一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統的製作方法

2023-06-15 19:59:56 2

專利名稱：一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學測量領域，尤其涉及一種大量程及高解析度的表面三維測量系統。
背景技術：
現有的與此技術相接近的文獻有以下兩個[1]D. P. Hand, Τ. A. Carolan, J. S. Barton, and J. D. C. Jones. "Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry", Opt. Lett.，Vol. 18，No. 16，1993，P. 1361-1363. (Optics Letters (光學快報)，第 18 卷，第 16 期，P. 1361-1363)文獻[1]的技術原理如圖1所示。半導體雷射器發出的光經過法拉第隔離器和光纖3dB_耦合器後，到達測量頭，測量頭是一個菲索幹涉儀，一部分光被光纖端面反射作為參考光，另一部分光經過自聚焦透鏡聚焦後，投射到被測表面上，由被測表面反射重新回到系統中並與參考光發生幹涉，幹涉信號由探測器Dl探測，幹涉信號的相位決定於被測表面被測點的縱向高度；改變該雷射器的驅動電流以改變雷射器的發光頻率，用四種不同頻率的光對同一點進行測量，得到四個幹涉信號，由於入射光波頻率不同，四個幹涉信號的位相就不同，調節驅動電流，使相鄰兩個幹涉信號的相位差η /2，通過以下式子，即可解調出該點的光程差D，即完成單點的測量
D = -^tan1
(I —I、
1A 1 2
T-T1
V7I 73 J
4πνIn(η = 1，2，3，4)是第η次幹涉信號的強度，c是光速，ν是入射光頻率。步進電機再帶動測量頭橫向掃描被測表面，即完成對被測表面的測量。[2]Dejiao Lin, Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion. "High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolute displacement measurement and on-line surface metrology，，，Optics Express, Vol. 12, Issue 23，2004，P. 5729-5734. (Optics Express (光學特快)，2004 年，第 12 卷，第 23 期，P. 5729-5734)文獻[2]的技術原理圖如圖2所示。此系統包含兩個光路幾乎重合的麥可遜幹涉儀。一個麥可遜幹涉儀是利用測量臂上的光纖光柵和參考鏡作為反射鏡構成，用於完成穩定工作；另一個麥可遜幹涉儀是利用測量鏡和參考鏡作為反射鏡構成，用於完成測量工作。因為兩個幹涉儀的參考臂共用一個反射鏡，兩個幹涉儀的參考臂光路完全重合，又由於兩個幹涉儀的測量臂幾乎重合， 所以，一個幹涉儀穩定了，另一個幹涉儀也就穩定了。由半導體雷射器發出波長為λ ^的光經過兩個3dB_耦合器後被分為兩路，一路被光纖光柵反射，另一路被參考反射鏡反射。兩路反射光經過3dB-耦合器後再次相遇並且發生幹涉，幹涉信號經過環行器後，被另一個光纖光柵反射，再次經過環行器，然後被探測器探測，此探測器探測到的信號經過伺服電路處理後驅動壓電陶瓷管調節光纖幹涉儀的參考臂的長度，使穩定幹涉儀的兩個幹涉臂始終處於正交狀態(相位差為η /2)，從而實現穩定該幹涉儀的目的。可調諧雷射器發出的波長入1]]可變的光經過兩個光纖3dB_耦合器後被分為兩路， 一路經過光纖自準直透鏡後再由測量鏡反射再次回到幹涉儀中，另一路經過光纖自準直透鏡後再由參考鏡反射再次回到幹涉儀中，兩路光經過3dB-耦合器後相遇，形成幹涉信號， 此幹涉信號經過環行器及光纖光柵後，被探測器探測，再經過相位分析即測量出測量鏡的位移。上述兩個現有技術存在的問題和不足是1、是點掃描測量方式，需要二維掃描才能完成表面三維測量。2、測量量程受入射光波波長λ的限制，測量量程很小，小於λ/2，不能對臺階高度大於半波長的不連續表面進行測量。

發明內容
本發明利用拍波光片線掃描被測表面進行三維幹涉測量，只需一維掃描即可完成表面三維測量；融合拍波幹涉和單波長幹涉的優點，實現大量程及高解析度測量的目的，能夠對臺階高度大於半波長的不連續表面進行測量。本發明是通過以下技術方案實現的。本發明提供了一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統，由寬帶光源Si、 兩個光纖隔離器Il和12、三個自準直鏡Ζ1、Ζ2和^3、兩個衍射光柵Gl和G2、七個平柱透鏡 Ll L7、兩個線陣光電耦合器CXDl和(XD2、三個光闌GLl、GL3和GL3、3dB_耦合器Ni、分光鏡BS、縱向微動工作檯Ml、橫向微動工作檯M2、數據採集卡Bi、信號發生器B3、驅動控制 B4、計算機B2和結果輸出B5組成；寬帶光源Sl發出的光經過光纖隔離器Il以及3dB_耦合器m後被分為兩路，一路光經過自準直鏡Zl後被準直成平行光束，另一路光經過光纖隔離器12及自準直鏡Z2後也被準直成平行光束，這兩束平行光以夾角△ i入射到衍射光柵 Gl的同一點上，光闌GLl的作用是去掉雜散光，衍射光柵Gl將這兩束平行光色散成波長在空間連續分布的兩片扇形光片，這兩片扇形光片橫向錯位且部分重疊，重疊區域也是一個扇形光片，在重疊的扇形光片中的任一點均是由兩種不同的波長合成而成的拍波，扇形光片經過光闌GL2，光闌GL2將未重疊區域濾掉，平柱透鏡Ll將重疊區域的扇形光片準直成平行光片，此平行光片是由一系列並行的拍波組成的拍波平行光片，此拍波平行光片到達分光鏡BS，一半的光強透射，另一半的光強被反射出測量系統，透射光垂直入射到平柱透鏡 L2的平面上，該平面鍍了部分反射膜，一部分光強被反射，此反射光作為參考光，另一部分的光強透射，透射光被平柱透鏡L2聚焦成細光線，此光線掃描被測表面T，由被測表面T反射或散射回系統，經過平柱透鏡L2後與參考光相遇並發生拍波幹涉，形成拍波幹涉光片， 此拍波幹涉光片到達分光鏡BS，一半的光強被反射，另一半光強透射，反射的拍波幹涉光片垂直入射到平柱透鏡L3上，平柱透鏡L3和L4共焦，且平柱透鏡L3的焦距小於平柱透鏡L4 的焦距，拍波幹涉光片經過平柱透鏡L3和L4後被擴展成更寬的光片，此光片由線陣光電耦合器CCDl探測；透過分光鏡BS的拍波幹涉光片經過平柱透鏡Ll後被聚焦到衍射光柵Gl上，原來由自準直鏡Zl和Z2準直的兩束平行光色散成的兩片重疊的扇形光片，現在又成了兩束平行光，沿原路分別入射到自準直鏡Zl和Z2中，入射到自準直鏡Z2的光因為光纖隔離器12的作用不能到達3dB-耦合器附，入射到自準直鏡Zl的光束經過3dB-耦合器m後被分成兩束，一束光到達光纖隔離器II，由於光纖隔離器Il的作用不能到達光源，因此不會對光源產生影響，另一束光到達自準直鏡Z3，被自準直鏡準直成平行光束，入射到衍射光柵G2上，光闌GL3的作用也是去掉雜散光，此平行光束由衍射光柵G2再次色散成波長在空間連續分布的扇形光片，由平柱透鏡L5準直成波長在空間連續分布的平行光片，此平行光片垂直入射到平柱透鏡L6上，平柱透鏡L6和L7共焦，且平柱透鏡L6的焦距小於平柱透鏡L7的焦距，此幹涉光片經過兩個平柱透鏡L6和L7後被擴展成更寬的光片，由線陣光電耦合器CCD2探測；線陣光電耦合器CCDl和CCD2探測到的信號經過數據採集卡Bi，由計算機B2中的程序進行數據處理後，由結果輸出B5輸出測量結果，完成表面二維測量；計算機B2輸出信號至驅動控制驅動橫向微動工作檯M2，光線橫向掃描被測表面T，再對兩個線陣光電耦合器CCDl和CCD2探測到的信號作相同的處理，即完成表面三維測量。所述信號發生器用來產生周期性鋸齒波，對光路中的縱向微動工作檯Ml加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調節幹涉光路的光程差，對拍波幹涉信號和單波長幹涉信號進行調製，調節鋸齒波電壓的幅值，使拍波幹涉信號的周期與鋸齒波的周期相同。進一步，作為優選方案，衍射光柵Gl將夾角為△ i的兩束平行光束色散成波長在空間連續分布的扇形光片，這兩片扇形光片部分重疊，重疊部分由平柱透鏡Ll轉換成拍波平行光片。進一步，作為優選方案，線陣光電耦合器CCDl探測到拍波幹涉信號，線陣光電耦合器CCD2探測到單波長幹涉信號；融合兩個光電耦合器CCDl和CCD2探測到的信號，拍波幹涉信號用於決定測量系統的測量量程，使測量量程擴大為半拍波波長，單波長幹涉信號用於決定測量解析度，使測量解析度為單波長幹涉測量的高解析度。本發明的有益效果主要有三個1、本發明利用拍波光片線掃描被測表面實現三維幹涉測量，只需一維掃描即可完成表面三維測量，極大地簡化機構，提高測量速度。2、本發明利用拍波幹涉信號決定測量系統的測量量程，使得測量量程為半拍波波長，遠遠大於現有技術的半光波波長的測量量程。3、本發明利用單波長幹涉信號決定測量系統的測量解析度，使得測量系統在具有大測量量程的同時，仍然具有單波長幹涉測量的高解析度的優點。


圖1是現有技術文獻[1]的總原理圖；圖2是現有技術文獻[2]的實現表面測量原理圖；圖3是本發明原理圖。
具體實施例方式下面結合附圖3和具體實施方式
對本發明作進一步描述。如圖3所示，一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統，由寬帶光源發出的光經過光纖隔離器Ii以及3dB-耦合器m後被分為兩路，一路光經過自準直鏡Zl被準直成平行光束，另一路光經過光纖隔離器12及自準直鏡Z2後也被準直成平行光束。這兩束平行光以夾角Ai入射到衍射光柵Gl的同一點上，光闌GLl的作用是去掉雜散光。衍射光柵Gl將這兩束平行光色散成波長在空間連續分布的兩片扇形光片。由於兩束平行光的入射角不同，所以這兩片扇形光片橫向錯位且部分重疊，重疊區域也是一個扇形光片。在重疊的扇形光片中的任一點均是由兩種不同的波長合成而成的拍波。扇形光片經過光闌GL2， 光闌GL2將未重疊區域濾掉，平柱透鏡Ll將重疊區域的扇形光片準直成平行光片，此平行光片是由一系列並行的拍波組成的拍波平行光片。此拍波平行光片到達分光鏡BS，一半的光強透射，另一半的光強被反射出測量系統。透射光垂直入射到平柱透鏡L2的平面上，該平面鍍了部分反射膜，一部分光強被反射，此反射光作為參考光，另一部分的光強透射，透射光被平柱透鏡L2聚焦成細光線。此光線掃描被測表面T，由被測表面T反射(或散射) 回系統，經過平柱透鏡L2後與參考光相遇並發生拍波幹涉，形成拍波幹涉光片。此拍波幹涉光片到達分光鏡BS，一半的光強被反射，另一半光強透射。反射的拍波幹涉光片垂直入射到平柱透鏡L3上，平柱透鏡L3和L4共焦，且平柱透鏡L3的焦距小於平柱透鏡L4的焦距，所以拍波幹涉光片經過平柱透鏡L3和L4後被擴展成更寬的光片，此光片由線陣光電耦合器CCDl探測，線陣光電耦合器CCDl不同的像元探測到被測表面T對應點反射回來的拍波與參考光產生的拍波幹涉信號，被測點的縱向(垂直於被測表面方向)信息包含在此拍波幹涉信號的相位中，可對梯度達半拍波波長的不連續表面進行測量，測量量程達半拍波波長。因相位測量的解析度是一定的，拍波波長遠大於光波波長，所以拍波幹涉的測量解析度遠低於單波長幹涉的測量解析度。為了在得到大的測量量程的同時，得到高的測量解析度，本測量系統利用線陣光電耦合器CCD2 (與線陣光電耦合器CCDl型號相同)探測單波長光片掃描被測表面形成的單波長幹涉信號，通過解調線陣光電耦合器CCD2探測到的幹涉信號可得到單波長幹涉測量的高解析度。具體實現說明如下。拍波幹涉光片到達分光鏡BS後，一半的光強被反射，此部分光經過平柱透鏡L3和 L4後被線陣光電耦合器CCDl探測；另一半光強透過分光鏡BS，此拍波幹涉光片經過平柱透鏡Ll後被聚焦到衍射光柵Gl上。原來由自準直鏡Zl和Z2準直的兩束平行光色散成的兩片重疊的扇形光片，現在又成了兩束平行光，沿原路分別入射到自準直鏡Zl和Z2中，這兩束平行光都攜帶了被測表面T的信息。入射到自準直鏡Z2的光因為光纖隔離器12的作用不能到達3dB-耦合器附。入射到自準直鏡Zl的光束經過3dB-耦合器附後被分成兩束， 一束光到達光纖隔離器II，由於光纖隔離器Il的作用不能到達光源，因此不會對光源產生影響。另一束光到達自準直鏡23，被D準直成平行光束，投射到衍射光柵G2上(Gl和G2 同型號同參數)，光闌GL3的作用也是去掉雜散光。此平行光束由衍射光柵G2再次色散成波長在空間連續分布的扇形光片，由平柱透鏡L5準直成波長在空間連續分布的平行光片。 此平行光片是拍波平行光片掃描被測表面T時，組成拍波平行光片的兩片光片之中的一片光片，由被測表面T反射(或散射)的光和與此光片對應的參考光片產生的幹涉信號。此幹涉光片垂直入射到平柱透鏡L6上，平柱透鏡L6和L7共焦，且平柱透鏡L6的焦距小於平柱透鏡L7的焦距，此幹涉光片經過兩個平柱透鏡L6和L7後被擴展成更寬的光片，由線陣光電耦合器CCD2探測。因此，線陣光電耦合器CCD2的每個像元探測到的是被測表面T對應點反射回來的單波長與對應的參考光產生的單波長幹涉信號，被測表面T的縱向(垂直於被測表面方向)信息也包含在此單波長幹涉信號中。來自自準直鏡Zl和的兩束平行光以相同的入射角分別入射到衍射光柵Gl和 G2上，因為衍射光柵Gl和G2的參數相同，平柱透鏡Ll和L5的參數相同，平柱透鏡L3和 L6的參數相同，平柱透鏡L4和L7的參數相同。因此，線陣光電耦合器CXDl的每個像元探測到的拍波幹涉信號與線陣光電耦合器CCD2對應的像元探測到的單波長幹涉信號均是由被測表面T上同一點的反射(散射)光形成的，它們的相位包含的是同一點的縱向(垂直於被測表面方向)信息。只要比較測量出兩個線陣光電耦合器CXDl和(XD2兩兩相鄰像元探測到的幹涉信號的相位差，即可計算出被測表面T對應相鄰兩點之間的縱向變化量。為了比較測量線陣光電耦合器CCDl和CCD2兩兩相鄰像元探測到的幹涉信號的相位差，本系統對幹涉信號進行了調製。由信號發生器發出周期性的鋸齒波電壓驅動一維縱向微動工作檯Ml縱向調節幹涉光路的光程差，光程調節幅值為線陣光電耦合器CCDl探測到的最大的半拍波波長 (因拍波平行光片在垂直于波的傳播方向上每一點的拍波波長不同)，兩個線陣光電耦合器CCDl和CCD2分別探測到一個鋸齒波周期內的拍波幹涉信號和單波長幹涉信號，將這兩路幹涉信號和鋸齒波信號同時輸入數據採集卡Bi，由計算機B2採樣並記錄兩個線陣光電耦合器CCDl和CCD2在一個鋸齒波周期內探測到的幹涉信號，由計算機中的程序作數據處理後即可分別得到兩個線陣光電耦合器CCDl和CCD2兩兩相鄰像元探測到的幹涉信號的相位差，即可計算出對應被測點的縱向相對變化量，由結果輸出B5輸出測量結果，即完成表面二維測量；計算機B2發出信號給驅動控制B4驅動橫向微動工作檯，光線橫向掃描被測表面T，再對兩個線陣光電耦合器CCDl和CCD2對應的每對像元探測到的幹涉信號作相同的處理，即完成表面三維測量。通過調節自準直鏡Zl和Z2出射的兩束平行光的夾角Δ i的大小，可以調節兩片平行光片的重疊區域的大小，從而實現對合成波波長大小的調節，得到大的測量量程，以測量大臺階不連續表面。為了舉例說明本發明的實現，描述了上述的具體實例。但本發明的其他變化和修改，對本領域技術人員是顯而易見的，在本發明無公開內容的實質和基本原則範圍內的任何修改/變化或仿效變換都屬於本發明的權利要求保護範圍。
權利要求
1.一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統，其特徵在於它是由寬帶光源 (Si)、兩個光纖隔離器(11，12)、三個自準直鏡(Z1，Z273)、兩個衍射光柵(G1，G2)、七個平柱透鏡(Li L7)、兩個線陣光電耦合器(CCD1，CCD2)、三個光闌(GLl, GL2，GL!3)、3dB-耦合器(W)、分光鏡(BS)、縱向微動工作檯(Ml)、橫向微動工作檯(iC)、數據採集卡(Bi)、信號發生器(B3)、驅動控制(B4)、計算機(B2)和結果輸出(B5)組成；寬帶光源(Si)發出的光經過光纖隔離器(Il)以及3dB-耦合器(Ni)後被分為兩路，一路光經過自準直鏡(Zl) 後被準直成平行光束，另一路光經過光纖隔離器(1 及自準直鏡m後也被準直成平行光束，這兩束平行光以夾角Ai入射到衍射光柵(Gl)的同一點上，光闌(GLl)的作用是去掉雜散光，衍射光柵(Gl)將這兩束平行光色散成波長在空間連續分布的兩片扇形光片，這兩片扇形光片橫向錯位且部分重疊，重疊區域也是一個扇形光片，在重疊的扇形光片中的任一點均是由兩種不同的波長合成而成的拍波，扇形光片經過光闌(GL2)，光闌(GL2)將未重疊區域濾掉，平柱透鏡(Li)將重疊區域的扇形光片準直成平行光片，此平行光片是由一系列並行的拍波組成的拍波平行光片，此拍波平行光片到達分光鏡(BS)，一半的光強透射， 另一半的光強被反射出測量系統，透射光垂直入射到平柱透鏡(U)的平面上，該平面鍍了部分反射膜，一部分光強被反射，此反射光作為參考光，另一部分光強透射，透射光被平柱透鏡(L2)聚焦成細光線，此光線掃描被測表面T，由被測表面T反射或散射回系統，經過平柱透鏡(L2)後與參考光相遇並發生拍波幹涉，形成拍波幹涉光片，此拍波幹涉光片到達分光鏡(BQ，一半的光強被反射，另一半光強透射，反射的拍波幹涉光片垂直入射到平柱透鏡 (L3)上，平柱透鏡(L3)和(L4)共焦，且平柱透鏡(L3)的焦距小於平柱透鏡(L4)的焦距， 拍波幹涉光片經過平柱透鏡(U)和(L4)後被擴展成更寬的光片，此光片由線陣光電耦合器(CCDl)探測；透過分光鏡(BQ的拍波幹涉光片經過平柱透鏡(Li)後被聚焦到衍射光柵 (Gl)上，原來由自準直鏡(Zl)和、 )準直的兩束平行光色散成的兩片重疊的扇形光片，現在又成了兩束平行光，沿原路分別入射到自準直鏡(Zl)和、 )中，入射到自準直鏡(Z2) 的光因為光纖隔離器(12)的作用不能到達3dB-耦合器(m)，入射到自準直鏡(Zl)的光束經過3dB-耦合器(Ni)後被分成兩束，一束光到達光纖隔離器(II)，由於光纖隔離器(Il) 的作用不能到達光源，因此不會對光源產生影響，另一束光到達自準直鏡(Z3)，被自準直鏡 (Z3)準直成平行光束，入射到衍射光柵(G2)上，光闌(GL3)的作用也是去掉雜散光，此平行光束由衍射光柵(6 再次色散成波長在空間連續分布的扇形光片，由平柱透鏡(L5)準直成波長在空間連續分布的平行光片，此平行光片垂直入射到平柱透鏡(L6)上，平柱透鏡 (L6)和(L7)共焦，且平柱透鏡(L6)的焦距小於平柱透鏡(L7)的焦距，此幹涉光片經過兩個平柱透鏡(L6)和(L7)後被擴展成更寬的光片，由線陣光電耦合器(CCD》探測；線陣光電耦合器(CCD1，CCM)探測到的信號經過數據採集卡(Bi)，由計算機(B》中的程序進行數據處理後，由結果輸出(BQ輸出測量結果，完成表面二維測量；計算機(B》輸出信號至驅動控制驅動橫向微動工作檯(M2)，光線橫向掃描被測表面，再對兩個線陣光電耦合器CCDl 和CCD2探測到的信號作相同的處理，即完成表面三維測量。
2.根據權利要求1所述的一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統，其特徵在於衍射光柵(Gl)將夾角為Ai的兩束平行光束色散成波長在空間連續分布的扇形光片， 這兩片扇形光片部分重疊，重疊部分由平柱透鏡(Li)轉換成拍波平行光片。
3.根據權利要求1所述的一種可調諧拍波線掃描的表面三維幹涉測量系統，其特徵在於線陣光電耦合器(CCDl)探測到拍波幹涉信號，線陣光電耦合器(CCD2)探測到單波長幹涉信號，融合兩個光電耦合器(CCD1，CCD2)探測到的信號，拍波幹涉信號用於決定測量系統的測量量程，使測量量程擴大為半拍波波長，單波長幹涉信號用於決定測量解析度，使測量解析度為單波長幹涉測量的高解析度。
全文摘要
本發明公開了一種可調諧拍波線掃描的大量程高解析度表面三維幹涉測量系統，屬於光學測量技術領域。所述系統由寬帶光源、兩個光纖隔離器、三個光闌、三個自準直鏡、兩個衍射光柵、七個平柱透鏡、兩個線陣光電耦合器、3dB-耦合器、分光鏡、縱向微動工作檯、橫向微動工作檯、數據採集卡、信號發生器、驅動控制、計算機和結果輸出組成；利用拍波光片掃描被測表面，一個線陣光電耦合器探測拍波幹涉信號，使量程為半拍波波長，另一線陣光電耦合器探測單波長幹涉信號來決定解析度，使系統有大量程及高解析度。調節拍波波長，可得不同量程。只需一維掃描即完成表面三維測量，簡化了機構，提高了測量速度。共路幹涉使系統有強抗幹擾性，適合在線測量。
文檔編號G01D21/00GK102538866SQ20111043985
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月23日 優先權日2011年12月23日
發明者劉義秦, 李昭瑩, 謝芳, 馬森 申請人:北京交通大學