УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Российский патент 2015 года по МПК G01N21/23 G01J4/04 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится к устройству измерения оптических характеристик и способу измерения оптических характеристик, позволяющим измерять спектральные характеристики и поляризационные характеристики вещества.

Уровень техники

[0002] В настоящее время известен способ измерения оптических характеристик вещества для оценивания таким образом неизвестного компонента в веществе. Например, в JP-A 2001-141602 раскрыт способ оценивания неизвестного компонента, включающий в себя получение разности фаз двулучепреломления (замедления) из интенсивности пропущенного света, когда свет проходит через вещество в качестве цели измерения, и вычисление показателя двулучепреломления, присущего веществу, из разности фаз двулучепреломления. Двулучепреломление - это явление, в котором возникают два преломленных световых луча, когда свет попадает в анизотропную среду. Разность фаз двулучепреломления выражается произведением показателя двулучепреломления и длины пути пропущенного света. Поэтому, если длина пути пропущенного света отличается, даже если разность фаз двулучепреломления одинакова, показатель двулучепреломления также отличается. Соответственно, точный показатель двулучепреломления можно получить с использованием длины пути пропущенного света, точно определенной для измеренной разности фаз двулучепреломления.

[0003] К сожалению, трудно получить точный показатель двулучепреломления, в случае когда длину пути пропущенного света не удается легко получить для цели измерения, например в случае когда цель измерения имеет сложную форму. Кроме того, в случае когда целью измерения является биологическая мембрана, например сетчатка глаза, цель измерения невозможно вырезать из тела человека, и поэтому не удается измерить ее толщину, то есть длину пути пропущенного света.

[0004] Кроме того, известен способ оценивания неизвестного компонента в веществе из Фурье-спектральных характеристик, которые представляют собой оптические характеристики, отличные от свойств двулучепреломления. Как описано выше, свойства двулучепреломления представляют собой оптические характеристики, наблюдаемые, когда вещество является анизотропной средой, что позволяет эффективно измерять, как свойства двулучепреломления, так и Фурье-спектральные характеристики при оценивании компонентов неизвестного вещества. К сожалению, традиционные устройства неспособны одновременно измерять как Фурье-спектральные характеристики, так и свойства двулучепреломления.

Документ, отвечающий уровню техники

Патентный документ

[0005] [Патентный документ 1] JP-A 2001-141602

Раскрытие изобретения

Проблемы, стоящие перед изобретением

[0006] Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства измерения оптических характеристик и способа измерения оптических характеристик, позволяющих одновременно измерять как Фурье-спектральные характеристики, так и свойства двулучепреломления веществ, имеющих различные формы и свойства.

Средства для решения проблем

[0007] Для решения вышеупомянутой проблемы устройство измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению включает в себя: a) делительную оптическую систему для направления света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину; b) анализатор, через который синтезированный свет может проходить в заранее определенном направлении поляризации, причем синтезированный свет состоит из компонента первой поляризации, пропущенного через первую поляризационную пластину, и компонента второй поляризации, пропущенного через вторую поляризационную пластину; c) оптическую систему формирования изображения для направления синтезированного света, пропущенного через анализатор, в единичную точку для формирования, таким образом, интерференционного изображения; d) блок детектирования для детектирования интенсивности света интерференционного изображения; e) блок изменения разности фаз для изменения разности в длине оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации, которые соответственно распространяются от первой поляризационной пластины и второй поляризационной пластины к анализатору, для изменения, таким образом, разности фаз между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации; и f) блок обработки для Фурье-преобразования данных изменения в интенсивности света, обнаруженного блоком детектирования, совместно с изменением в разности фаз для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

[0008] Устройство измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению включает в себя: a) делительную оптическую систему для направления света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину; b) анализатор, через который синтезированный свет может проходить в заранее определенном направлении поляризации, причем синтезированный свет состоит из компонента первой поляризации, пропущенного через первую поляризационную пластину, и компонента второй поляризации, пропущенного через вторую поляризационную пластину; c) оптическую систему формирования изображения для фокусировки синтезированного света, пропущенного через анализатор, на единичной прямой, которая проходит в направлении, отличном от направлений оптических осей компонента первой поляризации и компонента второй поляризации, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения; d) фазовращатель для обеспечения непрерывного распределения разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации, которые соответственно распространяются от первой поляризационной пластины и второй поляризационной пластины к анализатору, для обеспечения, таким образом, непрерывного изменения фазы между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации; e) блок детектирования для детектирования распределения интенсивности света линейного интерференционного изображения в направлении, в котором проходит интерференционное изображение; и f) блок обработки для Фурье-преобразования данных, указывающих распределение интенсивности света интерференционного изображения, выявленное блоком детектирования, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

[0009] Устройство измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению включает в себя: a) делительную оптическую систему для направления света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину; b) анализатор, через который синтезированный свет может проходить в заранее определенном направлении поляризации, причем синтезированный свет состоит из компонента первой поляризации, пропущенного через первую поляризационную пластину, и компонента второй поляризации, пропущенного через вторую поляризационную пластину; c) оптическую систему формирования изображения для фокусировки синтезированного света, пропущенного через анализатор, на единичной прямой, которая проходит в направлении, отличном от направлений оптических осей компонента первой поляризации и компонента второй поляризации, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения; d) фазовращатель для обеспечения непрерывного распределения разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации, которые соответственно распространяются от первой поляризационной пластины и второй поляризационной пластины к анализатору, для обеспечения, таким образом, непрерывного изменения фазы между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации; e) спектральную оптическую систему для разрешения по длине волны линейного интерференционного изображения для формирования, таким образом, оптического спектра; f) блок детектирования для детектирования распределения интенсивности света оптического спектра; и g) блок обработки для получения амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, из распределения интенсивности света, выявленного блоком детектирования.

[0010] В любом из вышеупомянутых устройств измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы первая поляризационная пластина и вторая поляризационная пластина были размещены так, чтобы направления поляризации компонента первой поляризации и компонента второй поляризации были ортогональны друг другу и наклонены под углом 45 градусов к компоненту электрического поля линейно поляризованного света, падающего на объект, подлежащий измерению.

[0011] В любом из вышеупомянутых устройств измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению предпочтительно, чтобы делительная оптическая система включала в себя объектив для коллимации света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, в параллельные световые лучи и направления параллельных световых лучей на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину и чтобы блок обработки получал амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны (величину разности фаз) света, излучаемого от части объекта, подлежащего измерению, части, соответствующей фокальной точке объектива.

[0012] В этом случае предпочтительно, чтобы любое из вышеупомянутых устройств измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению дополнительно включало в себя блок изменения фокальной точки для относительного изменения фокальной точки объектива по отношению к объекту, подлежащему измерению.

[0013] Кроме того, способ измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению включает в себя этапы, на которых: a) заставляют линейно поляризованный свет падать на объект, подлежащий измерению; b) направляют посредством делительной оптической системы свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину; c) направляют компонент первой поляризации, пропущенный через первую поляризационную пластину, и компонент второй поляризации, пропущенный через вторую поляризационную пластину, в оптическую систему формирования изображения через анализатор, одновременно изменяя разность в длине оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации и фокусируя посредством оптической системы формирования изображения направляемые компоненты на единичной точке, для формирования, таким образом, интерференционного изображения; и d) осуществляют Фурье-преобразование данных, указывающих изменение в интенсивности света интерференционного изображения, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

[0014] Способ измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению включает в себя этапы, на которых: a) заставляют линейно поляризованный свет падать на объект, подлежащий измерению; b) направляют посредством делительной оптической системы свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину; c) направляют компонент первой поляризации, пропущенный через первую поляризационную пластину, и компонент второй поляризации, пропущенный через вторую поляризационную пластину, в оптическую систему формирования изображения через анализатор, одновременно обеспечивая непрерывное распределение разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации и фокусируя посредством оптической системы формирования изображения направляемые компоненты на единичной прямой, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения; и d) осуществляют Фурье-преобразование данных, указывающих распределение интенсивности света линейного интерференционного изображения в направлении, в котором проходит интерференционное изображение, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

[0015] Способ измерения оптических характеристик согласно настоящему изобретению включает в себя этапы, на которых: a) заставляют линейно поляризованный свет падать на объект, подлежащий измерению; b) направляют посредством делительной оптической системы свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину; c) направляют компонент первой поляризации, пропущенный через первую поляризационную пластину, и компонент второй поляризации, пропущенный через вторую поляризационную пластину, в оптическую систему формирования изображения через анализатор, одновременно обеспечивая непрерывное распределение разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации и фокусируя посредством оптической системы формирования изображения направляемые компоненты на единичной прямой, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения; d) разрешают по длине волны посредством спектральной оптической системы линейное интерференционное изображение для получения, таким образом, оптического спектра; и e) получают амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на основании распределения интенсивности света оптического спектра.

Результаты изобретения

[0016] Согласно устройству измерения оптических характеристик и способу измерения оптических характеристик, отвечающим настоящему изобретению, свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, направляется на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину посредством делительной оптической системы и проходит через первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину, в результате чего получается синтезированный свет, состоящий из компонента первой поляризации и компонента второй поляризации. Затем синтезированный свет поступает в анализатор. Синтезированный свет, пропущенный через анализатор, направляется в единичную точку или на единичную прямую оптической системой формирования изображения, для формирования, таким образом, интерференционного изображения. При этом разность фаз между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации изменяется во времени или в пространстве, и поэтому интенсивность интерференционного света, регистрируемого блоком детектирования, изменяется, что позволяет получить синтезированную форму волны, аналогичную интерферограмме. Если синтезированная форма волны подвергается преобразованию Фурье блоком обработки, можно получить амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, и поэтому можно одновременно получить Фурье-спектральные характеристики и свойства двулучепреломления объекта, подлежащего измерению.

Заметим, что, в случае когда два световых луча направляются в единичную "точку", чтобы интерферировать друг с другом, строго говоря, формируется не "интерференционное изображение", а "интерференционный свет", но то, что формируется двумя световыми лучами, которые интерферируют друг с другом, здесь именуется в целом "интерференционным изображением".

[0017] Кроме того, согласно настоящему изобретению является ли свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, пропущенным светом или отраженным светом, используя этот свет, можно одновременно получить Фурье-спектральные характеристики и свойства двулучепреломления объекта, подлежащего измерению. Соответственно, объект, подлежащий измерению, может включать в себя не только продукты, имеющие относительно простую конфигурацию, например оптический элемент и полимерную пленку, но и вещества, имеющие сложную конфигурацию и биологические мембраны, например сетчатка глаза, и поэтому настоящее изобретение имеет широкую область применения.

[0018] В традиционной инфракрасной спектроскопии на основе преобразования Фурье (FTIR) свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, делится на два с использованием интерферометра типа Майкельсона, два разделенных световых луча направляются в общий оптический путь, чтобы интерферировать друг с другом, и результирующий интерференционный свет регистрируется детектором. Поскольку два разделенных световых луча интерферируют друг с другом на общем оптическом пути, смешанный интерференционный свет световых лучей, испускаемых из различных позиций (с разных глубин) в объекте, подлежащем измерению, существует на светоприемной поверхности детектора.

Напротив, согласно настоящему изобретению свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, делится на компонент первой поляризации и компонент второй поляризации делительной оптической системой, и эти компоненты поляризации направляются в оптическую систему формирования изображения через разные оптические пути и затем фокусируются на единичной точке посредством оптической системы формирования изображения, чтобы интерферировать друг с другом. Только световые лучи, испущенные из фокальной плоскости, интерферируют друг с другом на плоскости формирования изображения оптической системы формирования изображения. Поэтому в настоящем изобретении светоприемная поверхность блока детектирования располагается на плоскости формирования изображения оптической системы формирования изображения, благодаря чему только интерференционный свет световых лучей, испускаемых из части объекта, подлежащего измерению, соответствующей фокальной плоскости, то есть с конкретной глубины в объекте, подлежащем измерению, может регистрироваться блоком детектирования. В результате можно получить отчетливое интерференционное изображение с малым шумом.

Краткое описание чертежей

[0019] Фиг.1 - схема, демонстрирующая общую конфигурацию устройства измерения оптических характеристик и компоновку оптических элементов согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.2 - вид, схематически демонстрирующий общую конфигурацию устройства измерения оптических характеристик.

Фиг.3A и 3B - виды для описания направлений поляризации поляризатора, первой поляризационной пластины, второй поляризационной пластины и анализатора.

Фиг.4A и 4B - графики для описания принципа измерения устройства измерения оптических характеристик согласно первому варианту осуществления, фиг.4A демонстрирует компонент линейной поляризации и компоненты электрического поля, полученные векторным разложением компонента линейной поляризации на ортогональные компоненты в направлении оси x и в направлении оси y, и фиг.4B демонстрирует компонент линейной поляризации и компоненты электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y, которые берутся в направлении распространения света.

Фиг.5A - график, демонстрирующий синтезированный вектор, когда между компонентами электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y существует разность фаз λ/4, и фиг.5B - график, демонстрирующий компоненты электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y и синтезированный вектор, которые взяты в направлении распространения света.

Фиг.6A - график, демонстрирующий синтезированный вектор, когда между компонентами электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y существует разность фаз λ/2, и фиг.6B - график, демонстрирующий компоненты электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y и синтезированный вектор, которые взяты в направлении распространения света.

Фиг.7A - график, демонстрирующий синтезированный вектор, когда разность фаз, которая обнуляет неизвестную разность фаз двулучепреломления (замедление), создаваемую целью измерения, обеспечена между компонентами электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y, и фиг.7B - график, демонстрирующий компоненты электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y и синтезированный вектор, которые взяты в направлении распространения света.

Фиг.8 - график, демонстрирующий соотношение между величиной сдвига фазы и интенсивностью формирования изображения.

Фиг.9 - график, демонстрирующий соотношение между величиной сдвига фазы и интенсивностью формирования изображения при поступлении полихроматического света.

Фиг.10A - график синтезированной формы волны, представляющий интенсивность формирования изображения полихроматического света, фиг.10B - график формы волны спектра, полученного Фурье-преобразованием синтезированной формы волны, и фиг.10C - график, представляющий ее замедление (разность фаз двулучепреломления).

Фиг.11 - наблюдаемое изображение материала камня, полученное с использованием интерферометра наклонного освещения.

Фиг.12 - график, демонстрирующий спектр материала камня.

Фиг.13 - график, демонстрирующий соотношение между величиной замедления материала камня и длиной волны.

Фиг.14 - диаграммы, демонстрирующие распределения интенсивности и распределения фазы материала камня в конкретных диапазонах длин волны.

Фиг.15 - вид, схематически демонстрирующий общую конфигурацию устройства измерения оптических характеристик согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.16 - вид, демонстрирующий компоновку оптических элементов от цели измерения до плоскости формирования изображения в устройстве измерения оптических характеристик согласно второму варианту осуществления.

Фиг.17A и 17B - виды сбоку, каждый из которых демонстрирует состояние, когда измерительные световые лучи фокусируются на светоприемной поверхности линзой формирования изображения во втором варианте осуществления.

Фиг.18 - вид сверху, демонстрирующий состояние, когда измерительные световые лучи фокусируются на светоприемной поверхности линзой формирования изображения во втором варианте осуществления.

Фиг.19 - вид, схематически демонстрирующий общую конфигурацию устройства измерения оптических характеристик согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения.

Фиг.20 - вид в перспективе линзы формирования изображения в третьем варианте осуществления.

Фиг.21 - вид, демонстрирующий интерференционное изображение между опорным пучком и наклонным пучком в третьем варианте осуществления.

Фиг.22 - вид, схематически демонстрирующий общую конфигурацию устройства измерения оптических характеристик согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения

[0020] Далее, некоторые конкретные варианты осуществления настоящего изобретения описаны со ссылкой на чертежи.

Первый вариант осуществления

[0021] На фиг.1 и 2 показано устройство измерения оптических характеристик согласно первому варианту осуществления. Как показано на фиг.1 и 2, устройство 1 измерения оптических характеристик согласно первому варианту осуществления включает в себя источник 3 света, поляризатор 5, объектив 7, первую поляризационную пластину 9, вторую поляризационную пластину 11, фазовращатель 13, анализатор 15, линзу 17 формирования изображения и детектор 19. В настоящем варианте осуществления объектив 7, первая поляризационная пластина 9 и вторая поляризационная пластина 11 образуют делительную оптическую систему и линза 17 формирования изображения образует оптическую систему формирования изображения. Кроме того, фазовращатель 13 функционирует как блок изменения разности фаз.

[0022] Объектив 7 может перемещаться в направлении своей оптической оси посредством механизма 21 привода линзы. Механизм 21 привода линзы используется для смещения фокальной точки объектива 7 и соответствует блоку изменения фокальной точки. Механизм 21 привода линзы может состоять, например, из пьезоэлемента.

[0023] Поляризатор 5 располагается на оптическом пути света, излучаемого от источника 3 света, и выделяет из света только компонент линейной поляризации в конкретном направлении для доставки выделенного компонента на образец S, который является объектом, подлежащим измерению. После того как свет поступает на образец S, свет, пропущенный через образец S (далее также именуемый "измерительный свет"), поступает в объектив 7 и преобразуется в параллельные пучки.

Заметим, что, хотя на фиг.1 и 2 показано пропускающее устройство 1 измерения оптических характеристик для измерения света, пропущенного через образец S, можно использовать отражающее устройство измерения оптических характеристик для измерения света, который был отражен на внутренней стороне образца S. Дело в том, что и свет, пропущенный через образец, и свет, который был отражен на внутренней стороне образца, обладают свойствами двулучепреломления и светопоглотительными характеристиками компонентов в образце.

[0024] Кроме того, после прохождения через объектив 7 пучки не обязаны становиться совершенно параллельными пучками. Как описано ниже, объектив 7 призван просто расширять измерительный свет, чтобы измерительный свет можно было разделить на два или более пучков. Однако непараллельные пучки, скорее всего, приведут к ошибке в величине разности фаз, которая зависит от величины сдвига фазы, что будет описано ниже. Соответственно, для повышения точности измерения желательно использовать как можно более параллельные пучки.

[0025] Первая поляризационная пластина 9 и вторая поляризационная пластина 11 расположены, например, одна над другой на оптическом пути параллельных пучков, которые были пропущены через объектив 7. Параллельные пучки, которые были пропущены через объектив 7, достигают фазовращателя 13 через первую поляризационную пластину 9 и вторую поляризационную пластину 11.

Как показано на фиг.3A и 3B, первая поляризационная пластина 9 и вторая поляризационная пластина 11 установлены так, что направление поляризации каждой из них наклонено под углом 45 градусов по отношению к направлению колебаний вектора электрического поля компонента линейной поляризации, пропущенного через поляризатор 5, и что направление поляризации первой поляризационной пластины 9 и направление поляризации второй поляризационной пластины 11 ортогональны друг другу. В нижеследующем описании направление поляризации первой поляризационной пластины 9 также именуется направлением x и направление поляризации второй поляризационной пластины 11 также именуется направлением y. Кроме того, свет, пропущенный через первую поляризационную пластину 9, именуется первым поляризованным светом, и свет, пропущенный через вторую поляризационную пластину 11, именуется вторым поляризованным светом.

[0026] Фазовращатель 13 включает в себя: прямоугольный пластинообразный блок 131 подвижных зеркал; прямоугольный пластинообразный блок 132 неподвижных зеркал, размещенный под блоком 131 подвижных зеркал; держатели 133 и 134 для удержания соответственно блока 131 подвижных зеркал и блока 132 неподвижных зеркал; и ступень 135 привода для перемещения держателя 133 блока 131 подвижных зеркал. Первый поляризованный свет, пропущенный через первую поляризационную пластину 9, поступает в блок 131 подвижных зеркал, и второй поляризованный свет, пропущенный через вторую поляризационную пластину 11, поступает в блок 132 неподвижных зеркал. Поверхности (отражающие поверхности) блока 131 подвижных зеркал и блока 132 неподвижных зеркал являются оптически плоскими и являются оптическими зеркальными поверхностями, которые могут отражать световые лучи в диапазонах длин волн, подлежащих измерению устройством 1. Кроме того, размеры отражающих поверхностей блока 131 подвижных зеркал и блока 132 неподвижных зеркал, по существу, одинаковы.

[0027] Заметим, что в нижеследующем описании пучок, который достигает отражающей поверхности блока 131 подвижных зеркал от первой поляризационной пластины 9 и отражается на нее для достижения анализатора 15, также именуется подвижным пучком, и пучок, который достигает отражающей поверхности блока 132 неподвижных зеркал от второй поляризационной пластины 11 и отражается на нее для достижения анализатора 15, также именуется неподвижным пучком.

[0028] Ступень 135 привода состоит, например, из пьезоэлемента, включающего в себя емкостной датчик, и перемещает держатель 133 в направлении стрелки A по получении сигнала управления от блока 25 управления. Следовательно, блок 131 подвижных зеркал перемещается в направлении стрелки A с точностью, соответствующей каждой длине волны света. В результате между подвижным пучком и неподвижным пучком возникает разность длин оптического пути и между этими двумя пучками обеспечивается относительное изменение фазы. Соответственно, в настоящем варианте осуществления фазовращатель 13 соответствует блоку изменения разности длин оптического пути и блок 131 подвижных зеркал и блок 132 неподвижных зеркал соответствуют первому блоку отражения и второму блоку отражения. В зависимости от спектрометрической способности необходим высокоточный контроль позиции приблизительно 10 нм, например, в области видимого света.

[0029] Кроме того, фазовращатель 13 располагается так, что отражающие поверхности каждого из блока 131 подвижных зеркал и блока 132 неподвижных зеркал наклонены под углом 45 градусов относительно оптической оси параллельных пучков из объектива 7. Ступень 135 привода перемещает блок 131 подвижных зеркал, сохраняя при этом наклон отражающей поверхности блока 131 подвижных зеркал относительно оптической оси в 45 градусов. При такой конфигурации величина перемещения блока 131 подвижных зеркал в направлении оптической оси составляет √2 величины перемещения ступени 135 привода. Кроме того, разность длин оптического пути для обеспечения относительного изменения фазы между неподвижным пучком и подвижным пучком вдвое больше величины перемещения блока 131 подвижных зеркал в направлении оптической оси.

[0030] Это наклонное размещение блока 131 подвижных зеркал и блока 132 неподвижных зеркал позволяет упразднить светоделитель для деления луча света, что позволяет повысить эффективность использования объектного света.

[0031] Анализатор 15 устанавливается в так называемом состоянии открытого николя, в котором компонент линейной поляризации проходит через поляризатор 5 в направлении, совпадающем с направлением поляризатора. Соответственно, в случае когда образец S не обладает свойствами двулучепреломления, если операция сдвиг фазы не осуществляется, компонент линейной поляризации, прошедший через поляризатор 5 от источника 3 света и пропущенный через цель измерения, достигает линзы 17 формирования изображения как есть. Светоприемная поверхность детектора 19 располагается в позиции, соответствующей плоскости формирования изображения линзы 17 формирования изображения, и компонент линейной поляризации, достигший линзы 17 формирования изображения, фокусируется на единичной точке на светоприемной поверхности детектора 19. Заметим, что анализатор 15 можно устанавливать так, чтобы иметь угол выделения поляризации в 45 градусов по отношению к поляризатору 5. В этом случае угол выделения поляризации анализатора 15 может быть наклонен в любом направлении. В случае когда анализатор 15 установлен, как описано выше, и когда образец S не обладает свойствами двулучепреломления, компонент линейной поляризации, прошедший через поляризатор 5 и пропущенный через цель измерения, не проходит через анализатор 15, тогда как компонент линейной поляризации, повернутый на 45 градусов вследствие свойств двулучепреломления образца S, проходит через анализатор 15.

Детектор 19 состоит, например, из двухмерной ПЗС-камеры, и ее сигнал детектирования вводится в блок 23 обработки и обрабатывается им. Кроме того, блок 23 обработки, механизм 21 привода линзы, ступень 135 привода и пр. управляются блоком 25 управления.

[0032] Теперь со ссылкой на фиг.4A-10 будет описан принцип измерения устройства 1 измерения оптических характеристик согласно настоящему варианту осуществления. На фиг.4A и 4B ось x представляет направление поляризации первой поляризационной пластины 9 и ось y представляет направление поляризации второй поляризационной пластины 11. Кроме того, ось z ортогональна оси x и оси y и представляет направление распространения света. На фиг.4A и 4B наклонные колебания, указанные сплошной линией L, представляют наблюдаемый линейно поляризованный свет, то есть колебания вектора электрического поля компонента линейной поляризации, который проходит через поляризатор 5 и поступает на образец S. При наблюдении в направлении распространения света компонент электрического поля совершает линейные колебания в направлении под наклоном 45 градусов и, таким образом, именуется линейно поляризованным светом. Приведено описание случая, когда компонент электрического поля подвергается векторному разложению на ортогональные компоненты в направлении оси x и в направлении оси y. Таким образом, компонент электрического поля, указанный линией Lx, образованной перемежающимися длинным и двумя короткими штрихами, и компонент электрического поля, указанный линией Ly, образованной перемежающимися длинным и коротким штрихами, колеблются синхронно друг с другом, и линейно поляризованный свет, указанный сплошной линией L, наблюдается как результирующий синтезированный вектор.

[0033] Предполагается, что разность фаз между колебаниями электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y составляет, например, λ/4 вследствие свойств двулучепреломления вещества. В этом случае, как показано на фиг.5A, вектор в направлении оси y (линия Ly перемежающихся длинных и коротких штрихов) находится в узле в момент времени T1, и поэтому синтезированный вектор определяется только компонентом в направлении оси x (линией Lx перемежающихся длинного и двух коротких штрихов). Напротив, компонент в направлении оси x (линия Lx перемежающихся длинного и двух коротких штрихов) находится в узле в момент времени T2, и поэтому синтезированный вектор определяется только компонентом в направлении оси y (линией Ly перемежающихся длинных и коротких штрихов). В случае когда замедление компонентов ортогонального разложения вектора равно λ/4, как описано выше, синтезированный вектор (сплошные линии L1-L4) образует так называемую круговую поляризацию света, которая вращается при наблюдении в направлении распространения света (см. фиг.5B).

[0034] При этом, как показано на фиг.6A, в случае когда разность фаз между колебаниями электрического поля в направлении оси x и в направлении оси y составляет λ/2, синтезированный вектор образует линейную поляризацию света (указанную пунктирной линией на фиг. 6B), ортогональную первоначальной линейной поляризации света. При этом, в случае когда анализатор 15 устанавливается в состоянии открытого николя по отношению к поляризатору 5, синтезированный вектор не может проходить через анализатор 15.

[0035] Как показано на фиг.7A и 7B, предполагается, что неизвестное замедление сообщается вследствие свойств двулучепреломления образца S двунаправленным компонентам вектора электрического поля Lx и Ly, ортогональным друг другу. Разность фаз, которая обнуляет замедление, обеспечиваемое образцом S, сообщается таким двунаправленным компонентам электрического поля. На фиг.7A и 7B компоненты вектора электрического поля, которым образец S сообщает замедление, представлены посредством Lx и Ly и компоненты вектора электрического поля, которым сообщается разность фаз, обнуляющая замедление, представлены посредством Lx и Ly'. Затем синтезированный вектор L компонентов Lx и Ly' вектора электрического поля, которым сообщается разность фаз, обнуляющая замедление, возвращается к линейно поляризованному свету, аналогичному линейно поляризованному свету, доставляемому на образец S.

[0036] В настоящем варианте осуществления фазовращатель 13 может обеспечивать нужную разность фаз между первым поляризованным светом, пропущенным через первую поляризационную пластину 9, и вторым поляризованным светом, пропущенным через вторую поляризационную пластину 11. Соответственно, разность в длине оптического пути между первым поляризованным светом и вторым поляризованным светом изменяется непрерывно и во времени путем постепенного перемещения блока 131 подвижных зеркал, благодаря чему изменяется разность фаз между ними. В этом случае, если свет от источника 3 света является монохроматическим светом, как показано на фиг.8, интенсивность формирования изображения света, пропущенного через анализатор 15, который установлен в состоянии открытого николя по отношению к поляризатору 5, достигает максимума в момент времени, когда обеспечивается величина разности фаз, обнуляющая замедление. При добавлении к этой величине разности фаз величины разности фаз λ/2 свет приобретает линейную поляризацию в направлении, ортогональном направлению линейной поляризации света, который поступает на образец S от поляризатора 5, и поэтому результирующий свет не может проходить через анализатор 15, из-за чего интенсивность формирования изображения достигает минимума. При добавлении величины разности фаз λ/2 разность фаз становится равной одной длине волны (λ). Следовательно, свет снова приобретает линейную поляризацию в направлении, совпадающем с направлением линейно поляризованного света, который поступает на образец S от поляризатора 5, из-за чего интенсивность формирования изображения достигает максимума. Таким образом, интенсивность формирования изображения изменяется по такому синусоидальному закону, что яркость инвертируется каждый раз, когда величина разности фаз между первым поляризованным светом и вторым поляризованным светом становится равной одной длине волны. Если поступает полихроматический свет, возникает разность в величине замедления относительно длины волны и разность в длине волны, как показано на фиг.9.

[0037] В результате, как показано на фиг.10A, можно наблюдать синтезированную форму волны, которая аналогична интерферограмме спектроскопии на основе преобразования Фурье. Поскольку свойства двулучепреломления не отражаются в интерферограмме общей спектроскопии на основе преобразования Фурье, в полученной форме волны, световые лучи во всех диапазонах длин волны усиливают друг друга в позиции, где величина разности фаз равна нулю. Напротив, в настоящем варианте осуществления, если замедление отличается для каждой длины волны, как показано на фиг.10A, в полученной синтезированной форме волны не удается наблюдать позиции отчетливого пика. Поскольку эта синтезированная форма волны формируется путем наложения синусоидальных форм волны различных частот, если блок 23 обработки математически осуществляет на них преобразование Фурье, можно одновременно аналитически получать амплитуду относительно длины волны и величину разности фаз относительно длины волны. Если относительная интенсивность вычисляется из амплитудного члена, полученного преобразованием Фурье, можно получить спектральные характеристики, которые представляют собой относительную интенсивность относительно длины волны (фиг.10B), аналогично спектроскопии на основе преобразования Фурье. Кроме того, замедление относительно длины волны можно получить из члена разность фаз, вычисленного посредством преобразования Фурье (фиг.10C). Таким образом, можно одновременно измерять спектральные характеристики и свойства двулучепреломления.

[0038] Оптическая система в настоящем варианте осуществления является оптической системой формирования изображения, и поэтому возможно двухмерное измерение спектральных характеристик и свойств двулучепреломления. Кроме того, замедление объектного света, отраженного на данной глубине, можно получить путем смещения фокальной точки объектива 7 в направлении глубины посредством механизма 21 привода линзы. Поскольку замедление получается как произведение показателя двулучепреломления и длины пути объектного света, если определена глубина, на которой отражается объектный свет, показатель двулучепреломления можно вычислить из замедления.

[0039] Когда оптическую систему устройства 1 измерения оптических характеристик, показанную на фиг.1, заменяли оптической системой наклонного освещения, измеряли спектральные характеристики материала камня, выполненного из гранита, и полученные результаты показаны на фиг.11-14. По сравнению с оптической системой вертикального освещения сверху количество света, принимаемого с использованием оптической системы наклонного освещения, заметно снижается, но яркие участки (обозначенные символами P1-P3) были частично найдены, как показано на фиг.11. Поскольку поверхность материала камня, используемого для наблюдения, была зеркально отполирована, эти яркие участки P1-P3 можно рассматривать как участки, на которых наблюдались диффузно отраженные компоненты изнутри материала камня.

[0040] Ввиду вышеизложенного, спектральные данные и данные фазы были получены для трех участков P1-P3, показанных на фиг.11. Их результаты показаны на фиг.12 и 13. Фиг.12 демонстрирует спектр, в котором горизонтальная ось представляет длину волны (нм) и вертикальная ось представляет интенсивность. Фиг.13 - это график, в котором горизонтальная ось представляет длину волны (нм) и вертикальная ось представляет разность фаз (градусы), и на этом графике построена величина замедления. Как показано на фиг.12, хотя интенсивности светового излучения на трех участках P1-P3 значительно отличались, линию спектра излучения источника света можно найти для всех трех участков.

При этом, как показано на фиг.13, величина замедления значительно изменялась на длинах волны, отличных от пиковой длины волны спектра источника света, и была относительно стабильна в окрестности пиковой длины волны (540-560 нм). Причина, по которой величина замедления значительно изменялась на длинах волны, отличных от пиковой длины волны, предположительно состоит в нестабильном измерении фазы при чрезвычайно низкой интенсивности светового излучения. Заметим, что для участков P2 и P3 характеристика интенсивности отражения наблюдалась в окрестности длины волны 700 нм.

[0041] Далее, на фиг.14 показаны распределения интенсивности и распределения фазы в диапазонах длин волн 540-560 нм, 570-590 нм и 670-720 нм, каждое из которых имеет характерный спектр. Со ссылкой на фиг.14, характерное распределение фазы измеряли в диапазоне длин волны от 540 до 560 нм и характерное распределение интенсивности измеряли в диапазоне длин волны от 670 до 720 нм. Это доказывает, что даже устройство 1 измерения спектральной характеристики, где используется способ наклонного освещения, способно измерять одновременно спектральные характеристики и свойства двулучепреломления внутренне отраженных компонентов материала камня.

Второй вариант осуществления

[0042] На фиг.15-18 показано устройство 1 измерения оптических характеристик согласно второму варианту осуществления. Устройство 1 измерения оптических характеристик согласно второму варианту осуществления значительно отличается от устройства согласно первому варианту осуществления конфигурациями фазовращателя и оптической системы формирования изображения. Заметим, что на фиг.16 анализатор 15, размещенный перед линзой 35 формирования изображения, образующей оптическую систему формирования изображения, опущен из соображений удобства.

Во втором варианте осуществления компонент линейной поляризации, излученный от источника 3 света и пропущенный через поляризатор 5, поступает в область S1 линейного измерения образца S. Луч света, доставленный в область S1 измерения образца S и пропущенный через область S1 измерения, поступает в объектив 7 и преобразуется в параллельные пучки. Затем параллельные пучки проходят через первую поляризационную пластину 9 и вторую поляризационную пластину 11 и достигают фазовращателя 31.

[0043] Фазовращатель 31 включает в себя опорный зеркальный блок 32, наклонный зеркальный блок 33 и держатели (не показаны) для удержания соответственно зеркальных блоков 32 и 33. Поверхности (отражающие поверхности) опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33 являются оптически плоскими и являются прямоугольными оптическими зеркальными поверхностями, которые могут отражать световые лучи в диапазонах длин волны, подлежащих измерению устройством 1. Кроме того, размеры отражающих поверхностей опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33, по существу, одинаковы.

[0044] В случае когда текстура объекта является односторонней, свет (объектный свет), генерируемый в каждой из ярких точек, которые оптически образуют объект, распространяется только в конкретном направлении. Поэтому распределение количества света параллельных пучков, которые достигают фазовращателя 31, может быть неравномерным. Это может предотвращать неоднородность распределения количества света на светоприемной поверхности 19a детектора 19, которая является плоскостью формирования изображения. Напротив, в случае когда текстура объекта является относительно неравномерной, лучи объектного света, которые достигают фазовращателя 31, имеют равномерное распределение количества света на нем. В нижеследующем описании предположим, что текстура образца S является относительно неравномерной, что пучки, которые достигают фазовращателя 31, имеют равномерное распределение количества света на нем и что одна и та же величина пучка поступает на отражающие поверхности опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33.

[0045] В настоящем варианте осуществления объектив 7, первая поляризационная пластина 9 и вторая поляризационная пластина 11 соответствуют делительной оптической системе и фазовращатель 31 соответствует фазовращателю.

Заметим, что в нижеследующем описании пучок, который достигает отражающей поверхности опорного зеркального блока 32 фазовращателя 31 от первой поляризационной пластины 9 и отражается на нее для достижения анализатора 15, также именуется опорным пучком, и пучок, который достигает отражающей поверхности наклонного зеркального блока 33 фазовращателя 31 от второй поляризационной пластины 11 и отражается на нее для достижения анализатора 15, также именуется наклонным пучком.

[0046] Опорный зеркальный блок 32 располагается так, что его отражающая поверхность наклонена под углом 45 градусов, например, относительно оптической оси параллельного пучка из объектива 7. Кроме того, наклонный зеркальный блок 33 располагается так, что его отражающая поверхность наклонена под углом (45+Δθ) градусов относительно оптической оси параллельного пучка из объектива 7. Это наклонное размещение опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33 по отношению к параллельным пучкам из объектива 7 позволяет упразднить светоделитель для деления пучка. Хотя в настоящем варианте осуществления используется объектив 1, эту функцию также можно реализовать с использованием отражающей оптической системы. Поскольку эта конфигурация может устранять любое влияние дисперсии, можно измерять спектральные характеристики в широком диапазоне.

[0047] Кроме того, угол наклона Δθ наклонного зеркального блока 33 по отношению к опорному зеркальному блоку 32 определяется оптическими условиями, например увеличением оптической системы формирования изображения, диапазоном длин волны измерения и разрешением по волновому числу. Например, рассмотрим случай, когда длина волны измерения простирается от видимого диапазона до ближнего инфракрасного диапазона (от 400 до 1,000 нм). Для получения разрешения по длине волны λ2/Δλ=5 нм, поскольку центральная длина волны равна λ=700 нм, величина сдвига фазы равна Δλ=100 мкм. В случае когда в качестве детектора 19 (светоприемного элемента) используется ПЗС-камера, количество пикселей приблизительно в одной линии составляет около 500. Таким образом, если величина сдвига фазы на линию равна 100 мкм, то величина разности фаз на пиксель равна 200 нм, что позволяет измерять длину волны до 400 нм по теореме дискретизации. Поскольку длина волны измерения простирается от видимого диапазона до ближнего инфракрасного диапазона (от 400 до 1,000 нм), как описано выше, если величина разности фаз на пиксель равна 200 нм, то выполняется теорема дискретизации с коротковолновой стороны.

[0048] Кроме того, максимальное расстояние между опорным зеркальным блоком 32 и наклонным зеркальным блоком 33 можно устанавливать равным половине величины сдвига фазы (100 мкм) на линию обычной ПЗС-камеры, то есть можно устанавливать равным 50 мкм (100 мкм/2). Например, в случае когда длина в направлении оптического пути (наклонном направлении каждого зеркального блока) каждого из зеркальных блоков 32 и 33 составляет приблизительно 3 мм, угол наклона равен приблизительно 1 градусу.

Кроме того, особенно в длинноволновой области для световых лучей среднего инфракрасного диапазона, в области с большим шагом сдвига фазы необходимо получать не только изменение интерференционной интенсивности интерферограммы, но и огибающую изменения интерференционной интенсивности. Из принципа Фурье-спектроскопии также следует, что для повышения разрешения по волновому числу требуется большая величина сдвига фазы. Детектирование огибающей интерферограммы для большого шага требует, чтобы наклонный зеркальный блок 33 имел большой угол наклона. В этом случае можно обеспечить механизм изменения наклона для двух мод, например, для определения изменения интерференционной интенсивности интерферограммы и для определения огибающей. В случае когда огибающая измеряется в средней инфракрасной области, поскольку требуемая величина сдвига фазы составляет приблизительно 50 мм, например, длину в направлении оптического пути можно увеличить до 100 мм и угол наклона можно установить равным, например, 2,9 градуса.

[0049] Опорный пучок и наклонный пучок, достигшие фазовращателя 31 и, соответственно, отраженные на отражающих поверхностях опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33, проходят через анализатор 15 и затем попадают в линзу 35 формирования изображения. В настоящем варианте осуществления линза 35 формирования изображения выполнена в виде цилиндрической линзы и располагается так, что ее выпуклая поверхность обращена к фазовращателю 31, а ее плоская поверхность обращена к светоприемной поверхности 19a детектора 19. Светоприемная поверхность 19a детектора 19 располагается на плоскости формирования изображения линзы 35 формирования изображения. Поэтому опорный пучок и наклонный пучок, излученные из яркой точки в области S1 измерения, отраженные на отражающих поверхностях опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33 и затем вошедшие в линзу 35 формирования изображения, сводятся только в одном направлении линзой 35 формирования изображения и фокусируются на единичной прямой на светоприемной поверхности 19a детектора 19, для формирования, таким образом, изображения. В настоящем варианте осуществления предположим, что линза 35 формирования изображения располагается так, что направление (указанное стрелкой B на фиг.16), в котором искривлена ее выпуклая поверхность, параллельно направлению области S1 измерения. Вследствие этой конфигурации, опорный пучок и наклонный пучок, вошедшие в линзу 35 формирования изображения, фокусируются на прямой, которая лежит на светоприемной поверхности 19a и ортогональна области S1 измерения.

Отражающая поверхность опорного зеркального блока 32 и отражающая поверхность наклонного зеркального блока 33 обеспечены так, чтобы быть относительно параллельными друг другу в такой степени, в которой позиции фокусировки света этих двух пучков не смещены относительно друг друга на светоприемной поверхности 19a (плоскости формирования изображения) детектора 19 (двухмерной ПЗС-камеры).

[0050] Описан принцип измерения настоящего варианта осуществления. Описание базируется на следующей оптической модели. Опорный пучок фокусируется линзой 35 формирования изображения как волны, имеющие одинаковую фазу, на прямой линии на светоприемной поверхности 19a детектора 19. При этом наклонный пучок фокусируется как волны, фаза которых постепенно уходит от фазы опорного пучка на прямой линии на светоприемной поверхности 19a.

[0051] Как описано выше, пучок, пропущенный через область S1 измерения образца S, проходит через объектив 7, первую поляризационную пластину 9 и вторую поляризационную пластину 11 и достигает поверхностей опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33 фазовращателя 31. При этом пучок вертикально делится на два, и два пучка, соответственно, достигают поверхностей опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33. Заметим, что поверхностные участки зеркальных блоков 32 и 33 установлены так, что количество света пучка, достигшего поверхности опорного зеркального блока 32 (т.е. опорного пучка), по существу, такое же, как у пучка, достигшего поверхности наклонного зеркального блока 33 (т.е. наклонного пучка). Альтернативно, темный фильтр можно устанавливать на одном или обоих оптических путях опорного пучка и наклонного пучка для регулировки относительной разности количества света, таким образом выравнивания их количества света.

[0052] Пучки, отразившиеся на поверхностях опорного зеркального блока 32 и наклонного зеркального блока 33, поступают в линзу 35 формирования изображения как опорный пучок и наклонный пучок. Опорный пучок и наклонный пучок фокусируются на единичной прямой линии на светоприемной поверхности 19a детектора 19 для формирования, таким образом, интерференционного изображения. Поскольку опорный пучок проходит через линзу 35 формирования изображения и фокусируется как волны, имеющие одинаковую фазу, на светоприемной поверхности 19a, которая является плоскостью формирования изображения, волновые фронты опорного пучка параллельны светоприемной поверхности 19a детектора 19, как показано на фиг.17A и 17B. При этом, поскольку наклонный пучок поступает в линзу 35 формирования изображения, оптическая ось которой наклонена под углом 2×Δθ° относительно оптической оси опорного пучка, волновые фронты наклонного пучка немного наклонены по отношению к светоприемной поверхности 19a.

[0053] Согласно вышеописанному волновые фронты наклонного пучка наклонены по отношению к волновым фронтам опорного пучка. Таким образом, в области интерференции света между опорным пучком и наклонным пучком разность длин оптического пути между двумя пучками постепенно изменяется (постепенно увеличивается справа налево на фиг.17A и 17B). В частности, в первом варианте осуществления блок 131 подвижных зеркал постепенно перемещается, что обеспечивает непрерывное изменение разности фаз между первым поляризованным светом и вторым поляризованным светом. При этом в настоящем варианте осуществления опорный зеркальный блок 32 и наклонный зеркальный блок 33 располагаются так, что зеркальный блок 33 наклонен по отношению к зеркальному блоку 32, что обеспечивает непрерывное изменение разности фаз между первым поляризованным светом и вторым поляризованным светом. Кроме того, в первом варианте осуществления разность фаз изменяется во времени, тогда как во втором варианте осуществления разность фаз изменяется в пространстве.

Поскольку пучок, излучаемый из области S1 измерения, включает в себя световые лучи, имеющие различные длины волны (и начальные фазы световых лучей, имеющих соответствующие длины волны, не всегда одинаковы), разность длин оптического пути между опорным пучком и наклонным пучком непрерывно изменяется в области интерференции. Кроме того, вследствие разности в замедлении относительно длины волны можно наблюдать, что синтезированная форма волны, как показано на фиг.10A, аналогична интерферограмме.

[0054] Например, как показано на фиг.16, пучок, излучаемый из яркой точки (точки измерения) a1 в области S1 измерения, фокусируется на прямой линии на светоприемной поверхности 19a (плоскости формирования изображения) для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения b1, тогда как пучок, излучаемый из яркой точки (точки измерения) a2, фокусируется на прямой линии на светоприемной поверхности 19a для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения b2. Каждая из синтезированных форм волны интерференционных изображений b1 и b2 получается из интенсивности принятого света множества пикселей, выровненных вдоль каждого интерференционного изображения. Соответственно, во втором варианте осуществления на фиг.10A горизонтальная ось представляет количество пикселей из пикселей детектора 19, которые выровнены вдоль линейного интерференционного изображения, и вертикальная ось представляет интенсивность формирования изображения (интенсивность принятого света каждого пикселя). Если количество пикселей преобразуется на величину сдвига фазы для каждого пикселя, можно получить синтезированную форму волны, в которой горизонтальная ось представляет величину сдвига фазы.

[0055] Блок 23 обработки подвергает преобразованию Фурье полученную синтезированную форму волны и, таким образом, может получать спектральные характеристики, которые демонстрируют относительную интенсивность относительно длины волны света, излучаемого из каждой яркой точки в области S1 измерения, и замедление относительно длины волны. Если спектральные характеристики можно получить с использованием всех пикселей детектора 19, можно реализовать одномерное спектральное измерение области S1 измерения. Если область S1 измерения, на которую поступает линейно поляризованный свет, сканируется, можно реализовать двухмерное спектральное измерение объекта S, подлежащего измерению. Если область S1 измерения сканируется и фокальная плоскость (плоскость, включающая в себя фокальную точку) смещается за счет перемещения объектива 7, можно реализовать трехмерное спектральное измерение.

Третий вариант осуществления

[0056] Фиг.19-21 демонстрируют третий вариант осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг.19 и 20, в устройстве 1 измерения спектральной характеристики настоящего варианта осуществления линза 35 формирования изображения делится на опорный линзовый блок 35a и наклонный линзовый блок 35b. Опорный пучок, отразившийся на опорном зеркальном блоке 32, поступает в опорный линзовый блок 35a, тогда как наклонный пучок, отразившийся на наклонном зеркальном блоке 33, поступает в наклонный линзовый блок 35b. Каждый из опорного линзового блока 35a и наклонного линзового блока 35b имеет форму, полученную равномерным делением линзы 35 формирования изображения второго варианта осуществления пополам, и располагается так, что наклон оптической оси одного опорного пучка и наклонного пучка относительно оптической оси другого из них остается неизменным, тогда как оптическая ось другого из них смещается вдоль линейного интерференционного изображения, сформированного на светоприемной поверхности 19a (плоскости формирования изображения) детектора 19. Другими словами, опорный линзовый блок 35a и наклонный линзовый блок 35b функционируют как оптическая система формирования изображения и блок изменения оптической оси.

Эта конфигурация может увеличивать область (т.е. область интерференции), в которой опорный пучок перекрывается с наклонным пучком на светоприемной поверхности 19a, как показано на фиг.21.

Четвертый вариант осуществления

[0057] Фиг.22 демонстрирует четвертый вариант осуществления настоящего изобретения. В четвертом варианте осуществления преобразователь 41 монохроматического света, например люминесцентная пластина для преобразования интенсивности света в монохроматический свет, устанавливается в позиции плоскости формирования изображения во втором варианте осуществления и цилиндрическая линза 43 располагается в позиции преобразователя 41 монохроматического света, которая рассматривается как объектная плоскость. Затем детектор 19 располагается так, что его светоприемная поверхность 19a располагается в плоскости оптического преобразования Фурье цилиндрической линзы 43. Цилиндрическая линза 43 располагается так, что направление его неискривленного участка ортогонально направлению, в котором проходит линейное интерференционное изображение.

[0058] В четвертом варианте осуществления интерференционное изображение опорного пучка и наклонного пучка, которые были пропущены через линзу 35 формирования изображения, преобразуется в пространственное распределение яркости преобразователем 41 монохроматического света. Затем распределение интенсивности подвергается оптическому преобразованию Фурье цилиндрической линзой 43, и оптический спектр формируется на плоскости формирования изображения в реальном времени. Поскольку светоприемная поверхность 19a детектора 19 располагается в плоскости преобразования Фурье цилиндрической линзы 43, оптическое получение распределения интенсивности света оптического спектра позволяет получать такие же спектральные характеристики и свойства двулучепреломления, как в случае, когда синтезированная форма волны, полученная во втором варианте осуществления, подвергается математическому преобразованию Фурье. Таким образом, в настоящем варианте осуществления спектральные характеристики и свойства двулучепреломления можно непосредственно получать без необходимости осуществлять операцию преобразования Фурье, что позволяет быстрее получать спектральные характеристики. Заметим, что в четвертом варианте осуществления преобразователь 41 монохроматического света и цилиндрическая линза 43 образуют спектральную оптическую систему.

[0059] Настоящее изобретение не ограничивается вышеупомянутыми вариантами осуществления и при необходимости может изменяться. Например, в первом варианте осуществления анализатор 15, размещенный до линзы 17 формирования изображения, может располагаться после линзы 17 формирования изображения. Однако, если анализатор 15 располагается после линзы 17 формирования изображения, характеристики формирования изображения ухудшаются, и поэтому предпочтительно размещать анализатор 15 перед линзой формирования изображения, как в первом варианте осуществления.

Перечень ссылочных позиций

[0060]

1 - Устройство измерения оптических характеристик

3 - Источник света

5 - Поляризатор

7 - Объектив

9 - Первая поляризационная пластина

11 - Вторая поляризационная пластина

13, 31 - Фазовращатель

15 - Анализатор

17 - Линза формирования изображения

19 - Детектор

19a - Светоприемная поверхность

21 - Механизм привода линзы

23 - Блок обработки

25 - Блок управления

32 - Опорный зеркальный блок

33 - Наклонный зеркальный блок

35 - Линза формирования изображения

35a - Опорный линзовый блок

35b - Наклонный линзовый блок

41 - Преобразователь монохроматического света

43 - Цилиндрическая линза

131 - Блок подвижных зеркал

132 - Блок неподвижных зеркал

Изобретение относится к области оптических измерений. Измерение оптических характеристик заключается в том, что линейно поляризованный свет направляют на образец S через поляризатор. Затем свет достигает блока 131 подвижных зеркал и блока 132 неподвижных зеркал фазовращателя 13 через первую поляризационную пластину 9 и вторую поляризационную пластину 11. Лучи, отразившиеся на этих блоках зеркал, проходят через анализатор 15 и с помощью линзы 17 формирования изображения формируют интерференционное изображение на светоприемной поверхности детектора 19. При этом разность длин оптического пути между пучком, отраженным на блоке 131 подвижных зеркал, и пучком, отраженным на блоке 132 неподвижных зеркал, непрерывно изменяется за счет перемещения блока 131 подвижных зеркал, и непрерывно изменяется интенсивность интерференционного изображения, зарегистрированная детектором 19, что позволяет получить синтезированную форму волны, аналогичную интерферограмме, которая подвергается преобразованию Фурье, что позволяет получить амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны. 6 н. и 9 з.п. ф-лы, 22 ил.

1. Устройство измерения оптических характеристик, содержащее
a) делительную оптическую систему для направления света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину;
b) анализатор, через который синтезированный свет может проходить в заранее определенном направлении поляризации, причем синтезированный свет состоит из компонента первой поляризации, пропущенного через первую поляризационную пластину, и компонента второй поляризации, пропущенного через вторую поляризационную пластину;
c) оптическую систему формирования изображения для направления синтезированного света, пропущенного через анализатор, в единичную точку для формирования, таким образом, интерференционного изображения;
d) блок детектирования для детектирования интенсивности света интерференционного изображения;
e) блок изменения разности фаз для изменения разности в длине оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации, которые соответственно распространяются от первой поляризационной пластины и второй поляризационной пластины к анализатору, для изменения, таким образом, разности фаз между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации; и
f) блок обработки для Фурье-преобразования данных изменения в интенсивности света, обнаруженного блоком детектирования, совместно с изменением в разности фаз, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

2. Устройство измерения оптических характеристик, содержащее
a) делительную оптическую систему для направления света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину;
b) анализатор, через который синтезированный свет может проходить в заранее определенном направлении поляризации, причем синтезированный свет состоит из компонента первой поляризации, пропущенного через первую поляризационную пластину, и компонента второй поляризации, пропущенного через вторую поляризационную пластину;
c) оптическую систему формирования изображения для фокусировки синтезированного света, пропущенного через анализатор, на единичной прямой, которая проходит в направлении, отличном от направлений оптических осей компонента первой поляризации и компонента второй поляризации, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения;
d) фазовращатель для обеспечения непрерывного распределения разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации, которые соответственно распространяются от первой поляризационной пластины и второй поляризационной пластины к анализатору, для обеспечения, таким образом, непрерывного изменения фазы между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации;
e) блок детектирования для детектирования распределения интенсивности света линейного интерференционного изображения в направлении, в котором проходит интерференционное изображение; и
f) блок обработки для Фурье-преобразования данных, указывающих распределение интенсивности света интерференционного изображения, выявленное блоком детектирования, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

3. Устройство измерения оптических характеристик, содержащее
a) делительную оптическую систему для направления света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину;
b) анализатор, через который синтезированный свет может проходить в заранее определенном направлении поляризации, причем синтезированный свет состоит из компонента первой поляризации, пропущенного через первую поляризационную пластину, и компонента второй поляризации, пропущенного через вторую поляризационную пластину;
c) оптическую систему формирования изображения для фокусировки синтезированного света, пропущенного через анализатор, на единичной прямой, которая проходит в направлении, отличном от направлений оптических осей компонента первой поляризации и компонента второй поляризации, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения;
d) фазовращатель для обеспечения непрерывного распределения разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации, которые соответственно распространяются от первой поляризационной пластины и второй поляризационной пластины к анализатору, для обеспечения, таким образом, непрерывного изменения фазы между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации;
e) спектральную оптическую систему для разрешения по длине волны линейного интерференционного изображения для формирования, таким образом, оптического спектра;
f) блок детектирования для детектирования распределения интенсивности света оптического спектра; и
g) блок обработки для получения амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, из распределения интенсивности света, выявленного блоком детектирования.

4. Устройство измерения оптических характеристик по п.1, в котором
первая поляризационная пластина и вторая поляризационная пластина располагаются так, что направления поляризации компонента первой поляризации и компонента второй поляризации ортогональны друг другу и наклонены под углом 45 градусов к компоненту электрического поля линейно поляризованного света, падающего на объект, подлежащий измерению.

5. Устройство измерения оптических характеристик по п.1, в котором
делительная оптическая система включает в себя объектив для коллимации света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, в параллельные световые лучи и направления параллельных световых лучей на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину, и
блок обработки получает амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от части объекта, подлежащего измерению, части, соответствующей фокальной точке объектива.

6. Устройство измерения оптических характеристик по п.5, дополнительно содержащее блок изменения фокальной точки для относительного изменения фокальной точки объектива по отношению к объекту, подлежащему измерению.

7. Способ измерения оптических характеристик, содержащий этапы, на которых:
a) заставляют линейно поляризованный свет падать на объект, подлежащий измерению;
b) направляют посредством делительной оптической системы свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину;
c) направляют компонент первой поляризации, пропущенный через первую поляризационную пластину, и компонент второй поляризации, пропущенный через вторую поляризационную пластину, в оптическую систему формирования изображения через анализатор, одновременно изменяя разность в длине оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации и фокусируя посредством оптической системы формирования изображения направляемые компоненты на единичной точке, для формирования, таким образом, интерференционного изображения; и
d) осуществляют Фурье-преобразование данных, указывающих изменение в интенсивности света интерференционного изображения, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

8. Способ измерения оптических характеристик, содержащий этапы, на которых:
a) заставляют линейно поляризованный свет падать на объект, подлежащий измерению;
b) направляют посредством делительной оптической системы свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину;
c) направляют компонент первой поляризации, пропущенный через первую поляризационную пластину, и компонент второй поляризации, пропущенный через вторую поляризационную пластину, в оптическую систему формирования изображения через анализатор, одновременно обеспечивая непрерывное распределение разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации и фокусируя, посредством оптической системы формирования изображения, направляемые компоненты на единичной прямой, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения; и
d) осуществляют Фурье-преобразование данных, указывающих распределение интенсивности света линейного интерференционного изображения в направлении, в котором проходит интерференционное изображение, для получения, таким образом, амплитуды относительно длины волны и разности фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению.

9. Способ измерения оптических характеристик, содержащий этапы, на которых:
a) заставляют линейно поляризованный свет падать на объект, подлежащий измерению;
b) направляют посредством делительной оптической системы свет, излучаемый от объекта, подлежащего измерению, на который падает линейно поляризованный свет, на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину;
c) направляют компонент первой поляризации, пропущенный через первую поляризационную пластину, и компонент второй поляризации, пропущенный через вторую поляризационную пластину, в оптическую систему формирования изображения через анализатор, одновременно обеспечивая непрерывное распределение разности длин оптического пути между компонентом первой поляризации и компонентом второй поляризации и фокусируя посредством оптической системы формирования изображения направляемые компоненты на единичной прямой линии, для формирования, таким образом, линейного интерференционного изображения;
d) разрешают по длине волны посредством спектральной оптической системы линейное интерференционное изображение для получения, таким образом, оптического спектра; и
e) получают амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, на основании распределения интенсивности света оптического спектра.

10. Устройство измерения оптических характеристик по п.2, в котором
первая поляризационная пластина и вторая поляризационная пластина располагаются так, что направления поляризации компонента первой поляризации и компонента второй поляризации ортогональны друг другу и наклонены под углом 45 градусов к компоненту электрического поля линейно поляризованного света, падающего на объект, подлежащий измерению.

11. Устройство измерения оптических характеристик по п.3, в котором
первая поляризационная пластина и вторая поляризационная пластина располагаются так, что направления поляризации компонента первой поляризации и компонента второй поляризации ортогональны друг другу и наклонены под углом 45 градусов к компоненту электрического поля линейно поляризованного света, падающего на объект, подлежащий измерению.

12. Устройство измерения оптических характеристик по п.2, в котором
делительная оптическая система включает в себя объектив для коллимации света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, в параллельные световые лучи и направления параллельных световых лучей на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину, и
блок обработки получает амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от части объекта, подлежащего измерению, части, соответствующей фокальной точке объектива.

13. Устройство измерения оптических характеристик по п.3, в котором
делительная оптическая система включает в себя объектив для коллимации света, излучаемого от объекта, подлежащего измерению, в параллельные световые лучи и направления параллельных световых лучей на первую поляризационную пластину и вторую поляризационную пластину, и
блок обработки получает амплитуду относительно длины волны и разность фаз двулучепреломления относительно длины волны света, излучаемого от части объекта, подлежащего измерению, части, соответствующей фокальной точке объектива.

14. Устройство измерения оптических характеристик по п.12, дополнительно содержащее блок изменения фокальной точки для относительного изменения фокальной точки объектива по отношению к объекту, подлежащему измерению.

15. Устройство измерения оптических характеристик по п.13, дополнительно содержащее блок изменения фокальной точки для относительного изменения фокальной точки объектива по отношению к объекту, подлежащему измерению.