專利名稱：樣品傾斜的測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種樣品傾斜的測量方法，用于測量柱狀件、例如套管的軸線的傾斜度，柱狀件在例如使用顯微干涉儀分析其前端部分的形狀等時由夾具加以夾持。
背景技術(shù)：
近來人們正在開展用于光通信的光纖的研發(fā)工作。
公知的這種光纖包括外徑約為10微米的纖芯和布置在纖芯外圍的外徑約為125微米的包層，同時還包括一個布置在其連接端部的用于連接光纖與另一根光纖的套管。
套管是圓柱形構(gòu)件，用于使光纖的一端保持和固定在一組插頭的每個插頭中。在光纖插入并用粘合劑之類固定在一個套管的外徑的中央部分之后，套管的前端拋光成一個鏡面，當兩個套管的前端面相互對接時，使兩根由各自的套管保持的光纖彼此連接。
通常公知的套管前端面拋光成一個與光軸正交的平面。
為減少光纖彼此連接時的光損耗，日本工業(yè)標準已規(guī)定各種微米數(shù)量級的高精度技術(shù)要求。
同時，顯微干涉儀也用于檢查生產(chǎn)出來的套管是否符合技術(shù)規(guī)格。顯微干涉儀成形成載有相位信息、例如小樣品的表面形狀和折射率分布的物體光以及從一個預(yù)定基準板反射的基準光彼此干涉，從而觀察所獲得的干涉條紋，測量和分析干涉條紋的形狀和變化，得到樣品的相位信息。
使用這種顯微干涉儀檢查生產(chǎn)出來的套管時，夾具布置在基準板前面的預(yù)定位置，夾持待檢查的套管。
由于套管前端面的技術(shù)規(guī)格如上所述為微米數(shù)量級，因此，要求其測量有很高的精度，即使由夾具夾持的套管僅僅略有傾斜，也難以達到適于檢查的測量精度。在某些測量項目中，適于檢查的測量精度難以達到，除非顯微干涉儀基準面的法線和套管的軸線之間的傾斜誤差為10秒或以下的角度。
雖然直接測量這種套管的傾斜度時可以調(diào)整夾具的傾斜度，但是，其測量和調(diào)整十分復(fù)雜，要求有高精度，傾斜誤差不容易調(diào)整。
如果是前端面的傾斜度與套管軸線的垂線相重合的套管，如果前端面相對于套管軸線的垂線的角誤差(垂直度)可以與套管軸線的傾斜度(同心度)一起測量，那么，就可以進行有效測量。
就測量垂直度而言，使用編碼器確定預(yù)定角度(90°)的技術(shù)和使用水準儀直接確定角度的技術(shù)得到嘗試。但是，使用這些技術(shù)難以獲得高精度測量結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于這種情況，本發(fā)明的第一個目的是提出一種樣品傾斜的測量方法，能夠低成本、高精度、易實施地測量由夾具夾持的套管的軸線的傾斜度。
本發(fā)明的第二個目的是提出一種樣品傾斜的測量方法，能夠低成本、高精度、易實施地同時調(diào)整由夾具夾持的套管的軸線的傾斜度和套管的前端面相對于套管軸線的垂線的傾斜度。
為達到第一目的，本發(fā)明提出第一種樣品傾斜的測量方法，用于測量具有平面形狀前端面的柱狀件的軸線的傾斜度，所述柱狀件由夾具加以夾持，作為樣品的所述前端面用角度測量儀進行觀察；這種方法包括以下步驟使柱狀件相對于角度測量儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度，同時處于由夾具夾持的狀態(tài)，測定兩個轉(zhuǎn)動位置中每個位置的角度；
根據(jù)測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量柱狀件的軸線的傾斜度。
角度測量儀可以是自動準直儀。
此外，本發(fā)明還提出另一種樣品傾斜的測量方法，用于測量具有平面形狀前端面的柱狀件的軸線的傾斜度，柱狀件由夾具加以夾持，作為樣品的所述前端面用干涉儀進行觀察；這種方法包括以下步驟使柱狀件相對于干涉儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度，同時處于由夾具夾持的狀態(tài)，在兩個轉(zhuǎn)動位置中的每個位置測定干涉儀的基準面和前端面之間的相對角度；以及根據(jù)測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量柱狀件的軸線的傾斜度。
最好，在這種情況下，干涉儀基準面和前端面之間的相對角度在彼此按預(yù)定的180°角度分開的第一和第二轉(zhuǎn)動角度中的每個角度進行測定；以及使用以下的條件表達式(1)測量柱狀件的軸線的傾斜度βx＝(mx1+mx2-180)/2βy＝(my1+my2-180)/2(1)其中，mx1和my1是分別在第一轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角和y方向角；mx2和my2是分別在第二轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角和y方向角；βx和βy是分別沿x方向和y方向的轉(zhuǎn)動軸線的傾斜角。
為達到第二目的，本發(fā)明提出第二種樣品傾斜的測量方法，用于測量具有平面形狀前端面的柱狀件的軸線的傾斜度、以及前端面相對于柱狀件軸線的垂線的角度，柱狀件由夾具加以夾持，作為樣品的前端面用干涉儀進行觀察。
這種方法包括以下步驟使柱狀件相對于干涉儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度，同時處于由夾具夾持的狀態(tài)，在兩個轉(zhuǎn)動位置中的每個位置測定干涉儀的基準面和前端面之間的相對角度；以及根據(jù)測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量柱狀件的軸線的傾斜度、以及前端面相對于柱狀件軸線的垂線的傾斜度。
最好是，在這種情況下，干涉儀基準面和前端面之間的相對角度在彼此按預(yù)定的180°角度分開的第一和第二轉(zhuǎn)動角度中的每個角度進行測定；以及使用以下的條件表達式組(2)和(3)測量柱狀件的軸線的傾斜度以及前端面相對于柱狀件軸線的垂線的傾斜度αx＝(180-mx1+mx2)/2αy＝(180-my1+my2)/2(2)βx＝(mx1+mx2-180)/2βy＝(my1+my2-180)/2(3)其中，mx1和my1是分別在第一轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角和y方向角；mx2和my2是分別在第二轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角和y方向角；βx和βy是分別沿x方向和y方向的轉(zhuǎn)動軸線的傾斜角；αx和αy分別是前端面相對于柱狀件軸線的垂線的傾斜角。
在每個上述方法中，可以采用相移條紋分析或傅里葉條紋分析測定兩個轉(zhuǎn)動位置的角度。
如果柱狀件是一個套管，則這些方法特別有用。
干涉儀可以是顯微干涉儀。


圖1A和1B是樣品傾斜的測量方法的一維示意圖；圖2A和2B是樣品傾斜的測量方法的二維示意圖；圖3是套管前端面和基準面之間角度的測定技術(shù)的流程圖；圖4是圖3所示技術(shù)的一部分的示意圖；圖5是圖3所示流程圖的改進實施例；圖6是套管前端面和基準面之間的角度測定系統(tǒng)的實施例的方框圖；圖7是本發(fā)明實施例中套管夾具的剖視圖；
圖8是圖7所示夾具的外部立體圖；圖9是圖7所示夾具的局部前視圖；圖10是圖7所示夾具的一部分的立體圖；圖11是配有圖7所示夾具的顯微干涉儀的立體圖；具體實施方式
下面參照附圖描述本發(fā)明的一些實施例。在描述本發(fā)明實施例所述的樣品傾斜的測量方法之前，先參照圖11描述一下顯微干涉儀，顯微干涉儀配有夾持套管的夾具，用于通過預(yù)定的干涉光系統(tǒng)觀察套管的前端面。
顯微干涉儀圖11是本發(fā)明一個實施例中顯微干涉儀的局部剖開的立體圖。
圖11所示的顯微干涉儀1包括一個主機身，主機身由一個底板2、一個前板3(以局部剖開的方式示出)、一個后板4、一個隔板5和一個蓋罩6(以局部剖開的方式示出)構(gòu)成，一個電源7、一個控制盒8和一個主系統(tǒng)10布置在主機身內(nèi)。
主系統(tǒng)10包括一個物鏡單元11、一個壓電單元12、一個半反射鏡/光源單元13、一個成象透鏡單元14、一個鏡箱15和一個CCD攝像單元16。其中，成象透鏡單元14、鏡箱15和CCD攝像單元16與一個固定到隔板5上的固定臺17相連接，物鏡單元11、壓電單元12、半反射鏡/光源單元13與一個聚焦臺18(以局部剖開的方式示出)相連接。
聚焦臺18由沿前后移動方向(如圖中箭頭B和F所示)平行延伸的上、下導(dǎo)軸19A、19B(以局部剖開的方式示出)加以支承，以進行前后滑動。一個螺旋彈簧9布置在固定臺17和聚焦臺18之間，使聚焦臺18在螺旋彈簧9的彈性作用下前移(沿圖中箭頭F的方向)。
前板3配有一個用于移動聚焦臺18的聚焦調(diào)整螺釘20，以進行主系統(tǒng)10的聚焦調(diào)整。聚焦調(diào)整螺釘20包括一個旋入到前板3上一個未示出的螺孔中以便在圍繞其軸轉(zhuǎn)動時進行前后移動的螺旋軸21和一個用于使螺旋軸21轉(zhuǎn)動的旋鈕22。螺旋軸21的前端面靠著一個布置在聚焦臺18的前端面部分的半球形凸起18a。隨著通過轉(zhuǎn)動旋鈕22改變螺旋軸21從前板3伸出的長度，聚焦調(diào)整螺釘20可以使聚焦臺18沿導(dǎo)軸19A、19B前后移動，從而進行聚焦調(diào)整。
具有上述結(jié)構(gòu)的干涉儀主系統(tǒng)10以來自一個獨立于基準光的未示出光源的照明光照射一個夾持在物鏡單元11前面預(yù)定位置的微小樣品(未示出)，使從樣品反射的物體光與基準光相干涉，使如此產(chǎn)生的干涉光通過成象透鏡單元14內(nèi)的一個成象透鏡系統(tǒng)(未示出)，然后在一個未示出的CCD攝像單元上形成一個干涉條紋圖象。當測定和分析如此形成的干涉條紋的形狀和變化時，可以進行樣品的表面形狀的三維測量及其物理特性的測定。干涉儀主系統(tǒng)10有多種類型，例如Mireau、Michelson和Linnik等型號。
前板3配有一個傾斜度調(diào)整器100。傾斜度調(diào)整器100包括一個固定在前板3上的L形第一基礎(chǔ)件110和一個呈類似于第一基礎(chǔ)件110的L形的并同第一基礎(chǔ)件110相對置的第二基礎(chǔ)件120。第二基礎(chǔ)件120支承成使用一個支承部分130作為支點同第一基礎(chǔ)件110相傾斜，并且適于分別通過第一和第二調(diào)整件140、150圍繞一個從支承部分130基本沿水平方向延伸的軸線以及圍繞一個從支承部分130基本沿垂直方向延伸的軸線進行傾斜，從而調(diào)整其同第一基礎(chǔ)件110的傾斜度。
一個夾具架200固定在傾斜度調(diào)整器100的第二基礎(chǔ)件120上。夾具架200包括一個前部210、一個后部220和一個使之相連的連接部分230，前部210由三個連接螺釘240固定到第二基礎(chǔ)件120上。夾具架200的前部210定位在物鏡單元11的前端面一側(cè)，而其中央部分形成一個夾具架凹口221，用于在其內(nèi)保持一個夾具300。前板3還配有一個電源開關(guān)30，用于開/關(guān)顯微干涉儀1的電源。
夾具的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在參照圖7至10詳細描述夾具300。實際上，用于進行本發(fā)明樣品傾斜的測量方法的夾具不限于這里所描述的夾具。圖7是本發(fā)明一個實施例中套管夾具的剖視圖，圖8是其立體圖，圖9是其局部正視圖，圖10是其一部分的立體圖。圖7示出夾持套管的狀態(tài)。
所示的夾具300用于將圖7所示的一個管件410內(nèi)接納的一個套管420保持在圖11所示的顯微干涉儀1中物鏡單元11前面的預(yù)定位置。
管件410構(gòu)成一個光連接器插頭400(以下簡稱為“插頭400”)，插頭400通過一個套筒與另一個插頭(未示出)相連接。管件410包括一個內(nèi)管412和一個相對于內(nèi)管412前后滑動的外管411，將套管420接納在其中。
套管420將一根單模光纖430的一個端部固定在一個套管主體421的外徑中央。由一個圓柱形部分422和一個邊緣423構(gòu)成的一個保持架固定在套管主體421的后端部分。套管主體421由鋯陶瓷制成，其前端面424拋光成一個平表面。
套管420接納在管件410內(nèi)，處于一個螺旋彈簧425與圓柱形部分422相連接的狀態(tài)，一個彈簧止動環(huán)413阻止其向后松脫。螺旋彈簧425的彈性以預(yù)定壓力將套管420向前壓(圖7中向右)，從而使前端面424易于同未示出的另一個套管的前端面緊密接觸。
如圖7和8所示，夾具300包括一個基本呈環(huán)形的底座310、一個比底座310厚的形如圓盤的支座320、一個相對于支座320進行上下移動的移動裝置330以及一個用于從其上方壓緊移動裝置330的壓緊件340。
如圖8所示，底座310包括三個螺孔311和兩個形狀相同的彼此分開180°的定位開口312。螺孔311接納用于將夾具300固定在夾具架200上的螺釘(見圖11)，開口312布置成如果夾具300設(shè)置成一個配有夾具架200的定位銷(圖11中標號為350)插入到開口312之一中，那么，夾具300可以相對于夾具架200進行定位。因此，夾具300可以在彼此轉(zhuǎn)動180°的兩個位置固定到夾具架200上，套管420就易于定位在彼此轉(zhuǎn)動180°的兩個位置，如后所述。
底座310的頂部形成一個凹口313。
支座320與底座310連為一體，一個矩形窗口321處于其中央部分稍微向上的位置。支座320的前端面配有一個鄰接窗口321下側(cè)的半圓形凹口322，一個沿夾具300的軸線L朝前延伸的第一支承件323布置在凹口322內(nèi)。如圖8所示，第一支承件323的外周邊形成一個半圓柱形表面，而其內(nèi)周邊形成一個具有V形截面的凹槽。圖7所示的第一支承件323的截面示成沿著第一支承件323和套管420彼此接觸的位置進行延伸。
移動裝置330與底座310分開，布置在支座320的窗口321內(nèi)。移動裝置330的前端面形成一個與支座320的凹口322對稱的半圓形凹口332。布置在凹口332內(nèi)的是一個第二支承件333，第二支承件333向前延伸，相對于夾具300的軸線L同第一支承件323對置。如圖8所示，第二支承件333的外周邊形成一個半圓柱形表面，而其內(nèi)周邊形成一個具有梯形截面的凹槽。
具體地說，如圖9所示，移動裝置330沿著分別在支座320的窗口321內(nèi)左右端部部分豎直延伸的導(dǎo)軸334A、334B上下移動。如圖10所示，用于上推移動裝置330的螺旋彈簧335(僅示出導(dǎo)軸334B一側(cè)的一個)分別安裝到兩個導(dǎo)軸334A、334B上，而移動裝置330形成彈簧接納凹口336，用于保持螺旋彈簧335的上端部分。當壓緊件340未壓緊移動裝置330時，由于螺旋彈簧335的彈性的緣故，移動裝置330的第二支承件333定位在離開套管420一側(cè)的夾持松開位置，其另一側(cè)由支座320的第一支承件323進行支承。螺旋彈簧335可以布置在與導(dǎo)軸334A、334B不同的位置。其它彈性件、例如橡膠件可以用作上推移動裝置330的構(gòu)件。
如圖7所示，壓緊件340包括一個螺旋軸341、一個螺旋底座342和一個桿件345，螺旋軸341旋入到一個螺孔324中，螺孔324從底座310頂部凹口313的底面延伸到支座320上的窗口321，螺旋底座342的直徑大于螺旋軸341的直徑，桿件345具有一個螺旋軸344，螺旋軸344旋入到螺旋底座342上的一個螺孔343中。隨著桿件345圍繞螺旋軸341的軸線C’轉(zhuǎn)動，壓緊件340可以下壓移動裝置330，處于螺旋軸341的球形前端面與移動裝置330接觸的狀態(tài)，從而使第二支承件333從夾持松開位置移動到與套管420的上述一側(cè)相接觸的夾持位置抵住螺旋彈簧335。
如圖7所示，移動裝置330配有一個承壓件337，承壓件337在由夾具300夾持的管件410的一個側(cè)壁部分的對面與第二支承件333對置。壓緊件340布置成通過其壓緊點P’(螺旋軸341的球形前端面和承壓件337之間的交點)的力的作用線(與上述軸線C’重合)穿過管件410，與承壓件337相交，并穿過由第一支承件323支承的套管420區(qū)域(圖7中點S’和點T之間的區(qū)域)。如圖8所示，壓緊件340的桿件345的轉(zhuǎn)動區(qū)域由一個止動件314加以限制，止動件314由夾具300的底座310頂部上的凹口313的左右壁部分構(gòu)成。
夾具的操作如此構(gòu)成的夾具300夾持光連接器插頭400的情況如下。首先，插頭400 緊在夾具300的前端面上，使套管420的前端部分插入在夾具300的支座320的第一支承件323和移動裝置330的第二支承件333之間。然后，轉(zhuǎn)動壓緊件340的桿件345，使壓緊件340的螺旋軸341的前端面壓緊移動裝置330的承壓件337，從而使移動裝置330的第二支承件333從夾持松開位置移動到夾持位置，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，插頭400為夾具300所保持，處于套管420的軸線(未示出)與夾具300的軸線L相重合的狀態(tài)。
在這種夾持狀態(tài)，夾具300的第一支承件323和第二支承件333從管件410前端的外側(cè)延伸到內(nèi)側(cè)而彼此相對。因此，第一和第二支承件323、333可以獲得較長的套管420夾持邊緣。同時，壓緊件340的螺旋軸341的球形前端面壓緊在第二支承件333上面延伸的移動裝置330的承壓件337。這樣，壓緊件340的力的作用線通過管件410，與承壓件337相交，并進一步通過由第一支承件323加以支承的套管420區(qū)域。因此，即使移動裝置330由壓緊件340壓緊，也可以防止移動裝置330扭曲(如圖7所示，當力的作用線通過由第一支承件323加以支承的套管420區(qū)域的外部時，順時針轉(zhuǎn)動移動裝置330)，由此可以可靠地夾持套管420。
如果要從夾具300卸下插頭400，只要反向轉(zhuǎn)動壓緊件340的桿件345，停止螺旋軸341的前端面壓緊移動裝置330，使移動裝置330的第二支承件333移動到夾持松開位置，這樣，第一支承件323和第二支承件333不再夾持套管420，從而松開套管420。
樣品傾斜的測量雖然套管420由夾具300可靠夾持，但是套管前端面424的形狀規(guī)格如上所述為微米數(shù)量級，其測量必須高度精確。因此，即使由夾具夾持的套管相對于顯微干涉儀1傾斜一個微小的角度，也難以達到適于檢查的測量精度。
這種儀器具有如上所述的各種機械部件(傾斜度調(diào)整器100和夾具架200等)，其機械誤差易于累積，從而使套管傾斜一個微小角度。
這種傾斜誤差必須調(diào)整。因為調(diào)整精度要求很高，所以要采用本實施例方法中的下述技術(shù)測量套管的軸線相對于顯微干涉儀1的光軸(假定垂直于顯微干涉儀1的基準面)的傾斜度。
圖1A和1B示出本發(fā)明一個實施例中的樣品傾斜的測量方法。
這里，為方便起見，僅描述一個方向的傾斜度(x方向的傾斜度)。
在套管420由夾具300夾持的情況下，分別在套管420的一個第一轉(zhuǎn)動位置(圖1A)和一個從第一轉(zhuǎn)動位置轉(zhuǎn)動180°的第二轉(zhuǎn)動位置(圖1B)測量套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度(mx1和mx2)。
這里，假設(shè)套管420的前端面424相對于套管420的軸線S的垂線傾斜一個角度α，并且相對于顯微干涉儀1的光軸(顯微干涉儀1的基準面的垂線、即Z軸)傾斜一個角度β，那么，可以確定角度β如下
由于mx1＝α+β (4)mx2＝180-α+β (5)得β＝(mx1+mx2-180)/2 (6)如果是前端面424的傾斜度與套管420軸線S的垂線相重合的套管，如果套管420的軸線S的傾斜度(同心度)和前端面相對于套管420的軸線S的垂線的角誤差(角α)可以同時測量，那么，就可以提高測量效率。
在這種情況下，引入下述表達式(7)(α＝(-mx1+mx2+180)/2 (7)即可與從上述表達式(4)和(5)導(dǎo)出的表達式(6)一起確定角α與角β。
雖然上面對一維傾斜測量方法進行了描述，但是實際上需要的樣品傾斜是二維傾斜。二維傾斜測量方法基本與上述一維傾斜測量方法相同，具體如下圖2A和2B示出用于確定二維傾斜(x方向傾斜和y方向傾斜)的樣品傾斜的測量方法。
在套管420由夾具300夾持的情況下，分別在套管420的一個第一轉(zhuǎn)動位置(圖2A)和一個從第一轉(zhuǎn)動位置轉(zhuǎn)動180°的第二轉(zhuǎn)動位置(圖2B)測量套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度(mx1，my1)和(mx2，my2)。
這里，假設(shè)套管420的前端面424與套管420的軸線S的垂線傾斜成角度(αx，αy)，并與顯微干涉儀1的光軸(顯微干涉儀1的基準面的垂線、即Z軸)傾斜成角度(βx，βy)，那么，使用一維測量方法的轉(zhuǎn)換方法可以確定角度(βx，βy)如下由于
mx1＝αx+βxmy1＝αy+βy(8)mx2＝180-αx+βxmy2＝180-αy+βy(9)得βx＝(mx1+mx2-180)/2βy＝(my1+my2-180)/2(10)如果是前端面424的傾斜度與套管420軸線S的垂線相重合的套管，如果套管420的軸線S的傾斜度(同心度)和前端面相對于套管420的軸線S的垂線的角度(αx，αy)可以如同一維測量情況下那樣同時進行測量，那么，就可以提高測量效率。
在這種情況下，引入下述表達式(11)αx＝(180-mx1+mx2)/2αy＝(180-my1+my2)/2 (11)即可與從上述表達式(8)和(9)導(dǎo)出的表達式(10)一起確定角(αx，αy)與角(βx，βy)。
雖然上述實施例使用在兩個彼此分開180°的位置測得的套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度(mx1，my1)和(mx2，my2)，但是在本發(fā)明樣品傾斜的測量方法中，兩個相對轉(zhuǎn)動角度可以取任意值。
在這種情況下，通式表達為下述表達式組(12)θxz＝θx-tan-1(tanθ·sinφ)θyz＝θy-tan-1(tanθ·cθsφ)(12)其中θxz是套管420的軸線S的x方向傾斜度；
θyz是套管420的軸線S的y方向傾斜度；θx是前端面424的x方向傾斜度；θy是前端面424的y方向傾斜度；θ是前端面424的傾斜度(最大傾斜角)；以及φ是從前端面424的最大傾斜線的x-y平面上投影線的X軸線的移動角度。
上述φ由下述表達式(13)確定A[(1-φ22)(1-cosΦ)+(φ-φ26)sinΦ]=φ-φ26-(φ-φ26)cosΦ]]>-(1-φ22)sinΦ[-A2(1-cosΦ)-sinΦ6+16-cosΦ6-sinΦ2]φ2]]>+(AsinΦ-1+cosΦ)φ+A(1-cosΦ)φ+sinΦ=0]]>其中A=θx-θ′xθy-θ′y]]>Ф是轉(zhuǎn)動角度；θ’x是轉(zhuǎn)動角度為Ф時前端面424的x方向傾斜度；θ’y是轉(zhuǎn)動角度為Ф時前端面424的y方向傾斜度。
上述θ由下述表達式(14)確定θy-θ’y＝tanθ[cosφ-cos(φ+Ф)](14)套管前端面和基準面之間的角度的測定為了實施上述實施例的方法，必須測定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度。各種技術(shù)可以用于測定這個相對角度。例如，由于顯微干涉儀1可以獲得樣品的干涉條紋信息，因此，這可以用于產(chǎn)生樣品的干涉條紋圖象。然后，分析干涉條紋圖象，測定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的二維相對角度。作為干涉條紋圖象分析技術(shù)，采用相移干涉條紋分析的技術(shù)和采用傅里葉變換干涉條紋分析的技術(shù)任何一種都可以使用。
實際上，也可以使用角度測量儀、例如自動準直儀代替分析干涉條紋圖象來測定二維相對角度。
本發(fā)明要點在于測量套管420的軸線相對于顯微干涉儀1的光軸的傾斜度以及套管420的前端面424相對于套管420軸線的垂線的傾斜度。因此，所有測定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度的技術(shù)將予以詳述。作為其典型的實施例，下面將單獨詳述采用上述傅里葉變換干涉條紋分析測定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度的技術(shù)。
圖3是測定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度的技術(shù)的流程圖。
首先，用CCD攝像機獲得載有樣品形狀信息的與空間載體干涉條紋重疊的干涉條紋圖象(S11)。然后，如此獲得的干涉條紋圖象進行傅里葉變換(S12)，通過濾波分離出空間載頻(fx，fy)(S13)，并根據(jù)這個載頻進行傅里葉變換干涉條紋分析，從而得出c(x，y)(后面將予以描述)，由此確定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的傾斜度(相對角度)(S14)。
現(xiàn)在參照圖6描述測量套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間傾斜度的示意系統(tǒng)。
如圖6所示，分別由來自樣品前端面602(424)和Michelson式干涉儀601的基準面603的反射光流形成的干涉條紋在攝像機604的CCD605的成象面獲取，通過圖象輸入板606輸入到配置有CPU和圖象處理存儲器的計算機607中。如此輸入的干涉條紋圖象數(shù)據(jù)進行各種算術(shù)運算，運算結(jié)果顯示在監(jiān)視器熒屏607A上。這里，從攝像機604輸出的干涉條紋圖象數(shù)據(jù)在CPU控制下暫時存儲到存儲器中。
計算機607在軟件方面配置成對獲得的干涉條紋圖象數(shù)據(jù)進行傅里葉變換，根據(jù)干涉條紋圖象計算套管420的前端面602和顯微干涉儀1的基準面603之間的傾斜度，并根據(jù)套管420的前端面602和顯微干涉儀1的基準面603之間的傾斜度計算套管420的軸線的傾斜度，如圖3所示。
如圖6所示，當計算機607通過D/A轉(zhuǎn)換板608向驅(qū)動器609發(fā)出預(yù)定指令時，調(diào)節(jié)器610適于調(diào)整基準面603的傾斜度。
現(xiàn)在參照一些表達式說明上述測定技術(shù)。
如上所述，傅里葉變換干涉條紋分析僅僅通過引入載頻(樣品前端面424和基準面之間的傾斜度)即可從單個干涉條紋圖象資料確定相位。引入載頻時，干涉條紋強度表達為下述表達式(15)i(x，y)＝a(x，y)+b(x，y)cos(2πfx+2πfyy+φ(x，y)+ξ) (15)其中a(x，y)是干涉條紋背景；b(x，y)是干涉條紋可見度；φ(x，y)是樣品相位；ξ是相移量(2πx/λ)；fx和fy是載頻。
載頻fx、fy表達為下述表達式組(15a)fx＝2·tanθx/λfy＝2·tanθy/λ (15a)令λ為光的波長，fx和fy為樣品前端面424的x方向和y方向傾斜度，x為相移裝置的相移量，則上述表達式(15)可以變更為下述表達式(16)i(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp[i(2πfx+2πfy)]+c*(x，y)exp[i(2πfx+2πfy)](16)其中c*(x，y)是c(x，y)的共軛值c(x,y)=b(x,y)exp{i[φ(x,y)+ξ]}2]]>
上述表達式(17)可以進行傅里葉變換而成為下述表達式(18)I(η，ξ)＝A(η，ξ)+C(η-fx，ξ-fy)+C*(η-fx，ξ-fy) (18)其中A(η，ξ)是a(x，y)的傅里葉變換；C(η-fx，ξ-fy)是c(x，y)的傅里葉變換；C*(η-fx，ξ-fy)是c*(x，y)的傅里葉變換。
總之，在傅里葉變換中，C(η-fx，ξ-fy)由濾波確定，位于頻率坐標系上位置(fx，fy)的頻譜峰值移動到坐標原點，如圖4所示，以消除載頻。然后，采用反向傅里葉變換確定c(x，y)，從而獲得包覆相位。然后，解包確定樣品的Ф(x，y)相位。鑒于樣品前端面424和基準面之間存在預(yù)定的角度關(guān)系，具體地說是表達式(15a)的關(guān)系，因此要確定載頻位置(fx，fy)的各個數(shù)值，再根據(jù)這些數(shù)值確定樣品前端面424和基準面之間的相對角度。
當從上述表達式(18)的結(jié)果獲得次峰位置而不是位于坐標原點的最大峰值即C(η-fx，ξ-fy)的位置時，就獲得(fx，fy)的各個數(shù)值。因此，可以確定樣品前端面424的x方向和y方向傾斜度mx和my。
不僅上述技術(shù)(第一技術(shù))，而且下述技術(shù)(第二技術(shù))也可以確定樣品前端面424的x方向和y方向傾斜度mx和my。
圖5的流程圖示出這種傾斜測定方法。
首先，用CCD圖象采集攝像機獲得載有樣品形狀信息的與空間載體干涉條紋重疊的干涉條紋圖象(S21)。然后，如此獲得的干涉條紋圖象進行傅里葉變換(S22)，通過濾波分離出載頻的頻譜分布(旁瓣)C(η-fx，ξ-fy)(S23)。然后，這種分布C(η-fx，ξ-fy)進行反向傅里葉變換，獲得c(x，y)，從而獲得包覆相位(S24)。然后解包，根據(jù)樣品前端面424的形狀信息確定樣品的相位P(x，y)(S25)。然后，采用最小平方法確定相位P(x，y)的最小平方平面(S26)。最后，根據(jù)最小平方平面的微分系數(shù)確定樣品前端面424的傾斜度(S27)。
在上述第一技術(shù)中的傅里葉干涉條紋分析方法中，分離出載頻的頻譜分布(旁瓣)C(η-fx，ξ-fy)(S23)，然后，其峰值從其位置(fx，fy)移動到坐標原點，以消除載頻，然后，進行反向傅里葉變換，確定樣品前端面424的相位(形狀)。
相反，在第二技術(shù)中，樣品前端面424的傾斜度被認為是其形狀的一部分，上述表達式(18)中載頻的頻譜分布(旁瓣)C(η-fx，ξ-fy)的峰值進行反向傅里葉變換，但不移動即不消除載頻。因此，最終獲得的樣品前端面424的相位P(x，y)包括傾斜分量。
換句話說，上述相位P(x，y)表達為下述表達式(19)P(x，y)＝2πfx+2πfyy+φ(x，y)＝ax+by+φ(x，y) (19)＝tan(θx)x+tan(θy)y+φ(x，y)其中a是x方向上最小平方平面的微分系數(shù)；b是y方向上最小平方平面的微分系數(shù)。
這樣，第二技術(shù)采用最小平方法確定未消除載頻而確定的樣品前端面424的形狀的最小平方平面(即通過最小平方法擬合形狀而獲得的平面)，確定最小平方平面在x方向和y方向上的微分系數(shù)，使用上述表達式(19)獲得樣品前端面424的傾斜度mx和my，由此易于確定樣品前端面424相對于基準面的傾斜度。
在上述技術(shù)中，當確定樣品前端面424的形狀的平面表示式時，可以不采用最小平方法而使用擬合法。例如，可以用預(yù)定球面進行擬合，可以確定球面中心坐標點切面的傾斜度，計算樣品前端面424相對于基準面的傾斜度。
因此，采用傅里葉變換干涉條紋分析，可以測定樣品前端面424相對于基準面的二維傾斜度。當采用傅里葉變換干涉條紋分析確定樣品前端面424相對于基準面的二維傾斜度時，不必使用干涉條紋圖象的整個區(qū)域。分析一部分干涉條紋圖象區(qū)域足以得到有效數(shù)據(jù)。
樣品傾斜的校正因為套管420的軸線S相對于顯微干涉儀1的光軸的相對角度(βx，βy)可以如上所述進行測量，所以可以根據(jù)如此測得的數(shù)值校正套管420的軸線S的傾斜度。
在這種情況下，套管420的軸線S相對于顯微干涉儀1的光軸的相對角度(βx，βy)的顯示，其優(yōu)越性在于更容易校正傾斜度。
可以根據(jù)相應(yīng)于相對角度(βx，βy)的輸出值通過手動調(diào)整或自動調(diào)整來校正傾斜度。
此外，使用相應(yīng)于相對角度(βx，βy)的數(shù)值作為校正值，可以校正測得的數(shù)據(jù)，以校正傾斜度。
其它不限于上述的實施例，本發(fā)明的樣品傾斜的測量方法可以進行各種各樣的改進。例如，雖然上述實施例在兩個彼此轉(zhuǎn)動180°的位置測定套管420的前端面424和顯微干涉儀1的基準面之間的相對角度，但是，在本發(fā)明樣品傾斜的測量方法中，相對轉(zhuǎn)動角度可以取任意值。在這種情況下，使用轉(zhuǎn)動角度傳感器、例如回轉(zhuǎn)儀可以測定角度。
正如詳述的那樣，本發(fā)明第一種樣品傾斜的測量方法，按照相對于干涉儀的預(yù)定角度，在用夾具夾持柱狀件的同時，使具有呈平面形狀的前端面的柱狀件轉(zhuǎn)動，測定干涉儀的基準面和處于兩個轉(zhuǎn)動位置中每個位置的前端面之間的相對角度，根據(jù)如此測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式，測量柱狀件的軸線的傾斜度。
由于只要測定干涉儀的基準面和處于柱狀件相對于干涉儀的兩個轉(zhuǎn)動位置中每個位置的前端面之間的相對角度，將如此測得的數(shù)值導(dǎo)入到預(yù)定的算術(shù)表達式中進行算術(shù)運算，即可測量柱狀件的軸線的傾斜度，因此，可以低成本高精度且方便地測量軸線的傾斜度，這是調(diào)整軸線的傾斜度時必不可少的。
本發(fā)明第二種樣品傾斜的測量方法，按照相對于干涉儀的預(yù)定角度，在用夾具夾持柱狀件的同時，使具有呈平面形狀的前端面的柱狀件轉(zhuǎn)動，測定干涉儀的基準面和處于兩個轉(zhuǎn)動位置中每個位置的前端面之間的相對角度，根據(jù)如此測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式，測量柱狀件的軸線的傾斜度以及前端面相對于柱狀件軸線的垂線的傾斜度。
因此，第二種樣品傾斜的測量方法同時測量柱狀件的軸線的傾斜度和前端面相對于柱狀件軸線的垂線的傾斜度，從而除了獲得第一種樣品傾斜的測量方法的效果外還能進行高效率測量。
本發(fā)明的樣品傾斜的測量方法中使用的柱狀件不限于其截面平面為圓形的圓柱形件。
權(quán)利要求
1.一種樣品傾斜的測量方法，用于測量具有平面形狀前端面的柱狀件的軸線的傾斜度，所述柱狀件由夾具加以夾持，作為樣品的所述前端面用角度測量儀進行觀察；所述方法包括以下步驟使所述柱狀件相對于所述角度測量儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度，同時處于由所述夾具夾持的狀態(tài)，測定兩個轉(zhuǎn)動位置中每個位置的角度；以及根據(jù)所述測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量所述柱狀件的所述軸線的所述傾斜度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述角度測量儀是自動準直儀。
3.一種樣品傾斜的測量方法，用于測量具有平面形狀前端面的柱狀件的軸線的傾斜度，所述柱狀件由夾具加以夾持，作為樣品的所述前端面用干涉儀進行觀察；所述方法包括以下步驟使所述柱狀件相對于所述干涉儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度，同時處于由所述夾具夾持的狀態(tài)，在兩個轉(zhuǎn)動位置中的每個位置，測定所述干涉儀的基準面和所述前端面之間的相對角度；以及根據(jù)所述測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量所述柱狀件的所述軸線的所述傾斜度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述干涉儀的基準面和所述前端面之間的所述相對角度在第一和第二轉(zhuǎn)動角中的每個角度進行測量，第一和第二轉(zhuǎn)動角彼此按預(yù)定的180角分開；以及使用以下的條件表達式組測量所述柱狀件的所述軸線的所述傾斜度βx＝(mx1+mx2-180)/2βy＝(my1+my2-180)/2其中，mx1和my1是分別在第一轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角度和y方向角度；mx2和my2是分別在第二轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角度和y方向角度；βx和βy是分別沿x方向和y方向的轉(zhuǎn)動軸線的傾斜角。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述兩個轉(zhuǎn)動位置的所述角度通過相移干涉條紋分析進行測定。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述兩個轉(zhuǎn)動位置的所述角度通過傅里葉變換干涉條紋分析進行測定。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述柱狀件是一個套管。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述干涉儀是顯微干涉儀。
9.一種樣品傾斜的測量方法，用于測量具有平面形狀前端面的柱狀件的軸線的傾斜度以及前端面相對于柱狀件軸線的垂線的角度，所述柱狀件由夾具加以夾持，作為樣品的所述前端面用干涉儀進行觀察；所述方法包括以下步驟使所述柱狀件相對于所述干涉儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定的角度，同時處于由所述夾具夾持的狀態(tài)，在兩個轉(zhuǎn)動位置中的每個位置，測定所述干涉儀的基準面和所述前端面之間的相對角度；以及根據(jù)所述測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量所述所述柱狀件的所述軸線的所述傾斜度、以及所述前端面相對于所述柱狀件的所述軸線的所述垂線的所述傾斜度。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述干涉儀的基準面和所述前端面之間的所述相對角度在第一和第二轉(zhuǎn)動角度中的每個角度進行測定，第一和第二轉(zhuǎn)動角度彼此按預(yù)定的180角度分開；以及使用以下的條件表達式組測量所述柱狀件的所述軸線的所述傾斜度、以及所述前端面相對于所述柱狀件的所述軸線的所述垂線的所述傾斜度αx＝(180-mx1+mx2)/2αy＝(180-my1+my2)/2βx＝(mx1+mx2-180)/2βy＝(my1+my2-180)/2其中，mx1和my1是分別在第一轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角度和y方向角度；mx2和my2是分別在第二轉(zhuǎn)動位置測得的x方向角度和y方向角度；βx和βy是分別沿x方向和y方向的轉(zhuǎn)動軸線的傾斜角；αx和αy分別是前端面相對于柱狀件軸線的垂線的傾斜角。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述兩個轉(zhuǎn)動位置的所述角度通過相移干涉條紋分析進行測定。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述兩個轉(zhuǎn)動位置的所述角度通過傅里葉變換干涉條紋分析進行測定。
13.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述柱狀件是一個套管。
14.根據(jù)權(quán)利要求9所述的樣品傾斜的測量方法，其特征在于，所述干涉儀是顯微干涉儀。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種樣品傾斜的測量方法，這種方法在于，使具有平面形狀前端面的柱狀件處于由夾具夾持的狀態(tài)，相對干涉儀轉(zhuǎn)動一個預(yù)定角度，測定兩個轉(zhuǎn)動位置中每個位置的所述干涉儀的基準面和前端面之間的相對角度，根據(jù)如此測得的兩個角度，使用預(yù)定的算術(shù)表達式測量所述柱狀件的軸線傾斜度。
文檔編號G01B11/26GK1470848SQ0314549
公開日2004年1月28日 申請日期2003年7月1日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月1日
發(fā)明者葛宗濤, 小林富美男, 美男, 二彥, 田中公二彥 申請人:富士寫真光機株式會社