針對工業(yè)檢測中對微米量級測量精度、秒級測量時間的檢測需求,提出了全視場外差短相干形貌測量方案。本方案采用短相干光源,實現(xiàn)大步長測量,節(jié)約掃描時間;采用全視場外差技術(shù),實現(xiàn)干涉輪廓的快速反演,在抑制振動、直流噪聲對測量精度影響的同時,提高數(shù)據(jù)反演的效率。搭建了實驗驗證系統(tǒng),對測量時間和測量精度進行了實驗驗證,結(jié)果表明,系統(tǒng)的探測時長小于10s,測量精度優(yōu)于2μm。后續(xù)經(jīng)進一步優(yōu)化設(shè)計,探測時間可小于5s,探測精度優(yōu)于微米量級。該方案具有測量速度較快和測量精度較高等優(yōu)勢,在對效率要求較高的工業(yè)檢測領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用前景。 

【文章來源】：光學(xué)精密工程. 2020,28(04)北大核心EICSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

白光干涉測量原理

短相干光源測量原理與白光干涉測量原理基本相同，圖2給出了短相干光源與白光光源大步長采樣的干涉曲線（彩圖見期刊電子版）。紅色為短相干光源對應(yīng)的干涉曲線，藍色為白光光源對應(yīng)的干涉曲線，采樣步長為1μm。從圖中可以看出，在光源能量相同的情況下，白光干涉對比度比短相干干涉對比度高，但短相干光源的干涉區(qū)域較寬，在欠采樣情況下，短相干光源零光程的定位精度相對較高。因此在測量精度要求不高，對測量效率要求較高的領(lǐng)域，可以采用短相干光源干涉測量技術(shù)。與白光光源干涉測量數(shù)據(jù)的反演算法相同，短相干光源干涉測量可以直接采用白光干涉測量的權(quán)重法或傅里葉變換法。其中，權(quán)重法簡單高效，但精度較差。傅里葉變換法精度較高，但計算量較大、數(shù)據(jù)反演效率低，難以滿足較高的實時性要求。本文提出采用雙頻短相干光源的測量方案，能夠高效率獲取干涉曲線的輪廓，再采用權(quán)重法定位零光程差位置。在保證測量精度的同時，有效減小數(shù)據(jù)的分析時間，提高測量效率。

全視場外差短相干測量技術(shù)是一種利用短相干光特性進行精密位置測量的技術(shù)，該技術(shù)通過外差調(diào)制和解調(diào)獲取短相干光干涉的輪廓曲線，提高數(shù)據(jù)反演效率。圖3為全視場外差短相干測量的原理圖，該系統(tǒng)由雙頻短相干光源模塊和干涉測量模塊組成。雙頻短相干光源主要由短相干光源、聲光移頻器、偏振分光棱鏡、角錐和光纖耦合鏡等組成。短相干光源發(fā)出的光束經(jīng)偏振分光棱鏡分成相互垂直的兩束激光，兩束激光分別經(jīng)過聲光移頻器移頻后，再經(jīng)過角錐和偏振分光棱鏡合束，最后耦合到單模保偏光纖中。兩束激光的光程差相等，兩個移頻器的頻率差為Δf。最終形成偏振方向相互垂直的雙頻短相干光源，作為測量系統(tǒng)的光源。干涉測量模塊采用偏振分光的Linnik干涉儀結(jié)構(gòu)，振動方向正交的雙頻短相干光源經(jīng)光纖頭出射進入干涉模塊。探測光束由偏振分光鏡3透射，再經(jīng)1/4波片、透鏡照射到被測面，經(jīng)被測面反射后，再經(jīng)1/4波片、偏振分光棱鏡3和偏振片進入探測器。參考光經(jīng)偏振分光棱鏡3反射，照射到參考面上，再經(jīng)參考面反射回探測器。面陣探測器獲取探測光束和參考光束的干涉圖。兩束光經(jīng)過的光程完全對稱，當(dāng)測量面的高度與參考面的高度相等時，兩束光的初始相位相等，形成零光程干涉位置。當(dāng)測量面高度與參考面高度存在高度差h時，通過載物臺的運動配合數(shù)據(jù)反演算法，能夠?qū)α愎獬滩钗恢眠M行定位，從而得到物體的高度。其測量的基本原理與傳統(tǒng)白光干涉測量相同，不考慮兩束光存在頻差時，探測器得到的干涉強度為：

【參考文獻】：
期刊論文
[1]相移干涉測量中相移誤差的自修正[J]. 趙智亮,夏伯才,陳立華,張志華,鄭萬國.  光學(xué)精密工程. 2013(05)
[2]白光干涉零光程差位置的五步測量法[J]. 孫杰,劉鐵根,張以謨,江俊峰.  光電子·激光. 2003(12)

博士論文
[1]超精密加工高反射曲面光學(xué)非接觸三維形貌測量[D]. 李紹輝.天津大學(xué) 2012
[2]基于白光干涉的表面形貌接觸和非接觸兩用測量系統(tǒng)的研究[D]. 鄖建平.華中科技大學(xué) 2008
[3]基于白光干涉輪廓尺寸與形貌非接觸測量方法和系統(tǒng)[D]. 常素萍.華中科技大學(xué) 2007
[4]基于垂直掃描工作臺的白光干涉表面形貌測量系統(tǒng)研究[D]. 戴蓉.華中科技大學(xué) 2007



本文編號：3348965