CN118129635A - 利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置及方法，装置包括：白光照明单元，用于产生形貌测量所需的白光；面激光照明单元，用于产生振动监控所需的面激光面；白光测试单元，用于产生参考白光和包含待测物件信息的测试光；激光辅助单元，用于产生辅助的参考激光；白光干涉成像单元，用于接收白光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像；面激光干涉成像单元，用于接收面激光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像。本发明利用面激光照明和复合干涉参考配置构造振动测试通道，并通过多腔复合干涉条纹的时序差分、空间移相分析解算出每一帧的振动倾斜相位，与白光相位测试通道相结合，从而实现振动环境下多样化高端精密器件的高精度动态白光干涉测量问题。
Description
技术领域
本发明属于光干涉计量测试技术领域，特别是一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置及方法。
背景技术
表面微观形貌是高端精密器件的重要特征信息，其纳米尺度精密测量技术的日益发展推动着制造工程快速融入现代化科技产业，是未来能源、超精密加工、航天航空和生物医学等领域技术不断革新的重要前提和基础保障。然而，加工环境和测量设备所带来的振动影响是限制高端精密器件实现高精度白光干涉测量的瓶颈问题。
在常规基于时间移相干涉测量的动态白光干涉测量方法中，测量精度依赖于条纹形状和数量的要求，限制了其对复杂结构表面的测量能力。而基于空间移相干涉测振的动态白光干涉方案，由分束镜的存在，物镜难以实现大的数值孔径，同时相位计算精度易受2π相位模糊问题限制，无法实现绝对振动的提取。同时，现有的基于包络和相位信息的形貌复原算法无法摆脱中心波长依赖性，限制了动态白光干涉技术更广泛应用。此外，基于面激光的多通道干涉模型缺乏有效、简洁的多光束复合干涉光学解耦解调方法。因此对于动态白光干涉测量迫切地需要一种新的解决方案。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置及方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一方面，提供了一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，该装置利用面激光照明和复合干涉参考配置构造振动测试通道，并通过多腔复合干涉条纹的时序差分、空间移相分析解算出每一帧的振动倾斜相位，与白光相位测试通道相结合，实现振动环境下多样化高端精密器件的高精度动态白光干涉测量。
进一步地，所述装置包括：
白光照明单元，用于产生形貌测量所需的白光；
面激光照明单元，用于产生振动监控所需的面激光面；
白光测试单元，用于产生参考白光和包含待测物件信息的测试光；
激光辅助单元，用于产生辅助的参考激光；
白光干涉成像单元，用于接收白光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像；
面激光干涉成像单元，用于接收面激光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像。
进一步地，所述白光照明单元，包括沿水平方向光轴依次设置的白光光源、第一准直镜、第一偏振片、第一偏振分束镜、二分之一波片和汇聚镜组；
所述面激光照明单元，包括沿竖直方向光轴依次设置的激光光源、旋转散射片、第二准直镜、第二偏振片、第一偏振分束镜，以及所述二分之一波片和汇聚镜组；
所述白光测试单元，包括沿竖直方向光轴依次设置的第一四分之一波片、移相器、显微物镜和待测件；所述移相器带动显微物镜沿竖直光轴方向位移；
所述激光辅助单元，包括沿水平方向光轴依次设置的第二四分之一波片、准直物镜和反射镜；
所述白光干涉成像单元，包括沿竖直方向光轴依次设置的成像物镜、分束器、第三偏振片、第一滤光片和探测器；
所述面激光干涉成像单元，包括所述成像物镜、分束器，以及沿水平方向光轴依次设置的第三四分之一波片、第二滤光片和偏振探测器。
进一步地，所述第一偏振片的偏振方向为水平方向，第二偏振片的偏振方向为竖直方向，白光照明单元和面激光照明单元分别发出偏振方向水平的p波和偏振方向竖直的s波，且白光照明单元发出的光束光谱范围不包含面激光照明单元的激光波长，二分之一波片的快轴方向与s波方向成45°。
进一步地，所述白光测试单元和激光辅助单元分别设置于第二偏振分束镜的反射和透射光方向。
进一步地，所述汇聚镜组分别与显微物镜、准直物镜共焦；所述成像物镜与显微物镜共焦。
进一步地，所述第一四分之一波片、第二四分之一波片的快轴方向与s波方向成45°。
进一步地，所述第三偏振片的偏振方向为水平方向，第一滤光片为短波通，第三四分之一波片的快轴方向与s波方向成45°，偏振探测器能够获得每个采样时间的4幅移相量为π/2的干涉图。
进一步地，所述探测器和偏振探测器均与待测件物像共轭，且探测器和偏振探测器二者同步采集测试数据。
另一方面，提供了一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量方法，所述方法包括：
步骤1，白光光源出射白光并经第一准直镜、第一偏振片和偏振分束镜后，偏振态变为p方向，同时激光光源出射激光经旋转散射片后成为面激光并经过第二准直镜、第二偏振片，再经过偏振分束镜后偏振态变为s方向，二分之一波片将p波白光与s波激光的偏振法方向调整为与s波方向成45°，偏振态方向调整后的白光与激光同时被汇聚镜组汇聚；
步骤2，汇聚后的p波白光和s波面激光光束均由第二偏振分束镜分为两束，其中一束白光和激光进入白光测试单元，其余光束进入激光辅助单元；
步骤3，进入白光测试单元的白光和面激光分别由显微物镜的参考面和测试件反射，形成参考白光、测试白光和参考激光、测试激光，这四支反射光束透射过第二偏振分束镜后进入白光干涉成像单元和面激光干涉成像单元；
步骤4，进入激光辅助单元的白光和激光分别由反射镜反射后，形成辅助激光和背景白光，这里两次经过四分之一波片，辅助激光和背景白光由p波变为s波，之后辅助激光和背景白光由第二偏振分束镜反射后进入白光干涉成像单元和面激光干涉成像单元；
步骤5，进入白光干涉成像单元的参考激光、测试激光、辅助激光和背景白光被第三偏振片和第一滤光片滤除，其余参考白光和测试白光到达探测器，形成主通道白光干涉条纹Iw；
步骤6，进入面激光干涉成像单元的参考白光、测试白光和背景白光被第二滤光片滤除，其余s波参考激光和s波测试激光被第三四分之一波片改变为左旋圆偏振光，p波辅助激光被第三四分之一波片改变为右旋圆偏振光；三束左、右旋圆偏振激光同时入射进偏振探测器和探测器，两者同步采集；三束光形成三组条纹，其中s波参考激光和s波测试激光形成无空间移相的干涉条纹Ib，该条纹作为背景强度；p波辅助激光分别和s波参考激光、s波测试激光形成两组空间移相条纹Ips1和Ips2，表达式为：
式中，Ips1(k)是p波辅助激光和s波参考激光形成的第k步的空间移相条纹强度，Ips2(t,k)是p波辅助激光和s波测试激光形成的t时刻第k步空间移相条纹强度，Aps1和Bps1为p波辅助激光和s波参考激光形成的空间移相条纹的背景光强和调制度，Aps2和Bps2为p波辅助激光和s波测试激光形成的空间移相条纹的背景光强和调制度，φr为p波辅助激光和s波参考激光相位差，φt为p波辅助激光和s波测试激光相位差，t为干涉图时序标记，P(t)为t时刻振动倾斜相位，k＝0，1，2，3为空间四步移相量；
则偏振探测器(27)和探测器(24)中每个偏振象限t时刻第k步的光强分布Iadd(t；k)为：
Iadd(t；k)＝Ib(t)+Ips1(k)+Ips2(t；k)；
步骤7，对采集的干涉条纹进行时序差分：
式中，ΔI(t+1；k)为t+1时刻第k步的差分强度图；
对上式进行空间四步解相获得相对振动倾斜相位ΔP；
步骤8，将所述相对振动倾斜相位ΔP与主通道白光干涉条纹Iw结合，利用非均匀白光解调算法即可获得最终待测件三维形貌。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)利用激光面光源进行振动辅助测量，能解决传统动态白光干涉形貌测量对条纹形状和数量的依赖问题，面激光的引入使得本方案能够应付复杂结构表面的形貌测量能力。
2)立足于双通道时序差分测量模型，白光形貌测量通道与面激光辅助测振通道测试数据空间上互不串扰，时间上同步变化，具有白光干涉三维形貌测量能力的同时，实现振动环境下的高精度动态测量。
3)面激光辅助通道注入的同时，最大程度保留了Mirau型共光路白光干涉结构的完整性，能够实现高倍率成像下的动态测量。
4)本装置复杂度低，抗振动能力强，测量速度快，实用性高。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为一个实施例中利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置光路结构示意图。
图2为主通道白光干涉条纹图。
图3为振动监控副通道干涉条纹图。
图4中的(a)至(d)为振动监控副通道四幅同步移相干涉子图。
图5中的(a)至(d)为振动监控副通道时序相邻两幅干涉图差分后的四幅同步移相干涉子图。
图6为是台阶中心点的真实时序扫描位置曲线图。
图7为最终复原的台阶形貌图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
在一个实施例中，结合图1，利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，该装置利用面激光照明和复合干涉参考配置构造振动测试通道，并通过多腔复合干涉条纹的时序差分、空间移相分析解算出每一帧的振动倾斜相位，与白光相位测试通道相结合，实现振动环境下多样化高端精密器件的高精度动态白光干涉测量。
所述装置包括：
白光照明单元28，用于产生形貌测量所需的白光；
面激光照明单元29，用于产生振动监控所需的面激光面；
白光测试单元30，用于产生参考白光和包含待测物件信息的测试光；
激光辅助单元31，用于产生辅助的参考激光；
白光干涉成像单元32，用于接收白光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像；
面激光干涉成像单元33，用于接收面激光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像。
进一步地，在其中一个实施例中，所述白光照明单元28，包括沿水平方向光轴依次设置的白光光源1、第一准直镜2、第一偏振片3、第一偏振分束镜4、二分之一波片9和汇聚镜组10；
所述面激光照明单元29，包括沿竖直方向光轴依次设置的激光光源5、旋转散射片6、第二准直镜7、第二偏振片8、第一偏振分束镜4，以及所述二分之一波片9和汇聚镜组10；
所述白光测试单元30，包括沿竖直方向光轴依次设置的第一四分之一波片12、移相器13、显微物镜14和待测件16；所述移相器13带动显微物镜14沿竖直光轴方向位移；
所述激光辅助单元31，包括沿水平方向光轴依次设置的第二四分之一波片17、准直物镜18和反射镜19；
所述白光干涉成像单元32，包括沿竖直方向光轴依次设置的成像物镜20、分束器21、第三偏振片22、第一滤光片23和探测器24；
所述面激光干涉成像单元33，包括所述成像物镜20、分束器21，以及沿水平方向光轴依次设置的第三四分之一波片25、第二滤光片26和偏振探测器27。
这里优选地，所述第一偏振片3的偏振方向为水平方向，第二偏振片8的偏振方向为竖直方向，白光照明单元28和面激光照明单元29分别发出偏振方向水平的p波和偏振方向竖直的s波，且白光照明单元28发出的光束光谱范围不包含面激光照明单元29的激光波长，二分之一波片9的快轴方向与s波方向成45°。
这里优选地，所述白光测试单元30和激光辅助单元31分别设置于第二偏振分束镜11的反射和透射光方向。
这里优选地，所述汇聚镜组10分别与显微物镜14、准直物镜18共焦；所述成像物镜20与显微物镜14共焦。
这里优选地，所述第一四分之一波片12、第二四分之一波片17的快轴方向与s波方向成45°。
这里优选地，所述第三偏振片22的偏振方向为水平方向，第一滤光片23为短波通，第三四分之一波片25的快轴方向与s波方向成45°，偏振探测器27能够获得每个采样时间的4幅移相量为π/2的干涉图。
这里优选地，所述探测器24和偏振探测器27均与待测件16物像共轭，且探测器24和偏振探测器27二者同步采集测试数据。
这里，本发明利用激光面光源进行振动辅助测量，解决传统动态白光干涉形貌测量对条纹形状和数量的依赖问题，面激光的引入使得本方案能够应付复杂结构表面的形貌测量能力；立足于双通道时序差分测量模型，白光形貌测量通道与面激光辅助测振通道测试数据空间上互不串扰，时间上同步变化，具有白光干涉三维形貌测量能力的同时，实现振动环境下的高精度动态测量；面激光辅助通道注入的同时，最大程度保留了Mirau型共光路白光干涉结构的完整性，能够实现高倍率成像下的动态测量。
在一个实施例中，提供了一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量方法，所述方法包括：
步骤1，白光光源1出射白光并经第一准直镜2、第一偏振片3和偏振分束镜4后，偏振态变为p方向，同时激光光源5出射激光经旋转散射片6后成为面激光并经过第二准直镜7、第二偏振片8，再经过偏振分束镜4后偏振态变为s方向，二分之一波片9将p波白光与s波激光的偏振法方向调整为与s波方向成45°，偏振态方向调整后的白光与激光同时被汇聚镜组10汇聚；
步骤2，汇聚后的p波白光和s波面激光光束均由第二偏振分束镜11分为两束，其中一束白光和激光进入白光测试单元30，其余光束进入激光辅助单元31；
步骤3，进入白光测试单元30的白光和面激光分别由显微物镜13的参考面15和测试件16反射，形成参考白光、测试白光和参考激光、测试激光，这四支反射光束透射过第二偏振分束镜11后进入白光干涉成像单元32和面激光干涉成像单元33；
步骤4，进入激光辅助单元31的白光和激光分别由反射镜19反射后，形成辅助激光和背景白光，这里两次经过四分之一波片17，辅助激光和背景白光由p波变为s波，之后辅助激光和背景白光由第二偏振分束镜11反射后进入白光干涉成像单元32和面激光干涉成像单元33；
步骤5，进入白光干涉成像单元32的参考激光、测试激光、辅助激光和背景白光被第三偏振片22和第一滤光片23滤除，其余参考白光和测试白光到达探测器24，形成主通道白光干涉条纹Iw；
步骤6，进入面激光干涉成像单元33的参考白光、测试白光和背景白光被第二滤光片26滤除，其余s波参考激光和s波测试激光被第三四分之一波片25改变为左旋圆偏振光，p波辅助激光被第三四分之一波片25改变为右旋圆偏振光；三束左、右旋圆偏振激光同时入射进偏振探测器27和探测器24，两者同步采集；三束光形成三组条纹，其中s波参考激光和s波测试激光形成无空间移相的干涉条纹Ib，该条纹作为背景强度；p波辅助激光分别和s波参考激光、s波测试激光形成两组空间移相条纹Ips1和Ips2，表达式为：
式中，Ips1(k)是p波辅助激光和s波参考激光形成的第k步的空间移相条纹强度，Ips2(t,k)是p波辅助激光和s波测试激光形成的t时刻第k步空间移相条纹强度，Aps1和Bps1为p波辅助激光和s波参考激光形成的空间移相条纹的背景光强和调制度，Aps2和Bps2为p波辅助激光和s波测试激光形成的空间移相条纹的背景光强和调制度，φr为p波辅助激光和s波参考激光相位差，φt为p波辅助激光和s波测试激光相位差，t为干涉图时序标记，P(t)为t时刻振动倾斜相位，k＝0，1，2，3为空间四步移相量；
则偏振探测器(27)和探测器(24)中每个偏振象限t时刻第k步的光强分布Iadd(t；k)为：
Iadd(t；k)＝Ib(t)+Ips1(k)+Ips2(t；k)；
步骤7，对采集的干涉条纹进行时序差分：
式中，ΔI(t+1；k)为t+1时刻第k步的差分强度图；
对上式进行空间四步解相获得相对振动倾斜相位ΔP；
步骤8，将所述相对振动倾斜相位ΔP与主通道白光干涉条纹Iw结合，利用非均匀白光解调算法即可获得最终待测件三维形貌。
作为一种具体示例，在其中一个实施例中，对本发明进行进一步验证说明。
主通道白光光源的光谱宽度为450nm-600nm，中心波长为530nm。副通道激光光源波长为632.8nm。显微物镜为Mirau形式，主通道成像相机规格为1920×1200像素，副通道偏振相机型号为FLIR公司的BFS-U3-51S5P-C，像素规格为2448×2048。所述装置及方法的具体测试流程为：
(1)打开主、副通道的白光及单色光照明光源，调整待测台阶面、白光干涉成像单元和面激光干涉成像单元的空间位置，使得样品能够清晰的成像在两通道的探测相机上。
(2)利用移相器驱动显微物镜进行纵向扫描，扫描步长为白光光源中心波长的1/8，使得白光条纹峰值能够遍历样品表面。在每步扫描完成时，同时触发主、副通道探测相机进行干涉光强信号采集。
(3)图2为主通道探测相机所采集的时序某一时刻的待测台阶面的白光条纹图，图3为同一时刻振动监控副通道偏振探测相机所采集的三光束混合干涉条纹Iadd(t,k)，图4为图3所拆分出的四幅移相量为π/2的同步移相干涉条纹图。对振动监控副通道的干涉图进行时序差分计算。
(4)图5为t+1时刻的时序差分后的四幅移相量为π/2的同步移相干涉条纹图ΔI(t+1,k)，对这四幅移相条纹幅进行移相干涉法解相，振动倾斜相位ΔP(t+1)＝atan(ΔI(t+1,4)-ΔI(t+1,2),ΔI(t+1,1)-ΔI(t+1,3))。图6即由计算出的台阶中心点真实时刻扫描位置ΔP(t)所绘制的曲线。
(5)将计算的真实扫描位置ΔP(t)与主通道白光干涉条纹相结合，利用如非均匀傅里叶白光解调算法即可获得最终待测台阶面三维形貌，如图7所示。
由上可知，本发明能实现多样化复杂结构微观形貌的动态白光干涉测量。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，该装置利用面激光照明和复合干涉参考配置构造振动测试通道，并通过多腔复合干涉条纹的时序差分、空间移相分析解算出每一帧的振动倾斜相位，与白光相位测试通道相结合，实现振动环境下多样化高端精密器件的高精度动态白光干涉测量。
2.根据权利要求1所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述装置包括：
白光照明单元(28)，用于产生形貌测量所需的白光；
面激光照明单元(29)，用于产生振动监控所需的面激光面；
白光测试单元(30)，用于产生参考白光和包含待测物件信息的测试光；
激光辅助单元(31)，用于产生辅助的参考激光；
白光干涉成像单元(32)，用于接收白光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像；
面激光干涉成像单元(33)，用于接收面激光干涉条纹信息，并对待测物体进行成像。
3.根据权利要求2所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述白光照明单元(28)，包括沿水平方向光轴依次设置的白光光源(1)、第一准直镜(2)、第一偏振片(3)、第一偏振分束镜(4)、二分之一波片(9)和汇聚镜组(10)；
所述面激光照明单元(29)，包括沿竖直方向光轴依次设置的激光光源(5)、旋转散射片(6)、第二准直镜(7)、第二偏振片(8)、第一偏振分束镜(4)，以及所述二分之一波片(9)和汇聚镜组(10)；
所述白光测试单元(30)，包括沿竖直方向光轴依次设置的第一四分之一波片(12)、移相器(13)、显微物镜(14)和待测件(16)；所述移相器(13)带动显微物镜(14)沿竖直光轴方向位移；
所述激光辅助单元(31)，包括沿水平方向光轴依次设置的第二四分之一波片(17)、准直物镜(18)和反射镜(19)；
所述白光干涉成像单元(32)，包括沿竖直方向光轴依次设置的成像物镜(20)、分束器(21)、第三偏振片(22)、第一滤光片(23)和探测器(24)；
所述面激光干涉成像单元(33)，包括所述成像物镜(20)、分束器(21)，以及沿水平方向光轴依次设置的第三四分之一波片(25)、第二滤光片(26)和偏振探测器(27)。
4.根据权利要求3所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述第一偏振片(3)的偏振方向为水平方向，第二偏振片(8)的偏振方向为竖直方向，白光照明单元(28)和面激光照明单元(29)分别发出偏振方向水平的p波和偏振方向竖直的s波，且白光照明单元(28)发出的光束光谱范围不包含面激光照明单元(29)的激光波长，二分之一波片(9)的快轴方向与s波方向成45°。
5.根据权利要求2所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述白光测试单元(30)和激光辅助单元(31)分别设置于第二偏振分束镜(11)的反射和透射光方向。
6.根据权利要求2所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述汇聚镜组(10)分别与显微物镜(14)、准直物镜(18)共焦；所述成像物镜(20)与显微物镜(14)共焦。
7.根据权利要求3所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述第一四分之一波片(12)、第二四分之一波片(17)的快轴方向与s波方向成45°。
8.根据权利要求2所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述第三偏振片(22)的偏振方向为水平方向，第一滤光片(23)为短波通，第三四分之一波片(25)的快轴方向与s波方向成45°，偏振探测器(27)能够获得每个采样时间的4幅移相量为π/2的干涉图。
9.根据权利要求1所述的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置，其特征在于，所述探测器(24)和偏振探测器(27)均与待测件(16)物像共轭，且探测器(24)和偏振探测器(27)二者同步采集测试数据。
10.基于权利要求1至9任意一项所述装置的利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1，白光光源(1)出射白光并经第一准直镜(2)、第一偏振片(3)和偏振分束镜(4)后，偏振态变为p方向，同时激光光源(5)出射激光经旋转散射片(6)后成为面激光并经过第二准直镜(7)、第二偏振片(8)，再经过偏振分束镜(4)后偏振态变为s方向，二分之一波片(9)将p波白光与s波激光的偏振法方向调整为与s波方向成45°，偏振态方向调整后的白光与激光同时被汇聚镜组(10)汇聚；
步骤2，汇聚后的p波白光和s波面激光光束均由第二偏振分束镜(11)分为两束，其中一束白光和激光进入白光测试单元(30)，其余光束进入激光辅助单元(31)；
步骤3，进入白光测试单元(30)的白光和面激光分别由显微物镜(13)的参考面(15)和测试件(16)反射，形成参考白光、测试白光和参考激光、测试激光，这四支反射光束透射过第二偏振分束镜(11)后进入白光干涉成像单元(32)和面激光干涉成像单元(33)；
步骤4，进入激光辅助单元(31)的白光和激光分别由反射镜(19)反射后，形成辅助激光和背景白光，这里两次经过四分之一波片(17)，辅助激光和背景白光由p波变为s波，之后辅助激光和背景白光由第二偏振分束镜(11)反射后进入白光干涉成像单元(32)和面激光干涉成像单元(33)；
步骤5，进入白光干涉成像单元(32)的参考激光、测试激光、辅助激光和背景白光被第三偏振片(22)和第一滤光片(23)滤除，其余参考白光和测试白光到达探测器(24)，形成主通道白光干涉条纹Iw；
步骤6，进入面激光干涉成像单元(33)的参考白光、测试白光和背景白光被第二滤光片(26)滤除，其余s波参考激光和s波测试激光被第三四分之一波片(25)改变为左旋圆偏振光，p波辅助激光被第三四分之一波片(25)改变为右旋圆偏振光；三束左、右旋圆偏振激光同时入射进偏振探测器(27)和探测器(24)，两者同步采集；三束光形成三组条纹，其中s波参考激光和s波测试激光形成无空间移相的干涉条纹Ib，该条纹作为背景强度；p波辅助激光分别和s波参考激光、s波测试激光形成两组空间移相条纹Ips1和Ips2，表达式为：
式中，Ips1(k)是p波辅助激光和s波参考激光形成的第k步的空间移相条纹强度，Ips2(t,k)是p波辅助激光和s波测试激光形成的t时刻第k步空间移相条纹强度，Aps1和Bps1为p波辅助激光和s波参考激光形成的空间移相条纹的背景光强和调制度，Aps2和Bps2为p波辅助激光和s波测试激光形成的空间移相条纹的背景光强和调制度，φr为p波辅助激光和s波参考激光相位差，φt为p波辅助激光和s波测试激光相位差，t为干涉图时序标记，P(t)为t时刻振动倾斜相位，k＝0，1，2，3为空间四步移相量；
则偏振探测器(27)和探测器(24)中每个偏振象限t时刻第k步的光强分布Iadd(t；k)为：
Iadd(t；k)＝Ib(t)+Ips1(k)+Ips2(t；k)；
步骤7，对采集的干涉条纹进行时序差分：
式中，ΔI(t+1；k)为t+1时刻第k步的差分强度图；
对上式进行空间四步解相获得相对振动倾斜相位ΔP；
步骤8，将所述相对振动倾斜相位ΔP与主通道白光干涉条纹Iw结合，利用非均匀白光解调算法即可获得最终待测件三维形貌。
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| CN202410083358.9A CN118129635A (zh) | 2024-01-19 | 2024-01-19 | 利用面激光的双通道时序差分动态白光干涉测量装置及方法 |
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