CN100455986C - 利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统及方法，共路干涉结构，抑制了环境干扰。光栅将谱宽40nm的光束色散成波长在空间连续分布的光片，经准直成平行光片，平柱透镜的柱面镀有半透半反膜，故一半光强被反射沿原路返回作为参考光，另一半光强被聚焦成光线，不同波长被不同被测点反射回系统，与参考光干涉后又被色散成波长在空间连续分布的光片，由线阵CCD探测。CCD不同像元探测到不同波长干涉信号，测出每个像元干涉信号相位变化量，即测出对应被测点纵向变化值。一次定位，完成表面二维测量；光线横向扫描，完成表面三维测量。极大提高测量速度，降低成本。利用光程跟踪扩大量程，使量程达300μm；分辨率优于0.1nm。

Description

利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种光线扫描的干涉型纳米表面三维测量系统及方法，特别是涉及一种适用于在线测量的纳米表面三维测量系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下二个：

[1]D.P.Hand，T.A.Carolan，J.S.Barton，and J.D.C.Jones.“Profile measurementof optically rough surfaces by fiber-optic interferomtry”，Opt.Lett.，Vol.18，No.16，1993，P.1361-1363.(Optics Letters(光学快报)，第18卷，第16期，P.1361-1363)

文献[1]的技术原理如图1所示。

半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB-耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器D1探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\πv}}\mathrm{ta}{n}^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，v是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]Dejiao Lin，Xiangqian Jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and Ian Bennion.“High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolutedisplacement measurement and on-line surface metrology”，Optics Express，Vol.12，Issue 23，2004，P.5729-5734.(Optics Express(光学特快)，2004年，第12卷，第23期，P.5729-5734)

文献[2]的技术原理图如图2所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过回旋器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过回旋器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过回旋器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1、都是点扫描测量方式，测量速度慢，对于表面三维测量需要二维扫描，扫描机构复杂，仪器成本高；

2、对测量环境的干扰敏感，不适合于在线测量；

3、测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程小于λ/2。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题和不足而提出的一种利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统及方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

本发明利用波长在空间连续分布的光线扫描被测表面进行测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉系统，该系统是由超辐射发光二极管SLD、光纤3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1和Z2、色散和准直系统、平柱聚焦透镜、压电陶瓷PZT1和PZT2、高速线阵CCD、相位测量、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出组成；利用一个中心波长为850nm谱宽40nm的超辐射发光二极管SLD、光纤3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1、色散和准直系统、柱面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜构成一个共路干涉仪，使振动和环境温度的漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量；超辐射发光二极管SLD发出谱宽为40nm的光经过3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1后被准直成平行光束，色散和准直系统将此光束色散准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片经过平柱聚焦透镜聚焦，平柱聚焦透镜的柱面镀上半透半反膜，一半的光强被反射沿原路返回，此部分光作为参考光，另一半的光强透射并被聚焦成光线投射到被测表面上，不同波长被不同被测点反射回系统，与参考光干涉后被另一个色散和准直系统又一次色散准直成波长在空间连续分布的平行光片，由高速线阵CCD探测，线阵CCD不同的像元探测到不同波长干涉信号，测出每个像元的干涉信号相位变化量，即测出对应被测点的纵向变化值，一次定位，完成表面二维测量，光线横向扫描，完成表面三维测量。

为了解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出周期性的幅值一定的锯齿波电压驱动压电陶瓷PZT1调节测量光路的光程，如果被测表面是理想平面，那么，干涉信号与锯齿波信号同频率且同相位；如果被测表面不是理想平面，存在Δd的纵向变化，那么干涉信号与锯齿波信号之间存在相位差为比较干涉信号的相位与锯齿波信号的相位，相位测量测出其相位差，经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，即测量出对应被测点的纵向变化值Δd，对线阵CCD的每一个像元输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量，光线横向扫描被测表面，再逐个对线阵CCD每个像元输出的信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量；将线阵CCD前一个像元的干涉信号的相位变化量测出以后，一方面经过A/D转换卡作模数转换输入计算机经过数据处理得到对应被测点的纵向信息，另一方面经过信号处理，作为反馈信号反馈到一个位于测量光路中的压电陶瓷PZT2上，驱动该压电陶瓷调节测量光路的光程，使该点的干涉信号的相位相对于锯齿波信号的相位之差回到零，这样，相邻被测点在纵向方向的最大差值为λ/2，但从全场来看，测量量程决定于压电陶瓷PZT2的最大伸长量，使本发明即保持了干涉型测量分辨率高的优点，又突破了量程受λ/2限制的局限，本发明的测量量程决定于用于光程跟踪的压电陶瓷PZT2的最大伸长量。

本发明的有益效果是：

1、光线扫描纳米表面进行三维测量。测量头是基于光谱色散波长在空间连续分布的光线，测量过程一次定位，完成表面二维测量；光线横向扫描被测表面，完成表面三维测量。本发明测量速度快，扫描机构简单，系统成本低，测量精度高。

2、本发明利用光源、光纤自准直透镜Z1、色散和准直系统、平柱聚集透镜构成共路干涉系统，使环境振动和温度漂移等干扰对测量系统的影响得到共模抑制，从而使系统适用于在线测量。

3、用光程跟踪的方法扩大干涉测量量程。由于受入射光波波长λ的限制，光学干涉测量的量程只有λ/2。本发明突破了这个限制，系统的量程可以达到300μm，远远大于λ/2。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的原理图；

图2是现有技术文献[2]的原理图；

图3是本发明原理图；

图4是本发明中的色散和准直系统图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，将超辐射发光二极管SLD(中心波长850nm，谱宽40nm)发出的光耦合进测量系统，经过光纤3dB-耦合器后，光纤自准直透镜Z1将它准直成平行光束，进入色散和准直系统，色散准直系统中的光栅(如图4所示)将该平行光束色散成波长在空间连续分布的光片，再由准直透镜准直成平行光片，再经过一个平柱聚焦透镜，平柱聚焦透镜的柱面镀上半透半反膜，一半的光强被反射沿原路返回光学系统，此部分光作为参考光；另一半的光强透过平柱聚焦透镜被聚焦成一条宽度小于1μm的光线，此光线扫描被测表面，不同波长被不同的被测点反射沿原光路回到系统中，与参考光相遇并发生干涉。由不同被测点反射回来的光就包含了该被测点纵向(垂直于被测表面)信息。干涉信号经过光纤3dB-耦合器，以及光纤自准直透镜Z2后，准直成平行光束，再经过另一个色散准直系统中的光栅色散成波长在空间连续分布的光片，并经过此系统中的一个准直透镜准直成平行光片，由高速线阵CCD(工作波长400～1050nm)探测。不同波长的干涉信号由CCD不同的像元探测。不同波长干涉信号的相位包含了对应被测点的纵向信息。只要测量出不同波长干涉信号的相位变化量，再通过数据处理，即可测出不同被测点的纵向变化量。为了解调出干涉信号的相位变化量，本系统对干涉信号进行调制。信号发生器发出周期性的幅值一定的锯齿波电压驱动压电陶瓷PZT1调节测量光路的光程，如果被测表面是理想平面，那么，干涉信号与锯齿波信号同频率且同相位；如果被测表面不是理想平面，那么干涉信号与锯齿波信号之间存在相位差。比较干涉信号的相位与锯齿波信号的相位，相位测量测出其相位差，因为相位差

其中Δd是被测表面被测点的纵向变化值，再由计算机作数据处理，即测量出对应被测点的纵向变化值Δd。对线阵CCD每一个像元输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量。光线再横向扫描被测表面，再逐个对线阵CCD每个像元输出的信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量。因相位测量的分辨率可小于0.01°，本系统中测量光波中心波长为850nm，所以本系统的测量分辨率将优于0.1nm。

光学干涉测量有测量分辨率高的优点，但是由于受到入射光波波长的限制，量程很小，只有λ/2，这不能满足很多测量的需要。本发明提出用光程跟踪的方法扩大量程。当测量光路的光程由于被测点在纵向方向值发生变化，使测量光路的光程发生变化时，用压电陶瓷PZT2调节测量光路的光程补偿测量光路的光程变化，使干涉信号的相位与作为调制信号的锯齿波电压的相位之差回到零。这样，线阵CCD相邻像元的干涉信号的最大相位差为2π，对应相邻被测点的纵向高度差为λ/2。但从测量全场来看，测量量程决定于调节测量光路光程的压电陶瓷PZT2的最大伸长量，远远大于λ/2。具体实现方法是：将线阵CCD前一个像元的干涉信号的相位变化量测出以后，一方面经过A/D转换卡作模数转换，输入计算机，经过数据处理后得到对应被测点的纵向信息Δd；另一方面经过信号处理以后，作为反馈信号反馈到一个位于测量光路中的压电陶瓷PZT2上，驱动该压电陶瓷调节测量光路的光程，使该点的干涉信号的相位相对于锯齿波信号的相位之差回到零。这样，从测量全场来看，该系统的测量范围决定于该压电陶瓷的最大伸长量。拟用最大伸长量达300μm的压电陶瓷作光程跟踪，本发明的测量量程可达300μm。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1、一种利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：超辐射发光二极管SLD发出谱宽为40nm的光经过光纤3dB-耦合器以及光纤自准直透镜Z1后被准直成平行光束，色散和准直系统将此光束色散准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片经过平柱聚焦透镜聚焦，此平柱聚焦透镜的柱面镀有半透半反膜，一半的光强被反射沿原路返回，此部分光作为参考光，另一半的光强透射并被聚焦成光线投射到被测表面上，不同波长被不同被测点反射回系统，与参考光干涉后再次经过色散和准直系统、光纤自准直透镜Z1以及光纤3dB-耦合器，被另一个光纤自准直透镜Z2准直成平行光束，另一个色散和准直系统将此平行光束又一次色散准直成波长在空间连续分布的平行光片，由高速线阵CCD探测，高速线阵CCD不同的像元探测到不同波长干涉信号，测出每个像元的干涉信号相位变化量，即测出对应被测点的在垂直于被测表面方向的变化值；信号发生器发出周期性的幅值一定的锯齿波电压驱动压电陶瓷PZT1调节测量光路的光程，如果被测表面是理想平面，那么，干涉信号与锯齿波信号同频率且同相位，如果被测表面不是理想平面，在垂直于被测表面方向存在Δd的变化，那么干涉信号与锯齿波信号之间存在的相位差为

，其中λ为光波波长，比较干涉信号的相位与锯齿波信号的相位，经相位测量测出其相位差，经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，测量出对应被测点在垂直于被测表面方向的变化值Δd，对高速线阵CCD的每一个像元输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量，光线横向扫描被测表面，再逐个对高速线阵CCD每个像元输出的干涉信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量；高速线阵CCD前一个像元探测到的干涉信号的相位变化量测出以后，一方面输入计算机经过数据处理得到对应被测点在垂直于被测表面方向的信息，经过结果输出输出测量结果，另一方面，将测出的相位变化量经过信号处理，作为反馈信号反馈到位于测量光路中的压电陶瓷PZT2上，驱动该压电陶瓷调节补偿测量光路的光程，使该点的干涉信号的相位相对于锯齿波信号的相位之差回到零，相邻被测点在垂直于被测表面方向的最大差值为λ/2，λ为光波波长，但是对于整个被测表面，测量量程决定于压电陶瓷PZT2的最大伸长量，压电陶瓷PZT2最大伸长量为300μm，所述测量方法的测量量程达300μm。

2、根据权利要求1所述的一种利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：利用所述的色散和准直系统将谱宽为40nm的平行光束转化为波长在空间连续分布的平行光片，再经过平柱聚焦透镜聚焦成一条光线，此光线扫描被测表面，从而实现对被测表面的线扫描测量；所述的色散和准直系统是由光栅和准直透镜组成。

3、一种实现权利要求1所述测量方法的利用光线扫描的干涉型纳米表面三维在线测量系统，其特征在于：该系统利用波长在空间连续分布的光线扫描被测表面进行线扫描测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉仪，利用压电陶瓷调节补偿测量光路光程的方法扩大量程，使系统的测量量程突破了波长的限制，所用的调节补偿测量光路光程的压电陶瓷的最大伸长量为300μm，系统的测量量程决定于该压电陶瓷的最大伸长量，测量量程达300μm；该系统是由超辐射发光二极管SLD、光纤3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1和光纤自准直透镜Z2、色散和准直系统、平柱聚焦透镜、压电陶瓷PZT1和压电陶瓷PZT2、高速线阵CCD、相位测量、信号处理、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出组成；利用超辐射发光二极管SLD、光纤3dB-耦合器、光纤自准直透镜Z1、色散和准直系统、柱面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜构成一个所述共路干涉仪，使振动和环境温度的漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量。

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