的光信号VIN1。当OPDz恒定时，与额定波长相比波长扫描范围相对较�。⑶也ǔに媸奔湎咝陨瑁绲鹘谛藕�801所示，光信号VIN1将是幅度近似恒定的周期性信号，如图9中所示。
积分探测器输出的时间平均可以写作公式9VIN1‾=1T∫0TVIN1(t)dt]]>(公式9)其中T为积分周期的持续时间。应当注意当λ正比于t时，也可以对λ进行积分。
由于VIN1为周期性函数，得出VIN1＝C1+ε(公式10)其中C1为探测器通道待确定的偏移信号分量，ε为取决于积分周期开始和结束时的光相位VIN1的周期残留误差值，其反过来根据公式4，由λstart和λend决定。由于VIN1是周期性函数，残留误差值ε一般会随积累的波长周期周期性改变。
希望使ε最�。蛭庋拖拗屏烁荼痉⒚髟砣范ㄆ菩藕欧至渴钡牟蝗范ㄐ�。在各种示范实施例中，这可通过使积分时间周期内产生的信号VIN1的周期数最大来实现。周期数N由公式11给出N=|λstart-λend|λstartλendz]]>(公式11)显然，可通过增大波长范围｜λstart-λend｜和/或z、两干涉仪臂之间的OPD来增大N。实际问题是，z的最大值常会受干涉仪和检测物体130的结构限制。在一种设计极限条件下，z会具有受激光源相干长度限制的上限。对于现有的干涉仪设计而言，增大波长范围通常是明显增大N的一种最为实际的方法。
如前面所述，图9中所示偏移测量的百分比误差曲线，代表在由于连续改变干涉仪的频率或波长而波长周期在探测器上积累时所积分的探测器输出的时间平均的一般特性。图9中沿水平轴的任意点处的偏移测量的百分比误差值，对应残留误差值ε的幅度。如图9中所示，随着信号VIN1积分周期数增大，残留误差值ε减小。换言之，随着信号VIN1的积分周期数增大，积分信号的时间平均收敛于信号VIN1的DC水平，其与待确定的偏移信号分量相应的DC水平相同。对于图9中所示的光信号VIN1的例子，在探测器积分大约60个波长周期后，残留误差值ε减小到远小于待确定偏移信号分量的百分之一。
在一个示范实施例中，为了进一步说明本发明的操作，干涉仪系统100A可以为绝对或双波长干涉仪系统，其通常产生50mm的额定OPD，并且工作于780nm附近的两个紧密间隔的波长。在如上面参照图8概括描述的偏移确定操作模式中，某些近似示例值为λstart＝780nm和λend＝780.5nm。因此，对于这样一种波长改变，在积分周期内积累大约41个周期。从50mm/780nm＝64,102.6周期和50mm/780.5nm＝64,061.5周期来计算周期数，从而差值大约为N＝41周期。
当相应光信号VIN1具有图9中所示的AC与DC分量幅度的近似比值时，最大残留误差值ε为大约0.7％。我们提到最大残留误差值，是因为如前面所述、下面参照图10进一步描述，通常VIN1的光相位是未知的且“不受控制的”。此外，即使由同一光源照射检测物体的所有部分，当两个不同部分的OPDz值明显不同时，相应的不同探测器处出现的波长周期数将不同。因此，由于检测物体的外形，即使使用同时照射和同时的积分周期，两个“不全等的”探测器通道通常也将积分稍微不同数量的波长周期。从而，通常，对于任何特定探测器的任何特定信号积分的结果，即使有也很少与整数个波长周期相应。在根据本发明的各种实施例中积分的波长周期数，一般是非整数个波长周期，并且可以等效地与周期性残留误差曲线上的任何ε值相应，例如，在N＝41附近的峰或谷。
应该理解，上述示范实施例的意图仅是说明性而非限定性的。例如，具体而言，在各种实施例中，可使用任何可操作辐射波长；干涉仪系统可以为单波长“递增”型干涉仪；可在很宽波长范围上提供波长改变，其可在各种示范实施例中增加每单位时间的波长周期数；积分周期数可以大于大约40，或者小于40，并且在各种实施例中依然可以获得显著的偏移校正优点--例如在各种比较低精度的实施例中积分周期数可以是20周期或者10周期量级。对本领域普通技术人员这些和其他改变是显然的。
此外，尽管上述实施例概括描述了使用恒定速率或大致恒定速率的连续波长改变，其在根据本发明的各种示范实施例中提供了方便性和有效性，不过，本发明不限于此。在其他实施例中，在积分周期期间可以一次或多次地中断和恢复对探测器的可变波长照射，例如在单调波长增加或减小期间通过中断照明的方式。或者，可以通过重复性波长改变图案和/或范围的方式，或者通过波长增大跟随波长减小的方式，来改变波长，反之亦然。因此，更具体而言，在各种示范实施例中，在积分周期期间可使用波长改变的各种图案或序列，条件是这种改变图案或序列与干涉仪系统的各种定时和控制能力兼容，并且至少大致满足前面概括描述的通常所需条件。不过，应当理解，与简单的单调波长改变相比，这种波长改变图案或序列可能方便性减�。冉档�。
实际上，参照图8和9所述的上述方法可以用于各种干涉仪系统的任何探测器通道。在各种实施例中，如在探测器积分周期，和足以将残留误差值ε减小到所需水平的期望波长周期数上确定的积分信号VIN1的时间平均值，与同用于补偿目的时希望的偏移信号分量相应的DC水平相等。根据公式4，例如，此确定的偏移信号分量为值C1。因此，针对探测器通道的该偏移信号分量可乘以该探测器通道用于干涉测量信号的积分时间，然后被从该信号中减去。这种减法仅留下与公式1和2所示相当的相对理想的希望干涉测量信号分量。因此，包括特定波长内的高水平插值的干涉测量值，可根据公式3由这样的信号确定。
尽管上述结果对于许多应用来说足够了，不过常常希望更高程度地消除偏移信号分量，优选优于0.1％，而不必增大N。这对于使用数个波长在远大于使用单一波长范围时的范围上测量距离的绝对干涉仪尤为重要。下面参照图10描述本发明另一示范实施例，该示范实施例包括进一步提高偏移确定精度的方法。
图10的特性曲线表示各信号1001和1002，信号1001和1002分别表示对于输入信号VIN1和VIN2的积分探测器响应的时间平均；以及作为这两个时间平均积分信号平均值的信号1003，这是由于连续改变干涉仪激光源的频率或波长而波长周期在探测器上积累时的特性。在图10所示的例子中，输入光信号VIN1和VIN2(未示出)为干涉仪的典型正交输入信号，其来自于检测物体的相同部分，并用于信号插值以高分辨率地确定距检测物体该部分的距离，如前面所述。因此，可根据公式5确定其相应探测器处出现的光信号VIN2。否则，光信号VIN2及其相应的时间平均积分的探测器信号的特性，或偏移信号值，与前面参照信号VIN1和图9所述类似。应当理解，根据该特定实施例，这两个信号在具有相同开始和结束时间的相同积分周期上积分。在由相同照相机的各像素探测和积分各单独信号的各种示范实施例中，通常由照相机为两个象素提供这一积分周期。
应当理解，与图9中所示相比，放大了图10中的垂直刻度，以突出图10中沿水平轴显示的积分45至55个波长周期后偏移信号值估计的残留误差值ε上出现的小的变化。
在图10所示的示例中，信号VIN1的偏移估计值，即曲线1001，其与VIN1的积分信号值的时间平均相同，是针对具有2.5个单位额定偏移分量和1单位AC幅度的信号的。类似地，信号VIN2的偏移估计值，即曲线1002，其与VIN2积分信号值的时间平均相同，是针对具有2.5个单位的额定偏移分量和1个单位的AC幅度的信号。这是一个合理的示例，因为通常对于各种干涉仪系统，我们希望正交光输入信号VIN1和VIN2的偏移和幅度值近似相等。
应当理解，在图10中曲线1001与1002彼此有位移，因为每个信号VIN1和VIN2由于其正交关系而在积分周期内的任何时间具有不同的相应光相位。此外，应当理解两个正交信号还具有共享的光相移分量，在偏移测量之间该光相移分量通常会不同，取决于OPDz、额定或初始波长等。由于与正交信号有关的探测器通常是全等的，即它们都接收来自于物体同一部分的光信号，从而共享该共享光相移。通常，该共享光相移分量会使每个相应的积分信号曲线产生各种相关的“不受控制”的位移，这在偏移测量之间将相应不同。
应当理解，通常如前面所述，任一条曲线的位移一般都是未知的，从而不可能知道哪一条曲线对于任何特定偏移确定测量可能是“最差的”。不过，与位移无关，发现这种有关光相位的效应沿垂直轴相对其相应输入信号的额定DC偏移值移动曲线1001和1002，但不多于其峰到峰值的正或负一半(曲线1001表示这种最大位移)。
在任何情况下，可对两个信号进行偏移确定测量，并且将这些偏移测量平均。曲线1003表示曲线1001与1002的平均值。如图10所示的例中描述的，“平均”曲线1003总能提供信号VIN1与VIN2的偏移估计值，该偏移估计值与单独时间平均积分的信号曲线1001和1002中较差的一个相比，具有比较小的最差情形(峰值)残留误差值ε。因此，该平均曲线1003通常是一种更佳的偏移估计。
此外，已知如前面所述对时间平均积分信号可能位移的限制，并且已知正交光输入信号VIN1与VIN2之间的相位关系，那么正如前面对于单独时间平均积分信号那样，我们可以对平均确定最为糟糕的(峰值)残留误差值ε。对于N＝41，我们发现最糟糕情况下平均而言(峰值)残留误差值ε为～0.2％，其实质上小于与单独偏移估计相应的最差情况下(峰值)残留误差值ε。
应当理解，上述求平均技术也可应用于与正交信号VIN1和VIN2类似的相关的相对相移信号，不过相对相移不是90度，这种求平均技术依然会提供某些上述优点。例如，求平均技术也可以用于各种三相或更高相干涉仪系统等的可比的相关相对相移信号。
图11的时序图表示根据本发明改变辐射波长并积分探测器上的相应信号的第二示例方法。如前面所述，通常在极短时间内提供消除和/或补偿各种偏移误差所需的信号是有利的。这不仅使偏移确定更快速，增大干涉仪的潜在测量或采样频率，而且还降低偏移确定方法对上述不可避免的振动的灵敏性。图11表示根据本发明原理，通过在短于探测器全部积分周期的时间内控制激光辐射，来控制和限制光信号积分有效时间的方法。应当理解，在许多环境下这种方法是有用的，至少包括a)缩短有效光信号积分周期至低于探测器的固有积分周期，例如以便减小测量之间振动引起的改变，和b)有效地高精度地与多照相机或探测器的有效光信号积分周期同步，特别是当这种照相机或探测器的固有信号积分周期不能通过其他方式方便地同步到所需程度时。
与图8相似，图11表示可用于从任何干涉仪探测器信号通道采集信号的操作时序，该信号可用于确定该探测器信号通道的偏移信号分量。有关图11的各操作与前面参照图8所述的操作相似或相同，并且这些操作对本领域普通技术人员是显然的。从而，下面不详细描述这些操作。
与图11中所述时序有关的操作的主要差别在于，脉冲信号与可调谐激光器110的实际照射周期相应。即，当脉冲信号低时，激光器有效地“断开”，当其高时，激光器有效地“打开”。在这种激光器照射控制的第一实施例中，本领域中已知可控制激光二极管等的正向电流，使其恰好低于足以产生激光发射的阈值。在此状态下，激光器“断开”，不过当正向电流增大时，可在毫微秒量级的非常短的响应时间打开。脉冲信号对应用于可调谐激光器的这种控制模式。在这种激光照射控制的第二实施例中，激光器在“断开”期间具有输出，不过当脉冲信号低时，激光输出被提供所需的快速或超快速响应时间的快门阻挡。相反，当脉冲信号高时，快门打开，而激光器有效地打开。
另一差别是关于调节信号的重要性。各种可调谐激光器取决于照射反馈来精确控制调节波长。因此，在激光照射控制的第一实施例中当激光器输出实际为“断开”时，调节信号表示发送给可调谐激光器调节机制的开环控制信号。开环控制信号将该调节机制等调节到工作状态等，当激光器打开时将提供波长为与开环信号相应的近似目标波长。在各种示范实施例中，可调谐激光器闭环调节控制的响应时间可以为，当激光器打开时，在初始闭环调节周期期间激光器波长将成为“环形(ring)”，这是不能接受的。通过图11中所示的操作时序，这种可调谐激光器可以工作于前面所述的开环调节模式，以避免这些问题发生。应当理解，由于根据本发明的系统和方法不需要对激光器波长进行任何特殊控制或测量，在根据本发明各种示范实施例中这种开环控制对于确定偏移而言将足够精确。在包括上述激光照射控制的第二实施例的实施例中，脉冲信号控制快门的操作。在下面的描述中，仅描述与激光照射控制的第一实施例相应的实施例。那么与激光照射控制的第二实施例相应的实施例的所需差别和操作对本领域普通技术人员是显然的，具有下述优点。
操作时序开始于时刻t0。在时刻t1，偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A的调节机制开始调节，对应稍小于所需λstart的波长。在时刻t2，偏移确定电路、程序或应用软件171将探测器触发信号发送给探测器子系统150，开始探测器子系统150的信号采集时序。例如，在各种示范实施例中，探测器子系统150包括相对传统的CCD或CMOS照相机系统或芯片，并且探测器触发信号触发照相机的异步复位。在随后的时刻t4，探测器子系统150开始探测器信号积分周期。在时刻t3，偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A的调节机制开始与扫描波长相应的调节。
在晚于时刻t4的时刻tL1，偏移确定电路、程序或应用软件171将脉冲信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A开始激光发射。与调节信号结合，这会产生探测器在与时刻tL1相应的波长λstart时开始，持续直至与时刻tL2相应的波长λend时为止积分的信号的改变，当输入可调谐激光源110A的脉冲信号终止时，使可调谐激光源110A在时刻t5探测器积分周期结束之前停止激光发射。在时刻t6，偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A复位到干涉仪系统100A的额定干涉测量模式所需的操作波长。
根据上面的描述，在本实施例中，是输入可调谐激光器110A的脉冲信号而非探测器积分周期本身，确定探测器所积分的信号的定时和持续时间，以便根据本发明原理确定偏移信号。应当理解，根据该实施例，探测器所积分的信号的持续时间可以远小于照相机或探测器的固有积分周期，并且可以精确定时，而不管照相机或探测器或相关电子电路的操作或者与干涉仪系统的软件操作上可能另外存在的各种不受控制的操作等待时间。
应当理解，当探测器积分的信号持续时间，即脉冲信号和激光照射的持续时间远小于照相机或探测器的固有积分周期时，那么偏移确定电路、程序或应用软件171将调节信号发送给可调谐激光源110A，使可调谐激光源110A的调节机制开始与扫描波长相应的调节的时刻t3，最好刚好早于时刻tL1，并且极其可能处于积分周期开始时间t4之后，这与图11中所示的特定实施例不同。此外，调节信号应当刚好在照射开始时间tL1与结束时间tL2之间，提供可产生大部分所需“全”波长扫描的波长扫描速率，使得积分信号仍然包括所需数量的波长周期，而不管更短的有效信号积分时间。
在一个示范实施例中，由如图7中所示的干涉仪系统100A中包括的图12中所示的激光器驱动和控制电路实施参照图11所述的操作。
图12为表示图7中所示激光器驱动和控制电路、程序或应用软件173，以及图7中所示的干涉仪系统110A的各个特定实施例中可使用图11所示时序方法的激光器驱动和控制电路173A的一个示范实施例的方框图。根据下面的描述，可使用公知的常规电路元件和常规电路设计技术实现激光驱动和控制电路173A。在一个示范实施例中，选择激光器驱动和控制电路173A的各部件，以提供能以5MHz那样高的脉冲速率操纵用于激光二极管等的电流源的高速、反馈控制电流驱动器。在各种示范实施例中，选择部件产生近似一微秒或更短的激光响应时间。即，在接收输入控制信号PULSE SIGNAL IN的前沿后大约1微秒时间内启动激光发射。在各种示范实施例中，选择部件以提供产生短至500纳秒长至40毫秒激光脉冲持续时间所必需的高峰值电流。
如图7中所示，激光器驱动和控制电流173A分别通过信号和/或控制线174和175与控制系统170A和可调谐激光器110A相互连接，如前面参照图7所述。连接能将所需电流提供给可调谐激光器110的激光源的快速响应中或高功率晶体管875，根据如下面所述提供的控制信号AA驱动激光源。可调谐激光器110A包括提供反馈控制信号883的装置，反馈控制信号与可调谐激光器110A的输出功率相应。在各种示范实施例中，反馈控制信号883可包括一部分来自于激光源的光。反馈控制信号883提供给缓冲电路部分885，在各种示范实施例中缓冲电路部分感测和/或放大或缩放反馈控制信号883，产生反馈控制信号BB。
激光器驱动和控制电路173A可以工作于两种分离模式下。在适于偏移确定操作的脉冲模式中，将控制信号PULSE SIGNAL IN(脉冲信号输入)输入高速JFET输入缓冲器805中。信号PULSE SIGNAL IN来自于偏移确定电路、程序或应用软件171，如前面参照图11所述。在信号和/或控制线174上由来自于偏移确定电路、程序或应用软件171或控制系统170A的适当脉冲模式使能信号控制COMS多路复用器812，将控制信号PULSE SIGNAL IN发送给高速JFET差分放大器815。JFET差分放大器815也从缓冲器电路部分885接收反馈控制信号BB。JFET差分放大器815将差分信号输出给高速JFET放大器825，其在各种示范实施例中放大或缩放差分信号，以提供输入用于驱动可调谐激光器110A的激光源的中或高功率晶体管875中的控制信号AA。
在连续照射模式中，控制信号DAC IN输入给输入缓冲器810。信号DACIN来自于在信号和/或控制线174上的控制系统170A。通过信号和/或控制线174上、来自于控制系统170A的适当的连续照射模式使能信号控制COMS多路复用器812，以将控制信号DAC IN发送给差分放大器820。差分放大器820还从缓冲电路部分885接收反馈控制信号BB。差分信号由差分放大器820输出给放大器830，其在各种示范实施例中放大或缩放差分信号，以提供将要输入以连续照射方式驱动光源880的中或高功率晶体管875中的控制信号AA。在连续照射模式中，控制信号AA被控制为低于最大值，这控制中或高功率晶体管875和可调谐激光器110A的激光源中的电流为对这些部件提供长工作寿命的水平。
通过具有这两种分离操作模式，激光器驱动和控制电路173A对于以两个方式交替地操纵干涉仪系统的可调谐激光器是理想的以脉冲方式支持参照图11所述的偏移确定操作，和以连续方式支持干涉仪系统的典型干涉测量物体测量操作。可知，激光器驱动和控制电路173A使其特别便于使激光照射与输入可调谐激光器110A调节控制部分111的TUNING SIGNAL IN(调节信号输入)的操作同步，如参照图11概括描述的。
在干涉仪系统110A包括两个探测器或照相机的各种实施例中，其中这两个探测器或照相机具有精确和可分离控制的积分周期，那么当可调谐激光器波长的改变率有理由已知或者可控制时，如图13中所示，可进一步加强前面参照图10所述的方法。
与图10类似，图13所示的特性分别表示积分输入光信号VIN1和VIN2的各探测器信号1301和1302的时间平均，以及作为这两个时间平均积分信号的平均的信号1303，这是在由于干涉仪激光源频率或波长连续改变而波长周期在探测器上积累时的特性。输入光信号VIN1和VIN2(未示出)与前面参照图10所述的信号相同。此外，与图13有关的各信号的一般特性和行为与前面参照图10所述的相似或相同，并且这些特性对本领域普通技术人员显然的。从而，下面不详细描述这些特性。
如图13中所示，曲线1301与图10中所示的曲线1001相同，并且表示出信号VIN1在第一时间段上积分的时间平均探测器信号的特性。作为对照，曲线1302表示在比第一时间段延迟四分之一波长周期的第二时间段上积分信号VIN2的时间平均探测器信号的特性。因此，由于通过将信号VIN2的积分延迟附加的四分之一波长周期，信号VIN2通常与信号VIN1正交，所以时间平均信号积分曲线1302产生相对曲线1301有效地延迟半个周期的信号，如图13中所示。如平均值曲线1303所示，这些曲线值的平均值具有近似为零的最差情形(峰值)残留误差值ε，并且在每个波长周期的所有部分中近似等于信号VIN1和VIN2的每一个的DC偏移值。这通常总是成立的，与任何上述的两个正交信号VIN1和VIN2共享的共享光相移无关，因为每个信号的相关垂直位移大小相等方向相反。
在干涉仪系统110A包括两个探测器或照相机的各种实施例中，其中两个探测器或照相机具有精确和可单独控制的积分周期，而当有理由已知或可控制可调谐激光器波长的改变率时，可根据预期的波长改变速率预测信号VIN2的积分相对信号VIN1积分周期所需的延迟，并由此控制探测器或照相机的积分周期。VIN2的积分窗口的开始相对用于VIN1的所需延迟δt表示为公式12δt=λ24z(dλdt)-1]]>(与π/2相移相应)(公式12)应该理解，在各种特定实施例中，根据本发明，由各种传统干涉仪测量和已知的干涉仪设计参数，尤其是在绝对干涉仪实施例中，可充分确定检测物体任何特定部分的OPDz。或者，在各种其他特定实施例中，可以以与适当信号处理相一致的速率在已知范围上扫描波长，该信号处理分别计算和测量由各探测器通道所表示的所得全部和部分波长周期数，以充分确定对于该单独探测器通道和任何全等探测器通道的OPDz。应当理解，即使所要求的延迟δt稍有误差和/或相关的实际定时和控制不太理想，根据该实施例的积分信号的平均值仍然可以提供具有基本上进一步改善的最差情形(峰值)残留误差值ε的偏移估计。
图14为说明在根据本发明的各种示范实施例中用于消除和/或补偿干涉仪探测器通道中各种偏移误差的流程图。如图14中所示，在开始之后，该方法继续到方块1405的操作，而将检测物体设置在干涉仪的物光束中。然后该方法继续方块1410的操作，初始化干涉仪的偏移确定模式。在各种示范实施例中，然后偏移确定模式继续方块1415的操作，设定干涉仪的可调谐激光器所需波长扫描范围的开始，如前面参照图8或11所概括描述的。此后偏移确定模式继续方块1420的操作，在各种示范实施例中例如通过初始化和异步复位照相机系统，开始探测器信号积分周期。
然后偏移确定模式继续方块1425的操作，开始可调谐激光器的波长扫描。在各种示范实施例中，这些操作开始实际照射波长扫描，如前面参照图8所示。在各种其他示范实施例中，这些操作开始可调谐激光器的波长扫描机制的调整，不提供实际照明，如前面参照图11所示。
然后偏移确定模式继续方块1430的操作，开始探测器积分周期，其中如前面所述探测器设置成积累探测器输入信号。此后偏移确定模式继续方块1435的操作，其中探测器实际开始积累输入信号。在各种示范实施例中，不能区分方块1430和1435的操作，如前面参照图8所述。在各种其他示范实施例中，方块1435的操作与实际初始化可调谐激光器的照射周期相应，然后结束照射周期，如前面参照图11所述。
然后偏移确定模式继续方块1440的操作，结束探测器积分周期。之后偏移确定模式继续方块1445的操作，其中积分信号从探测器输出至干涉仪的控制系统，继续方块1450的操作，其中至少部分地根据来自于探测器的积分信号值确定干涉仪该探测器通道的偏移。在各种示范实施例中，确定时间平均积分信号值，与要确定的偏移值相同。在各种其他示范实施例中，当偏移确定和确定积分周期的干涉测量相同时，积分信号值与待确定的偏移相等，如前面参照图9所述。在各种其他示范实施例中，确定该探测器通道的偏移值为两个时间平均积分正交信号的平均值等，其中一个信号来自于该探测器，如前面参照图10和13所述。然后方块1450的操作将所确定的偏移值保存在干涉仪的控制系统中。
然后该方法继续方块1455的操作，当初始化或者恢复干涉仪的标准干涉测量模式时结束偏移确定模式。然后该方法继续下面方块1460的操作，其中使用如前所述保存的对于该探测器的所确定偏移值，或者本领域普通技术人员显而易见的任何其他适当方法，补偿标准干涉测量模式期间该探测器提供的任何探测器通道信号的偏移。使用所产生的经过补偿的探测器通道信号，确定干涉仪所提供的标准干涉测量值。继续方块1460正在进行的操作，直到该方法结束和/或重复该方法。
应该理解，如上所述本发明具有多种优点，至少包括前面所述的那些优点以及如下面所述的优点。一个优点是可使用多种干涉仪系统的标准光路和标准探测器很高精度地确定偏移。另一优点是仅需要一个数据采集采样(一帧)。此外，可充分精确地执行该方法的各种示范实施例，无需测量或控制物体高度或OPDz。该方法也不需要精确了解波长。另外，该方法不需要精确的扫描速率dλ/dt。而且，该方法不要求扫描期间dλ/dt严格保持不变。
如上所述，一般描述了偏移校正确定操作和偏移经过校正的干涉测量信号操作，从而对于每个单独的探测器通道，或者输送适当组合的正交信号的单独每对探测器通道等进行偏移校正确定操作。不过，应该理解，将对特定探测器通道确定的偏移校正应用于其他特定探测器通道，也处于本发明范围之内。例如，与检测物体上特定部分或位置相应的用于特定探测器通道的特定偏移校正，在各种实施例中，可用于校正相应于接近或者否则已知类似于与特定探测器通道和相应的特定偏移校正相应的检测物体上特定部分或位置的、检测物体上的部分或位置的其他探测器通道的偏移。将会理解，这些实施例通常不会带来根据本发明各种其他实施例产生的所有潜在利益和优点。不过，根据本发明的原理，这些实施例依然可产生至少某些潜在利益和优点，并且提供某些其他经济优点、测量速度优点等，这是各种干涉仪应用或设计所希望的。
因此，尽管上面说明和描述了本发明的各种示范实施例，但会理解在不偏离本发明精神和范围的条件下可以在其中进行各种改变。
权利要求
1.一种提供信号的方法，该信号能用于确定干涉仪探测器通道所提供的干涉测量信号偏移分量的偏移校正，该干涉仪包括参考光束光路、物光束光路、至少一个包含相应探测器的相应探测器通道、和用于提供可变波长辐射的辐射源，该方法包括操作至少一个探测器通道的相应探测器，以提供相应的信号积分周期；操作照明源，为干涉仪提供可变波长辐射，使可变波长辐射在一波长范围上改变，以在各信号积分周期的至少一部分期间提供分布在该波长范围上的多个波长；在各信号积分周期的至少一部分期间，将各干涉光光信号输入各探测器中，各干涉光来自于用于该干涉仪的可变波长辐射；以及在各信号积分周期期间响应各干涉光光信号积分在探测器中产生的信号，以提供各积分信号，其中分布在一波长范围上的多个波长与在各信号积分周期至少一部分期间的各干涉光光信号的多个光相位相应，分布在光相移范围上的多个光相位与波长范围相应；该波长范围对应至少360度的光相移范围；并且各积分信号能用于确定对于干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正。
2.如权利要求1所述的方法，其中该可变波长辐射在一波长范围上改变，以在各信号积分周期的至少一部分期间多次提供分布在该波长范围上的多个波长，所述多次包括10次、20次和40次其中至少之一。
3.如权利要求1所述的方法，其中该波长范围与N乘360度的光相移范围相应，其中N为大于10、20和40其中至少之一的数字。
4.如权利要求1所述的方法，其中操作辐射源为干涉仪提供可变波长辐射的步骤，包括操作辐射源，从而在该波长范围上连续改变可变波长辐射，以提供连续分布在该波长范围上的多个波长，并且在各信号积分周期的至少一部分期间，通过包括a)单调、b)单调且以大致恒定的改变速率和c)在波长范围上重复的方式之一来改变波长。
5.如权利要求1所述的方法，其中各信号积分周期比67毫秒、34毫秒、10毫秒、1毫秒、200微秒、100微秒、20微秒和5微秒其中至少之一短。
6.如权利要求1所述的方法，其中该波长范围包括a)用于提供干涉仪中至少一个相应干涉测量信号的至少一个相应波长，和b)用于提供干涉仪中至少两个相应干涉测量信号的至少两个相应波长的其中至少之一，所述至少两个相应干涉测量信号包括用于在干涉仪中提供绝对距离测量而组合的一组信号的至少部分。
7.如权利要求1所述的方法，其中该波长范围与各信号积分周期的至少一部分期间至多2纳米波长改变相应。
8.如权利要求1所述的方法，其中各信号积分周期的至少一部分包括全部的相应信号积分周期。
9.如权利要求1所述的方法，其中该干涉仪设计成包含相应探测器的至少一个相应的探测器通道包括具有至少第一和第二相应探测器的至少第一和第二相应探测器通道的至少一相应组，其中第一和第二探测器接收相应的干涉光光信号；至少第一和第二相应探测器通道的每一个至少一相应组的各干涉光光信号，相应于来自于位于物光束路径中的检测物体的至少第一和第二至少大致相同部分的相应组的光，至少第一和第二至少大致相同部分的每个相应组对应检测物体上相应的标称位置；并且每个相应组中至少两个相应的干涉光光信号具有不同的相应相对相位；其中该方法包括对于至少一个相应组而言，执行该方法以提供与该相应组的至少第一和第二相应探测器通道相应的至少第一和第二相应积分信号的相应组；以及对于由包括以下至少之一的干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量，确定偏移校正对于至少一个相应组中的至少一个，单独使用该相应组的至少第一和第二相应积分信号的每一个，提供至少第一和第二单独偏移校正，至少第一和第二单独偏移校正的每一个能用于校正该相应组中至少第一和第二相应探测器通道的相应一个所提供的至少一个干涉测量信号，并且对于至少一个相应组中的至少一个，使用包括该相应组中至少第一和第二相应积分信号的至少两个的至少第一组合，提供至少第一组合偏移校正，每个这种组合偏移校正能用于至少校正由相应于结合用于提供组合偏移校正的该相应组中至少第一和第二相应积分信号的至少两个的相应探测器通道的任何一个所提供的干涉测量信号。
10.如权利要求9所述的方法，其中对于至少一个相应组中的至少一个，能使用至少第一和第二相应探测器通道的至少两个，以提供具有不同相应相对相位且具有其相应偏移分量的至少两个干涉测量信号，使用根据该方法确定的偏移校正来校正其相应的偏移分量，能组合至少两个相应的干涉测量信号来提供相应于检测物体上相应的相对来说没有偏移引起的误差的标称位置的插值干涉测量。
11.如权利要求9所述的方法，其中对于至少一相应组，至少使用该相应组中至少第一和第二相应积分信号的至少两个的第一组合，以提供至少第一组合偏移校正，包括使用至少部分地根据该相应组中至少第一和第二相应积分信号的至少两个的平均，以提供至少第一组合偏移校正。
12.如权利要求9所述的方法，其中对于至少一个相应组，对应执行该方法以提供至少第一和第二相应积分信号中的至少第一个的、各信号积分周期的至少一部分，与对应执行该方法以提供至少第一和第二相应积分信号中的至少第二个的、各信号积分周期的至少一部分，满足下列条件的至少之一a)其至少时间上部分重叠，和b)其基本上同步。
13.如权利要求12所述的方法，通过在干涉仪使用过程中操作干涉仪以提供脉冲照射周期，使得对于至少一个相应组，对应执行该方法以提供至少第一和第二相应积分信号中的至少第一个的、各信号积分周期的至少一部分，与对应执行该方法以提供至少第一和第二相应积分信号中的至少第二个的、各信号积分周期的至少一部分基本同步，该脉冲照射周期同时确定每个各信号积分周期的至少一部分。
14.如权利要求12所述的方法，其中对于至少一个相应组与执行该方法以提供至少第一和第二相应积分信号中至少第一个相应的各信号积分周期的至少一部分，在时间上至少部分地重叠与执行该方法以提供至少第一和第二相应积分信号中至少第二个相应的各信号积分周期的至少一部分；各信号积分周期的那些相应的至少一部分中的每一个，包括其全部相应信号积分周期；波长可变照明源至少在与整个相应信号积分周期的第一开始和最后结束相应的时间周期内，单调并且以大致恒定的速率改变，并由单一照明源提供，使得在与整个相应信号积分周期的第一开始和最后结束相应的时间周期期间，对应至少第一和第二积分信号的、对应的各干涉光光信号同时经过多个光相位周期；以及操作与至少第一和第二相应积分信号的第二个相应的至少该探测器通道的相应探测器，以提供相应信号积分周期，包括操作该相应探测器以提供相应积分周期，该相应的积分周期在与至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期的开始之后N+1/4个光相位周期开始，其中N为至少为零的整数。
15.如权利要求14所述的方法，其中操作该相应探测器以提供在与至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期的开始之后开始N+1/4个光相位周期的相应积分周期进一步包括操作该相应的探测器提供在以下其中之一的时刻结束的各积分周期a)基本上与同至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期相同的时刻；和b)在与至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期的结束之后。
16.如权利要求1所述的方法，其中该用于提供可变波长辐射的照明源，进一步用于提供至少一个相对稳定波长的辐射，其能用于提供干涉仪中的干涉测量信号。
17.如权利要求1所述的方法，其中对于由干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正完全基于各积分信号。
18.如权利要求1所述的方法，其中对于由干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正，至少部分基于相应的积分信号，并且至少部分基于相应信号积分周期的持续时间。
19.一种干涉仪系统，用于提供能用于确定对干涉仪中探测器通道所提供的干涉测量信号的偏移分量的偏移校正的信号，该干涉仪包括参考光束路径；物光束路径；包括一相应探测器的至少一个相应探测器通道；能提供可变波长辐射的照明源；以及控制系统部分，其中至少一个探测器通道的相应探测器用于提供相应的信号积分周期；该照明源用于为干涉仪提供可变波长辐射，使得在各信号积分周期的至少一部分期间，可变波长辐射在一波长范围上改变，以提供分布于该波长范围上的多个波长；该干涉仪系统用于在各信号积分周期的至少一部分期间将各干涉光光信号输入相应探测器中，各干涉光来自于用于干涉仪的可变波长辐射；相应探测器在各信号积分周期期间响应相应干涉光光信号而积分探测器中产生的信号，以提供与该相应探测器通道对应的相应积分信号；其中分布于一波长范围上的多个波长，与各信号积分周期的至少一部分期间各干涉光光信号的多个光相位相应，分布在光相移范围上的多个光相位与该波长范围相应；该波长范围对应至少360度的光相移范围；并且该控制系统用于输入与该相应探测器通道相应的相应积分信号，并确定对于由干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正，该偏移校正至少部分地基于所输入的相应积分信号。
20.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中该照明源用于在一波长范围上改变可变波长辐射，以在各信号积分周期的至少一部分期间多次提供分布于该波长范围上的多个波长，所述多次包括10次、20次和40次的至少一个。
21.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中该波长范围与N乘360度的光相移范围相应，其中N为大于10、20和40的至少之一的数。
22.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中能操作辐射源在该波长范围上连续改变可变波长辐射，以提供连续分布于该波长范围上的多个波长，并且使得在各信号积分周期的至少一部分期间，通过包括以下之一的方法改变波长a)单调、b)单调且以大致恒定的改变速率和c)在波长范围上重复。
23.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中各探测器能用于提供比67毫秒、34毫秒、10毫秒、1毫秒、200微秒、100微秒、20微秒和5微秒其中至少之一短的相应信号积分周期。
24.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中至少一个相应的探测器通道包括具有至少第一和第二相应探测器的至少第一和第二相应探测器通道的至少一相应组，其中第一和第二探测器接收相应的干涉光光信号；该干涉仪设计成使每一个至少一相应组的各干涉光光信号，相应于来自于位于物光束路径中的检测物体的至少第一和第二至少大致相同部分的相应组的光，至少第一和第二至少大致相同部分的每个相应组对应检测物体上相应的标称位置；并且该干涉仪包括多个相移产生部分，设计成每个相应组中至少两个相应的干涉光光信号具有不同的相应相对相位；其中，对于至少一相应组干涉仪系统用于提供与至少第一和第二相应探测器通道相应的至少第一和第二相应积分信号；以及控制系统用于输入与至少第一和第二相应探测器通道相应的至少第一和第二相应积分信号，并确定对至少第一和第二相应探测器通道中至少之一所提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正；控制系统用于通过以下至少之一确定偏移校正单独使用所输入的至少第一和第二相应积分信号的每一个，以提供至少第一和第二单独的偏移校正，使得至少第一和第二单独偏移校正的每一个能适用于至少校正由至少第一和第二相应探测器通道的相应一个提供的干涉测量信号，并且至少使用包括所输入的至少第一和第二相应积分信号中至少两个的第一组合，以至少提供第一组合偏移校正，使得每一个这种组合偏移校正能适用于至少校正与组合使用以提供组合偏移校正的至少第一和第二相应积分信号中所输入的至少两个相应的任何一个相应探测器通道所提供的干涉测量信号。
25.如权利要求24所述的干涉仪系统，其中对于至少一个相应组而言至少第一和第二相应探测器通道中的至少两个，用于提供具有不同的各相对相位的至少两个相应干涉测量信号；该干涉仪的控制系统用于使用至少一个适当能用的偏移校正以对具有不同各相对相位的至少两个相应干涉测量信号的相应偏移分量进行校正，以提供至少两个相应的具有不同各相对相位、产生的偏移校正的干涉测量信号；以及该干涉仪的控制系统用于将具有不同相应相对相位的至少两个所产生的偏移得到校正的干涉测量信号组合，以提供与检测物体上各标称位置对应的内插干涉测量，其相对而言没有偏移引起的误差。
26.如权利要求24所述的干涉仪系统，其中对于至少一个相应组而言，控制系统至少部分地根据至少第一和第二相应积分信号的至少两个确定平均，以至少提供第一组合偏移校正。
27.如权利要求24所述的干涉仪系统，其中对于至少一个相应组而言，操作干涉仪系统使对应至少第一和第二相应积分信号中的至少第一个的、各信号积分周期的至少一部分，与对应至少第一和第二相应积分信号中的至少第二个的、各信号积分周期的至少一部分，满足下列条件的至少之一a)其至少时间上部分重叠，和b)其基本上同步。
28.如权利要求27所述的干涉仪系统，其中操作该控制系统通过在干涉仪使用过程中控制脉冲照射周期，使得对应至少第一和第二相应积分信号中的至少第一个的、各信号积分周期的至少一部分，与对应至少第一和第二相应积分信号中的至少第二个的、各信号积分周期的至少一部分基本同步，该脉冲照射周期同时确定每个各信号积分周期的至少一部分。
29.如权利要求27所述的干涉仪系统，其中与至少第一和第二相应积分信号中至少第一相应积分信号和至少第二相应积分信号相应的各信号积分周期的至少一部分的每一个，包括其整个相应信号积分周期；能操作该干涉仪系统使与至少第一和第二相应积分信号的第一相应积分信号相应的整个相应信号积分周期的至少一部分，在时间上至少部分地与同至少第一和第二相应积分信号的第二相应积分信号相应的整个相应信号积分周期的至少一部分重叠；控制辐射源使波长可变照明源至少在与整个相应信号积分周期的第一开始和最后结束相应的时间周期内，单调并且以大致恒定的速率改变，并将干涉仪设计成从单一照明源提供所有可变波长辐射，使得在与整个相应信号积分周期的第一开始和最后结束相应的时间周期期间，对应至少第一和第二积分信号的、对应的各干涉光光信号同时经过多个光相位周期；以及能操作干涉仪系统，使与至少第一和第二相应积分信号中的第二个相应的各探测器，在与至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期的开始之后N+1/4个光相位周期开始其相应的积分周期，其中N为至少为零的整数。
30.如权利要求29所述的干涉仪系统，其中进一步操作该干涉仪系统使与至少第一和第二相应积分信号的第二个相应的各探测器，在以下时间结束其相应的信号积分周期a)基本上与同至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期相同的时刻；和b)在与至少第一和第二相应积分信号的第一个相应的各积分周期的结束之后。
31.如权利要求24所述的干涉仪系统，其中该干涉仪进一步包括至少一个二维照相机，并且至少第一和第二相应探测器通道的每一个至少一个相应组，具有包括至少一个二维照相机的像素的至少第一和第二相应探测器，其中能使用与检测物体上各标称位置相应的一组内插干涉测量，以提供检测物体至少一部分的二维表面高度分布，该二维表面高度分布相对而言没有偏移引起的误差。
32.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中该用于提供可变波长辐射的辐射源，还用于提供至少一个相对稳定波长的、能用于提供干涉仪中的干涉测量信号的辐射。
33.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中该控制系统至少部分地基于所输入的各积分信号，且至少部分地基于各信号积分周期的持续时间，确定对于由干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正。
34.如权利要求19所述的干涉仪系统，其中该控制系统完全基于所输入的各积分信号，确定对于由干涉仪的至少该相应探测器通道提供的至少一个干涉测量信号的偏移分量的偏移校正。
全文摘要
一种用于测量距离(例如在微米范围内)的常规相移干涉仪，通常提供两个正交信号。输出信号通常包括偏移，而偏移除非得到补偿或消除，否则会引入相关的测量误差。用于消除偏移的标准方法，是产生和/或处理相移180度或者其他已知量的附加信号。相反，本发明通过在探测器采集或积分偏移确定信号期间，改变干涉仪辐射源的辐射波长，提供表示对干涉仪中探测器信号有贡献的偏移的信号。对于多种干涉仪设计而言，该方法可以方便地由干涉仪的各信号检测通道实现。该方法在非常短的时间周期内确定偏移误差，并且无需提供附加调节光路或可控制相移。
文档编号G01B9/02GK1611915SQ200410098158
公开日2005年5月4日 申请日期2004年8月9日 优先权日2003年8月8日
发明者迈克尔·内厄姆 申请人:三丰株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
