CN104567658A - 一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统 - Google Patents

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朱远志
张雅峰
彭富强
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Line Equipment Factory Beijing Transmission And Distribution Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
North China University of Technology
Beijing Electric Power Transmission and Transformation Co
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Line Equipment Factory Beijing Transmission And Distribution Co Ltd
State Grid Corp of China SGCC
North China University of Technology
Beijing Electric Power Transmission and Transformation Co
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Abstract

本发明涉及一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统，其特征在于，包括分光镜，用于将平行光分成满足相干光束条件的两束光；设置于分光镜右侧的参考镜；压电陶瓷及其驱动电路，用于产生时间序列上的多幅干涉图；激光器，设置于分光镜左侧，用于发出激光束；物镜，设置于分光镜正上方，用于将两束平行光聚焦成一束平行光；CCD摄像机，设置于物镜正上方，用于采集平行干涉光的光强；图像采集卡，该图像采集卡连接CCD摄像机，用于采集光强数据；以及计算机，根据图像采集卡的光强数据计算出此平行光范围内被测物体表面的形貌。本发明的有益效果为：结构简单，操作方便，测量范围广，可用于观测整个平面纳米级位移的测量。

Description

一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统
技术领域
本发明涉及一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统。
背景技术
随着微细加工技术的不断进步，微电路、微机械、微光学元件以及其它各种表面形貌轮廓不断出现，对表面形貌测量系统的需求越发迫切。因为表面形貌轮廓对零件的耐磨性、疲劳强度、耐腐蚀性、结合密封性以及流体流动阻力、导热及导电的性能都有很大影响。表面形貌轮廓是随着微细加工技术的出现才出现的，是随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细的。
表面形貌轮廓由于是由微观结构单元组成的三维复杂结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。与平滑表面的测量不同，表面形貌轮廓表面的测量不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。因此表面形貌轮廓表面的测量相对而言是比较困难的。
目前表面形貌测量方法按照工作原理的不同分成五类：机械探针式测量方法；光学探针式测量方法；干涉显微测量方法；扫描电子显微镜以及扫描探针显微镜。
探针式轮廓仪测量范围大，测量精度高，但它是一种点扫描测量，测量费时。机械探针是接触式测量，易损伤被测表面；光学探针是非接触测量，但需要一套高精度的调焦系统。
干涉显微测量方法能同时测量一个面上的表面形貌，横向分辨率取决于显微镜数值孔径，一般在μm或亚μm量级；横向测量范围取决于显微镜视场，大小在mm量级；纵向分辨率取决于干涉测量方法，一般可达nm或0.1nm量级；纵向测量范围在波长量级。因此干涉显微测量方法比较适宜于测量结构单元尺寸在μm量级，表面尺寸在mm或亚mm量级的表面形貌轮廓。
扫描探针显微测量方法虽是扫描测量，但最终给出的是整个被测区域上的 表面形貌。尽管SPM测量精度高，纵向及横向分辨率达原子量级，但测量范围无论是横向还是纵向，都很狭窄，而且涉及的技术难题多，操作复杂，操作环境要求高，因此SPM常适合于测量结构单元在nm量级、测量区域为μm量级的表面形貌轮廓。
发明内容
本发明的目的是提供一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统，数据处理简单快捷，而且测量精度高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现：
一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统，其特征在于，包括分光镜，用于将平行光分成满足相干光束条件的两束光；设置于分光镜右侧的参考镜；压电陶瓷及其驱动电路，用于驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化以改变参考相位，并产生时间序列上的多幅干涉图；激光器，设置于分光镜左侧，用于发出激光束；聚光镜，安装于激光仪轴上，用于产生满足相干光束的平行光；物镜，设置于分光镜正上方，用于将两束平行光聚焦成一束平行光；CCD摄像机，设置于物镜正上方，用于采集平行干涉光的光强；图像采集卡，该图像采集卡连接CCD摄像机，用于采集光强数据；以及计算机，所述计算机连接图像采集卡，用于根据图像采集卡的光强数据计算出此平行光范围内被测物体表面的形貌。
本发明的有益效果为：结构简单，操作方便，方法易于实现，数据处理简单快捷，测量精度高，范围广，可用于观测整个平面纳米级位移的测量。
附图说明
下面根据附图对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述的一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统的结构框图。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例所述的一种可发射平行光测量表面三维形貌的 激光干涉仪系统，包括分光镜1，用于将平行光分成满足相干光束条件的两束光；设置于分光镜右侧的参考镜2；压电陶瓷及其驱动电路3，设于被测物体4下方，用于驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化以改变参考相位，并产生时间序列上的多幅干涉图；激光器5，设置于分光镜左侧，用于发出激光束；聚光镜6，安装于激光仪轴上，用于产生满足相干光束的平行光；物镜7，设置于分光镜正上方，用于将两束平行光聚焦成一束平行光；CCD摄像机8，设置于物镜正上方，用于采集平行干涉光的光强；图像采集卡9，该图像采集卡连接CCD摄像机，用于采集光强数据；以及计算机10，所述计算机连接图像采集卡，用于根据图像采集卡的光强数据计算出此平行光范围内被测物体表面的形貌。
具体使用时，从激光器发出的光经聚光镜后成为平行光，平行光束满足相干光束的条件，在空间相互叠加，产生了可以观察到的干涉条纹，该干涉条纹受被测物表面形状的调制而发生了变形，压电陶瓷驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化，以改变参考相位。并产生时间序列上的多幅干涉图。测量时，首先用CCD采集干涉图像，并对采集到的图像进行清除噪声、平滑图像、图像增强、图像分割以及小波滤波等处理，以利于计算机自动理解和处理干涉图像，提取干涉图像中背侧面粗糙度信息，经过图像处理后，选取被测面的轮廓曲线，最终运用小波理论来评定粗糙度等表面参数。
本发明采用的是步进相移干涉原理，其相位值的解算方法是根据余弦函数的性质设计的。根据三角函数的性质，理论上只要对函数分布中三个以上的点进行采样，就可以完全准确地解算出初相位值。由于各种误差以及噪声的干扰，可以适当增加采样的次数，这样会减小相移误差对计算结果的影响，一般来说采样次数越大，位相测量误差越小。
经过滤波处理的干涉条纹根据三维形貌还原算法可以计算得到物体表面的原始三维形貌。采用干涉条纹扫描测量技术测量表面三维形貌，方法易于实现，数据处理简单快捷，测量精度高，是一种具有先进性和实用性的方法。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请 相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪系统，其特征在于，包括分光镜，用于将平行光分成满足相干光束条件的两束光；设置于分光镜右侧的参考镜；压电陶瓷及其驱动电路，用于驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化以改变参考相位，并产生时间序列上的多幅干涉图；激光器，设置于分光镜左侧，用于发出激光束；聚光镜，安装于激光仪轴上，用于产生满足相干光束的平行光；物镜，设置于分光镜正上方，用于将两束平行光聚焦成一束平行光；CCD摄像机，设置于物镜正上方，用于采集平行干涉光的光强；图像采集卡，该图像采集卡连接CCD摄像机，用于采集光强数据；以及计算机，所述计算机连接图像采集卡，用于根据图像采集卡的光强数据计算出此平行光范围内被测物体表面的形貌。
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