CN107388982B - 一种便携式纳米加工在线测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式纳米加工在线测量装置及测量方法，包括光学测头和电控模块，光学测头通过光学测头底板与电控模块固定；工作时，可调谐红外激光谐振腔与稳压激光二极管发出的光由光纤连接到光纤传输模块，光纤传输模块将两路激光耦合并传送至光纤准直器，光纤准直器将光投射到闪耀光栅上，闪耀光栅的零级衍射光投射到参考臂反射镜并原路返回，一级衍射光经准直透镜投射到被测物表面并原路返回；两路光干涉并返回到光纤准直器，由光纤传输模块检测干涉信号；电控模块包括供电单元、信号采集处理以及系统闭环控制单元，实现光学侧头供电、将干涉信号传送给计算机进行数据处理及将系统信号偏差传送给压电陶瓷供电单元稳定系统工作点的功能。
Description
技术领域
本发明属于光学测量领域，具体涉及一种便携式纳米加工在线测量装置及测量方法。
背景技术
测量仪器与方法的突破对于科学技术的进步有重大促进作用。随着科学研究及产业应用的迅猛发展，精度为微纳量级的精密超精密加工，超大规模集成电路，以及微机电系统技术提出了纳米测量及计量的需求。纳米级精度器件批量化生产中，往往由于表面形貌不达标导致残次品，为提高成品率，需要在加工过程中对表面进行检测与评价。当前用于纳米测量的的方法与仪器尚处于实验室阶段，只能实现器件的离位测量，且需要稳定的环境及隔振，有一定局限性。开发用于生产现场的在线测量设备，将科研成果应用于产业，实现纳米器件表面的在线及在位测量，将显著提高纳米加工效率，同时降低生产成本，具有重大的实用价值。
纳米测量技术主要包括光学测量方法、触针式测量方法及扫描显微镜。在现场测量的情况下，触针式方法测量速度慢，且易损伤被测表面，扫描显微镜受被测物材料限制，存在一定的局限性。用于纳米测量的光学方法有激光干涉法、共焦扫描显微镜法、光栅尺法等。共焦扫描显微镜法仪器结构繁杂、体积大，现场测量不方便安装，且容易受到外界干扰影响；光栅尺法机械结构、光路、信号及数据处理等方面比较简单，对环境要求不高，但测量精度低；激光干涉法能够以简单的结构实现测量，虽然易受环境扰动影响，但可通过系统闭环控制提高稳定性，是适用于纳米尺度在线测量的方法。
发明内容
本发明的目的在于提供一种工作状态稳定、测量操作简便、抗干扰的便携式纳米加工在线测量装置及测量方法，可用于纳米加工的在线、在位测量。
为达到上述目的，本发明采用如下的技术方案予以实现：
一种便携式纳米加工在线测量装置，包括光学测头和电控模块，光学测头通过光学测头底板与电控模块固定连接；其中，
光学测头包括安装在光学测头底板上的可调谐红外激光谐振腔、稳压激光二极管和光纤传输模块以及通过光学元件安装基座安装在光学测头底板上的空间光学元件；空间光学元件包括光纤准直器、闪耀光栅、参考臂反射镜、压电陶瓷和准直透镜；
每个空间光学元件的中心线均位于同一水平面；
工作时，可调谐红外激光谐振腔与稳压激光二极管发出的光线由光纤连接到光纤传输模块，光纤传输模块将两路激光耦合并传送至光纤准直器，光纤准直器将光投射到闪耀光栅上，闪耀光栅出射的零级衍射光投射到参考臂反射镜并原路返回，一级衍射光经准直透镜投射到被测物表面并原路返回；两路光在闪耀光栅处干涉并返回到光纤准直器，由光纤传输模块检测干涉信号；
电控模块包括供电单元、信号采集处理以及系统闭环控制单元，系统工作时，电控模块的供电单元为光学测头的可调谐红外激光谐振腔、稳压激光二极管及压电陶瓷供电，信号采集单元将干涉信号传送给计算机进行数据处理，同时，系统闭环控制单元将系统信号偏差传送给压电陶瓷供电单元，由压电陶瓷带动参考臂反射镜运动稳定系统工作点。
本发明进一步的改进在于，光纤准直器轴线与闪耀光栅法线夹角为5°，参考臂反射镜轴线与闪耀光栅法线夹角为-5°，准直透镜轴线与闪耀光栅法线夹角为58.69°，光纤准直器与闪耀光栅中心距离为45mm，参考臂反射镜与闪耀光栅中心距离为135mm，准直透镜与闪耀光栅中心距离为75mm，第一点激光器轴线与闪耀光栅法线夹角为-58.69°，第二点激光器轴线与准直透镜轴线夹角为35°，相机中心轴线与准直透镜轴线夹角为-35°。
本发明进一步的改进在于，空间光学元件安装在光学测头底板上，并采用微调及夹紧机构进行夹紧及微调角度。
本发明进一步的改进在于，微调及夹紧机构包括微调螺丝、关节轴承安装座、关节轴承外圈、调节座、关节轴承内圈和支撑弹簧；其中，关节轴承调节座套装在关节轴承内圈的内侧，关节轴承安装座套装在关节轴承外圈的外侧，空间光学元件安装在远离关节轴承安装座的调节座端面上，调节座与关节轴承安装座之间在180°方向上一侧通过支撑弹簧连接，另一侧通过微调螺丝调节两者之间的夹角，其中，微调螺丝与调节座螺纹连接，微调螺丝的伸出端与关节轴承安装座接触。
本发明进一步的改进在于，调节座与关节轴承安装座之间设置有若干组支撑弹簧和微调螺丝。
本发明进一步的改进在于，光学测头中还设置有可见光对焦装置，包括第一点激光器和第二点激光器，工作时，第一点激光器的出射光沿测量光轴方向，第二点激光器的光与测量光轴成一定角度，两路激光交点为准直透镜后焦面，当两个点激光器在被测物上汇聚于一点时，则被测物处于准直透镜后焦面，同时，能够对准被测区域。
本发明进一步的改进在于，光学测头还设置有干涉信号辅助调节装置，包括相机，其与第二点激光器关于测量光轴对称布置，调节干涉信号时，先将第二点激光器在被测物表面的反射光调节到相机的视场中，然后再将光点调节至相机视场中心，保证被测物表面反射的测量光按原路返回，完成干涉信号的粗调过程。
本发明进一步的改进在于，闪耀光栅的一级衍射光在被测物表面扫描范围与光源波长变化范围的比值称为线色散，且线色散公式为：
其中，为线色散，f为准直透镜焦距，取75mm，m为衍射级次，d为闪耀光栅线距，α为入射角；
测量光在被测物表面扫描范围与入射角关系为：
其中x为在被测物表面扫描范围，λmin为可调谐红外激光谐振腔波长变化起始值，λmax为波长变化终止值。
一种便携式纳米加工在线测量方法，该测量方法基于上述一种便携式纳米加工在线测量装置，包括以下步骤：
压电陶瓷线性移动，记录测量干涉信号，根据测量干涉信号值条纹可见度，确定测量干涉信号的四步等间距移相位置；
压电陶瓷带动参考臂反射镜移动至各个相移位置；
可调谐红外激光谐振腔输出波长变化的激光，闪耀光栅的一级衍射光在被测物表面扫描测量，光纤传输模块记录测量干涉信号，并传输到计算机；
计算机将记录的四个等间距相移位置处表面测量干涉信号值对齐，可得到每个被测量点处四步相移干涉信号值，如下：
其中，I1、I2、I3、I4分别为被测物上一点的四步相移位置处测量干涉信号光强值，I0为测量干涉信号直流强度，V为测量干涉信号条纹可见度，为被测物上一点的相位值，α为相移值；
利用卡雷算法计算各个被测量点处相位值，如下：
扩展卡雷算法得到的相位值，方法如下：
将扩展后的相位数据进行相位解包裹运算，当相邻点相位差值的绝对值大于π时，通过加减2π使相邻点连续，获得与被测物表面轮廓对应的相位值；
根据与轮廓对应相位值与被测物轮廓高度值关系：
式中，L为被测物轮廓高度，λ为测量光波长；
进而计算得到被测物的表面轮廓。
相对于现有技术，本发明具有如下的有益效果：
本发明提供的一种便携式纳米加工在线测量装置，包括光学测头和电控模块，光学测头通过光学测头底板与电控模块固定连接；其中，光学测头包括安装在光学测头底板上的可调谐红外激光谐振腔、稳压激光二极管和光纤传输模块以及通过光学元件安装基座安装在光学测头底板上的空间光学元件；空间光学元件包括光纤准直器、闪耀光栅、参考臂反射镜、压电陶瓷和准直透镜。测量原理为激光干涉与相移法，结构为迈克尔逊式干涉仪，由两个近似共光路的干涉仪组成。测量干涉仪采用可调谐红外激光谐振腔与闪耀光栅实现，闪耀光栅的一级衍射光角度随入射波长变化，零级衍射光角度恒定，利用出射角度变化的一级衍射光与准直透镜结合实现被测物逐点扫描，零级光与一级光干涉进行测量。参考干涉仪，光源为稳压激光二极管，参考臂的压电陶瓷根据参考干涉仪信号变化带动参考臂反射镜移动实现系统闭环。
进一步，光学测头中的空间光学元件采用微调及夹紧机构进行微调及夹紧，微调及夹紧机构核心部件为关节轴承，内外圈运动可实现二维角度调节，将关节轴承外圈开3mm缝隙，通过开口的轴承套包紧轴承外圈可实现机械夹紧。空间光路各光学元件微调好位置后，进行夹紧，保证光学元件位置稳定，满足便携及在振动环境下使用的要求，实现装置测量的稳定性。
进一步，光学测头中还设置了可见光对焦装置，利用两个可见光点激光器实现对焦及待测区域对准；第一点激光器的出射光沿测量光轴方向，第二点激光器的光与测量光轴成一定角度，两路激光交点为准直透镜后焦面，当两个点激光器在被测物上汇聚于一点时，则被测物处于透镜后焦面，同时，可对准被测区域。简化了操作过程，提高了测量精度。
进一步，光学测头还设置了干涉信号辅助调节装置，包括关于测量光轴对称布置的相机和第二点激光器；调节干涉信号时，先将点激光器在被测物表面的反射光调节到相机的视场中，然后再将光点调节至相机视场中心，可大致保证被测物表面反射的测量光按原路返回，完成干涉信号的粗调过程，简化了调节操作。
进一步，闪耀光栅的一级衍射光在被测物表面扫描范围与光源波长变化范围的比值称为线色散，其值与光纤准直器投射到闪耀光栅的入射角及准直透镜的焦距有关，通过选择合适的准直透镜焦距并对入射角优化，可得到较大的测量范围。线色散公式为：
其中，为线色散，f为准直透镜焦距，取75mm，m为衍射级次，d为闪耀光栅线距，α为入射角。在MATLAB中求解线色散随入射角变化的关系，得到如图5所示线色散曲线，可见入射角在零度附近时，线色散效果最好。但零级衍射光衍射角与入射角为相反数，入射角接近零度时，零级衍射光与光纤准直器出射光非常接近，无法利用，故需将入射角适当放大。测量光在被测物表面扫描范围与入射角关系为：
其中x为在被测物表面扫描范围，λmin为可调谐红外激光谐振腔波长变化起始值，λmax为波长变化终止值。在MATLAB中求解入射角为0、5、10、15、20、25度时扫描范围，得到图6结果，可见随入射角增大，扫描范围减小，综合考虑，取入射角为5度。根据入射角确定各空间光学元件位置。
进一步，通过光学元件安装基座的几何精度保证各空间光学元件位置关系，各空间光学元件中心位于同一水平面；光纤准直器轴线与闪耀光栅法线夹角为5°，参考臂反射镜轴线与闪耀光栅法线夹角为-5°，准直透镜轴线与闪耀光栅法线夹角为58.69°，光纤准直器与闪耀光栅中心距离为45mm，参考臂反射镜与闪耀光栅中心距离为135mm，准直透镜与闪耀光栅中心距离为75mm，第一点激光器轴线与闪耀光栅法线夹角为-58.69°，第二点激光器轴线与准直透镜轴线夹角为35°，相机中心轴线与准直透镜轴线夹角为-35°；可调谐红外激光谐振腔、稳压激光二极管、光纤传输模块固定在光学测头底板正面；光学测头整体封装，提高稳定性。测量时，可调谐红外激光谐振腔与稳压激光二极管输出光通过光纤传输模块，由光纤准直器投射到闪耀光栅，零级和一级衍射光分别照射到参考反射镜与被测物表面并按原路返回，在闪耀光栅处干涉并返回光纤准直器，干涉光由光纤传输模块转化为电信号。
本发明提供的一种便携式纳米加工在线测量方法，使用相移法移动PZT时，压电陶瓷的稳定时间会增加，浪费大量的时间，直接影响测量的精度；此外，压电效应的非线性和迟滞特性会引入误差，从而影响最终结果的准确性；对于测量点数量大的情况，需要减少PZT移动次数，具体方法为PZT移动到一个确定位置后，进行一次扫描测量，记录干涉信号值，再将PZT移动到下一个位置，进行扫描；采用这种方法，PZT只需要移动四次，提高测量准确性的同时缩短了测量时间；由于测量光波长变化，常用的三步相移法与四步相移法需要各步准确相移值，计算复杂，且增加了系统控制难度；采用卡雷相移法，只需保证各步相移的步长相等，不需要准确计算各步相移值，适用与本测量系统；相位解包裹运算，将截断相位连续起来，对于连续表面，增大了系统的量程。
概括来说，本发明具有如下的优点：
1、集成式光学测头保证装置测量准确且具有稳定的精度再现性，光电控整体组装，方便设备的运输及安装。
2、空间光学元件的微调及夹紧机构，同时满足了光学元件需要微调及固定位置的需要，相对于光学平台用调整架，提高了系统稳定性。
3、可视化对焦装置，可简便保证测量装置与被测物距离准确，提高测量精度，同时方便对准待测区域，。
4、可视化辅助干涉信号调节装置，简化干涉信号调节操作，缩短调节时间。
附图说明
图1是集成的便携式纳米表面在线测量装置装配图，为表达光学测头内部结构，用于整体封装的零件未显示。
图2是光学元件安装基座示意图。
图3是空间光学元件微调及夹紧机构图，以准直透镜安装座为例。
图4是可视化对焦装置及辅助干涉调节装置示意图，虚线表示光线通道。
图5是闪耀光栅线色散曲线图。
图6是闪耀光栅不同入射角情况下扫描范围图。
图中：1-光学元件安装基座，2-闪耀光栅，3-第一点激光器，4-光学测头底板，5-光纤传输模块，6-稳压激光二极管，7-可调谐红外激光谐振腔，8-电控模块，9-参考臂反射镜，10-压电陶瓷，11-光纤准直器，12-相机，13-准直透镜，14-第二点激光器，15-微调螺丝，16-关节轴承安装座，17-关节轴承外圈，18-调节座，19-关节轴承内圈，20-支撑弹簧，21-被测物。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，本发明一种便携式纳米加工在线测量装置，包括光电控模块和光学测头，通过理论计算优化空间光学元件位置，在占用空间小的情况下获得大测量范围，设计光学元件安装基座1，通过光学元件安装基座几何精度保证各空间光学元件的位置关系，各空间光学元件中心位于同一水平面，光纤准直器轴线与闪耀光栅法线夹角为5°，参考反射镜轴线与闪耀光栅法线夹角为-5°，准直透镜轴线与闪耀光栅法线夹角为58.69°，光纤准直器与闪耀光栅中心距离为45mm，参考反射镜与闪耀光栅中心距离为135mm，准直透镜与闪耀光栅中心距离为75mm，第一点激光器轴线与闪耀光栅法线夹角为-58.69°，第二点激光器轴线与准直透镜轴线夹角为35°，相机与准直透镜轴线夹角为-35°；光源、光纤传输模块固定在光学测头底板正面；光学测头整体封装，提高系统抗干扰能力。电路设计中，去除非必要模块，如手动控制及显示部分，将核心控制电路集成到电路模块箱体中。控制部分将干涉信号采集电路及系统闭环控制电路做成PCB板。将电控模块安装与光学测头底板背面，组装为集成式测量装置，方便携带，易于在线测量安装，利用电脑上开发的软件实现对测量装置操作控制及信号的采集。
如图2所示，以准直透镜为例介绍空间光学元件的微调及夹紧装置。核心部件为关节轴承，17为关节轴承外圈，19为关节轴承内圈，关节轴承内外圈运动可实现二维角度调节。18为调节座，16为关节轴承安装座，准直透镜13与调节座18固定在一起。调节座与关节轴承安装座之间有两套微调螺丝15和支撑弹簧20，呈相互垂直关系布置，分别实现俯仰、左右角度调节。支撑弹簧为压缩式，保证微调螺丝与关节轴承安装座接触。通过旋转微调螺丝，可实现调节座及准直透镜角度微调。夹紧功能通过关节轴承外圈与轴承安装座实现，将关节轴承外圈开3mm缝隙，同时轴承安装座也为开口结构，利用轴承安装座包紧关节轴承外圈，可消除关节轴承内外圈间隙，实现机械夹紧，固定光学元件位置。
如图3所示，在已有的空间光路中，增加了用于对焦、被测区域对准及干涉信号辅助调节装置。用于测量的光学元件为：11光纤准直器，2闪耀光栅，9参考臂反射镜，10压电陶瓷，13准直透镜。用于对焦及被测区域对准的元件为：3第一点激光器，14第二点激光器；第一点激光器入射到闪耀光栅，反射光沿测量光轴出射，第二点激光器与测量光轴成一定角度，与测量光轴相交于准直透镜后焦面。两个点激光器交点位置即为测量区域。用于干涉信号辅助调节的元件为：14第二点激光器，12相机。第二点激光器与相机关于测量光轴对称，调节干涉信号时，先将第二点激光器在被测物表面的反射光调节到相机的视场中，然后再将光点调节至相机视场中心，完成干涉信号的粗调过程。
本发明一种便携式纳米加工在线测量方法，包括以下步骤：
压电陶瓷(10)线性移动，记录测量干涉信号，根据测量干涉信号值条纹可见度，确定测量干涉信号的四步等间距移相位置；
压电陶瓷(10)带动参考臂反射镜(9)移动至各个相移位置；
可调谐红外激光谐振腔(7)输出波长变化的激光，闪耀光栅(2)的一级衍射光在被测物(21)表面扫描测量，光纤传输模块(5)记录测量干涉信号，并传输到计算机；
计算机将记录的四个等间距相移位置处表面测量干涉信号值对齐，可得到每个被测量点处四步相移干涉信号值，如下：
其中，I1、I2、I3、I4分别为被测物上一点的四步相移位置处测量干涉信号光强值，I0为测量干涉信号直流强度，V为测量干涉信号条纹可见度，为被测物上一点的相位值，α为相移值；
利用卡雷算法计算各个被测量点处相位值，如下：
扩展卡雷算法得到的相位值，方法如下：
将扩展后的相位数据进行相位解包裹运算，当相邻点相位差值的绝对值大于π时，通过加减2π使相邻点连续，获得与被测物(21)表面轮廓对应的相位值
根据与轮廓对应相位值与被测物(21)轮廓高度值关系：
式中，L为被测物轮廓高度，λ为测量光波长；
进而计算得到被测物(21)的表面轮廓。
Claims (8)
1.一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，包括光学测头和电控模块(8)，光学测头通过光学测头底板(4)与电控模块(8)固定连接；其中，
光学测头包括安装在光学测头底板(4)上的可调谐红外激光谐振腔(7)、稳压激光二极管(6)和光纤传输模块(5)以及通过光学元件安装基座安装在光学测头底板(4)上的空间光学元件；空间光学元件包括光纤准直器(11)、闪耀光栅(2)、参考臂反射镜(9)、压电陶瓷(10)和准直透镜(12)；
每个空间光学元件的中心线均位于同一水平面；
光纤准直器轴线与闪耀光栅法线夹角为5°，参考臂反射镜轴线与闪耀光栅法线夹角为-5°，准直透镜轴线与闪耀光栅法线夹角为58.69°，光纤准直器(11)与闪耀光栅中心距离为45mm，参考臂反射镜(9)与闪耀光栅中心距离为135mm，准直透镜(13)与闪耀光栅中心距离为75mm，第一点激光器轴线与闪耀光栅法线夹角为-58.69°，第二点激光器轴线与准直透镜轴线夹角为35°，相机中心轴线与准直透镜轴线夹角为-35°；
工作时，可调谐红外激光谐振腔(7)与稳压激光二极管(6)发出的光线由光纤连接到光纤传输模块(5)，光纤传输模块(5)将两路激光耦合并传送至光纤准直器(11)，光纤准直器(11)将光投射到闪耀光栅(2)上，闪耀光栅(2)出射的零级衍射光投射到参考臂反射镜(9)并原路返回，一级衍射光经准直透镜(13)投射到被测物(21)表面并原路返回；两路光在闪耀光栅(2)处干涉并返回到光纤准直器(11)，由光纤传输模块(11)检测干涉信号；
电控模块(8)包括供电单元、信号采集处理以及系统闭环控制单元，系统工作时，电控模块的供电单元为光学测头的可调谐红外激光谐振腔、稳压激光二极管及压电陶瓷供电，信号采集单元将干涉信号传送给计算机进行数据处理，同时，系统闭环控制单元将系统信号偏差传送给压电陶瓷供电单元，由压电陶瓷带动参考臂反射镜运动稳定系统工作点。
2.根据权利要求1所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，空间光学元件安装在光学测头底板(4)上，并采用微调及夹紧机构进行夹紧及微调角度。
3.根据权利要求2所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，微调及夹紧机构包括微调螺丝(15)、关节轴承安装座(16)、关节轴承外圈(17)、调节座(18)、关节轴承内圈(19)和支撑弹簧(20)；其中，关节轴承调节座(18)套装在关节轴承内圈(19)的内侧，关节轴承安装座(16)套装在关节轴承外圈(17)的外侧，空间光学元件安装在远离关节轴承安装座(16)的调节座(18)端面上，调节座(18)与关节轴承安装座(16)之间在180°方向上一侧通过支撑弹簧(20)连接，另一侧通过微调螺丝(15)调节两者之间的夹角，其中，微调螺丝(15)与调节座(18)螺纹连接，微调螺丝(15)的伸出端与关节轴承安装座(16)接触。
4.根据权利要求3所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，调节座(18)与关节轴承安装座(16)之间设置有若干组支撑弹簧(20)和微调螺丝(15)。
5.根据权利要求1所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，光学测头中还设置有可见光对焦装置，包括第一点激光器(3)和第二点激光器(14)，工作时，第一点激光器(3)的出射光沿测量光轴方向，第二点激光器(14)的光与测量光轴成一定角度，两路激光交点为准直透镜(13)后焦面，当两个点激光器在被测物(21)上汇聚于一点时，则被测物(21)处于准直透镜(13)后焦面，同时，能够对准被测区域。
6.根据权利要求5所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，光学测头还设置有干涉信号辅助调节装置，包括相机(12)，其与第二点激光器(14)关于测量光轴对称布置，调节干涉信号时，先将第二点激光器(14)在被测物(21)表面的反射光调节到相机(12)的视场中，然后再将光点调节至相机(21)视场中心，保证被测物(21)表面反射的测量光按原路返回，完成干涉信号的粗调过程。
7.根据权利要求1所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，其特征在于，闪耀光栅(2)的一级衍射光在被测物(21)表面扫描范围与光源波长变化范围的比值称为线色散，且线色散公式为：
其中，为线色散，f为准直透镜焦距，取75mm，m为衍射级次，d为闪耀光栅线距，α为入射角；
测量光在被测物表面扫描范围与入射角关系为：
其中x为在被测物表面扫描范围，λ为测量光波长，λmin为可调谐红外激光谐振腔波长变化起始值，λmax为波长变化终止值。
8.一种便携式纳米加工在线测量方法，其特征在于，该测量方法基于权利要求1至7中任一项所述的一种便携式纳米加工在线测量装置，包括以下步骤：
压电陶瓷(10)线性移动，记录测量干涉信号，根据测量干涉信号值条纹可见度，确定测量干涉信号的四步等间距移相位置；
压电陶瓷(10)带动参考臂反射镜(9)移动至各个相移位置；
可调谐红外激光谐振腔(7)输出波长变化的激光，闪耀光栅(2)的一级衍射光在被测物(21)表面扫描测量，光纤传输模块(5)记录测量干涉信号，并传输到计算机；
计算机将记录的四个等间距相移位置处表面测量干涉信号值对齐，可得到每个被测量点处四步相移干涉信号值，如下：
其中，I1、I2、I3、I4分别为被测物上一点的四步相移位置处测量干涉信号光强值，I0为测量干涉信号直流强度，V为测量干涉信号条纹可见度，为被测物上一点的相位值，α为相移值；
利用卡雷算法计算各个被测量点处相位值，如下：
扩展卡雷算法得到的相位值，方法如下：
当和均为正值，调整后的相位值仍为当为正值，为负值，调整后的相位值为当和均为负值，调整后的相位值为当为负值，为正值，调整后的相位值为当为0，为任意值，调整后的相位值为π；当为正值，为零，调整后的相位值为π/2；当为负值，为零，调整后的相位值为3π/2；
将扩展后的相位数据进行相位解包裹运算，当相邻点相位差值的绝对值大于π时，通过加减2π使相邻点连续，获得与被测物(21)表面轮廓对应的相位值；
根据与轮廓对应相位值与被测物(21)轮廓高度值关系：
式中，L为被测物轮廓高度，λ为测量光波长；
进而计算得到被测物(21)的表面轮廓。
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