CN113587843A - 干涉共聚焦测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种干涉共聚焦测量系统及测量方法，测量系统包括第一测量单元和第二测量单元，所述第一测量单元包括发出特定波长范围的宽光谱光源组件、第一分束镜、色散物镜、信号接收组件；所述第二测量单元包括单波长的激光光源、扩束镜、第二分束镜、移相器、反射镜、光电探测器、第三分束镜、位于色散物镜中心光轴上的光阑。本发明通过逐级测量，第一测量单元实现粗测，确定干涉级次；第二测量单元实现精测，保证单波长测量精度的同时，扩展了干涉共聚焦测量系统的工作范围。

Description

干涉共聚焦测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种干涉共聚焦测量系统及方法。

背景技术

随着现代光学精密测量技术的发展，对元器件的表面轮廓和表面面形误差的测量提出了更高的要求。在光学仪器设备发展的过程中，光学元件经历了由球面、非球面到自由曲面的过程，其中自由曲面打破了非球面旋转对称的局限性，进一步提高了光学系统的性能。

自由曲面光学元件的检测总体上分为接触式和非接触式检测两种。以三坐标测量法为代表的接触式测量的优势很多，但是，它也存在着直接接触工件表面、易破坏被测件光洁度、检测头的机构磨损和机械运动机构会影响测量准确性以及检测精度较低等问题逐渐被接触式测量所替代，市场份额逐渐减小。

非接触式检测方式有光探针法以及干涉法。光探针法将光束代替机械探针。干涉法分为双光束干涉、双波长干涉以及多波长干涉等。双光束干涉法等使用单波长光波的测量方法只能测得0到2π范围内的相位值。并且测量时，所测得的距离，是激光到达被测面后返回的路程，相当于实际被测距离的2倍。因此，干涉仪的测量距离被极大限制住，只能在λ/2范围内，实现精准测量。一旦待测距离超过λ/2(即干涉级次m大于等于1)，将因无法确定相位的2π倍数也就是干涉级次未知，而使测量结果不确定。双波长干涉可有效扩大干涉法测距的不模糊范围，然而，双波长干涉法会使得原本可忽略的误差扩大波长放大的倍数，严重影响测量精度。基于光谱共焦技术的光谱共焦测量系统使用光源照射到被测物体表面，由CCD工业相机或光谱仪等探测反射回来的光谱信息，确定聚焦在物体表面的峰值波长，从而获得待测物体表面的轴向距离信息。但是由于现有的光源其出射光各波长的强度分布不均匀，会造成测量精度的显著降低。并且待测物将光束反射后，由于反射光束是沿着色散物镜的光路进入光谱仪，导致光谱仪接收的光谱纯净度不高，导致测量结果有偏差，降低测量精度。

发明内容

本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种干涉共聚焦测量系统及测量方法。

本发明提供一种干涉共聚焦测量系统，包括第一测量单元和第二测量单元；其中，

所述第一测量单元包括宽光谱光源组件、第一分束镜、色散物镜、信号接收组件；

所述宽光谱光源组件发出的光束经所述第一分束镜反射和所述色散物镜透射后，入射至待测物表面，经待测物表面反射回的光束依次经所述色散物镜、所述第一分束镜入射透射至所述信号接收组件，所述信号接收组件根据所接收到的信号获得所述待测物表面待测点的位置信息，并根据所述位置信息获得所述待测物表面待测点的高度值；

所述第二测量单元包括单波长的激光光源、扩束镜、第二分束镜、移相器、反射镜、光电探测器、第三分束镜、位于所述色散物镜中心且位于光轴上的光阑；

所述激光光源发出的光束经所述扩束镜扩束后入射至所述第二分束镜，一部分被反射作为参考光束，另一部分被透射作为测量光束；所述参考光束反射至所述反射镜后，又经所述反射镜反射和所述第二分束镜透射，入射至所述光电探测器；所述移相器与所述反射镜固定连接，所述移相器控制所述反射镜沿所述参考光束方向往复移动对所述参考光束进行相位调制；所述测量光束经所述第三分束镜反射后，入射至所述第一分束镜，经所述第一分束镜透射穿过所述光阑入射至所述待测物表面，经所述待测物表面反射后穿过所述光阑经所述第一分束镜透射入射至所述第三分束镜，经所述第三分束镜被分束为透射光束和反射光束，所述透射光束进入所述信号接收组件；所述反射光束反射至所述第二分束镜，所述反射光束经所述第二分束镜反射至所述光电探测器，且与所述参考光束发生干涉，通过分析干涉信息获取待测物表面待测点的相位信息，并结合所述第一测量单元获得的高度值获得待测物的面型信息。

进一步地，所述光源组件包括光源和第一光孔；

所述光源发出的光束经所述第一光孔出射，形成点光源。

进一步地，所述光源为连续光谱的白色光源。

进一步地，所述信号接收组件包括滤光片、光接收单元、第二光孔；

经所述待测物反射的光束依次经过所述滤光片滤光后，入射至所述第二光孔后，入射至所述光接收单元，通过分析所述光接收单元的数据得到待测物表面的位置信息。

进一步地，所述光接收单元为光谱仪或光电探测器。

本发明还提供一种测量方法，包括如下步骤：

S1、所述宽光谱光源组件发出的光束经所述第一分束镜反射和所述色散物镜透射，入射至待测物表面的待测点，所述待测物体表面的待测点反射后的光束经所述色散物透射和所述第一分束镜透射，入射至所述信号接收组件，通过所述信号接收组件接收该光束的光谱信息获得相应的所述待测物表面的待测点位置信息，从而得到待测物体的高度，完成第一次测量；

S2、根据公式(1)计算所述第一测量单元的干涉级次：

计算并取整数得出m值；

其中：m为干涉级次，L为所述待测物表面的待测点的高度；λ为信号接收组件所接收到的光束的波长；

S3、所述激光光源发出的光束经所述扩束镜扩束后，入射至所述第二分束镜，一部分反射为参考光束，另一部分透射为测量光束，所述参考光束经所述反射镜反射，入射至所述光电探测器；所述测量光束经所述第三分束镜反射，入射至所述第一分束镜透射后，穿过所述光阑，入射至所述待测物表面的待测点，经所述待测点反射后再沿原光路返回，经所述第二分束镜反射至所述光电探测器，与所述参考光束发生干涉；调整所述移相器的移动位移4n次，利用四步相移法获得目标相位值Φ，其中n为≥1的正整数；完成第二次测量；

S4、根据公式(2)

计算得出所述待测物表面的待测点的精确的高度，从而获得待测物的面型信息，其中，L'为所述待测物表面的待测点精确的高度，λ₃为所述激光光源发出的光束的波长。

进一步地，所述步骤S1还包括以下步骤：

S101、所述宽光谱光源组件发出的光束经所述第一分束镜和所述色散物镜入射至待测物表面的待测点，所述待测点与特定波长光束聚焦点重合时，所述待测点将所述特定波长光束反射，所述特定波长光束依次经所述第一分束镜和所述色散物镜透射后，入射至信号接收组件；

S102、通过分析所述信号接收组件接收到的所述特定波长光束的光谱信息，获得光通量最大处的波长值，进而获得相应的所述待测物表面的任意一点位置信息，从而得到待测物体的高度，完成第一次测量。

进一步地，所述步骤S3中：获得目标相位值Φ的具体方法为：

利用所述光电探测器采集所述移相器移动位移4n次的干涉灰度图，目标相位值Φ满足公式：

其中，I₀、I₁、I₂、I₃分别是光电探测器采集的4n次干涉的光强度，I_a为干涉场的均匀光强分布，A为幅值调制的系数，n为≥1的正整数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、第一测量单元实现粗测，确定干涉级次；第二测量单元实现精测，使用逐级测量，保证单波长测量精度的同时，扩展了干涉共聚焦测量系统的工作范围。

2、本发明提供的干涉共聚焦测量系统及测量方法具有低成本、设计简单以及容易操作的优点。

附图说明

图1是本发明实施例中的干涉共聚焦测量系统的结构图；

图2是本发明实施例中的干涉共聚焦测量方法的流程示意图。

其中的附图标记如下：

光源组件1、第一分束镜2、色散物镜3、待测物4、激光光源5、扩束镜6、第二分束镜7、反射镜8、移相器9、光电探测器10、第三分束镜11、光阑12、滤光片13、第二光孔14。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一方面，本发明提供一种干涉共聚焦测量系统。

图1示出了本发明实施例的干涉共聚焦测量系统的结构图。

一种干涉共聚焦测量系统，包括第一测量单元和第二测量单元。

第一测量单元构成了光谱共焦系统，进行的第一次测量实现的是“粗测”，通过“粗测”确定干涉级次；第二测量单元构成了双光束干涉系统，进行的第二次测量实现的是“精测”，逐级测量，保证了干涉共聚焦测量系统的测量精度。

第一测量单元包括发出λ₁-λ₂波长范围的宽光谱光源组件1、第一分束镜2、色散物镜3、信号接收组件；宽光谱光源组件1发出的光束经第一分束镜2反射和色散物镜3透射，入射至待测物4表面，经待测物4表面反射回的光束经第一分束镜2和色散物镜3透射至信号接收组件，通过分析信号接收组件的数据得到待测物4表面的位置信息。

第二测量单元包括单波长的激光光源5、扩束镜6、第二分束镜7、移相器9、反射镜8、光电探测器10、第三分束镜11、位于色散物镜3中心的光阑12。激光光源5发出的光束经扩束镜6扩束后入射至第二分束镜7，一部分被反射作为参考光束，另一部分被透射作为测量光束；参考光束反射至反射镜8后又经反射，入射至第二分束镜7透射至光电探测器10；移相器9控制反射镜8沿参考光束方向往复移动进行相位调制；测量光束经第三分束镜11反射至第一分束镜2，依次经第一分束镜2透射、穿过光阑12入射至待测物4表面，经待测物4表面反射后依次穿过光阑12、第一分束镜2透射、第三分束镜11反射，后入射至第二分束镜7，经第二分束镜7反射至光电探测器10，与参考光束发生干涉。

第一测量单元构成了光谱共焦系统，特定波长范围的宽光谱光源为波长范围为λ₁-λ₂nm的光束，由于白光作为复色光包含很多不同波长的单色光，因此为了便于实际操作可以选取白光作为光源。光源的选取不限于白光，可以根据实际测量的物体做选择，只要是具有一定波长范围的光源均可，若实现高精度测量可以选择连续光谱的光源，本发明对此不进行限定。在相同介质中折射率随波长的变化而改变。因此，经过色散物镜3后的光束的像点在光轴上的聚焦位置不同，在光轴上形成一系列连续的聚焦光斑，形成像差中的轴向色散，因此并不是所有的波长的光束都能够在待测物4表面聚焦。当待测物4表面的测量点与待测物4表面聚焦的点重合，光源发出光束的一点、能够在待测物4表面聚焦的点、进入信号接收组件的点，三处位置相互共轭构成共聚焦的三点，进而获得光通量最大处的波长值，得到待测物4表面待测点的位置信息。

光的色散特性如下式：

其中f为焦点，λ为对应光线的波长，r₁为色散物镜3最内半径，λ_d为理论波长，f(λ_d)理论焦点。

将上式在λ＝λ_d处泰勒展开如下式：

本发明所取波段为λ₁-λ₂nm的光束，因此本发明所提供的干涉共聚焦测量系统的测量范围如下式：

ΔL＝f(λ₂)-f(λ₁) (3)

具体应用时，可根据待测物4目标所要测量的范围反向推导对应波段的范围。此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

第二测量单元构成了双光束干涉系统，单波长的激光光源5选取波长为λ₃nm的光束。本发明提供一种优选实施例波长选取λ₂＞λ₁＞λ₃。双光束干涉系统的精度取决于光束的波长，干涉系统的精度为λ₃/2；因此λ₃的取值决定了最终的测量精度。光阑12设置于色散物镜3的内部，能够使第一透射光不经色散物镜3的色散而直接入射至待测物4表面，并经待测物4表面反射原路返回，入射至光电探测器10，并且λ₃的选值最小，能够避免λ₃波长的光束入射至信号接收组件，此设置方式能够降低第一测量单元、第二测量单元光路之间的相互干扰，提高测量精度。

在本发明的一个优选示例中，光源组件1包括光源和第一光孔。光源发出的光束经第一光孔出射，形成点光源。

在本发明的一个优选示例中，光源为连续光谱的白色光源。连续光谱的白色光源能够保证不同高度的待测物4的待测点均有相对应波长的光束在待测点聚焦，不会有待测点没有对应波长的光束聚焦的情况，进而保证测量精度。

在本发明的一个优选示例中，信号接收组件包括滤光片13、光接收单元、第二光孔14。

光源组件1发出的光束经第一分束镜2反射和色散物镜3透射，入射至待测物4表面，经待测物4反射的光束依次经过滤光片13和第二光孔14，进入光接收单元，通过分析光接收单元的光通量最大处的波长值得到待测物4表面的位置信息。

在本发明的一个优选示例中，光接收单元为光谱仪或光电探测器。具体应用中可以使用质心法对光谱仪或光电探测器所接收到的谱峰位置进行确定。

本发明所提供的干涉共聚焦测量系统，将共聚焦成像系统和双光束干涉系统相结合，通过第一测量单元完成待测物4表面的“粗测量”，解决了双光束干涉系统只能测量0到2π范围内的相位值的技术问题，同时解决了干涉仪只能够在测量光束波长λ/2范围内实现精准测量的技术问题，因此第一测量单元完成了大范围的测量。通过第二测量单元完成待测物4表面的“精测量”，解决了共聚焦成像系统在检测时测量远距离物体时检测精度降低的技术问题，因此第二测量单元完成了高精度的测量。本发明通过第一测量单元和第二测量单元的逐级测量组合提供了一种原理简单、操作方便，能够实现大范围精准测量的非接触式的干涉共聚焦测量系统。

另一方面，本发明提供一种干涉共聚焦成像的测量方法。

图2示出了本发明实施例中的干涉共聚焦测量方法的流程示意图。

一种干涉共聚焦成像的测量方法，包括如下步骤：

S1、宽光谱光源组件1发出的光束经第一分束镜2和色散物镜3至待测物4表面，待测物4的待测点表面反射后的光束经第一分束镜2和色散物镜3透射至信号接收组件，信号接收组件通过接收到经待测物4的待测点表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息，从而得到待测物4的待测点的高度，完成第一次测量。

宽光谱光源组件1发出波长范围为λ₁-λ₂nm的白光光束，在相同介质中折射率随波长的变化而改变，经过色散物镜3后的色散的不同波长的光束在光轴上的聚焦位置不同，并不是所有的波长的光束都能够在待测物4的待测点表面聚焦。只有在待测物4的待测点表面聚焦的特定波长的光束能够被待测物4的待测点表面所反射，反射后的特定波长的光束进入至信号接收组件，信号接收组件通过光束的波长信息能够得出待测物4的待测点的高度L的粗测值，实现粗测。

S2、根据公式(4)计算所述第一测量单元的干涉级次：

计算并取整数得出m值；

其中：m为干涉级次，L为所述待测物表面的待测点的高度，λ为信号接收组件所接收到的光束的波长。

令公式(5)中的Φ＝0，整理则可以得到公式(4)，进而求得干涉级次m。

S3、激光光源5发出的光束经第二分束镜7被分束为参考光束和测量光束，其中参考光束作为参考光束经反射镜8反射至光电探测器10；测量光束依次经第三分束镜11反射、第一分束镜2透射、穿过光阑12、入射至待测物4表面的待测点，经待测物4表面的待测点反射后再沿原光路返回，经第二分束镜7反射至光电探测器10，与参考光束形成干涉；调整移相器9的移动位移4次，相位分别为：0、π/2、π、3π/2，利用四步相移法求得目标相位值Φ，完成第二次测量。若进行多次测量，可对测量的目标相位值Φ进行求平均值，以获得更精确的目标相位值Φ的数值。

S4、根据公式(5)，计算得出待测物4待测点精确的高度，从而获得待测物4的面型信息，其中λ₃为激光光源5发出的光束的波长，L'为待测物4体的高度的精确值。

将步骤S2、S3所获得的m值和Φ值代入公式(5)，求得待测物4的高度的精确值L'。

在本发明的一个优选示例中，步骤S1还包括以下步骤：

S101、宽光谱光源组件1发出的光束经第一分束镜2和色散物镜3入射至待测物4表面的待测点，待测点与特定波长光束聚焦点重合时，待测点将特定波长光束反射，特定波长光束依次经第一分束镜2和色散物镜3透射后，入射至信号接收组件；

S102、通过分析所述信号接收组件接收到的所述特定波长光束的光谱信息，获得光通量最大处的波长值，进而获得相应的待测物表面的任意一点位置信息，从而得到待测物体的高度，完成第一次测量，即粗测。

在本发明的一个优选示例中，步骤S3中：获得目标相位值Φ的具体方法为：

移相器9往复移动4次进行相位调制，4次相位调制的相位分别是0、π/2、π、3π/2，即初始相位为0，每次的相移变量为π/2，光电探测器10采集4次干涉灰度图，目标相位值Φ满足公式(6)：

其中，I₀、I₁、I₂、I₃分别是光电探测器采集的4次干涉的光强度，I_a为干涉场的均匀光强分布，A为幅值调制的系数。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种干涉共聚焦测量系统，其特征在于，包括第一测量单元和第二测量单元；其中，

所述第一测量单元包括宽光谱光源组件、第一分束镜、色散物镜、信号接收组件；

所述宽光谱光源组件发出的光束经所述第一分束镜反射和所述色散物镜透射后，入射至待测物表面，经待测物表面反射回的光束依次经所述色散物镜、所述第一分束镜入射透射至所述信号接收组件，所述信号接收组件根据所接收到的信号获得所述待测物表面待测点的位置信息，并根据所述位置信息获得所述待测物表面待测点的高度值；

所述第二测量单元包括单波长的激光光源、扩束镜、第二分束镜、移相器、反射镜、光电探测器、第三分束镜、位于所述色散物镜中心且位于光轴上的光阑；

所述激光光源发出的光束经所述扩束镜扩束后入射至所述第二分束镜，一部分被反射作为参考光束，另一部分被透射作为测量光束；所述参考光束反射至所述反射镜后，又经所述反射镜反射和所述第二分束镜透射，入射至所述光电探测器；所述移相器与所述反射镜固定连接，所述移相器控制所述反射镜沿所述参考光束方向往复移动对所述参考光束进行相位调制；所述测量光束经所述第三分束镜反射后，入射至所述第一分束镜，经所述第一分束镜透射穿过所述光阑入射至所述待测物表面，经所述待测物表面反射后穿过所述光阑经所述第一分束镜透射入射至所述第三分束镜，经所述第三分束镜被分束为透射光束和反射光束，所述透射光束进入所述信号接收组件；所述反射光束反射至所述第二分束镜，所述反射光束经所述第二分束镜反射至所述光电探测器，且与所述参考光束发生干涉，通过分析干涉信息获取待测物表面待测点的相位信息，并结合所述第一测量单元获得的高度值获得待测物的面型信息。

2.根据权利要求1所述的干涉共聚焦测量系统，其特征在于，所述光源组件包括光源和第一光孔；

所述光源发出的光束经所述第一光孔出射，形成点光源。

3.根据权利要求2所述的干涉共聚焦测量系统，其特征在于，所述光源为连续光谱的白色光源。

4.根据权利要求1所述的干涉共聚焦测量系统，其特征在于，所述信号接收组件包括滤光片、光接收单元、第二光孔；

经所述待测物反射的光束依次经过所述滤光片滤光后，入射至所述第二光孔后，入射至所述光接收单元，通过分析所述光接收单元的数据得到待测物表面的位置信息。

5.根据权利要求4所述的干涉共聚焦测量系统，其特征在于，所述光接收单元为光谱仪或光电探测器。

6.一种使用权利要求1-5中任一项所述的干涉共聚焦测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、所述宽光谱光源组件发出的光束经所述第一分束镜反射和所述色散物镜透射，入射至待测物表面的待测点，所述待测物体表面的待测点反射后的光束经所述色散物透射和所述第一分束镜透射，入射至所述信号接收组件，通过所述信号接收组件接收该光束的光谱信息获得相应的所述待测物表面的待测点位置信息，从而得到待测物体的高度，完成第一次测量；

S2、根据公式(1)计算所述第一测量单元的干涉级次：

计算并取整数得出m值；

其中：m为干涉级次，L为所述待测物表面的待测点的高度；λ为信号接收组件所接收到的光束的波长；

S3、所述激光光源发出的光束经所述扩束镜扩束后，入射至所述第二分束镜，一部分反射为参考光束，另一部分透射为测量光束，所述参考光束经所述反射镜反射，入射至所述光电探测器；所述测量光束经所述第三分束镜反射，入射至所述第一分束镜透射后，穿过所述光阑，入射至所述待测物表面的待测点，经所述待测点反射后再沿原光路返回，经所述第二分束镜反射至所述光电探测器，与所述参考光束发生干涉；调整所述移相器的移动位移4n次，利用四步相移法获得目标相位值Φ，其中n为≥1的正整数；完成第二次测量；

S4、根据公式(2)

计算得出所述待测物表面的待测点的精确的高度，从而获得待测物的面型信息，其中，L'为所述待测物表面的待测点精确的高度，λ₃为所述激光光源发出的光束的波长。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S1还包括以下步骤：

S101、所述宽光谱光源组件发出的光束经所述第一分束镜和所述色散物镜入射至待测物表面的待测点，所述待测点与特定波长光束聚焦点重合时，所述待测点将所述特定波长光束反射，所述特定波长光束依次经所述第一分束镜和所述色散物镜透射后，入射至信号接收组件；

S102、通过分析所述信号接收组件接收到的所述特定波长光束的光谱信息，获得光通量最大处的波长值，进而获得相应的所述待测物表面的任意一点位置信息，从而得到待测物体的高度，完成第一次测量。

8.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S3中：获得目标相位值Φ的具体方法为：

利用所述光电探测器采集所述移相器移动位移4n次的干涉灰度图，目标相位值Φ满足公式：

其中，I₀、I₁、I₂、I₃分别是光电探测器采集的4n次干涉的光强度，I_a为干涉场的均匀光强分布，A为幅值调制的系数，n为≥1的正整数。

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