CN102538866A - 一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可调谐拍波线扫描的大量程高分辨率表面三维干涉测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由宽带光源、两个光纤隔离器、三个光阑、三个自准直镜、两个衍射光栅、七个平柱透镜、两个线阵光电耦合器、3dB-耦合器、分光镜、纵向微动工作台、横向微动工作台、数据采集卡、信号发生器、驱动控制、计算机和结果输出组成；利用拍波光片扫描被测表面，一个线阵光电耦合器探测拍波干涉信号，使量程为半拍波波长，另一线阵光电耦合器探测单波长干涉信号来决定分辨率，使系统有大量程及高分辨率。调节拍波波长，可得不同量程。只需一维扫描即完成表面三维测量，简化了机构，提高了测量速度。共路干涉使系统有强抗干扰性，适合在线测量。

Description

一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种大量程及高分辨率的表面三维测量系统。 

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下两个： 

[1]D.P.Hand，T.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： 

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

I_n(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，ν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 absolute displacement 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，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，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，此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，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、是点扫描测量方式，需要二维扫描才能完成表面三维测量。 

2、测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程很小，小于λ/2，不能对台阶高度大于半波长的不连续表面进行测量。 

发明内容

本发明利用拍波光片线扫描被测表面进行三维干涉测量，只需一维扫描即可完成表面三维测量；融合拍波干涉和单波长干涉的优点，实现大量程及高分辨率测量的目的，能够对台阶高度大于半波长的不连续表面进行测量。 

本发明是通过以下技术方案实现的。 

本发明提供了一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统，由宽带光源S1、两个光纤隔离器I1和I2、三个自准直镜Z1、Z2和Z3、两个衍射光栅G1和G2、七个平柱透镜L1～L7、两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2、三个光阑GL1、GL3和GL3、3dB-耦合器N1、分光镜BS、纵向微动工作台M1、横向微动工作台M2、数据采集卡B1、信号发生器B3、驱动控制B4、计算机B2和结果输出B5组成；宽带光源S1发出的光经过光纤隔离器I1以及3dB-耦合器N1后被分为两路，一路光经过自准直镜Z1后被准直成平行光束，另一路光经过光纤隔离器I2及自准直镜Z2后也被准直成平行光束，这两束平行光以夹角Δi入射到衍射光栅G1的同一点上，光阑GL1的作用是去掉杂散光，衍射光栅G1将这两束平行光色散成波长在空间连续分布的两片扇形光片，这两片扇形光片横向错位且部分重叠，重叠区域也是一个扇形光片，在重叠的扇形光片中的任一点均是由两种不同的波长合成而成的拍波，扇形光片经过光阑GL2，光阑GL2将未重叠区域滤掉，平柱透镜L1将重叠区域的扇形光片准直成平行光片，此平 行光片是由一系列并行的拍波组成的拍波平行光片，此拍波平行光片到达分光镜BS，一半的光强透射，另一半的光强被反射出测量系统，透射光垂直入射到平柱透镜L2的平面上，该平面镀了部分反射膜，一部分光强被反射，此反射光作为参考光，另一部分的光强透射，透射光被平柱透镜L2聚焦成细光线，此光线扫描被测表面T，由被测表面T反射或散射回系统，经过平柱透镜L2后与参考光相遇并发生拍波干涉，形成拍波干涉光片，此拍波干涉光片到达分光镜BS，一半的光强被反射，另一半光强透射，反射的拍波干涉光片垂直入射到平柱透镜L3上，平柱透镜L3和L4共焦，且平柱透镜L3的焦距小于平柱透镜L4的焦距，拍波干涉光片经过平柱透镜L3和L4后被扩展成更宽的光片，此光片由线阵光电耦合器CCD1探测；透过分光镜BS的拍波干涉光片经过平柱透镜L1后被聚焦到衍射光栅G1上，原来由自准直镜Z1和Z2准直的两束平行光色散成的两片重叠的扇形光片，现在又成了两束平行光，沿原路分别入射到自准直镜Z1和Z2中，入射到自准直镜Z2的光因为光纤隔离器I2的作用不能到达3dB-耦合器N1，入射到自准直镜Z1的光束经过3dB-耦合器N1后被分成两束，一束光到达光纤隔离器I1，由于光纤隔离器I1的作用不能到达光源，因此不会对光源产生影响，另一束光到达自准直镜Z3，被自准直镜Z3准直成平行光束，入射到衍射光栅G2上，光阑GL3的作用也是去掉杂散光，此平行光束由衍射光栅G2再次色散成波长在空间连续分布的扇形光片，由平柱透镜L5准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片垂直入射到平柱透镜L6上，平柱透镜L6和L7共焦，且平柱透镜L6的焦距小于平柱透镜L7的焦距，此干涉光片经过两个平柱透镜L6和L7后被扩展成更宽的光片，由线阵光电耦合器CCD2探测；线阵光电耦合器CCD1和CCD2探测到的信号经过数据采集卡B1，由计算机B2中的程序进行数据处理后，由结果输出B5输出测量结果，完成表面二维测量；计算机B2 输出信号至驱动控制驱动横向微动工作台M2，光线横向扫描被测表面T，再对两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2探测到的信号作相同的处理，即完成表面三维测量。 

所述信号发生器用来产生周期性锯齿波，对光路中的纵向微动工作台M1加周期性的锯齿波电压，周期性地线性调节干涉光路的光程差，对拍波干涉信号和单波长干涉信号进行调制，调节锯齿波电压的幅值，使拍波干涉信号的周期与锯齿波的周期相同。 

进一步，作为优选方案，衍射光栅G1将夹角为Δi的两束平行光束色散成波长在空间连续分布的扇形光片，这两片扇形光片部分重叠，重叠部分由平柱透镜L1转换成拍波平行光片。 

进一步，作为优选方案，线阵光电耦合器CCD1探测到拍波干涉信号，线阵光电耦合器CCD2探测到单波长干涉信号；融合两个光电耦合器CCD1和CCD2探测到的信号，拍波干涉信号用于决定测量系统的测量量程，使测量量程扩大为半拍波波长，单波长干涉信号用于决定测量分辨率，使测量分辨率为单波长干涉测量的高分辨率。 

本发明的有益效果主要有三个： 

1、本发明利用拍波光片线扫描被测表面实现三维干涉测量，只需一维扫描即可完成表面三维测量，极大地简化机构，提高测量速度。 

2、本发明利用拍波干涉信号决定测量系统的测量量程，使得测量量程为半拍波波长，远远大于现有技术的半光波波长的测量量程。 

3、本发明利用单波长干涉信号决定测量系统的测量分辨率，使得测量系统在具有大测量量程的同时，仍然具有单波长干涉测量的高分辨率的优点。 

附图说明

图1是现有技术文献[1]的总原理图； 

图2是现有技术文献[2]的实现表面测量原理图； 

图3是本发明原理图。 

具体实施方式

下面结合附图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。 

如图3所示，一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统，由宽带光源发出的光经过光纤隔离器I1以及3dB-耦合器N1后被分为两路，一路光经过自准直镜Z1被准直成平行光束，另一路光经过光纤隔离器I2及自准直镜Z2后也被准直成平行光束。这两束平行光以夹角Δi入射到衍射光栅G1的同一点上，光阑GL1的作用是去掉杂散光。衍射光栅G1将这两束平行光色散成波长在空间连续分布的两片扇形光片。由于两束平行光的入射角不同，所以这两片扇形光片横向错位且部分重叠，重叠区域也是一个扇形光片。在重叠的扇形光片中的任一点均是由两种不同的波长合成而成的拍波。扇形光片经过光阑GL2，光阑GL2将未重叠区域滤掉，平柱透镜L1将重叠区域的扇形光片准直成平行光片，此平行光片是由一系列并行的拍波组成的拍波平行光片。此拍波平行光片到达分光镜BS，一半的光强透射，另一半的光强被反射出测量系统。透射光垂直入射到平柱透镜L2的平面上，该平面镀了部分反射膜，一部分光强被反射，此反射光作为参考光，另一部分的光强透射，透射光被平柱透镜L2聚焦成细光线。此光线扫描被测表面T，由被测表面T反射(或散射)回系统，经过平柱透镜L2后与参考光相遇并发生拍波干涉，形成拍波干涉光片。此拍波干涉光片到达分光镜BS，一半的光强被反射，另一半光强透射。反射的拍波干涉光片垂直入射到平柱透镜L3上，平柱透镜L3和L4共焦，且平柱透镜L3的焦距小于平柱 透镜L4的焦距，所以拍波干涉光片经过平柱透镜L3和L4后被扩展成更宽的光片，此光片由线阵光电耦合器CCD1探测，线阵光电耦合器CCD1不同的像元探测到被测表面T对应点反射回来的拍波与参考光产生的拍波干涉信号，被测点的纵向(垂直于被测表面方向)信息包含在此拍波干涉信号的相位中，可对梯度达半拍波波长的不连续表面进行测量，测量量程达半拍波波长。 

因相位测量的分辨率是一定的，拍波波长远大于光波波长，所以拍波干涉的测量分辨率远低于单波长干涉的测量分辨率。为了在得到大的测量量程的同时，得到高的测量分辨率，本测量系统利用线阵光电耦合器CCD2(与线阵光电耦合器CCD1型号相同)探测单波长光片扫描被测表面形成的单波长干涉信号，通过解调线阵光电耦合器CCD2探测到的干涉信号可得到单波长干涉测量的高分辨率。具体实现说明如下。 

拍波干涉光片到达分光镜BS后，一半的光强被反射，此部分光经过平柱透镜L3和L4后被线阵光电耦合器CCD1探测；另一半光强透过分光镜BS，此拍波干涉光片经过平柱透镜L1后被聚焦到衍射光栅G1上。原来由自准直镜Z1和Z2准直的两束平行光色散成的两片重叠的扇形光片，现在又成了两束平行光，沿原路分别入射到自准直镜Z1和Z2中，这两束平行光都携带了被测表面T的信息。入射到自准直镜Z2的光因为光纤隔离器I2的作用不能到达3dB-耦合器N1。入射到自准直镜Z1的光束经过3dB-耦合器N1后被分成两束，一束光到达光纤隔离器I1，由于光纤隔离器I1的作用不能到达光源，因此不会对光源产生影响。另一束光到达自准直镜Z3，被Z3准直成平行光束，投射到衍射光栅G2上(G1和G2同型号同参数)，光阑GL3的作用也是去掉杂散光。此平行光束由衍射光栅G2再次色散成波长在空间连续分布的扇形光片，由平柱透镜L5准直成波长在空间连续分布的平行光片。此平行光片是拍波平行光片扫描被测表面T时， 组成拍波平行光片的两片光片之中的一片光片，由被测表面T反射(或散射)的光和与此光片对应的参考光片产生的干涉信号。此干涉光片垂直入射到平柱透镜L6上，平柱透镜L6和L7共焦，且平柱透镜L6的焦距小于平柱透镜L7的焦距，此干涉光片经过两个平柱透镜L6和L7后被扩展成更宽的光片，由线阵光电耦合器CCD2探测。因此，线阵光电耦合器CCD2的每个像元探测到的是被测表面T对应点反射回来的单波长与对应的参考光产生的单波长干涉信号，被测表面T的纵向(垂直于被测表面方向)信息也包含在此单波长干涉信号中。 

来自自准直镜Z1和Z3的两束平行光以相同的入射角分别入射到衍射光栅G1和G2上，因为衍射光栅G1和G2的参数相同，平柱透镜L1和L5的参数相同，平柱透镜L3和L6的参数相同，平柱透镜L4和L7的参数相同。因此，线阵光电耦合器CCD1的每个像元探测到的拍波干涉信号与线阵光电耦合器CCD2对应的像元探测到的单波长干涉信号均是由被测表面T上同一点的反射(散射)光形成的，它们的相位包含的是同一点的纵向(垂直于被测表面方向)信息。 

只要比较测量出两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2两两相邻像元探测到的干涉信号的相位差，即可计算出被测表面T对应相邻两点之间的纵向变化量。为了比较测量线阵光电耦合器CCD1和CCD2两两相邻像元探测到的干涉信号的相位差，本系统对干涉信号进行了调制。由信号发生器发出周期性的锯齿波电压驱动一维纵向微动工作台M1纵向调节干涉光路的光程差，光程调节幅值为线阵光电耦合器CCD1探测到的最大的半拍波波长(因拍波平行光片在垂直于波的传播方向上每一点的拍波波长不同)，两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2分别探测到一个锯齿波周期内的拍波干涉信号和单波长干涉信号，将这两路干涉信号和锯齿波信号同时输入数据采集卡B1，由计算机B2采样并记录两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2在一个锯齿波周期内探测到的干涉信号，由计算机中的程序 作数据处理后即可分别得到两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2两两相邻像元探测到的干涉信号的相位差，即可计算出对应被测点的纵向相对变化量，由结果输出B5输出测量结果，即完成表面二维测量；计算机B2发出信号给驱动控制B4驱动横向微动工作台，光线横向扫描被测表面T，再对两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2对应的每对像元探测到的干涉信号作相同的处理，即完成表面三维测量。 

通过调节自准直镜Z1和Z2出射的两束平行光的夹角Δi的大小，可以调节两片平行光片的重叠区域的大小，从而实现对合成波波长大小的调节，得到大的测量量程，以测量大台阶不连续表面。 

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，在本发明无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)

1.一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统，其特征在于它是由宽带光源(S1)、两个光纤隔离器(I1，I2)、三个自准直镜(Z1，Z2，Z3)、两个衍射光栅(G1，G2)、七个平柱透镜(L1～L7)、两个线阵光电耦合器(CCD1，CCD2)、三个光阑(GL1，GL2，GL3)、3dB-耦合器(N1)、分光镜(BS)、纵向微动工作台(M1)、横向微动工作台(M2)、数据采集卡(B1)、信号发生器(B3)、驱动控制(B4)、计算机(B2)和结果输出(B5)组成；宽带光源(S1)发出的光经过光纤隔离器(I1)以及3dB-耦合器(N1)后被分为两路，一路光经过自准直镜(Z1)后被准直成平行光束，另一路光经过光纤隔离器(I2)及自准直镜(Z2)后也被准直成平行光束，这两束平行光以夹角Δi入射到衍射光栅(G1)的同一点上，光阑(GL1)的作用是去掉杂散光，衍射光栅(G1)将这两束平行光色散成波长在空间连续分布的两片扇形光片，这两片扇形光片横向错位且部分重叠，重叠区域也是一个扇形光片，在重叠的扇形光片中的任一点均是由两种不同的波长合成而成的拍波，扇形光片经过光阑(GL2)，光阑(GL2)将未重叠区域滤掉，平柱透镜(L1)将重叠区域的扇形光片准直成平行光片，此平行光片是由一系列并行的拍波组成的拍波平行光片，此拍波平行光片到达分光镜(BS)，一半的光强透射，另一半的光强被反射出测量系统，透射光垂直入射到平柱透镜(L2)的平面上，该平面镀了部分反射膜，一部分光强被反射，此反射光作为参考光，另一部分光强透射，透射光被平柱透镜(L2)聚焦成细光线，此光线扫描被测表面T，由被测表面T反射或散射回系统，经过平柱透镜(L2)后与参考光相遇并发生拍波干涉，形成拍波干涉光片，此拍波干涉光片到达分光镜(BS)，一半的光强被反射，另一半光强透射，反射的拍波干涉光片垂直入射到平柱透镜(L3)上，平柱透镜(L3)和(L4)共焦，且平柱透镜(L3)的焦距小于平柱透镜(L4)的焦距，拍波干涉光片经过平柱透镜(L3)和(L4)后被扩展成更宽的光片，此光片由线阵光电耦合器(CCD1)探测；透过分光镜(BS)的拍波干涉光片经过平柱透镜(L1)后被聚焦到衍射光栅(G1)上，原来由自准直镜(Z1)和(Z2)准直的两束平行光色散成的两片重叠的扇形光片，现在又成了两束平行光，沿原路分别入射到自准直镜(Z1)和(Z2)中，入射到自准直镜(Z2)的光因为光纤隔离器(I2)的作用不能到达3dB-耦合器(N1)，入射到自准直镜(Z1)的光束经过3dB-耦合器(N1)后被分成两束，一束光到达光纤隔离器(I1)，由于光纤隔离器(I1)的作用不能到达光源，因此不会对光源产生影响，另一束光到达自准直镜(Z3)，被自准直镜(Z3)准直成平行光束，入射到衍射光栅(G2)上，光阑(GL3)的作用也是去掉杂散光，此平行光束由衍射光栅(G2)再次色散成波长在空间连续分布的扇形光片，由平柱透镜(L5)准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片垂直入射到平柱透镜(L6)上，平柱透镜(L6)和(L7)共焦，且平柱透镜(L6)的焦距小于平柱透镜(L7)的焦距，此干涉光片经过两个平柱透镜(L6)和(L7)后被扩展成更宽的光片，由线阵光电耦合器(CCD2)探测；线阵光电耦合器(CCD1，CCD2)探测到的信号经过数据采集卡(B1)，由计算机(B2)中的程序进行数据处理后，由结果输出(B5)输出测量结果，完成表面二维测量；计算机(B2)输出信号至驱动控制驱动横向微动工作台(M2)，光线横向扫描被测表面，再对两个线阵光电耦合器CCD1和CCD2探测到的信号作相同的处理，即完成表面三维测量。

2.根据权利要求1所述的一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统，其特征在于：衍射光栅(G1)将夹角为Δi的两束平行光束色散成波长在空间连续分布的扇形光片，这两片扇形光片部分重叠，重叠部分由平柱透镜(L1)转换成拍波平行光片。

3.根据权利要求1所述的一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统，其特征在于：线阵光电耦合器(CCD1)探测到拍波干涉信号，线阵光电耦合器(CCD2)探测到单波长干涉信号，融合两个光电耦合器(CCD1，CCD2)探测到的信号，拍波干涉信号用于决定测量系统的测量量程，使测量量程扩大为半拍波波长，单波长干涉信号用于决定测量分辨率，使测量分辨率为单波长干涉测量的高分辨率。

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