CN202974203U - 一种用于测量物体表面形貌的系统 - Google Patents
一种用于测量物体表面形貌的系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN202974203U CN202974203U CN 201220598684 CN201220598684U CN202974203U CN 202974203 U CN202974203 U CN 202974203U CN 201220598684 CN201220598684 CN 201220598684 CN 201220598684 U CN201220598684 U CN 201220598684U CN 202974203 U CN202974203 U CN 202974203U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- comb
- light beam
- partially
- optical
- semi
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本实用新型公开了一种用于测量物体表面形貌的系统，包括发射端光梳（1）、光学色散元件（2）、显微物镜（3）、二维纳米移动平台（4）、二维精密纳米移动电机（5）、本地振荡光梳（6）、光电探测器（7）、半透半反镜（8），所述发射端光梳（1）产生探测光束依次射向光学色散元件（2）、半透半反镜（8）、显微物镜（3）和放置在二维纳米移动平台（4）上的被测物体，所述探测光束经被测物体反射，沿原光路返回再射向半透半反镜（8），半透半反镜（8）将反射回来的探测光束反射射向光电探测器（7），所述本地振荡光梳（6）用于产生参考光束，所述参考光束经过半透半反镜（8）与反射回来的探测光束一起射向光电探测器（7）。该系统采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像测量，结合了双光梳拍频探测技术和空间啁啾技术，将空间位置信息测量转换为对探测光频谱可分辨测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测；采用双光梳及纳米移动平台对被测物体扫描，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。
Description
【技术领域】
本实用新型涉及激光光学成像技术，尤其涉及一种新型的非接触式测量物体表面形貌的系统。
【背景技术】
针对激光无损切割、激光表面喷涂、激光表面毛化与抛光、特种合金焊接等新兴技术的检测和评估，图像分析、数据处理等技术的要求不断提高，材料表面形貌的检测技术也发生了根本性的变化。不但从最初的二维轮廓界面的测量评定发展到定量化三维表面形貌的测量评定，而且从传统的对平面表面形貌的测量评定，发展到对曲面表面形貌的测量评定。然而,大多数传统形貌测量仪器由于本身在设计方案上的局限性，无法兼顾时间分辨率和空间分辨率。高分辨、快响应的显微成像检测技术亟待发展。目前国内外适用于材料表面形貌成像测量的仪器多数采用的是接触式测量方式，利用探针或是探珠直接接触物体表面，获取其表面凹凸形貌信息。这类触针式测量仪的好处在于其成像直观可靠、操作简单、通用性强，但被测表面易被触针划伤而使测量数据失真，触针磨损也会引起横向分辨率降低从而导致测量结果不准确；同时，受触针尖端圆弧半径的影响，触针难以测出高质量表面的实际轮廓谷底，从而降低了测量精度。通常这种接触式形貌测量仪的精度在1微米量级。另外，现行的表面形貌测量装置还有扫描显微镜测量仪，该装置通过计算机图像监视器或CRT显示控制器观测被测表面图像，其分辨率较高，但是测量范围小，使用范围限于原子级或纳米级表面的测量，测量条件较苛刻。
本实用新型即针对上述问题研究而提出。
【实用新型内容】
本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于测量物体表面形貌的系统，该系统采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。
为解决上述技术问题，本实用新型一种用于测量物体表面形貌的系统，采用如下方案：
本实用新型一种用于测量物体表面形貌的系统，包括发射端光梳、光学色散元件、显微物镜、二维纳米移动平台、二维精密纳米移动电机、本地振荡光梳、光电探测器、半透半反镜，所述发射端光梳产生探测光束依次射向光学色散元件、半透半反镜、显微物镜和放置在二维纳米移动平台上的被测物体，所述探测光束经被测物体反射，沿原光路返回再射向半透半反镜，半透半反镜将反射回来的探测光束反射射向光电探测器，所述本地振荡光梳用于产生参考光束，所述参考光束经过半透半反镜与反射回来的探测光束一起射向光电探测器。
所述发射端光梳和本地振荡光梳的光源为飞秒激光光梳光源。
所述光学色散元件为一对相互平行的光栅。
所述二维精密纳米移动电机输出端与二维纳米移动平台连接，所述二维精密纳米移动电机驱动二维纳米移动平台移动，对被测物体进行扫描。
发射端光梳与本地振荡光梳分别产生的探测光束和参考光束，最终同时射向光电探测器，即对探测光束和参考光束进行双光梳拍频探测技术处理，对探测光束和参考光束相干外差拍频测量，探测光束和参考光束存在一个微小的重复频率差Δf，发射端光梳与本地振荡光梳的拍频信号根据彼此两个系列的光梳齿的几何加减关系，以Δf的频率差分布在射频波段。
发射端光梳产生的探测光束，先射向光学色散元件，即对探测光束进行空间啁啾技术处理，利用在光学色散元件空间色散作用下，不同频率的光波按波长长短依次均匀分布在光斑的不同位置。
参考光束与经过空间啁啾的探测光束进行双光梳频谱标识探测，即将其拍频信号用于频谱标识，测定被测物体表面形貌位置对应的表面凹凸平整度。
发射端光梳与本地振荡光梳采用具备脉冲重复频率和脉冲载波包络相位的精确锁定的成像探测光源。所述发射端光梳与本地振荡光梳采用飞秒激光光梳光源，其具有良好的空间相干性和方向性，可直接无接触式、无损伤被测物体表面，同时光梳光源频率不确定度小，可以确保测量的准确度和精度。
经过空间啁啾技术处理的探测光束聚焦于被测物体表面，光斑在被测物体表面的照射区被探测光束中不同频率的光成分所标记，即为频谱标识；通过测量不同频率的光场信息，即可得到该频率对应的空间位置的被测物体表面凸凹平整度。事实上，频谱标识是将光束的强度-频率关系I(ω)对应于强度-空间坐标关系I(X)，其中ω为光频率，X为某一光频率成分在X方向的坐标；频谱标识的空间分辨精度取决于探测光束可分辨的频率精度。
本实用新型一种用于测量物体表面形貌的系统，该系统采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像测量，利用双光梳拍频探测技术和空间啁啾技术，将空间位置信息测量转换为对探测光频谱可分辨测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测；采用双光梳及纳米移动平台对被测物体扫描，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。
【附图说明】
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明，其中：
图1为本实用新型的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图对本实用新型的实施方式作详细说明。
本实用新型一种用于测量物体表面形貌的系统进行测量时，首先对发射端光梳1和本地振荡端光梳6的载波包络相位和重复频率同时精密锁定。让其具有一个微小重复频率差量Δf，并同时锁定在同一个频率标准上，保证发射端光梳1和本地振荡端光梳6之间有最小的相对频率抖动。
然后，利用空间啁啾技术，使探测光束通过光学色散元件2，所述光学色散元件2为一对相互平行的光栅，在光栅空间色散的作用下，使不同频率的光波会按照波长长短依次均匀分布在光斑的不同位置，最终使探测光束具有空间啁啾分布特性。
接着，利用频谱标识技术，将探测光束经显微物镜3聚焦于被测物体表面，此时探测光斑在物体表面的照射区被探测光束中不同频率的光成分所标记；同时，探测光束再通过同一显微物镜3收集沿原光路返回，利用参考光束与经半透半反镜8反射的探测光束在光电探测器7上进行拍频探测。拍频频率就是参考光束与探测光束经半透半反镜8反射的反射光束的光学频率差。由于发射端光梳1与本地振荡光梳6的重复频率不同，且含有多个频率成分，所以拍频频谱会出现一系列的拍频信号，每一台信号之间的频率间隔就是发射端光梳1与本地振荡光梳6的重复频率差。通过依次比对参考光束与探测光束，及未经过被测物体表面的探测光束产生的对应拍频信号之间的强度变化，即可以确定光斑区域内每一个频率标识的空间位置的凹凸信息。
最后，启动二维精密纳米移动电机5带动纳米移动平台4及被测物体移动，逐次在XY空间内扫描被测物体表面，即可得到被测物体表面形貌特征图像信息。
对用于产生探测光束的发射端光梳1的飞秒激光光梳光源应满足：
（1）重复频率fr精确锁定。
（2）载波包络相位零频f0精确锁定。
（3）飞秒激光光梳光源重复频率fr1=100.000132MHz，锁定精度Δfr1<1mHz；载波包络相位零频f01=20MHz，锁定精度Δf01<10mHz；激光器的中心波长λ=1031nm，光谱宽度为Δλ=10nm，即包含纵模频率的个数约为N=c·(Δλ/λ2)/fr=7×104，其中c为真空光速。
对于产生参考光束的本地振荡光梳6的飞秒激光光梳光源应满足：
（1）飞秒激光光梳光源的重复频率fr和载波包络相位零频f0同时被精确锁定。
（2）重复频率fr2=100.005303MHz，重复频率抖动小于1mHz；载波包络相位零频f02=f01=20MHz，锁定精度为Δf02<10mHz，中心波长1031nm，光谱宽度为Δλ=10nm。
对空间频率啁啾技术处理时，探测光束以光栅一级衍射光最强时的角度射入一个平行放置的光栅对，其出射光束在光栅色散作用下出现空间-波长，即空间-频率分布，光斑的最左端为长波，最右端为短波，两端中间按波长从长到短依次分布。探测光束含纵模个数为7×104个，所以光斑被空间分割成了原光斑大小的7×104分之一。在本实施例中原光斑的直径为10mm，在此情况下，每一个光频率对应的小光斑的直径约为10mm/(7×104)=140nm。
对双光梳频谱标识别的实现，应满足：
（1）探测光束照在被测物体表面后的反射光束与参考光束经过半透半反镜8在光电探测器7上满足空间重合，之后产生拍频信号。
（2）在频谱0～2·fr1的范围内，拍频信号的频率间隔为发射端光梳1与本地振荡光梳6彼此对应的纵模频率差，即为∑(n·fr2+f0)-∑(n·fr1+f0)=∑n·(fr2-fr1)=∑n·Δfr，其中n为正整数，Δfr=5.171kHz为两个光梳的重复频率差。
（3）拍频信号的每一根频率齿代表了被测物体表面的一个位置坐标，这个位置坐标上的凹凸程度ΔZ将会引起探测光束与参考光梳之间的相位差Δφ，即Δφ=(ΔZ/λ)·(2π)。相位差Δφ会引起拍频信号的振幅变化ΔE，即ΔE=E1·E2·exp(Δφ)，其中E1和E2分别为探测光束和参考光束的振幅。所以，通过测量拍频信号的强度变化即可获得被测物体表面某一位置坐标上的凹凸情况。
（4）利用带宽小于5.171kHz，中心频率可调的电路滤波器，在频率上扫描探测到的拍频信号，依次读取频率为Δfr，2Δfr，3Δfr，…，nΔfr，的频谱强度，即可获得被测物体表面对应位置的凹凸情况。
本实用新型一种用于测量物体表面形貌的系统，发射端光梳1产生探测光束，并射向平行光栅，探测光束经平行光栅反射后穿透射过半透半反镜8射向显微物镜3，探测光束经显微物镜3聚焦后射向放置在二维纳米移动平台4上的被测物体；所述射向被测物体的探测光束沿原光路返回，探测光束经过显微物镜3后平行射向半透半反镜8，半透半反镜8将探测光束反射射向光电探测器7；与此同时，所述本地振荡光梳6产生参考光束，参考光束穿透半透半反镜8也射向光电探测器7对被测物体表面形貌进行探测。
Claims (4)
1.一种用于测量物体表面形貌的系统，其特征在于包括发射端光梳（1）、光学色散元件（2）、显微物镜（3）、二维纳米移动平台（4）、二维精密纳米移动电机（5）、本地振荡光梳（6）、光电探测器（7）、半透半反镜（8），所述发射端光梳（1）产生探测光束依次射向光学色散元件（2）、半透半反镜（8）、显微物镜（3）和放置在二维纳米移动平台（4）上的被测物体，所述探测光束经被测物体反射，沿原光路返回再射向半透半反镜（8），半透半反镜（8）将反射回来的探测光束反射射向光电探测器（7），所述本地振荡光梳（6）用于产生参考光束，所述参考光束经过半透半反镜（8）与反射回来的探测光束一起射向光电探测器（7）。
2.按权利要求1所述一种用于测量物体表面形貌的系统，所述发射端光梳（1）和本地振荡光梳（6）的光源为飞秒激光光梳光源。
3.按权利要求1所述一种用于测量物体表面形貌的系统，其特征在于所述光学色散元件（2）为一对相互平行的光栅。
4.按权利要求1所述一种用于测量物体表面形貌的系统，其特征在于所述二维精密纳米移动电机（5）输出端与二维纳米移动平台（4）连接，所述二维精密纳米移动电机（5）驱动二维纳米移动平台（4）移动。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201220598684 CN202974203U (zh) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | 一种用于测量物体表面形貌的系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN 201220598684 CN202974203U (zh) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | 一种用于测量物体表面形貌的系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN202974203U true CN202974203U (zh) | 2013-06-05 |
Family
ID=48515264
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN 201220598684 Expired - Lifetime CN202974203U (zh) | 2012-11-14 | 2012-11-14 | 一种用于测量物体表面形貌的系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN202974203U (zh) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105548036A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-05-04 | 上海理工大学 | 一种自适应双光梳光谱系统 |
| CN107309549A (zh) * | 2016-11-11 | 2017-11-03 | 熊云峰 | 精密加工 |
| CN110998295A (zh) * | 2017-08-09 | 2020-04-10 | 国立研究开发法人科学技术振兴机构 | 测量装置及照射装置 |
| CN111397542A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-07-10 | 天地科技股份有限公司 | 一种基于弱反射光栅的刮板输送机直线度监测系统与方法 |
-
2012
- 2012-11-14 CN CN 201220598684 patent/CN202974203U/zh not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105548036A (zh) * | 2015-12-08 | 2016-05-04 | 上海理工大学 | 一种自适应双光梳光谱系统 |
| CN105548036B (zh) * | 2015-12-08 | 2018-04-06 | 上海理工大学 | 一种自适应双光梳光谱系统 |
| CN107309549A (zh) * | 2016-11-11 | 2017-11-03 | 熊云峰 | 精密加工 |
| CN110998295A (zh) * | 2017-08-09 | 2020-04-10 | 国立研究开发法人科学技术振兴机构 | 测量装置及照射装置 |
| EP3667298A4 (en) * | 2017-08-09 | 2021-05-12 | Japan Science and Technology Agency | MEASURING DEVICE AND IRRADIATION DEVICE |
| CN110998295B (zh) * | 2017-08-09 | 2022-09-16 | 国立研究开发法人科学技术振兴机构 | 测量装置及照射装置 |
| CN111397542A (zh) * | 2020-03-09 | 2020-07-10 | 天地科技股份有限公司 | 一种基于弱反射光栅的刮板输送机直线度监测系统与方法 |
| CN111397542B (zh) * | 2020-03-09 | 2021-07-06 | 天地科技股份有限公司 | 一种基于弱反射光栅的刮板输送机直线度监测系统与方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102967274A (zh) | 一种测量物体表面形貌的方法 | |
| EP1273903B9 (en) | Optical interference tomographic image observing apparatus | |
| CN102944312B (zh) | 一种测量部分相干涡旋光束拓扑荷数的方法 | |
| CN109115804A (zh) | 一种定量检测玻璃亚表面缺陷的装置及方法 | |
| CN202974203U (zh) | 一种用于测量物体表面形貌的系统 | |
| CN103175837B (zh) | 一种检测基质内缺陷的方法及装置 | |
| JP2009523040A (ja) | １以上のスペクトルを符号化する内視鏡技術によるデータ生成システム及び方法 | |
| CN109341574A (zh) | 一种基于结构光的微纳结构三维形貌高速检测方法 | |
| CN210036591U (zh) | 一种基于频域oct技术的三维彩色动态成像装置 | |
| CN104567674A (zh) | 双边拟合共焦测量方法 | |
| CN110376596A (zh) | 一种物体表面三维坐标测量系统以及测量方法 | |
| CN110160440A (zh) | 一种基于频域oct技术的三维彩色动态成像装置及方法 | |
| CN109807471A (zh) | 一种激光打标装置及方法 | |
| JP6576542B2 (ja) | 立体形状計測装置、立体形状計測プローブ | |
| CN102135413A (zh) | 一种基于相位涡旋的数字散斑相关测量方法 | |
| CN109965838A (zh) | 一种基于光学相干法追踪眼球运动的装置及方法 | |
| CN103115583B (zh) | 基于受激辐射的Mirau荧光干涉显微测量装置 | |
| CN109187493A (zh) | 分光瞳共焦Raman-LIBS光谱探测的飞秒激光加工监测方法与装置 | |
| CN109883350A (zh) | 一种异形曲面结构内部形貌的高精度测量系统和测量方法 | |
| CN109187491A (zh) | 后置分光瞳差动共焦拉曼、libs光谱显微成像方法与装置 | |
| CN109187492A (zh) | 分光瞳差动共焦Raman-LIBS光谱探测的飞秒激光加工监测方法 | |
| US11092427B2 (en) | Metrology and profilometry using light field generator | |
| JP2012002619A (ja) | レーザー干渉バンプ測定器 | |
| CN208520339U (zh) | 无需轴向扫描的表面三维形貌检测装置 | |
| CN106198729A (zh) | 一种声板波自聚焦光干涉扫描探测系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: 528400 torch 28 Yuquanlu Road, Zhongshan, Guangdong Patentee after: GUANGDONG HUAKUAI PHOTON TECHNOLOGY CO.,LTD. Address before: 528400 No. 6 Xiang Xing Road, Torch Development Zone, Guangdong, Zhongshan Patentee before: Guangdong Hantang Quantum Optoelectronics Technology Co.,Ltd. |
|
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20130605 |