全视场外差短相干形貌测量技术

发布时间：2021-08-18 02:01

　　针对工业检测中对微米量级测量精度、秒级测量时间的检测需求,提出了全视场外差短相干形貌测量方案。本方案采用短相干光源,实现大步长测量,节约扫描时间;采用全视场外差技术,实现干涉轮廓的快速反演,在抑制振动、直流噪声对测量精度影响的同时,提高数据反演的效率。搭建了实验验证系统,对测量时间和测量精度进行了实验验证,结果表明,系统的探测时长小于10s,测量精度优于2μm。后续经进一步优化设计,探测时间可小于5s,探测精度优于微米量级。该方案具有测量速度较快和测量精度较高等优势,在对效率要求较高的工业检测领域具有一定的应用前景。 

【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(04)北大核心EICSCD

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

白光干涉测量原理

短相干光源测量原理与白光干涉测量原理基本相同，图2给出了短相干光源与白光光源大步长采样的干涉曲线（彩图见期刊电子版）。红色为短相干光源对应的干涉曲线，蓝色为白光光源对应的干涉曲线，采样步长为1μm。从图中可以看出，在光源能量相同的情况下，白光干涉对比度比短相干干涉对比度高，但短相干光源的干涉区域较宽，在欠采样情况下，短相干光源零光程的定位精度相对较高。因此在测量精度要求不高，对测量效率要求较高的领域，可以采用短相干光源干涉测量技术。与白光光源干涉测量数据的反演算法相同，短相干光源干涉测量可以直接采用白光干涉测量的权重法或傅里叶变换法。其中，权重法简单高效，但精度较差。傅里叶变换法精度较高，但计算量较大、数据反演效率低，难以满足较高的实时性要求。本文提出采用双频短相干光源的测量方案，能够高效率获取干涉曲线的轮廓，再采用权重法定位零光程差位置。在保证测量精度的同时，有效减小数据的分析时间，提高测量效率。

全视场外差短相干测量技术是一种利用短相干光特性进行精密位置测量的技术，该技术通过外差调制和解调获取短相干光干涉的轮廓曲线，提高数据反演效率。图3为全视场外差短相干测量的原理图，该系统由双频短相干光源模块和干涉测量模块组成。双频短相干光源主要由短相干光源、声光移频器、偏振分光棱镜、角锥和光纤耦合镜等组成。短相干光源发出的光束经偏振分光棱镜分成相互垂直的两束激光，两束激光分别经过声光移频器移频后，再经过角锥和偏振分光棱镜合束，最后耦合到单模保偏光纤中。两束激光的光程差相等，两个移频器的频率差为Δf。最终形成偏振方向相互垂直的双频短相干光源，作为测量系统的光源。干涉测量模块采用偏振分光的Linnik干涉仪结构，振动方向正交的双频短相干光源经光纤头出射进入干涉模块。探测光束由偏振分光镜3透射，再经1/4波片、透镜照射到被测面，经被测面反射后，再经1/4波片、偏振分光棱镜3和偏振片进入探测器。参考光经偏振分光棱镜3反射，照射到参考面上，再经参考面反射回探测器。面阵探测器获取探测光束和参考光束的干涉图。两束光经过的光程完全对称，当测量面的高度与参考面的高度相等时，两束光的初始相位相等，形成零光程干涉位置。当测量面高度与参考面高度存在高度差h时，通过载物台的运动配合数据反演算法，能够对零光程差位置进行定位，从而得到物体的高度。其测量的基本原理与传统白光干涉测量相同，不考虑两束光存在频差时，探测器得到的干涉强度为：

【参考文献】：
期刊论文
[1]相移干涉测量中相移误差的自修正[J]. 赵智亮,夏伯才,陈立华,张志华,郑万国.  光学精密工程. 2013(05)
[2]白光干涉零光程差位置的五步测量法[J]. 孙杰,刘铁根,张以谟,江俊峰.  光电子·激光. 2003(12)

博士论文
[1]超精密加工高反射曲面光学非接触三维形貌测量[D]. 李绍辉.天津大学 2012
[2]基于白光干涉的表面形貌接触和非接触两用测量系统的研究[D]. 郧建平.华中科技大学 2008
[3]基于白光干涉轮廓尺寸与形貌非接触测量方法和系统[D]. 常素萍.华中科技大学 2007
[4]基于垂直扫描工作台的白光干涉表面形貌测量系统研究[D]. 戴蓉.华中科技大学 2007



本文编号：3348965