臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀及臺階表面高度測量方法
2023-05-16 23:53:41 1
臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀及臺階表面高度測量方法
【專利摘要】本發明涉及測繪領域，特別是涉及臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀及臺階表面高度測量方法。針對目前臺階表面高度測量中測量結果容易受到光源波長幹擾，造成測量結果系統誤差大、隨機誤差大、精度低、準確度低的問題，提供一種全新的測量裝置及方法。為了實現這一發明目的，我們公開了一種臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀，包括雷射光源、三個透鏡、一個平面光柵、一個帶有兩個針孔的光闌、一個圖像傳感器、一個正弦振動揚聲器；採用本發明所公開的測量方法，無需考慮光源波長等因素，系統誤差小、隨機誤差小，測量結果準確度高、精度高。
【專利說明】臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀及臺階表面高度測量方 法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及測繪領域，特別是涉及臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀及臺階表面 高度測量方法。
【背景技術】
[0002] 單波長幹涉儀受限於平滑和連續的表面上的測量，兩個測量點之間的光程差的變 化小於半波長。為了克服這種限制，就提出了雙波長幹涉儀。雙波長幹涉測量法被用於測 量的光程差小於一個波長。在雙波長幹涉儀中，兩個波長提供了一個合成的等效波長，波長 長於兩個波長。因為這兩個波長之間的差異是很小的，幾納米，所以這需要兩個波長是高度 穩定的。無論是在單波長或雙波長幹涉儀中，由於相位差與直接使用的波長有關，光源的波 長的擾動會帶來非常大的系統誤差和隨機誤差的測量結果。半導體雷射二極體已被用於幹 涉儀是廣泛的光源，因為它具有較小的體積，較低的價格和在應用比其他雷射源更方便的 特點。然而，雷射二極體光源的波長很容易會隨著注入電流和溫度的變化而波動。為了克 服光源波長的幹擾影響測量結果，相關人員已經做了大量的研究工作。
[0003] 相移幹涉儀廣泛應用於獲取物體2D表面的相位分布。其主要的工作原理：在幹涉 系統的參考光路中加入精密移相器件，在物光與參考光之間引入有序的位移，這樣兩相干 光之間產生相位移動，光程差（位相差）發生變化。在每一測量點處，相位差的變化使幹涉 場的光強值發生對應變化，然後用CCD等探測器接收幹涉圖每一象素點處的光強值。因為 光強是光學位相的餘弦函數，與物體表面形貌直接相關的也是蘊涵在幹涉條紋圖中的光學 位相，這樣通過採集三幅或以上的幹涉條紋圖，從中解出反映物體真實形貌的位相信息，重 構出物體形貌，從而完成測量。
[0004] 圖1為相移幹涉術的測量原理圖，雷射光源發出的光經擴束器後變為平行光，分 束器將該平行光分為測量光束和參考光束兩束光：測量光束照射到被測物體表面上並被 物體表面反射回來；參考光束照射到與壓電陶瓷驅動器連接著的參考鏡上同樣被參考鏡反 射回來。兩束反射光再次經過分束器後在幹涉場發生幹涉，形成幹涉條紋。通過驅動參考 鏡改變兩相干光束的光程差，以改變相位差，並產生時間序列上的多幅幹涉條紋圖。對於每 一副幹涉條紋圖，用CCD等光電探測器對其進行陣列網格採樣，採樣過後的條紋圖再經刀D 轉換器存儲在計算機存儲器中。
[0005] 相移幹涉技術通常遇到的問題就是不能從探測器所接收到的幹涉圖中精確、準確 地提取出每個點的位相值，在實際的應用中，又存在擾動和誤差因素的影響，所以要準確得 到每個點的位相值就更難了。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在於針對目前臺階表面高度測量中測量結果容易受到光源波長幹 擾，造成測量結果系統誤差大、隨機誤差大、精度低、準確度低的問題，提供一種全新的測量 裝置及方法。
[0007] 為了實現這一發明目的，我們公開了一種臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀，包 括雷射光源、三個透鏡、一個平面光柵、一個帶有兩個針孔的光闌、一個圖像傳感器、一個正 弦振動揚聲器；
[0008] 所述雷射光源置於待測臺階一側，雷射光源與待測臺階之間依次設置有一個透鏡 和一個平面光柵，所述平面光柵連接至正弦振動揚聲器；
[0009] 所述雷射光源發出一組與待測表面呈一定角度3的平行光，所述雷射光源發出 的平行光依次通過第一透鏡和平面光柵，並在檢測表面反射後形成反射光束；
[0010] 以反射光束為軸，依次設置有第二透鏡、帶有兩個針孔的光闌、第三透鏡，
[0011] 所述反射光束依次通過第二透鏡、帶有兩個針孔的光闌、以及第三透鏡，
[0012] 所述圖像傳感器置於第三透鏡後側，接收通過第三透鏡的光束，得到反應物體平 面圖像的幹涉條紋圖案。
[0013] 基於這樣一種單光柵幹涉儀，我們進一步公開了一種臺階表面高度測量的方法， 包括如下步驟：
[0014] 按照權利要求1中所述方式搭建臺階表面高度測量所需要的的單光柵幹涉儀；
[0015] 在雷射光源處發出一組平行光，記錄平行光與待測表面之間的夾角3 ;
[0016] 平行光束通過焦距為f〇的透鏡L0發生折射後，在空間周期為P，透光寬度為a的 光柵G處發生正弦振動；
[0017] 透過光柵G的光束在待測表面發生反射，形成反射光束，反射光束通過焦距為fl 的透鏡L1發生折射，形成多個光束；
[0018] 其中被允許穿過帶有兩個針孔的光闌上兩針孔光闌H的第一階光束經焦距為f2 的透鏡L2折射；
[0019] 圖像傳感器在一定時間間隔內重複多次採樣，得到幹涉條紋圖案；
[0020] 將幹涉條紋圖案轉化得到位相分布圖，並且選擇位相分布圖中的一行進行臺階表 面高度計算，臺階表面高度r計算方式如下：
【權利要求】
1. 臺階表面高度測量的單光柵幹涉儀，其特徵在於：包括雷射光源、三個透鏡、一個平 面光柵、一個帶有兩個針孔的光闌、一個圖像傳感器、一個正弦振動揚聲器； 所述雷射光源置於待測臺階一側，雷射光源與待測臺階之間依次設置有一個透鏡和一 個平面光柵，所述平面光柵連接至正弦振動揚聲器； 所述雷射光源發出一組與待測表面呈一定角度3的平行光，所述雷射光源發出的平 行光依次通過第一透鏡和平面光柵，並在檢測表面反射後形成反射光束； 以反射光束為軸，依次設置有第二透鏡、帶有兩個針孔的光闌、第三透鏡， 所述反射光束依次通過第二透鏡、帶有兩個針孔的光闌、以及第三透鏡， 所述圖像傳感器置於第三透鏡後側，接收通過第三透鏡的光束，得到反應物體平面圖 像的幹涉條紋圖案。
2. -種臺階表面高度測量的方法，其特徵在於，包括如下步驟： 按照權利要求1中所述方式搭建臺階表面高度測量所需要的的單光柵幹涉儀； 在雷射光源處發出一組平行光，記錄平行光與待測表面之間的夾角3 ; 平行光束通過焦距為f〇的透鏡LO發生折射後，在空間周期為P，透光寬度為a的光柵 G處發生正弦振動； 透過光柵G的光束在待測表面發生反射，形成反射光束，反射光束通過焦距為H的透 鏡Ll發生折射，形成多個光束； 其中被允許穿過帶有兩個針孔的光闌上兩針孔光闌H的第一階光束經焦距為f2的透 鏡L2折射； 圖像傳感器在一定時間間隔內重複多次採樣，得到幹涉條紋圖案； 將幹涉條紋圖案轉化得到位相分布圖，並且選擇位相分布圖中的一行進行臺階表面高 度計算，臺階表面高度r計算方式如下：
【文檔編號】G01B11/02GK104330034SQ201410573215
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】宦海, 盧松, 張雨, 黃凌霄, 張震 申請人:南京信息工程大學