电磁干涉图案的应用的制作方法

专利名称：电磁干涉图案的应用的制作方法
技术领域：
本发明提供电磁干涉图案的各种应用，特别地(但非排他地)，可见光干涉图案、 UV干涉图案和顶干涉图案的应用。在这里公开的典型的应用涉及空间度量，例如平动和/ 或角位置确定系统，以及涉及用于这样的位置确定的方法。进一步的应用包括分析电磁辐射自身的属性(例如确定电磁辐射的波长)。更进一步的应用包括分析电磁辐射通过的物质的一个或多个属性(例如，折射指数)。
背景技术：
US 4，111，557公开一种用于确定对象关于参考对象的形状或者位置的形状或者位置。参考对象可以是主对象、比例模型或者理想对象，其仅通过计算或者图形确定，或者它可以是在不同时间观察到的相同对象。在US 4，111，557中，来自相干源的光线利用透镜投射到对象上作为线和/或点配置。这些线或者点配置通过物镜传递到光电录音装置(例如TV相机或者光电二极管矩阵)。通过录音装置产生的信号转换为数字数据，用于存储以及与对应参考对象的数据进行比较。下面讨论其它的已知光学系统。WO 2004/031686公开一种提供位置反馈的激光干涉仪系统。在W02004/031686中公开的干涉仪系统要求外部回射器目标光学器件并测量沿着光束轴线的位置变化。WO 02/084223和EP 0503176公开利用对绝对位置信息编码的标尺的光学定位系统。还知晓提供光学定位系统，其中LED照射周期性线性标尺并检测和分析反射光。装置确定标尺和包含LED和检测器的读取头之间的相对位置。WO 2006/067481公开2D图案和传感器，它们相对于彼此是可移动的。图案(例如，点阵列)安置作为多组特征，每组对绝对位置编码。例如，每个组的一个点可以具有不同颜色，用于识别那个组的位置。

发明内容
现代的飞机例如几乎完全通过电子伺服机构控制。深层级的测量系统已经发展来使得这种技术成为可能。在层级的底部上是基于电位计或者电距离测量的简单系统，例如线性变量差动变压器(LVDT)。这些系统(通常)并不昂贵、相当精密并非常不准确。层级的下一个为基于物理尺的位置的测量的系统。这样的“编码器”是复杂的系统并且非常精确，但是具有并不比简单的LVDT好很多的精度。这样的系统的特定问题是系统精度由光栅限定。这样，大距离的测量需要具有大且精确的尺。这些尺是昂贵、巨大的并且经常要求仔细的环境控制以防止它们被污染。二维光栅(例如用以测量x_y或者转动)的生产非常昂贵，并且对于非常大型的尺来说通常是不可能的。在层级的顶部是干涉仪。干涉仪以光的波长测量距离，其是所有标准距离测量的基础。干涉仪也用于较低精度的测量，因为精确的激光源当前相对便宜并且与标准实验室中使用的干涉仪的比较是简单的。通过适当的激光器，干涉仪可以制造得任意大(例如，用于试图测量重力波的干涉仪是在 4km 的范围[J. Hough “Long Baseline Gravitational Wave Detectors-Status and Developments，，Journal of Physics Conference Series 66 012002(2007)]。但是，干涉仪具有许多问题。首先，通过单色干涉仪形成的信号具有固有周期，因此特定位置的识别(“零”距离)是困难的。再者，度量衡干涉仪固有地仅能够在单一维度测量距离。如果干涉仪用于在三个轴测量位置，则需要一起使用三个独立的干涉仪。这种配置的角精度受制于物理结构的误差。或者，在(例如)x_y的位置可通过利用镜子进行测量以在一个方向测量距离，同时不受在垂直方向的平移转换的影响。这要求使用非常昂贵的镜子。本发明人已经实现一种新颖形式的位置确定，其可以基于使用二维强度图案例如干涉图案。这是本发明的第一发展的总的方面。这样的图案可提供平动非周期性并可以提供低转动对称性。真正的平动的非周期的强度图案可以限定为具有无限周期的周期性的强度图案。这样，术语“非周期的”或者“大致非周期的”旨在还包括具有相对长的周期的平动周期的强度图案，例如其中图案的周期与用于捕获图案的一部分的相应检测器的尺度相当或者更大。这可以使得能够独特地识别图案中对象的绝对位置或者相对位置和取向，即使当仅利用少部分的干涉图案时。基于这样的基础操作的系统可以具有安装简单性，LVDT 低成本，并且还能够每次测量超过一个轴，具有可用的精确性和精度。相应地，在第一发展的第一优选方面，本发明提供一种位置确定系统，其具有用于产生大致平动的非周期的强度图案的电磁辐射强度图案发生器；其位置待确定的对象； 电磁辐射检测器，其可操作以检测全部、部分或者少部分通过所述发生器产生的强度图案， 其中所述系统能够利用检出的强度图案或者强度图案的一部分确定对象位置。在第一发展的第二优选方面，本发明提供确定对象位置的方法，所述方法包括步骤产生电磁辐射的大致平动的非周期的强度图案；和检测全部的、部分或者少部分的强度图案以确定对象位置。在第一发展的第三优选方面，本发明提供确定在强度图案之内的电磁辐射大致平动的非周期的强度图案的少部分的位置的方法，包括步骤确定在强度图案的少部分中的最大或者最小相对位置。在第一发展的第四优选方面，本发明提供计算机程序，其任选地记录在存储介质上，用于执行第三方面的方法。在第一发展的第五优选方面，本发明提供计算机或者其它的处理装置(例如数字信号处理器)，其可操作地配置为执行第三方面的方法。在第一发展的第六优选方面，本发明提供用于位置确定系统的用于产生大致平动的非周期的干涉图案的光学元件。在第一发展的第七优选方面，本发明提供折射指数失真确定系统，具有电磁辐射大致平动的非周期的强度图案发生器；询问容器(an interrogation volume)；电磁辐射检测器，其可操作以检测通过所述发生器产生的强度图案的至少一部分，所述系统能够利用检出的强度图案确定在询问容器中的折射指数失真。以下编号的段落[A1]_[A26]提出特征的特定优选组合。显然，特征的组合在这里同样公开并落在本发明的范围内。
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[Al] 一种位置确定系统，具有用于产生大致平动的非周期的二维强度图案的电磁辐射强度图案发生器；其位置待确定的对象；电磁辐射检测器，其可操作以检测由所述发生器产生的强度图案的少部分，其中该系统能够利用检测到的少部分的强度图案确定对象的位置。[A2]根据[Al]的系统，其中，所述强度图案是干涉图案。[A3]根据[Al]或者[A2]的系统，其中，在使用中，所述对象从第一到第二位置的移动导致在所述检测器上俘获的强度图案的变化。[A4]根据[A1]_[A3]任何一个的系统，其中，其位置待被确定的对象具有与电磁辐射强度图案发生器和电磁辐射检测器的任何一个固定的空间关系。[A5]根据[A1]_[A4]的任何一个的系统，其中，所述检测器适于大致同时检测强度图案中的多个最强处和/或最弱处以为了提供位置确定。[A6]根据[A1]_[A5]的任何一个的系统，其中，所述检测器包括检测元件阵列。[A7]根据[A1]_[A6]的任何一个的系统，其中，所述检测器直接俘获强度图案的少部分。[A8根据[A1]_[A7]的任何一个的系统，其中，所述对象通过以下移动沿着三个正交轴的至少一个以及任选地绕三个正交转动轴的至少一个平动，所述对象沿着或者围绕任何一个轴或者这些轴的任何组合的运动提供由检测器检出的部分强度图案的变化。[A9]根据[A1]_[A8]的任何一个的系统，其中，所述强度图案发生器包括相干光源。[A10]根据[A1]_[A9]的任何一个的系统，其中，所述强度图案发生器包括一个光学元件或者多个光学元件以从相干光产生强度图案。[All]根据[A10]的系统，其中，所述光学元件包括用于光的透射和衍射的光传输孔的配置。[A12]根据[All]的系统，其中，所述光学元件包括用于导向光优选向着光传输孔的聚焦装置。[A13]根据[A12]的系统，其中，所述聚焦装置是至少一个波带片(zone plate)。[A14]根据[A11-A13]的任何一个的系统，其中，所述光学元件包括具有上下表面的光传输基板，每个表面具有形成在那上面的非光传输层，所述孔和所述聚焦装置通过移除或者省略非光传输层的一部分而形成。[A15]根据[A1]-[A14]的任何一个的系统，其围绕在大致不透光的壳体中。[A16]根据[A1]_[A15]的任何一个的系统，包括第二检测器，所述第二检测器用于检测强度图案的与第一检测器不同的部分。[A17]根据[A16]的系统，其中，所述第一检测器和所述第二检测器是单一主检测器的一部分。[A18]根据[A16]或者[A17]的系统，其中，强度图案发生器和第一和第二检测器之间的光学路径的折射指数故意制造为不同的。[A19]根据[A18]的系统，其中，折射指数调节层包括在第二检测器上或者接近于第二检测器。
[A20]根据[A1]_[A19]的任何一个的系统，其中，所述系统能够利用与第一二维强度图案不同波长的电磁辐射产生至少第二二维强度图案，以在检测器上通过第一二维强度图案进行检测。[A21]根据[A20]的系统，其中，每个波长向着光学元件中的相应孔导引以为了产生强度图案。[A22]根据[A20]或者[A21]的系统，其中，不同波长的强度图案至少部分地基于波长被检测。[A23]根据[A20]_[A22]的任何一个的系统，其中，不同波长的强度图案至少部分地基于在图案中最强处和/或最弱处的间隔进行检测。[A24] 一种确定对象的位置的方法，该方法包括步骤产生电磁辐射大致平动的非周期的二维强度图案；和检测强度图案的少部分以确定所述对象的位置。[A25] 一种确定电磁辐射大致非周期的二维强度图案的少部分的位置的方法，包括确定强度图案的少部分中的最强处或者最弱处的相对位置的步骤。[A26]根据[A24]或者[A25]的方法，包括使得少部分的强度图案与对应强度图案的计算图案相关的步骤。本发明人已经进一步实现，本发明不必受限于使用大致平动的非周期的强度图案。相应地，以下编号的段落[B1]-[B22]提出特征的特定优选组合。显然，特征的其它组合在此同样被公开，并落在本发明的范围内。[Bi] 一种位置确定系统，具有用于产生二维强度图案的电磁辐射强度图案发生器；其位置待确定的对象；电磁辐射检测器，其可操作以检测由所述发生器产生的强度图案的少部分，其中该系统能够利用检测到的少部分的强度图案确定对象的位置。[B2]根据[Bi]的系统，其中，在使用中，所述对象从第一到第二位置的移动导致在所述检测器上俘获的强度图案的变化。[B3]根据[Bi]或者[B2]的系统，其中，其位置待被确定的对象具有关于电磁辐射强度图案发生器和电磁辐射检测器的任何一个固定的空间关系。[B4]根据[B1]_[B3]的任何一个的系统，其中，所述检测器直接俘获强度图案的少部分。[B5]根据[B1]_[B4]的任何一个的系统，其中，所述对象通过以下移动沿着三个正交轴的至少一个以及任选地绕三个正交转动轴的至少一个平动，所述对象沿着或者围绕任何一个轴或者这些轴的任何组合的运动提供由检测器检出的强度图案部分的变化。[B6]根据[B1]_[B5]的任何一个的系统，其中，所述系统能够利用与第一二维强度图案不同波长的电磁辐射产生至少第二二维强度图案，以在检测器上通过第一二维强度图案进行检测。[B7]根据[B6]的系统，其中，每个波长向着光学元件中的相应孔导引以为了产生强度图案。[B8]根据[B6]或者[B7]的系统，其中，不同波长的所述强度图案至少部分地基于
10波长进行检测。[B9]根据[B6]_[B8]的任何一个的系统，其中，不同波长的强度图案至少部分地基于所述图案中的最强处和/或最弱处的间隔进行检测。[B10]根据[B1]_[B9]的任何一个的系统，其中，所述强度图案发生器包括相干光源。[11] 一种电磁辐射波长检测器，具有用于产生二维强度图案的电磁辐射强度图案发生器，所述发生器包括波长待被确定的相干光源；第一电磁辐射检测器，其可操作以检测通过所述发生器产生的强度图案的一部分；和第二电磁辐射检测器，其可操作以检测通过所述发生器产生的强度图案的一部分，其中发生器和第一和第二检测器之间的各光学路径的折射指数故意制造为不同已知的量，由第一和第二检测器检出的图案可用于确定相干光源的波长。[B12]根据[B11]的系统，其中，第一检测器和第二检测器是单一主检测器的一部分。[B13]根据[B12]的系统，其中，折射指数调节层包括在第二检测器上或者接近于
第二检测器。[B14]根据[B1]_[B13]的任何一个的系统，其中，所述强度图案是干涉图案。[B15]根据[B1]_[B14]的任何一个的系统，其中，所述检测器适于大致同时检测在所述强度图案中的多个最强处和/或最弱处。[B16]根据[B1]_[B15]的任何一个的系统，其中，所述检测器包括检测元件阵列。[B17]根据[B1]_[B16]的任何一个的系统，其中，所述强度图案发生器包括一个光学元件或者多个光学元件以从相干光产生强度图案。[B18]根据[B17]的系统，其中，所述光学元件包括用于光线透射和衍射的光传输孔的配置。[B19]根据[B18]的系统，其中，所述光学元件包括用于导向光优选向着光传输孔的聚焦装置。[B20]根据[B19]的系统，其中，所述聚焦装置是至少一个波带片(zone plate)。[B21]根据[B18]或者[B19]的系统，其中，所述光学元件包括具有上下表面的光传输基板，每个表面具有形成在那上面的非光传输层，所述孔和所述聚焦装置通过移除或者省略非光传输层的一部分而形成。[B22]根据[B1]_[B21]的任何一个的系统，围绕在大致不透光的壳体中。而且，本发明人已经实现，本发明具有对于物理属性测量领域的更一般的适用性。相应地，在本发明得到第二发展的第一优选方面，提供一种测量系统，具有用于产生包括强度最大处和强度最弱处的干涉图案的电磁辐射干涉图案发生器；电磁辐射检测器，其能够操作以检测通过所述发生器产生的至少一部分干涉图案，所述检测器具有安置来大致同时检测所述干涉图案中的多个所述强度最大处和/或强度最弱处的检测元件阵列，其中所述系统能够基于检出的强度最强处和/或强度最弱处确定所述系统的物理属性、所述系统的物理属性的变化。在本发明的第二发展的第二优选方面，提供工艺中位置确定设备，包括根据第二发展的第一方面的测量系统。在本发明的第二发展的第三优选方面，提供一种波长确定设备，包括根据第二发展的第一方面的测量系统。在本发明的第二发展的第四优选方面，提供根据第二发展的第一方面的装置用于测量在波分多路复用信道(wavelength division multiplexed communications channel) 中的波长的用途。在本发明的第二发展的第五优选方面，提供一种折射指数确定设备，包括根据第二发展的第一方面的测量系统。在本发明的第二发展的第六优选方面，提供一种测量物理属性的方法，包括步骤利用电磁辐射干涉图案发生器以产生包括强度最强处和强度最弱处的电磁辐射干涉图案；利用检测器以检测通过所述发生器产生的干涉图案的至少一部分，所述检测器具有检测元件阵列，所述检测器从而大致同时检测所述干涉图案的多个强度最强处和/或强度最弱处；和利用检测到的强度最强处和/或强度最弱处以测量物理属性或者物理属性的变化。现将提出本发明的优选和/或任选特征。这些能够单独或者与本发明的任何发展的任何方面组合应用，除非上下文另有特别说明。类似地，本发明的任何发展的任何方面可以与另一个组合。用于强度图案的优选形式是干涉图案。适当的图案可以由衍射形成。在一些实施例中，可以由全息图形成强度图案。但是，在优选实施例中，强度图案不是由全息片形成。在下面的讨论中，术语“强度图案”与“干涉图案”可以互换使用。典型地，干涉图案占据发生器和检测器之间的空间的体积，检测器“看到”在通过对应检测器的位置的干涉图案的剖面上的干涉图案。原则上，检测器可以定位在由干涉图案占据的空间的体积的任何部分上，以为了实现大致相同的效果。这是因为典型地对于距离发生器的距离，干涉图案并不进出焦点。相反，典型地，在距离发射器的距离不断增大下， 在干涉图案中的相邻的最强处之间的间隔增加。用于取样检测器上的干涉图案的尼奎斯特极限在当干涉图案的最强处间隔开等于两倍于检测元件的节距的节距时达到。因此，对于检测元件和干涉图案的最强处的相对间距存在优选下限，其对应存在于干涉图案中的最高空间频率的两倍。但是，当干涉图案的最强处间隔开小于该优选下限的节距时，仍可获得适当的测量。干涉图案的最强处优选地间隔开直至检测元件的节距的5倍、10倍、20倍或者100倍。长的条纹波长的使用(也就是，最强处的更大的间隔，因此干涉图案中更低的空间频率)具有优点图案中每最强处的强度测量数量增大。但是，利用更长条纹波长的缺点是，更不陡峭的最强处的位置固有地更不良好限定。在图案的分析通过变换例如傅里叶变换实现时，小于检测器元件的间隔的两倍的条纹间隔的使用可以导致混淆。然而，如果检测器和光学器件的近似分隔是已知的，将可以高精度地推断光学器件相对于检测器的位置。图案的混淆使得位置模糊的确定，没有进一步可用的信息，但是并不会使得这样的确定不可能。这样，在这种情况下系统的操作可以被想到并且可以在某些情形下为有利的，例如，在检测到的图案关于位移的变化速率非常高的情形下。注意到，如果期望的话这样的检测可以不依靠傅里叶变换地进行。电磁辐射典型地具有在200nm-12 μ m范围的至少一个波长。这对应电磁波谱从中间和近紫外线到红外线波长的区域，对于该区域像素化的检测器是可用的(例如，用于基于(X)2的激光和水银-镉-碲化物检测器)。用于这个范围的上限更优选地为1. 6 μ m，以为了包括至少重要的1.5μπι通讯带波长。更优选地，电磁辐射具有在380-1000nm(或者 380-750nm，对应可见光谱)范围的至少一个波长。这是明显感兴趣的，因为借助于检测元件的配置，适于检测可见光或者近红外线的检测器可以低成本但非常高质量地获得。例如， 检测器可以适用于数字相机。感兴趣的一个特定波长是860nm，例如能够从DFB激光器获得的。适当的检测器可以类似于商业数字相机成像芯片，但是在必要处对于感兴趣的波长移除任何红外线过滤器。在检测器上，干涉图案优选地为二维干涉图案。通过二维，其旨在意味着最强处和最弱处布置在具有在至少两个维度中的变化的阵列。在这种情况中，优选地，检测元件安置为检测器上的一维阵列或者二维阵列。通过一维检测器阵列，意在的是，检测器安置在一条线上，典型地在直线上。通过二维检测器阵列，意在的是，检测器安置在表面上，典型地在平面上。二维干涉图案与一维检测器的组合在系统是用于轴上(或者靠近轴上)转动测量的情形下具有优点，因为干涉图案和检测器相对于彼此的转动提供在检测器俘获的干涉图案的一部分中的可识别的变化，并且检测器的读出可以是快速的，特别是如果探测元件的总数量低的话。二维干涉图案与二维检测器的组合在系统是用于平动的测量或者用于离轴转动测量的情形下具有优点，因为典型地在这些情形下需要进一步的信息以为了确定干涉图案和检测器的相对移动。或者，在检测器上，干涉图案是一维干涉图案。通过一维，在此意在的是，干涉图案具有布置在阵列中的最强处和最弱处以使得最弱处大致仅沿着一个维度布置在相邻的最强处之间。在这种情况中，优选地，检测元件在检测器上安置为二维阵列。一维干涉图案与二维检测器的组合在系统是用于轴上(或者靠近轴上)转动测量的情形下具有优点，因为干涉图案和检测器相对于彼此的转动提供通过检测器俘获的干涉图案中的可识别的变化。检测器可以具有三维检测器阵列。典型地，在这样的一个阵列中，存在多层检测元件，每层包括检测元件的二维阵列。例如，适当的三维检测器阵列能够从i^oveon公司 (2880 Junction Avenue, San Jose,CA 95134,USA)获得，例如 Foveon X314. IMP 图像传感器(http://www. foveon. com/article, php ？ a = 222,2009 年 8 月 19 日访问)。优选地，所述测量系统进一步包括其位置待确定的对象。其位置待确定的对象可以具有关于以下的任何一个固定的空间关系(i)电磁放射线干涉图案发生器；和/或(ii)电磁放射线检测器。典型地，在使用中，从第一到第二位置的对象的运动导致在检测器上俘获的干涉图案的变化。所述对象可以通过以下运动沿着三个正交平动轴的至少一个的平动；和/或绕三个正交转动轴的至少一个的转动，沿着或者绕任何一个轴或者这些轴的任何组合的对象的运动提供在由检测器检出的干涉图案中或者干涉图案的一部分中的变化。所述系统可以适于检测该变化并基于该变化测量相对于第一位置的第二位置。在此应当理解，对象的运动实际上不必沿着或者围绕任何限定轴，而是对象的运动可以在由这些轴限定的坐标系统中进行描述。典型的运动可以通过沿着或者围绕这些轴的适当的要素组合进行描述。发生器和检测器之间的距离可以是固定的。这对于轴上转动测量以及对于基于非运动的物理测量(例如波长确定或者折射指数测量)是特别有用的。发生器和检测器可以大致绕公共的主轴对齐，所述系统从而适于确定绕公共主轴的角位置。在这种情况中，所述检测器可以垂直于主轴对齐(或者可调节以便对齐)。类似地，发生器可以对齐(或者可调节以对齐)以使得干涉图案的旋转对称的中心与主轴对齐。然而优选的是干涉图案的旋转对称的中心并不与主轴重合，以为了保证干涉图案和检测器从起始位置(在0度)以小于 360度的相对转动并不在检测器上提供一致分布的干涉图案。此外或者替代地，干涉图案可以设置有至少一个强度标记以提供没有转动对称性的总干涉图案。该强度标记可以重叠在干涉图案上。在其它的实施例中，可以优选的是，发生器和检测器的相对位置是固定的。这对于基于非移动的物理测量(例如波长确定或者折射指数测量)是特别有用的。优选地，检测器适于大致同时检测强度图案中的多个最强处和/或最弱处以为了提供位置确定。如上解释的，强度图案可以在至少两个空间尺度延伸。检测器可适于大致同时检测在强度图案中的不同空间位置上的多个最强处和/或最弱处。检测器可大致沿着仅一个维度(对于每个检测事件)检测这些最强处和/或最弱处。但是，更优选地，检测器在两个维度检测这些最强处和/或最弱处(用于每个检测事件)。例如，检测器可沿着与强度图案相交的平面检测最强处和/或最弱处。方便地，已知的平面的传感器(例如CCD阵列，典型地用于数字相机)可用作检测器。检测器可以在检测器的平面出来的方向平动或者旋转以在第三空间维度检测强度图案。优选地，在一些实施例中，例如位置(尤其是平动的和/或离轴转动)测量，检测器俘获仅少部分的干涉图案。干涉图案可以为大致平动的非周期的二维干涉图案。优选地，在干涉图案中的最强处和/或最弱处的间隔被确定。这可以通过例如傅里叶分析完成。在确定该间隔中，任选地包括映射检测到的干涉图案的步骤。这可以例如通过共形地映射检出的干涉图案完成。而且，干涉图案的检出的部分可以与对应干涉图案的计算图案相关。可以在系统中使用超过一个检测器。例如，第二检测器可以提供来检测强度图案与第一检测器不同的部分(用于每个检测事件)。第一和第二检测器可以关于彼此为固定的空间关系。这具有提供进一步的度量信息的优点，例如提高在大的光学器件-传感器间隔上的转动测量的精度。在此注意到，可以使用进一步的检测器。例如，三个检测器可以是特别适当的。在超过一个检测器用于成像单一的干涉图案的情形下，多个检测器的空间关系(例如对齐)可以不必精确对齐地确定。第一和第二检测器可以是单一检测器阵列的两个部分(例如CCD阵列或者相似的阵列)。这具有允许第一和第二检测器之间的空间关系是确切已知的以及用于共面的第一和第二检测器的优点。其它度量信息可以通过故意改变强度图案发生器和第一和第二检测器之间的光学路径的光学属性而获得。例如，这些光学路径的折射指数可以故意地制造为不同的。一个实现这一点的方便的方法是在第二检测器上或者接近第二检测器，或者至少在发生器和第二检测器之间的光学路径中，包括折射指数调节层，例如校准器(或者相似的)。光学路径中的折射指数的差异是指，第一检测器可以假定为“看到”强度图案的“真实”深度，第二检测器可以假定为“看到”强度图案的“表观”深度。如果折射指数的差异是已知的，那么对于该配置可以提供用于系统的距离参考。此外，或者替代地，该配置可提供用于校准相干光源(例如激光)的波长的手段。这是高度有利的，因为它可以允许具有相对差的波长稳定性地使用激光器，具有成本和总封装尺寸上的相应减小。如上面描述的这样一个配置在测量电磁辐射的波长方面是特别有用的。优选地，在使用中，检测器在单一检测事件中截取(因此具有机会以检测)至少10 个最强处和/或最弱处。通过“单一检测事件”意味着检测器能够大致同时检测最强处和 /或最弱处。在检测器包括检测器元件阵列(例如CCD阵列或者类似的)的情形下，“单一检测事件”可被认为是与帧相同。进一步优选的是，在使用中，检测器在单一检测事件中截取(因此具有机会以检测)超过(也许明显超过)10个最强处和/或最弱处。例如，该下限可以是至少20、至少50、至少100、至少200、至少300、至少400、至少500、至少1000、至少10000、至少100000或者至少1000000。随着最强处和/或最弱处数量增加，因此从系统衍生的位置信息的随机误差可以非常小，对应高精度。通过“少部分”意在意味着检测器安置来接收小于强度图案中可用光线的一半。在强度图案中的可用光线对应来自图案发生器的光输出。优选地，检测器安置来接收强度图案中的40%或者更小，30%或者更小，20%或者更小，10%或者更小或者5%或者更小的可用光线。在例如波长测量的一些应用中，优选的是检测器接收强度图案中的大致全部的可用光线。优选地检测器包括检测元件阵列，在此成为像素。一个这样类型的检测器包括 CCD(电荷耦合装置)图像传感器，其对于本领域技术人员是熟知的。替代类型的检测器包括CMOS图像传感器，其对于技术人员也是熟知的。两类检测器在例如照相机和摄像机行业是广泛使用的。利用像素化的检测器的特别优点是，像素典型地非常精确地在检测器的传感表面上空间安置。这是因为用于这样的检测器的严格的半导体制造工艺。进一步的优点是，传感表面典型地非常平。这些特征允许检测器以受制于仅小的误差的方式俘获少部分的强度图案。使用典型的像素化的检测器的进一步的优点是，检测器中的像素的数量可以非常大， 例如IO5像素，3X105像素(对应VGA)或者IO6像素或者更多。例如，商业检测器例如来自柯达的KAF 50100检测器提供50. 1 X IO6像素。优选地，在系统中，所述检测器直接俘获少部分的强度图案。这样，对于本发明的一些优选的实施例，优选地，在强度图案发生器和检测器之间没有功能光学元件(例如透镜)。这避免由于这样的功能光学元件的不可避免的畸变而引入误差。或者，如果反射装置用于向着检测器反射强度图案，优选地，在反射装置和检测器之间没有进一步的功能光学元件(例如透镜)。如上所述，对于检测器，可以检测干涉图案的最强处/最弱处而不用聚焦。仍进一步地，下面描述本发明的其它的实施例，其在发生器和检测器之间的光学路径的至少一部分中包括校准器，所述校准器提供超过没有校准器的实施例的技术优点优选地，所述对象通过沿着1、2或者最优选地3轴(典型地，正交轴)的平动而运动。所述对象额外地或者替代地绕1、2或者优选地3转动轴(典型地正交转动轴)运动。 优选地，对象沿着或者绕任何一个轴或者这些轴的任何组合的运动提供由检测器检出的强度图案的一部分的变化。优选地，通过干涉图案发生器提供的电磁辐射是空间相干的。相干长度典型地足够大以使得干涉图案的最强处/最弱处具有足够的可见度已被检测器检测和分析以用于检测器的全部期望运动。例如，在其中干涉图案通过光学元件中的孔阵列产生的情形中，最小相干长度优选地为孔之间的最大间隔。采取其中孔安置在正多角形上(例如安置在五边形的顶点上的5个孔)的例子，那么最小相干长度优选地为与通过所述顶点的圆的直径。 当然，在孔安置在较不规则的配置中的情形中，类似的要求被保留，下面称作孔阵列的“直径”。当相干长度满足该优选要求时，干涉图案在发生器前面的整个空间上延伸。小于这样的相干长度将导致充填在发生器前面的减小角度的图案。这对于一些应用是可以接受的， 或者甚至优选的。这样，如果期望充填检测器前面的+/-45度圆锥，那么sin(45度)*〈孔阵列直径〉的相干长度。但是当需要仅充填非常小的角度时，(例如在远离针孔的小的范围上的位置测量，例如对于风轮机叶片)相干长度应该为小的。优选地，发生器包括相干光源，例如激光。气体激光器从技术观点来看特别适合， 因为这样的激光器可以提供稳定的波长。典型气体激光器包括彻-彻31~、&、乂6离子、队、 CO2XO激光器。红外激光器例如(X)2和CO激光器可以使用，尽管考虑已经发展用于光学检测器的规模经济性红外检测器(例如利用水银-镉-碲化物)明显比光学检测器更贵。或者，可以使用固态激光器。有许多不同类型的固态激光器，但是基于YAG或者基于YLF的固态激光器是优选的(例如Nd:YAG)，因为它们可以具有中心波长的良好温度稳定性。半导体二极管激光器同样是优选的，尤其是具有长的相干长度的类型的，例如分布反馈激光器、分布布拉格反射体激光器和竖直腔表面发射激光器。光纤固态激光器例如铒涂布的纤维激光器同样是优选的源。其它类型的激光器也可以使用。例如，YAG可以涂布有Ce、Pr、Sm、EU、 Ho、Er、Tm、Tb 禾口 Cr 以及 Nd。相干光源可以被操作以提供脉动光信号。信号的脉冲操作的频率优选地为至少 IOHz，更优选地大约25Hz。这可允许检测器的适当的操作。当然，相干光源产生可以被检测器检出的频率的光，优选地在对应检测器的优化信噪比和/或动态范围的频率上或附近。 典型地，脉动重复频率受到检测器的限制。优选地，检测器具有允许至少IOkHz速率的子区域。优选地，脉冲光信号的每个脉冲的宽度为50ns或者更小，例如大约IOns或者大约 IOOfs0在系统的操作过程中，优选地，具有至少一个脉动光信号，用于检测器的每个询问 (也就是“检测事件”)。短的脉冲宽度给予更好的时间分辨率。但是，更短的脉冲宽度会使得相干长度受损，因此对于非常短的脉冲有一个折衷。注意到，本发明人认为，所述折衷比传统的干涉仪的情形更不严峻很多。优选地，脉冲能量足以在检测器中产生良好的信噪比。脉冲可以有助于消除由于发生器和检测器之间的任何的相对运动所致的问题，同时测量得以进行。此外，因为系统典型地使用在一定角度干涉的光束，条纹具有更长的周期。因为相干长度限制路径差异的条纹数量，所述系统可以在大于光源的相干长度的距离上测量运动。这使得可以使用非常短的脉冲激光器(例如上述的IOOfs的脉冲宽度)。脉冲还可以减小对于相同平均光学输出功率下的平均功率输入。但是，在一些情形下以CW(连续波)模式而不是脉冲模式操作会具有优点。例如， 脉冲会导致光学器件损坏，在脉冲过程中“突变(chirping)”，并且会存在安全问题。对激光器脉冲是使用电子开闭器(已经存在于许多检测器中)以门控检测器，而不是激光器。优选地，强度图案发生器包括一个光学元件(或者多个光学元件)以从相干光产生强度图案。优选地，光学元件关于相干光源为固定空间关系，至少对于位置确定操作期间。但是，在一些实施例中，可以在相干光源和光学元件之间提供可动的光学路径，例如光纤配置。优选地，光学元件包括用于光的透射和衍射的光传输孔的配置。孔可以安置为预定图案。孔可以为针孔。例如，5针孔的正五边形阵列已经发现适于实施本发明的优选实施例。类似地，19针孔的阵列已经发现是适当的。但是，本发明不必限于孔的这些以及不同的形状，和/或可以使用不同数量的孔。对于本发明的一些优选实施例的主要要求是，产生的强度图案为大致平动的非周期的，讨论上讨论的。但是，该要求未必意味着，图案可以仅具有零对称性。图案可例如具有旋转对称。这样的图案仍可用于本发明，但是将限制可以独特地检测出的转动运动的最大角度。图案的进一步期望特征是，在图案和测量空间的有用的大的区域上，存在图案中的最强处和最弱处的分布。孔可每个由小面积的衍射光栅形成。例如，每个孔可以包括两个或多个狭缝(例如矩形狭缝)。这具有允许控制强度的角分布的优点。或者，椭圆形孔可以被使用，例如以为了允许极化效应。本本发明人已经发现，有用的强度图案可以利用上面提出的光学元件产生。这样的光学元件可例如通过在否则为非光传输构件的光传输孔的阵列提供。非光传输构件可以是例如形成在基板上的不透明薄膜。为了该图案延伸到相对大的测量空间，孔必须典型地是小的。这样的结果是入射在光学元件上的光的大部分并不被传输，因此系统效率会是低的。为了处理该问题，优选地，光学元件包括用于导向光优先向着光传输孔的聚焦装置。例如，每个孔可以与相应聚焦装置相关。优选地，聚焦装置将入射光带到光传输孔上的焦点或者近似焦点。聚焦装置可以实现为相对象。每个聚焦装置可以为与每个孔相关的波带片。波带片图案可以蚀刻到绝缘膜或者不透明金属薄膜中。认为形成在绝缘膜上的波带片可提供更高的效率。聚焦装置可以选自至少一个波带片、至少一个透镜或者微透镜、至少一个镜子、至少一个空间光调制器和至少一个全息片。光学元件可利用具有上下表面的光传输基板形成，每个表面具有形成在那上面的非光传输层。孔和聚焦装置然后可以通过移除或者省略非光传输层的一部分形成。例如， 这可以利用平版印刷技术进行，例如电子束平板印刷术。这允许孔和聚焦装置以高空间精度形成。聚焦装置可以通过成形光传输基板的表面形成。例如，聚焦装置可包括相光学器件，例如开诺全息片(kinoform)或者二元相位波带片。在一些实施例中，孔(用于干涉图案的光源)优选地位于衍射光学元件例如全息片或者开诺全息片或者波带片阵列的焦点上。开诺全息片的使用是特别优选的，因为它允许压制“_1”阶焦点。这样的系统的一个缺点是，焦点的位置将强烈地依赖于激光器与发生器中的光学元件的对齐以及激光波长。在孔是针孔的情形中，针孔的边缘可以非常高精度地限定。在该情形中，光学元件的其它部分的作用是保证针孔均一照射。但是，可以使用产生相干照射的紧凑源阵列的任何装置。例如，光学元件可包括光纤束(例如单模光纤)或者微透镜阵列或者集成光学网络，其具有光栅、棱柱或者面以在特定点上耦合光到自由空间中。在所述系统中，存在所述系统的元件关于彼此的布局的各种变化。在一个变化中，相干光源和光学元件(一起形成强度图案发生器)可以关于彼此固定并且对象和检测器可以关于彼此固定。这也许是最简单的基本布局。在另一个变化中，相干光源和光学元件和检测器可以关于彼此固定。在这种情况中，所述对象可包括反射装置以反射强度图案的至少一部分到检测器以使得对象的运动可以被检测到。这具有优点对象不必在它的某个位置具有有源的、耗费功率的装置，因此在对象位置处的热管理更加简单。在另一个变化中，相干光源和光学元件可以不关于彼此固定。在这种情况中，相干光可以沿着光学路径例如光纤传输到光学元件。光学元件可以关于对象固定。检测器可以关于相干光源固定。再一次地，在这种情况中，具有对象不必在它的某个位置具有有源的消耗功率的装置的优点。本发明人进一步认为，所述系统可以利用两个或者更多波长的电磁放射线(典型地光)进行操作。这样的优点是，可以提供相应数量的强度图案。这可以通过相同的发生器产生。但是，优选地，每个波长典型地在单一光学元件中向着光学元件中的相应孔导引以为了产生强度图案。不同波长的强度图案可以至少部分地基于波长(例如经由过滤器)进行检测。此外，或者替代地，不同波长的强度图案可以至少部分地基于图案中的最强处和/ 或最弱处的间隔进行检测。方便地，作为光源，可使用能够输出两个波长的激光器，例如DPY 激光器。优选地，不同波长的强度图案具有不同的转动频率。所述系统可进一步包括路径修改装置以提供用于从发生器到检测器的电磁放射线的至少两个不同的路径长度，以在检测器上提供至少两个干涉图案，对应至少两个不同的路径长度。典型地，至少两个干涉图案至少部分地重叠在检测器上。优选地，路径修改装置提供三个或者更多不同的路径长度用于从发生器到检测器的电磁辐射。路径修改装置可提供电磁辐射沿着各自的路径长度的反射的差异。例如，校准器可以提供在发生器和检测器之间，不同的路径长度从而提供用于电磁辐射跨过校准器在抵达检测器以前的不同数量的传输。在检测器上提供的不同的强度图案的路径长度的差异可以用于波长确定。在一些实施例中，电磁辐射可以具有短于校准器中的双往返路径的相干长度。其理由在于，随后的图案不能干涉在一起。优选地，在使用中，电磁干涉图案发生器是可操作的以基于具有不同波长的至少两个分量的电磁辐射产生电磁辐射干涉图案。所述系统可进一步包括依赖于波长的分离器，用于向着检测器的不同部分空间分离不同波长组分，在使用中对应每个分量的干涉图案可选地部分地重叠在检测器上。依赖于波长的分离器可以是依赖于波长的分散配置或者依赖于波长的过滤器配置。本发明可以允许确定至少一个或者两个波长。优选地，所述系统被围在大致不透光的壳体中或者在低光条件下操作。这有助于提供用于检测器的低噪声背景。


现将参照附图通过例子的形式描述本发明优选的实施例，在附图中图1示出用于本发明的实施例的利用具有安置在正五边形的顶点上的五个针孔的光学元件形成的平动的非周期的衍射图案。图2示出Penrose (潘洛斯)点阵的例子。图3A示出根据本发明的实施例的系统的示意性透视:3B示出图3A的系统的横截面侧视图；图3C和3D示出可以在图:3B中分别在C-C和D-D处俘获的衍射图案的前端示意性视图。图4示出用于本发明的实施例的来自19针孔的图的衍射图案。图5A示出用于本发明的实施例的光学元件的中心部分；图5B示出光学元件的一个侧面的更多细节的视图。图6示出与图3相比修改了的系统的示意性视图。图7和8示出理想的坐标栅格(图7)如何能够通过投影变换扭曲以产生变形坐标栅格(图8)。图9示出简单的正方形参考图案如何能够通过具有对应最大类似性值的偏移的相关中的最大亮度的点定位在更大的图像中。图10示出Penrose点阵的示例性图案。图11示出图10的自相关图案。图12示出伪随机噪声序列(PN)阵列的取样。图13示出Penrose图案的取样。图14A和14B示出通过基于标记位置和相关性的方法测量的χ图14Α)和y (图 14A)漂移之间的比较。图15A和15B示出基于标记位置和相关性方法的χ (图15Α)和y (图15B)漂移变化之间的比较。图16和17示出“杨氏狭缝”实验的示意性视图。图18示出χ相对于η的图形。图19示出与图18中的条件相同条件下δ χ相对于χ的图形。图20Α示出基于图3Α的修改的实施例。图20Β示出在图20Α中在平面16B、16c处俘获的衍射图案的示意性视图。图21A和21B示出用于照射准直光学器件以产生不同波长的两辐强度图案(未示出)的传统的双频YLF微激光器。图21A示出第一波长(例如红光)，图21B示出第二波长 (例如绿光)。图22示出光学上相当于图3的实施例的示意性视图，其中检测器和光学器件的分离被固定，以使得在存在于碰撞在检测器上的非周期的衍射图案中的空间频率能够用于测量输入激光束的波长。图23示出图22的实施例的修改，修改之处在于，通过发生器产生的条纹在一个维度上为大致周期的。图24示出图的实施例的修改，校准器80放置在发生器和检测器之间，以使得连续通过校准器的光在检测器上产生越来越粗的条纹。因为校准器的几何结构是已知的，所以可以推断形成条纹的光的波长。光学器件和检测器的分离因此可利用具有差地限定的波长的激光器测量。图25示出图M的实施例的修改，其中检出的条纹图案是非周期的。图26示出图25的实施例的操作模式。一系列的干涉图案被测量，减小强度和空间频率，对应增大距离检测器的距离时针孔的“影像”的形成。随后的影像大致两倍于校准器光学厚度地间隔开。图27示出图23的实施例的修改，其中柱面透镜(Li、L2)的系统插入在发生器和检测器之间。图28示出在傅里叶域转动测量的测量精度的确定。图29示出倾角Φ和Φ分别定义为ζ相对于X和y的变化率。图30示出在本发明的实施例中用于干涉图案发生器的光学元件的针孔的五边形布局的示意性视图。图31示出通过用于本发明的实施例的光学元件的示意性横截面局部图，示出输入光束通过全息准直仪到孔的路径。图32示出由圆孔衍射产生的艾里斑(Airy disk)。图33示出在本发明的实施例中用于发生器中的光学元件上使用的光栅周期的计
算的结构。图34示出在本发明的实施例中用于确定用于设计用于发生器中的光学元件的数值孔径的结构。
具体实施例方式位置的测量是现代技术中非常重要的任务。本发明的优选实施例允许非常高精度、极低成本地测量位置。优选的实施例提供物理上小且高度可配置的系统。我们在此首先以简单的术语描述系统工作的方式，其是基于包括照相投影仪和屏的光学系统的概念性的例子。图像投射到屏上。典型地，图形稍微小于屏。在第一情形中， 投影仪朝着屏，因此图像相对于屏是“正方形”的。在第二情形中，如果投影仪移动得更靠近屏，那么图像变得更小。这样，在屏上的图像的尺寸是投影仪离开屏多远的度量标准。如果测量在屏上的图像的尺寸，这允许确定从投影仪到屏的距离。可以进行投影仪和屏的相对对齐的其它确定。当投影仪不是恰好正对屏时，典型地在屏的稍微下方，向上指向。在该情形下，图像的底部将较小，图像顶部将较大。图像将被扭曲为梯形形状。因此扭曲的特性是投影仪相对于屏指向的角度的测量。在本发明的优选实施例中，通过检查图像的放大、扭曲、位置(向上或者向下)和转动，可以推断投影仪相对于屏的位置以及它指向什么方向。投影仪可以在任何方向移动， 但是任何的移动都能够通过在6个可能方向的运动的适当组合来进行限定。有沿着轴χ、 y、z的平动和绕这些轴的转动，因此提供在6个维度(x、y、z以及3个转动轴)的位置的清楚测量。本发明的实施例可以提供的位置测量精度是在每立方英寸IOOnm数量级(系统误差)，随机误差基本为零。在优选的实施例中，精度可以提高。可以确定图像关于屏的相对位置，即使不是所有的图像都俘获在屏上。例如，如果投影仪移动得离屏非常远，那么仅小部分的图像俘获在屏上。假如图像的每个部分不同于图像的其它部分，那么原则上可以确定图像的哪个部分已经俘获在屏上。但是，当图像的各个部分高度一致或者类似于其它部分时，则难以进行这种确定。这个例子的另一困难在于，使用简单的投影仪意味着当投影仪移动远离屏或者靠近屏时，图像会失焦。更加难以识别图像的模糊部分。为了提供更有用的系统，系统的“投影仪”和“图像”部分应当优选地提供以下属性图像应当提供大量的精细的细节，但是应当到处都不同；图像绝不应失焦；图像应当是已知结构的。本发明的优选实施例使用平动的大致非周期的真实空间衍射图案。这样图案的简单例子是来自于安置在正五边形的顶点上的五个针孔的衍射图案。该衍射图案示出在图1 中。图1所示的图案具有5折叠的转动对称性，其使得在转换时绝不重复，就如同Penrose 点阵。典型的Penrose点阵示出在2中。这样的图案是平动的非周期的，没有平动对称性。 可以看出，局部地，某些“主题”重复，但是对于图像的足够大的区域，图案仅有一个部分看来像它自己。这样，光场具有类似于称作“斐波那契(Fibonacci)五栅管”[“Diffraction from one-and two-dimensional quasicrystalline gratings，，N. Ferralis, A. W. Szmodis, and R. D. Diehl Am. J. Phys. 72 (9) p. 1241-6(2004)]的数学对象的特征。因为光场的“图”从简单的光学对象(例如针孔阵列)的几何形状、检测器平面的位置和激光的波长的信息简单地导出，所以可以从观察到的场(其从未平动地重复)和针孔几何形状和激光波长的信息倒推平面相对于光学元件的位置的信息。因为图1的图像是衍射图案，它不会超出焦距。相反，它就如同全息图地充满空间。再者，因为图像是由来自孔的简单配置的衍射产生的良好地限定的数学对象，所以可以计算图像的任何部分应当看起来像什么。这样，图形的“图”是数学公式。因此，不必存储巨大的图形以为了匹配检出的图像(对应图形的一部分)以告知图像位于图形中的哪里。衍射图案的尺寸可以通过改变光学元件的特征例如五边形的尺寸(例如在图1的衍射图案的情形中)和光学元件中的孔的直径。以这种方法，可以使得衍射图案根据需要可多可少地充填一定体积的空间，并且衍射图案中最强处(亮点)的分离可以匹配检测器 (相当于上面例子中的“屏”)的分辨率。系统的物理实现示出在图3中。衍射图案发生器，其相当于上面例子中的投影仪， 包括激光器，在激光器上附连(例如胶粘)针孔形式的光学元件。典型地，光学元件是小片的石英，具有利用电子束平版印刷术图案化的非光传输层。在光学元件的背面上是另一图案(也通过电子束平版印刷术写)，其聚焦激光到针孔上。当构造针孔阵列时，在制造系统中涉及的大多数对齐工作在晶片尺上执行。激光器的选择是不受限制的。例如，一种有用的激光器是微型二极管泵YAG激光器，类似于激光指向器中使用的那种。这可用于1立方厘米的包装中，从而允许系统紧凑和结实。检测器
21(对应上面例子中的“屏”)是固态相机芯片，基于CCD或者CMOS技术。这可用于一定范围的尺寸和像素量。如对本领域技术人员来说明显的，也可以用于其它类型的检测器。典型地，检测器将基于各种因素进行选择，包括用于产生干涉图案的电磁辐射的波长。例如，检测器可以设置在1立方厘米的包装中。因为系统操作以确定衍射图案发生器和检测器的整个取向，因此不需要特别小心以在硬件中总对齐二者。相反，测量对象的坐标系统可以在软件中从测量装置的坐标系统转换，从而消除余弦误差并且不需要精确对齐测量系统到被测量系统的运动的物理轴。CXD或者CMOS光敏器件电流处理一般产生好于50nm的像素布置精度(在130nm 节点上的覆盖为一个晶片上65nm)。这样，低成本的相机芯片(恰好)是高精度尺。适用于优选实施例的典型的检测器芯片是可商购的13兆像素的芯片。然而，技术人员将立即理解，不同的检测器芯片(典型地具有更多的像素)通常是可用的，并可以类似地用于本发明。如上所述，系统可以通过修改光学元件上的图案而被修改以为了改变衍射场的尺寸。利用电子束平印术来在光学元件上形成图案是有利的，因为使用现代的电子束平印术设备形成的图案通过利用软件而非照相平版印刷掩膜确定。而且，针孔的尺寸和形状可以很精确地限定。在光学元件是大尺寸的情形下，可以优选经由其它工艺制造光学元件，例如通过利用纳米压印平版印刷术或者照相平版印刷术。这样的工艺能够形成小至大约20nm 尺度的特征(例如利用深紫外线平面印刷术)，从而对应大约2nm的随机位置误差。实施本发明的典型系统可以检查(interrogate)几十立方厘米(几立方英寸)的体积。这样的系统适于用于光学显微镜和光学台中。替代的系统可以利用不同激光器进行配置。双钕YLF/YAG微激光器的优点是尺寸小、功率低、成本低但光束在良好限定的波长下具有良好形状。具有许多可以使用的可能的激光器。适当的替代激光器列出在表1中。表1:激光器
权利要求
1.一种测量系统，具有用于产生包括强度最大处和强度最弱处的干涉图案的电磁辐射干涉图案发生器； 电磁辐射检测器，其能够操作以检测通过所述发生器产生的至少一部分干涉图案，所述检测器具有安置成大致同时检测所述干涉图案中的多个所述强度最大处和/或强度最弱处的检测元件阵列，其中所述系统能够基于检测出的强度最强处和/或强度最弱处确定所述系统的物理属性或者所述系统的物理属性的变化。
2.如权利要求1所述的测量系统，其中，在所述检测器上，所述干涉图案是二维干涉图案，并且所述检测元件在所述检测器上安置为一维阵列或者二维阵列。
3.如权利要求1所述的测量系统，其中，在所述检测器上，所述干涉图案是一维干涉图案，所述检测元件在所述检测器上安置为二维阵列。
4.如权利要求1-3的任何一项所述的测量系统，进一步包括待被测量位置的对象。
5.如权利要求4所述的测量系统，其中，所述位置待被确定的对象具有关于以下的固定空间关系(i)所述电磁辐射干涉图案发生器，或者 ( )所述电磁辐射检测器。
6.如权利要求4或者5所述的测量系统，其中，在使用中，所述对象从第一到第二位置的移动导致在所述检测器上俘获的干涉图案的变化。
7.如权利要求6所述的测量系统，其中，所述对象能够通过以下而运动 (i)对应沿着三个正交平动轴的至少一个的平动的运动；和/或( )对应围绕三个正交转动轴的至少一个的转动的运动，所述对象的运动，或者所述运动的任何组合提供所述干涉图案的变化或者由所述检测器检出的干涉图案的一部分的变化。
8.如权利要求1-7的任何一项所述的测量系统，其中，所述发生器和所述检测器之间的距离是固定的。
9.如权利要求1-8的任何一项所述的测量系统，其中，所述发生器和所述检测器绕公共主轴大致对齐，所述系统适于确定绕所述公共主轴的角位置。
10.如权利要求1-9的任何一项所述的测量系统，其中，所述干涉图案设置有至少一个强度标记以提供不具有旋转对称的总干涉图案。
11.如权利要求1-10的任何一项所述的测量系统，其中，所述发生器和所述检测器的相对位置是固定的。
12.如权利要求1-11的任何一项所述的测量系统，其中，所述检测器直接俘获干涉图案。
13.如权利要求1-12的任何一项所述的测量系统，其中，所述检测器仅俘获少部分的干涉图案。
14.如权利要求1-13的任何一项所述的测量系统，其中，所述干涉图案为大致平动的非周期的二维干涉图案。
15.如权利要求1-14的任何一项所述的测量系统，其中，所述干涉图案发生器包括光源，通过所述干涉图案发生器提供的电磁辐射为空间相干的。
16.如权利要求15所述的测量系统，其中，所述干涉图案发生器包括一个光学元件或者多个光学元件以产生所述干涉图案。
17.如权利要求16所述的测量系统，其中，所述光学元件包括用于光的透射和衍射的光传输孔的配置。
18.如权利要求17所述的测量系统，其中，所述光学元件包括用于导向光线优选向着所述光传输孔的聚焦装置。
19.如权利要求18所述的测量系统，其中，所述聚焦系统选自于至少一个波波带片、 至少一个透镜或者微透镜、至少一个镜子、至少一个空间光调制器和至少一个全息片。
20.如权利要求17-19的任何一项所述的测量系统，其中，所述光学元件包括具有上下表面的光传输基板，所述表面的至少一个具有形成在其上的非光传输层，所述孔通过移除或者省略所述非光传输层而形成。
21.如权利要求20所述的测量系统，其中所述光传输基板的两个表面具有形成在其上的非光传输层，并且所述聚焦装置通过移除或者省略所述非光传输层的部分而形成。
22.如权利要求18所述的测量系统，其中，所述聚焦装置通过成形所述光传输基板的表面而形成。
23.如权利要求22所述的测量系统，其中，所述聚焦装置包括相位光学器件，例如开诺全息片或者二元相位波带片。
24.如权利要求1-23的任何一项所述的测量系统，其中，所述系统能够通过利用不同于所述第一干涉图案的波长的电磁辐射至少产生第二干涉图案以通过在所述检测器上的所述第一干涉图案进行检测。
25.如权利要求M所述的测量系统，其中，每个波长向着光学元件中的相应孔导引以为了产生所述干涉图案。
26.如权利要求M或者25所述的测量系统，其中，不同波长的干涉图案至少部分地基于波长被检测。
27.如权利要求M-26的任何一项所述的测量系统，其中，不同波长的干涉图案至少部分地基于所述图案中的最强处和/或最弱处的间隔进行检测。
28.如权利要求1-27的任何一项所述的测量系统，其中，所述系统进一步包括第二检测器，所述第二检测器用于检测所述强度图案的与所述第一检测器不同的部分。
29.如权利要求观所述的测量系统，其中，所述第一检测器和所述第二检测器是单一主检测器的一部分。
30.如权利要求观或者四所述的测量系统，其中，所述干涉图案发生器和所述第一和第二检测器之间的光学路径的折射指数故意制造为不同的。
31.如权利要求30所述的测量系统，其中，折射指数调节层包括在所述第二检测器上或者接近所述第二检测器，或者介于所述干涉图案发生器和所述第二检测器之间的光学路径中。
32.如权利要求1-27的任何一项所述的测量系统，其中，所述系统进一步包括第二电磁放射检测器，所述第一和第二检测器每个能够操作以检查由所述发生器产生的干涉图案的各自的一部分，其中所述发生器和所述第一和第二检测器之间的各自的光学路径的折射指数故意制造为不同已知的量，由所述第一和第二检测器检出的图案能够用于确定电磁放射线的波长。
33.如权利要求32所述的测量系统，其中，所述第一检测器和所述第二检测器是单一主检测器的一部分。
34.如权利要求1-27的任何一项所述的测量系统，进一步包括路径修改装置以提供至少两不同的路径长度，用于从所述发生器到所述检测器的电磁放射线，以提供在所述检测器上至少两个干涉图案，对应至少两个不同的路径长度。
35.如权利要求34所述的测量系统，其中，所述路径修改装置提供三个或者更多的不同路径长度，用于从所述发生器到所述检测器的电磁辐射线。
36.如权利要求34或者35所述的测量系统，其中，在使用中，所述至少两个干涉图案至少部分地重叠在所述检测器上。
37.如权利要求34-36的任何一项所述的测量系统，其中，所述路径修改装置提供沿着各自的路径长度的电磁辐射的反射的差异。
38.如权利要求37所述的测量系统，其中，校准器提供在所述发生器和所述检测器之间，不同的路径长度从而在使用中由跨过所述校准器的在抵达所述检测器之前的不同数量的电磁辐射传输提供。
39.如权利要求1-38的任何一项所述的测量系统，其中，在使用中，所述电磁干涉图案发生器能够操作以基于具有至少两个不同波长组分的电磁辐射产生电磁辐射干涉图案。
40.如权利要求39所述的测量系统，进一步包括依赖于波长的分离器，用于向着检测器的不同部分空间分离不同波长分量，对应每个分量的干涉图案在使用中任选地部分重叠在所述检测器上。
41.如权利要求40所述的测量系统，其中，所述依赖于波长的分离器是依赖于波长的分散配置或者依赖于波长的过滤器配置。
42.如权利要求1-41的任何一项所述的测量系统，其围绕在大致不透光的壳体中。
43.如权利要求1-42的任何一项所述的装置在测量波分多路复用信道中的波长方面的用途。
44.一种位置确定设备，包括如权利要求1-42的任何一项所述的测量系统。
45.一种波长确定设备，包括如权利要求1-42的任何一项所述的测量系统。
46.一种折射指数确定设备，包括如权利要求1-42的任何一项所述的测量系统。
47.一种测量物理属性的方法，包括步骤利用电磁辐射干涉图案发生器以产生包括强度最强处和强度最弱处的电磁辐射干涉图案；利用检测器以检测通过所述发生器产生的干涉图案的至少一部分，所述检测器具有检测元件阵列，所述检测器从而大致同时检测所述干涉图案的多个强度最强处和/或强度最弱处；和利用检测到的强度最强处和/或强度最弱处以测量物理属性或者物理属性的变化。
48.如权利要求47所述的方法，进一步包括步骤使得检测到的干涉图案部分与对应所述干涉图案的计算图案相关。
49.如权利要求47或者48所述的方法，包括步骤确定所述干涉图案中最强处和/或最弱处的间隔，任选地包括共形地映射检出的干涉图案的步骤。
50.如权利要求49所述的方法，其中，所述最强处和/或最弱处的间隔通过傅里叶分析确定。
51.如权利要求49或者50所述的方法，其中，所述干涉图案中的所述最强处和/或最弱处的间隔通过内插法确定。
52.如权利要求47-51的任何一项所述的方法，其中，物理属性是对象的位置，所述对象与以下任一具有固定的空间关系(i)所述电磁辐射干涉图案发生器，或者 ( )所述电磁辐射检测器。
53.如权利要求52所述的方法，其中，所述对象从第一位置移动到第二位置，从而导致在所述检测器上俘获的干涉图案的变化或者或者干涉图案的一部分变化。
54.如权利要求52或者53所述的方法，其中，所述对象通过以下移动 沿着三个正交平动轴的至少一个平动；和/或围绕三个正交转动轴的至少一个转动，对象沿着或者围绕任何一个轴或者这些轴的组合的运动提供由所述检测器俘获的干涉图案或者干涉图案的一部分的变化。
55.如权利要求47-54的任何一项所述的方法，其中，所述发生器和所述检测器之间的距离是固定的。
56.如权利要求47-55的任何一项所述的方法，其中，所述发生器和所述检测器围绕公共主轴大致对齐，所述方法包括确定围绕该公共主轴的角位置的步骤。
57.如权利要求47-54的任何一项所述的方法，其中，所述发生器和所述检测器的相对位置是固定的。
58.如权利要求47-57的任何一项所述的方法，其中，所述检测器直接俘获干涉图案。
59.如权利要求47-58的任何一项所述的方法，其中，所述检测器仅俘获少部分干涉图案。
60.如权利要求47-59的任何一项所述的方法，其中，所述干涉图案发生器包括光源， 通过所述干涉图案发生器提供的所述电磁辐射是空间相干的。
61.如权利要求47-60的任何一项所述的方法，包括步骤利用与所述第一干涉图案不同波长的电磁辐射产生至少第二干涉图案，以及通过在所述检测器上的第一干涉图案检测所述第二干涉图案。
62.如权利要求61所述的方法，其中，不同波长的所述干涉图案至少部分地基于波长进行检测。
63.如权利要求61或者62所述的方法，其中，不同波长的所述干涉图案至少部分地基于图案中最强处和/或最弱处的间隔进行检测。
64.如权利要求47-63的任何一项所述的方法，包括利用第二检测器来检测强度图案的与第一检测器不同的部分。
65.如权利要求64所述的方法，其中，所述第一检测器和所述第二检测器是单一主检测器的一部分。
66.如如权利要求64或者65所述的方法，其中，所述干涉图案发生器和所述第一和第二检测器之间的光学路径的折射指数被故意制造为不同的。
67.如权利要求64-66的任何一项所述的方法，其中，折射指数调节层包括在所述第二检测器上或附近，或者介于所述干涉图案发生器和所述第二检测器之间的光学路径中。
68.如权利要求47-67的任何一项所述的方法，其中，所述物理属性是电磁辐射的波长。
69.如权利要求68所述的方法，进一步包括步骤控制电磁放射线的源的操作，以为了基于测量的波长控制波长。
70.如权利要求47-67的任何一项所述的方法，其中，所述物理属性是电磁辐射在所述发生器和所述检测器之间通过其中的介质的折射指数。
71.如权利要求47-63的任何一项所述的方法，其中，至少两个不同的路径长度被提供用于从所述发生器到所述检测器的电磁放射线，以在所述检测器上提供至少两个干涉图案，每个图案对应不同路径长度并且每个图案具有在最强处和/或最弱处之间的不同的特征间隔。
72.如权利要求71所述的方法，其中，三个或者更多的不同路径长度被提供用于从所述发生器到所述检测器的电磁辐射。
73.如权利要求71或者72所述的方法，其中，所述不同的干涉图案至少部分地重叠在所述检测器上。
74.如权利要求71-73的任何一项所述的方法，其中，所述不同路径长度通过电磁放射线沿着各自的路径长度的反射的差异提供。
75.如权利要求74所述的方法，其中，校准器提供在所述发生器和所述检测器之间，不同的路径长度通过电磁辐射跨过所述校准器的在抵达所述检测器以前的不同数量的传输提供。
76.如权利要求47-60的任何一项所述的方法，其中，所述电磁辐射包括不同波长的至少两个分量，所述方法包括确定该两个分量的一个或者二者的波长。
77.如权利要求76所述的方法，其中，不同波长的分量向着所述检测器的不同部分空间分离，对应每个分量的干涉图案任选地部分地重叠在所述检测器上。
78.如权利要求77所述的方法，其中，不同波长的分量通过依赖于波长的分散配置或者通过依赖于波长的过滤器配置分隔。
79.如权利要求76或者77所述的方法，应用于测量波分多路复用信道中的波长。
全文摘要
提供可见光干涉图案的各种使用。适当的干涉图案是通过来自孔的图案的衍射形成的那些。在此公开的典型使用涉及空间度量，例如平动的和/或角位置确定系统。进一步的使用包括分析光自身的属性(例如电磁辐射的波长的确定)。更进一步的使用包括分析光通过其中的物质的一个或多个属性(例如折射指数)。干涉图案的一部分在像素话的检测器例如CCD芯片上被俘获，并且俘获的图案与计算的图案相比较。最强处之间的间隔的非常精确的测量是可能的，从而允许在干涉图案中检测器的位置的非常精确的测量。
文档编号G01D11/00GK102216736SQ200980142382
公开日2011年10月12日 申请日期2009年8月25日 优先权日2008年8月26日
发明者乔纳森.M.R.韦弗, 凯文.E.多彻蒂, 张瑗, 戴维.P.伯特, 斯蒂芬.汤姆斯, 菲利普.S.多布森 申请人:格拉斯哥大学理事会