CN105333816A - 一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，属于光学测量领域。所述系统由宽带光源，隔离器，光纤及光纤接头，球面及柱面透镜，分光镜，直角棱镜，光阑，光栅，反射镜，面阵探测器，光电探测器，法布里-珀罗滤波器，压电陶瓷，信号处理，反馈控制，数据采集卡，计算机，平移台及平移台驱动，结果输出等组成。光栅将宽带光谱色散成波长在横向连续分布的光片，经扩束垂直入射到被测表面进行全场测量；利用两种波长测量具有高度差大于半波长的台阶及大深宽比沟槽的表面；利用法布里-珀罗滤波器实现超横向分辨率测量；反馈控制补偿环境干扰使系统适合在线测量，测量结果准确溯源到波长基准，不受光源光谱漂移影响。

Description

一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统

技术领域

本发明涉及光学测量领域，尤其是涉及一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统。

背景技术

现有的与此技术相接近的文献有以下两个：

[1]D.P.Hand,T.A.Carolan,J.S.Barton,andJ.D.C.Jones.“Profilemeasurementofopticallyroughsurfacesbyfiber-opticinterferometry”,Opt.Lett.,Vol.18,No.16,1993,P.1361-1363.(OpticsLetters(光学快报),第18卷,第16期,P.1361-1363)

文献[1]的技术原理如图1所示。

半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤3dB耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\π}\mathrm{\ν}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1,2,3,4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，ν是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]DejiaoLin,XiangqianJiang,FangXie,WeiZhang,LinZhangandIanBennion.“Highstabilitymultiplexedfibreinterferometeranditsapplicationonabsolutedisplacementmeasurementandon-linesurfacemetrology”，OpticsExpress,Vol.12,Issue23,2004,P.5729-5734.(OpticsExpress(光学特快),2004年,第12卷,第23期,P.5729-5734)

文献[2]的技术原理图如图2所示。

此系统包含两个光路几乎重合的迈克尔逊干涉仪。一个迈克尔逊干涉仪是利用测量臂上的光纤光栅和参考镜作为反射镜构成，用于完成稳定工作；另一个迈克尔逊干涉仪是利用测量镜和参考镜作为反射镜构成，用于完成测量工作。因为两个干涉仪的参考臂共用一个反射镜，两个干涉仪的参考臂光路完全重合，又由于两个干涉仪的测量臂几乎重合，所以，一个干涉仪稳定了，另一个干涉仪也就稳定了。

由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过环行器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过环行器，然后被探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过环行器及光纤光栅后，被探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1、是光点扫描被测表面进行表面三维测量，光点需要进行二维扫描才能完成表面三维测量，扫描机构复杂，测量速度慢。

2、测量的横向分辨率决定于光斑直径，光斑直径受衍射极限的限制，因此，横向分辨率决定于衍射极限，难以得到高横向分辨率的测量结果。

3、不能对有高度差大于半波长的台阶以及有大深宽比的沟槽的表面进行测量。

发明内容

本发明利用衍射光栅色散宽带光谱形成的波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的光片，将此光片扩束成平行光束垂直入射到被测表面上，对被测表面进行全场测量，一次定位完成表面三维测量，无需扫描，测量速度快；利用两种不同的波长分别对被测表面上同一个被测点进行测量，通过调谐这两个波长的差值可得不同大小的合成波波长，使系统能够对高度差达毫米量级的台阶以及深宽比大于50的沟槽的不连续表面进行三维快速测量；利用可调谐Fabry-Perot滤波器实现光线长度方向超横向分辨率；利用反馈控制系统补偿环境干扰对测量系统的影响，以提高测量系统抗干扰能力，使之适合在线测量；衍射光栅色散宽带光谱形成波长在横向连续分布且各种波长位置固定的光片，使测量结果能精确溯源到波长基准，光源光谱的漂移对测量结果没有影响。

本发明是通过以下技术方案实现的。

一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，由宽带光源X1，隔离器B1,光纤F，光纤连接头C,球面凸透镜L1、L2、L3，柱面凸透镜L4、L5、L6、L7，分光镜S1、S2、S3、S4，直角棱镜R1、R2、R3；光阑D1、D2，挡光屏P,衍射光栅G,平面反射镜M，平移台T1、T2,光电探测器PD1，面阵探测器PD2,可调谐Fabro-Perot滤波器X2,压电陶瓷PZT，数据采集卡B2,信号处理电路B3,反馈控制电路B4,计算机B5,结果输出B6，平移台驱动B7组成。

宽带光源X1发出的光经过隔离器B1以及光纤F后，由光纤连接头C输出，经过球面凸透镜L1准直形成的平行光束经过球面凸透镜L2后，被聚焦在球面凸透镜L2的后焦点处，经过位于L2后焦点的圆孔光阑D1，再经过球面凸透镜L3准直形成的平行光束入射到直角棱镜R1上，经直角棱镜R1转向，到达分光镜S1，由分光镜S1分成透射和反射两束光，其中透射光到达分光镜S2，再由分光镜S2分成透射和反射两束光，反射光束被反射出系统，透射光束沿柱面凸透镜L4的主光轴入射到柱面凸透镜L4上，被聚焦在柱面凸透镜L4后焦点处，柱面凸透镜L4的后焦点在衍射光栅G的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光栅G上，再由衍射光栅G色散，形成波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的扇形光片。此扇形光片被柱面凸透镜L5准直成波长在横向连续分布的平行光片，此平行光片经过两个共焦柱面凸透镜L6和L7扩束为平行光束，此平行光束到达分光镜S3，被分成透射和反射两束光，其中透射平行光入射到平面反射镜M上，被平面反射镜M反射，再次回到分光镜S3，再由分光镜S3反射及透射成两束平行光束。

来自柱面凸透镜L7并由分光镜S3反射的平行光束投射在被测表面上，被测表面上不同的被测点反射回不同波长的光。反射光再次到达分光镜S3，并被分光镜S3分成透射和反射两束平行光。其中透射平行光束与由平面反射镜M反射后到达分光镜S3并被分光镜S3反射的平行光相遇并发生干涉，每个波长的光形成自己的干涉信号，此干涉平行光束到达分光镜S4，并被分光镜S4分成透射和反射两束平行光束。透射平行光束垂直入射到Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板上，满足Fabry-Perot滤波器X2相干相长条件波长的光得以透过，相邻波长间隔为Fabry-Perot滤波器自由光谱区的梳状波长的光透过Fabry-Perot滤波器X2，形成横截面光能量不连续的梳状平行光束，由面阵探测器PD2对应像元探测。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面一组等间隔的被测线上的各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带对应被测点的纵向信息。面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。

为了对其他点进行测量，平移台T2带动Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板移动，从而调节Fabry-Perot滤波器X2的腔长，使另一组满足Fabry-Perot滤波器相干相长条件的梳状波长通过，由面阵探测器PD2探测，面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面上另一组等间隔的被测线上的各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，因此，梳状波长中每个波长的干涉信号携带了对应被测点的纵向信息。如此重复，使被测表面上每一个被测点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的干涉信号都被面阵探测器PD2探测。计算机B5对干涉信号进行解调处理，实现对两相邻被测点的纵向高度差不大于半波长的表面全场测量，测量结果由结果输出B6输出。

由于挡光屏P的作用，使得从分光镜S1反射的光束不能到达干涉仪，因此，不对测量起作用，此时，只有从分光镜S1透射的光束到达干涉仪和被测表面，参与完成测量工作。

对于两相邻被测点的纵向高度差大于半波长的台阶和沟槽的不连续表面的测量，首先，按照以上步骤，面阵探测器PD2探测到被测表面上每一被测点的反射光形成的干涉信号，并将干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。然后，将挡光屏P移至从分光镜S1透射的光束位置(如图所示，分光镜S1和S2之间的虚线的位置)，挡光屏P挡住从分光镜S1透射的光束，使之不参与测量。由分光镜S1反射的光束由直角棱镜R2和R3转向后，到达分光镜S2，被分光镜S2分成反射和透射两束光束，透射光束射出测量系统，反射光束以偏离柱面凸透镜L4的主光轴但平行于柱面凸透镜L4的主光轴的方向入射到柱面凸透镜L4上，被聚焦到柱面凸透镜L4的后焦点上。因柱面凸透镜L4的后焦点在衍射光栅G的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光栅G的衍射面上，再由衍射光栅G色散，形成波长在横向连续分布的扇形光片，此扇形光片被柱面凸透镜L5准直成波长在横向连续分布的平行光片。由于这束光在衍射光栅G上的入射角与过柱面凸透镜L4主光轴的那束光(从分光镜S1和分光镜S2透射的光束)在衍射光栅G的入射角不同，所以这两束光经过衍射光栅G衍射后形成的两片波长在横向连续分布的扇形光片中，每种波长在这两片扇形光片的空间位置不同；经过透镜L5准直形成的波长在空间分布的平行波片，每种波长在两片平行光片的位置在横向错位。此平行光片经过两个共焦柱面凸透镜L6和L7扩束为平行光束，此平行光束到达分光镜S3，被分成透射和反射两束光，其中透射平行光入射到平面反射镜M上，被平面反射镜M反射，再次回到分光镜S3，再由分光镜S3反射及透射成两束平行光束。由分光镜S3反射的平行光束投射在被测表面上，被测表面上不同的被测点反射回不同波长的光。反射光再次到达分光镜S3，并被分光镜S3分成透射和反射两束平行光。其中透射光束与由平面反射镜M反射到达分光镜S3并被S3反射的平行光相遇并发生干涉，每种波长的光形成自己的干涉信号，此干涉平行光束到达分光镜S4，并被分光镜S4分成透射和反射两束平行光束。透射光束垂直入射到Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板上，满足Fabry-Perot滤波器X2相干相长条件波长的光得以透过，相邻波长间隔为Fabry-Perot滤波器自由光谱区的梳状波长的光透过Fabry-Perot滤波器X2，形成横截面光能量不连续的梳状平行光束，由面阵探测器PD2对应像元探测。面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面一组等间隔的离散被测线上的各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带对应被测点的纵向信息。

为了对其他点进行测量，纵向平移台T3带动Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板移动，从而调节Fabry-Perot滤波器X2的腔长，使另一组满足Fabry-Perot滤波器相干相长条件的梳状波长通过，由面阵探测器PD2探测，面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面上另一组等间隔的离散被测线上的各点反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，因此，梳状波长中每个波长的干涉信号携带了对应被测点的纵向信息。如此重复，使被测表面上每一个被测点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的干涉信号都被面阵探测器PD2探测，并将面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。

计算机B5对输入的干涉信号进行解调处理，实现对有高度差大于半波长的台阶及深槽的表面全场测量，测量结果由结果输出B6输出。因为两片扇形光片中每种波长的横向位置不同，这样就实现了利用两种不同的波长分别对被测表面上同一个被测点进行测量。对两种波长的干涉信号进行解调，实现对有高度差大于半波长的台阶及深槽的表面的三维测量。

由分光镜S4反射的干涉平行光束到达狭缝光阑D2，此光线的每一点是不同的波长形成的干涉信号，透过狭缝光阑D2的干涉信号到达光电探测器PD1，由光电探测器PD1探测。PD1探测到的干涉信号经信号处理电路B3后，经过反馈控制电路B4处理，反馈控制电路B4的输出信号加在位于干涉仪的参考臂中的压电陶瓷PZT上，驱动PZT调节干涉仪的参考臂的光程，使干涉仪的两个干涉臂保持在正交状态,由此消除环境干扰对干涉仪的影响，从而达到稳定测量系统的目的，使测量系统适合在线测量。

进一步，作为一种优选方案，利用衍射光栅G色散宽带光谱形成的波长在横向连续分布的扇形光片，将此扇形光片扩束成平行光束垂直入射到被测表面上，对被测表面进行全场三维测量，只需一次定位即完成被测表面三维测量，测量速度快。

进一步，作为一种优选方案，利用两种波长的光分别对被测表面上同一个被测点进行测量，通过解调这两种波长的干涉信号，使测量系统能够对高度差大于半波长的台阶及大深宽比的沟槽的不连续表面进行三维测量。

进一步，作为一种优选方案，利用衍射光栅G色散宽带光谱形成波长在空间连续分布且各种波长的空间位置恒定的平行光束，使测量结果能够准确溯源到波长基准，光源光谱漂移对测量结果没有影响。这不仅提高了测量系统抗温度漂移等环境干扰的能力，而且给高测量精度的获得奠定了坚实的基础。

进一步，作为一种优选方案，利用Fabry-Perot滤波器X2将波长在横向连续分布的平行光束转换成能量在横向不连续的梳状平行光束，以提高在波长排列方向的横向分辨率。

进一步，作为一种优选方案，利用反馈控制电路B4的输出信号加在位于干涉仪的参考臂中的压电陶瓷PZT上，驱动PZT调节干涉仪的参考臂的光程，使干涉仪的两个干涉臂保持在正交状态,从而消除环境干扰对干涉仪的影响，提高测量系统的抗干扰能力，达到稳定测量系统的目的，使测量系统适合在线测量。

本发明的有益效果主要有：

1.利用衍射光栅G色散宽带光谱形成波长在横向(垂直于光波传输方向)连续分布的扇形光片，将此扇形光片扩束成平行光束，此平行光束垂直入射到被测表面上，对被测表面进行全场三维测量。一次定位即完成表面三维测量，测量速度快。

2.利用两种波长的光分别对被测表面上同一个被测点进行测量，通过解调这两种波长的干涉信号，使测量系统能够对高度差大于半波长的台阶及大深宽比的沟槽的不连续表面进行三维测量。

3.利用衍射光栅G色散宽带光谱形成波长在横向连续分布且各种波长的空间位置恒定的平行光束，使测量结果能够准确溯源到波长基准，光源光谱漂移对测量结果没有影响。

4.利用Fabry-Perot滤波器X2将波长在横向连续分布的平行光束转换成能量在横向不连续的梳状平行光束，以提高在波长排列方向的横向分辨率。

5.利用反馈控制电路B4的输出信号加在位于干涉仪的参考臂中的压电陶瓷PZT上，驱动PZT调节干涉仪的参考臂的光程，使干涉仪的两个干涉臂保持在正交状态,从而消除环境干扰对干涉仪的影响，提高测量系统的抗干扰能力，达到稳定测量系统的目的，使测量系统适合在线测量。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的原理图；

图2是现有技术文献[2]的原理图；

图3是本发明原理图。

具体实施方式

下面结合图3和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，系统由宽带光源X1，隔离器B1,光纤F，光纤连接头C,球面凸透镜L1、L2、L3，柱面凸透镜L4、L5、L6、L7，分光镜S1、S2、S3、S4，直角棱镜R1、R2、R3,光阑D1、D2，衍射光栅G,挡光屏P,平面反射镜M，平移台T1、T2,光电探测器PD1，面阵探测器PD2,可调谐Fabro-Perot滤波器X2,压电陶瓷PZT，数据采集卡B2,信号处理电路B3,反馈控制电路B4,计算机B5,结果输出B6，平移台驱动B7组成。

宽带光源X1发出的光经过隔离器B1及光纤F，由光纤连接头C输出，经过球面凸透镜L1准直形成的平行光束经过球面凸透镜L2后，被聚焦在球面凸透镜L2的后焦点处，经过位于球面凸透镜L2后焦点的圆孔光阑D1，再经过球面凸透镜L3准直形成的平行光束入射到直角棱镜R1转向，到达分光镜S1，由分光镜S1分成透射和反射两束光，其中透射光到达分光镜S2，再由分光镜S2分成透射和反射两束光，反射光束被反射出系统。透射光束沿柱面凸透镜L4的主光轴入射到柱面凸透镜L4上，被聚焦在柱面凸透镜L4后焦点处，柱面凸透镜L4的后焦点在衍射光栅G的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光栅G上，再由衍射光栅G色散，形成波长在空间连续分布的扇形光片。此扇形光片被柱面凸透镜L5准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片经过两个共焦柱面凸透镜L6和L7扩束为平行光束，此平行光束到达分光镜S3，被分成透射和反射两束光，其中透射平行光入射到平面反射镜M上，被平面反射镜M反射，再次回到分光镜S3，再由分光镜S3反射及透射成两束平行光束。由分光镜S3反射的平行光束投射在被测表面上，被测表面上不同的被测点反射回不同波长的光。反射光再次到达分光镜S3，并被分光镜S3分成透射和反射两束平行光。其中透射光束与由平面反射镜M反射到达分光镜S3并被分光镜S3反射的平行光相遇并发生干涉，每个波长的光形成自己的干涉信号，此干涉平行光束到达分光镜S4，并被分光镜S4分成透射和反射两束平行光束。透射光束垂直入射到Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板上，满足Fabry-Perot滤波器X2相干相长条件波长的光得以透过，相邻波长间隔为Fabry-Perot滤波器自由光谱区的梳状波长的光透过Fabry-Perot滤波器X2，形成横截面光能量不连续的梳状平行光束，由面阵探测器PD2对应像元探测，面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面一组等间隔的被测线上的各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带对应被测点的纵向信息。

为了对其他点进行测量，纵向平移台T3带动Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板移动，从而调节Fabry-Perot滤波器X2的腔长，使另一组满足Fabry-Perot滤波器相干相长条件的梳状波长通过，由面阵探测器PD2探测，这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面上另一组等间隔的被测线上各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，因此，梳状波长中每个波长的干涉信号携带了对应被测点的纵向信息。如此重复，使被测表面上每一个被测点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的干涉信号都被面阵探测器PD2探测，并将面阵探测器PD2探测到的干涉信号经数据采集卡B2后输入计算机B5。

为了从干涉信号中解调出被测点的纵向信息，测量时，需要对干涉仪的光程差进行线性调制。为此，在面阵探测器PD2探测干涉信号的过程中，纵向平移台T1带动被测物体纵向(垂直于被测表面方向)线性移动，线性调制干涉仪的光程差。对应于面阵探测器PD2N×M个像元，被测表面上被测点数为N×M个，被测点排列为N行M列，对应第i行的第j个被测点的干涉信号可表示为：

$I_{(i,j)}=A_{(i,j)0}+A_{(i,j)}cos\left(\frac{2{\mathrm{\Δ}}_{(i,j)}}{{\mathrm{\λ}}_j}\mathrm{\π}+\frac{4nvt}{{\mathrm{\λ}}_j}\mathrm{\π}\right)---\left(1\right)$

式中：A_(i,j)0是干涉信号的直流量，A_(i,j)是干涉信号的可见度，△_(i,j)是干涉仪在第i行的第j个被测点的光程差，n是空气折射率，v是纵向移动台T1的移动速度，t是纵向移动台T1调制光程差的时间，λ_j是第j被测点反射的波长。

对应第i行的第j+1个被测点的干涉信号可表示为：

$I_{(i,j+1)}=A_{(i,j+1)0}+A_{(i,j+1)}cos\left(\frac{2{\mathrm{\Δ}}_{(i,j+1)}}{{\mathrm{\λ}}_{j+1}}\mathrm{\π}+\frac{4nvt}{{\mathrm{\λ}}_{j+1}}\mathrm{\π}\right)---\left(2\right)$

式中：A_(i,j+1)0是干涉信号的直流量，A_(i,j+1)是干涉信号的可见度，△_(i,j+1)是Michelson干涉仪在第i行的第j+1个被测点的光程差，n是空气折射率，v是纵向移动台T1的移动速度，t是纵向移动台T1调制光程差的时间，λ_j+1是第j+1被测点反射的波长。

当波长在横向(波的传播方向)方向连续分布的平行光束垂直入射到可调谐Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板上时，只有满足(3)式相干相长条件的波长的光透过，

2nd＝kλ(3)

式中：d是Fabry-Perot滤波器X2的腔长，n是空气折射率，k为正整数，λ为光波波长。当波长λ_j满足Fabry-Perot滤波器X2的相干相长条件时，(1)式的干涉信号将透过Fabry-Perot滤波器，并由面阵探测器PD2上空间位置对应的像元探测，探测到的信号为：

$I_{(i,j)}^{\left(t\right)}=\frac{T^2}{{(1-R)}^2+4R}{I}_{(i,j)}---\left(4\right)$

式中：T为Fabry-Perot滤波器X2两平行平板相对的两面的透射率，R为Fabry-Perot滤波器X2两平行平板相对的两面的反射率，I_(i,j)为入射到Fabry-Perot滤波器X2的光强。

(4)式中，由于T、R是常量，随着干涉仪的光程差被线性调制，I_(i,j)呈余弦规律变化，面阵探测器PD2探测到的信号也呈余弦规律变化。同样地，面阵探测器PD2探测到的对应第j+1被测点的信号也呈余弦规律变化。比较这两路余弦信号的相位差，再根据相位差即可测出被测表面上第i行第j个被测点与第j+1个被测点的纵向高度差。如此重复，解调出每对相邻被测点的纵向高度差，即实现对两相邻被测点的纵向高度差不大于半波长的表面三维测量。

对于两相邻被测点的纵向高度差大于半波长的台阶和沟槽的不连续表面的测量，首先，按照以上步骤，面阵探测器PD2探测到被测表面上每一被测点的干涉信号，并将干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。然后，将挡光屏P移至从分光镜S1透射的光束位置(如图所示，分光镜S1和S2之间的虚线的位置)，挡光屏P挡住从分光镜S1透射的光束，使之不参与测量，由分光镜S1反射的光束由直角棱镜R2和R3转向后，到达分光镜S2，被分光镜S2分成反射和透射两束光束，透射光束射出测量系统，反射光束以偏离柱面凸透镜L4的主光轴但平行于柱面凸透镜L4的主光轴的方向入射到柱面凸透镜L4上，被聚焦到柱面凸透镜L4的后焦点上。因柱面凸透镜L4的后焦点在衍射光栅G的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光栅G的衍射面上，再由衍射光栅G色散，形成波长在横向连续分布的扇形光片，此扇形光片被柱面凸透镜L5准直成波长在横向连续分布的平行光片。由于这束光在衍射光栅G上的入射角与过柱面凸透镜L4主光轴的那束光(从S1和S2透射的光束)在衍射光栅G的入射角不同，所以这两束光经过衍射光栅G衍射后形成的两片波长在横向连续分布的扇形光片中，每个波长在这两片扇形光片的空间位置不同；经过柱面凸透镜L5准直形成的波长在横向连续分布的平行波片，每种波长在两片平行光片的空间位置有横向错位。此平行光片经过两个共焦柱面凸透镜L6和L7扩束为平行光束，此平行光束到达分光镜S3，被分成透射和反射两束光，其中透射平行光入射到平面反射镜M上，被平面反射镜M反射，再次回到分光镜S3，再由分光镜S3反射及透射成两束平行光束。由分光镜S3反射的平行光束投射在被测表面上，被测表面上不同的被测点反射回不同波长的光。反射光再次到达分光镜S3，并被分光镜S3分成透射和反射两束平行光。其中透射光束与由平面反射镜M反射到达分光镜S3并被分光镜S3反射的平行光相遇并发生干涉，每个波长的光形成自己的干涉信号，此干涉平行光束到达分光镜S4，并被分光镜S4分成透射和反射两束平行光束。透射光束垂直入射到Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板上，满足Fabry-Perot滤波器X2相干相长条件波长的光得以透过，相邻波长间隔为Fabry-Perot滤波器自由光谱区的梳状波长的光透过Fabry-Perot滤波器X2，形成横截面光能量梳状平行光束，由面阵探测器PD2对应像元探测，面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面一组等间隔的离散被测线上各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带对应被测点的纵向信息。

为了对其他点进行测量，纵向平移台T3带动Fabry-Perot滤波器X2的一个平行平板移动，从而调节Fabry-Perot滤波器X2的腔长，使另一组满足Fabry-Perot滤波器相干相长条件的梳状波长通过，由面阵探测器PD2探测，面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面上另一组等间隔的离散被测线上各点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的，因此，梳状波长中每个波长的干涉信号携带了对应被测点的纵向信息。如此重复，使被测表面上每一个被测点的反射光与平面反射镜M的反射光相遇形成的干涉信号都被面阵探测器PD2探测，面阵探测器PD2探测到的干涉信号经过数据采集卡B2后输入计算机B5。

因为两片扇形光片中每个波长的空间位置不同，这样就实现了利用两个不同的波长分别对被测表面上同一个被测点进行测量。

对应面阵探测器有N×M个像元探测到干涉信号，被测表面上就有N×M个被测点。当由分光镜S1透射的光束参与测量时，面阵探测器PD2的第i行的第j个像元探测到的干涉信号相位为：

当由分光镜S1反射的光束参与测量时，面阵探测器PD2的同一行的同一个像元(第i行的第j个像元)探测到的干涉信号的相位为：

式(5)和式(6)中：和是干涉信号的相位，和是干涉信号相位的小数部分(即初相位)，m_1(i,j)和m_2(i,j)是正整数，△_(i,j)是干涉仪在第i行的第j个被测点的光程差，λ_1j和λ_2j是入射到第j个被测点的波长。

同样地，当由分光镜S1透射的光束参与测量时，面阵探测器PD2的第i行的第j+1个像元探测到的干涉信号的相位为：

当由分光镜S1反射的光束参与测量时，面阵探测器PD2的第i行的第j+1个像元探测到的干涉信号的相位为：

式(7)和式(8)中：和是干涉信号的相位，和是干涉信号相位的小数部分(即初相位)，m_1(i,j+1)和m_2(i,j+1)是正整数，△_(i,j+1)是干涉仪在第i行的第j+1个被测点的光程差，λ_1(j+1)和λ_2(j+1)是入射到第j+1个被测点的波长。

被测表面上第i行的第j+1个被测点与第j个被测点的纵向高度差为：

式中：n是空气折射率，i＝1,2,...,N，j＝1,2,...,M-1。

解调出每对相邻被测点的纵向高度差，即实现两相邻被测点的纵向高度差大于半波长的台阶和沟槽的不连续表面的测量。

由分光镜S4反射的干涉平行光束到达狭缝光阑D2，此光线的每一点是不同的波长形成的干涉信号，透过狭缝光阑D2的干涉信号到达光电探测器PD1，由光电探测器PD1探测。PD1探测到的干涉信号经信号处理电路B3后，经过反馈控制电路B4处理，反馈控制电路B4的输出信号加在位于干涉仪的参考臂中的压电陶瓷PZT上，驱动PZT调节干涉仪的参考臂的光程，使干涉仪的两个干涉臂保持在正交状态,由此消除环境干扰对干涉仪的影响，从而达到稳定测量系统的目的，使测量系统适合在线测量。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例，但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明无公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (6)

1.一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，其特征是由宽带光源(X1)、隔离器(B1)、光纤(F)、光纤连接头(C)、球面凸透镜(L1，L2，L3)、柱面凸透镜(L4，L5，L6，L7)、分光镜(S1，S2，S3，S4)、直角棱镜(R1，R2，R3)、光阑(D1，D2)、挡光屏(P)、衍射光栅(G)、平面反射镜(M)、平移台(T1，T2)、光电探测器(PD1)、面阵探测器(PD2)、可调谐Fabro-Perot滤波器(X2)、压电陶瓷(PZT)、数据采集卡(B2)、信号处理电路(B3)、反馈控制电路(B4)、计算机(B5)、结果输出(B6)、平移台驱动(B7)组成；宽带光源(X1)发出的光经过隔离器(B1)以及光纤(F)后，由光纤连接头(C)输出，经过球面凸透镜(L1)准直形成的平行光束经过球面凸透镜(L2)后，被聚焦在球面凸透镜(L2)的后焦点处，经过位于(L2)后焦点的圆孔光阑(D1)，再经过球面凸透镜(L3)准直形成的平行光束入射到直角棱镜(R1)上，经直角棱镜(R1)转向，到达分光镜(S1)，由分光镜(S1)分成透射和反射两束光，其中透射光到达分光镜(S2)，再由分光镜(S2)分成透射和反射两束光，反射光束被反射出系统，透射光束沿柱面凸透镜(L4)的主光轴入射到柱面凸透镜(L4)上，被聚焦在柱面凸透镜(L4)后焦点处，柱面凸透镜(L4)的后焦点在衍射光栅(G)的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光栅(G)上，再由衍射光栅(G)色散，形成波长在横向(垂直于光波传播方向)连续分布的扇形光片，此扇形光片被柱面凸透镜(L5)准直成波长在横向连续分布的平行光片，此平行光片经过两个共焦柱面凸透镜(L6)和(L7)扩束为平行光束，此平行光束到达分光镜(S3)，被分成透射和反射两束光，其中透射平行光入射到平面反射镜(M)上，被平面反射镜(M)反射，再次回到分光镜(S3)，再由分光镜(S3)反射及透射成两束平行光束；来自柱面凸透镜(L7)并由分光镜(S3)反射的平行光束投射在被测表面上，被测表面上不同的被测点反射回不同波长的光，反射光再次到达分光镜(S3)，并被分光镜(S3)分成透射和反射两束平行光，其中透射平行光束与由平面反射镜(M)反射后达分光镜(S3)并被分光镜(S3)反射的平行光相遇并发生干涉，每个波长的光形成自己的干涉信号，此干涉平行光束到达分光镜(S4)，并被分光镜(S4)分成透射和反射两束平行光束，透射平行光束垂直入射到Fabry-Perot滤波器(X2)的一个平行平板上，满足Fabry-Perot滤波器(X2)相干相长条件波长的光得以透过，相邻波长间隔为Fabry-Perot滤波器自由光谱区的梳状波长的光透过Fabry-Perot滤波器(X2)，形成横截面光能量不连续的梳状平行光束，由面阵探测器(PD2)对应像元探测，面阵探测器(PD2)探测到的干涉信号经过数据采集卡(B2)后输入计算机(B5)，这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面一组等间隔的被测线上的各点的反射光与平面反射镜(M)的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带对应被测点的纵向信息；为了对其他点进行测量，平移台(T2)带动Fabry-Perot滤波器(X2)的一个平行平板移动，从而调节Fabry-Perot滤波器(X2)的腔长，使另一组满足Fabry-Perot滤波器相干相长条件的梳状波长通过，由面阵探测器(PD2)探测，面阵探测器(PD2)探测到的干涉信号经过数据采集卡(B2)后输入计算机(B5)，这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面上另一组等间隔的被测线上的各点的反射光与平面反射镜(M)的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带了对应被测点的纵向信息；如此重复，使被测表面上每一个被测点的反射光与平面反射镜(M)的反射光相遇形成的干涉信号都被面阵探测器(PD2)探测；计算机(B5)对干涉信号进行解调处理，实现对两相邻被测点的纵向高度差不大于半波长的表面全场测量，测量结果由结果输出(B6)输出；由于挡光屏P的作用，使得从分光镜S1反射的光束不能到达干涉仪，因此，不对测量起作用，此时，只有从分光镜S1透射的光束到达干涉仪和被测表面，参与完成测量工作；对于两相邻被测点的纵向高度差大于半波长的台阶和沟槽的不连续表面的测量，首先，按照以上步骤，面阵探测器(PD2)探测到被测表面上每一被测点的反射光形成的干涉信号，并将干涉信号经过数据采集卡(B2)后输入计算机(B5)，然后，将挡光屏(P)移至从分光镜(S1)透射的光束位置(如图所示，分光镜(S1)和(S2)之间的虚线的位置)，挡光屏(P)挡住从分光镜(S1)透射的光束，使之不参与测量；由分光镜(S1)反射的光束由直角棱镜(R2)和(R3)转向后，到达分光镜(S2)，被分光镜(S2)分成反射和透射两束光束，透射光束射出测量系统，反射光束以偏离柱面凸透镜(L4)的主光轴但平行于柱面凸透镜(L4)的主光轴的方向入射到柱面凸透镜(L4)上，被聚焦到柱面凸透镜(L4)的后焦点上，因柱面凸透镜(L4)的后焦点在衍射光栅(G)的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光栅(G)的衍射面上，再由衍射光栅(G)色散，形成波长在横向连续分布的扇形光片，此扇形光片被柱面凸透镜(L5)准直成波长在横向连续分布的平行光片；由于这束光在衍射光栅(G)上的入射角与过柱面凸透镜(L4)主光轴的那束光(从(S1)和(S2)透射的光束)在衍射光栅(G)的入射角不同，所以这两束光经过衍射光栅(G)衍射后形成的两片波长在横向联系分布的扇形光片中，每种波长在这两片扇形光片的空间位置不同，经过透镜(L5)准直形成的波长在空间分布的平行波片，每种波长在两片平行光片的位置在横向错位，此平行光片经过两个共焦柱面凸透镜(L6)和(L7)扩束为平行光束，此平行光束到达分光镜(S3)，被分成透射和反射两束光，其中透射平行光入射到平面反射镜(M)上，被平面反射镜(M)反射，再次回到分光镜(S3)，再由分光镜(S3)反射及透射成两束平行光束，由分光镜(S3)反射的平行光束投射在被测表面上，被测表面上不同的被测点反射回不同波长的光,反射光再次到达分光镜(S3)，并被分光镜(S3)分成透射和反射两束平行光,其中透射光束与由平面反射镜(M)反射到达分光镜(S3)并被分光镜(S3)反射的平行光相遇并发生干涉，每种波长的光形成自己的干涉信号，此干涉平行光束到达分光镜(S4)，并被分光镜(S4)分成透射和反射两束平行光束,透射光束垂直入射到Fabry-Perot滤波器(X2)的一个平行平板上，满足Fabry-Perot滤波器(X2)相干相长条件波长的光得以透过，相邻波长间隔为Fabry-Perot滤波器(X2)自由光谱区的梳状波长的光透过Fabry-Perot滤波器(X2)，形成横截面光能量不连续的梳状平行光束，由面阵探测器(PD2)对应像元探测,面阵探测器(PD2)探测到的干涉信号经过数据采集卡(B2)后输入计算机(B5),这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面一组等间隔的被测线上的各点的反射光与反射镜(M)的反射光相遇形成的，梳状波长中每个波长的干涉信号携带对应被测点的纵向信息；为了对其他点进行测量，纵向平移台(T3)带动Fabry-Perot滤波器(X2)的一个平行平板移动，从而调节Fabry-Perot滤波器(X2)的腔长，使另一组满足Fabry-Perot滤波器(X2)相干相长条件的梳状波长通过，由面阵探测器(PD2)探测，面阵探测器(PD2)探测到的干涉信号经过数据采集卡(B2)后输入计算机(B5)这一组梳状波长的干涉信号是由被测表面上另一组等间隔的被测线上的各点反射光与平面反射镜(M)的反射光相遇形成的，因此，梳状波长中每个波长的干涉信号携带了对应被测点的纵向信息；如此重复，使被测表面上每一个被测点的反射光与平面反射镜(M)的反射光相遇形成的干涉信号都被面阵探测器(PD2)探测，并将面阵探测器(PD2)探测到的干涉信号经过数据采集卡(B2)后输入计算机(B5)；计算机(B5)对输入的干涉信号进行解调处理，实现对有高度差大于半波长的台阶及深槽的表面全场测量，测量结果由结果输出B6输出；由分光镜(S4)反射的干涉平行光束到达狭缝光阑(D2)，此光线的每一点是不同的波长形成的干涉信号，透过狭缝光阑(D2)的干涉信号到达光电探测器(PD1)，由光电探测器(PD1)探测,光电探测器(PD1)探测到的干涉信号经信号处理电路(B3)后，经过反馈控制电路(B4)处理，反馈控制电路(B4)的输出信号加在位于干涉仪的参考臂中的压电陶瓷(PZT)上，驱动压电陶瓷(PZT)调节干涉仪的参考臂的光程，使干涉仪的两个干涉臂保持在正交状态,由此消除环境干扰对干涉仪的影响，从而达到稳定测量系统的目的，使测量系统适合在线测量。

2.根据权利要求1所述的一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，其特征在于利用衍射光栅(G)色散宽带光谱形成波长在横向(垂直于光波传输方向)连续分布的扇形光片，将此扇形光片扩成平行光束，此平行光束垂直入射到被测表面上，对被测表面进行全场三维测量，一次定位即完成表面三维测量，测量速度快。

3.根据权利要求1所述的一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，其特征在于利用两种波长的光分别对被测表面上同一个被测点进行测量，通过解调这两种波长的干涉信号，使测量系统能够对高度差大于半波长的台阶及大深宽比的沟槽的不连续表面进行三维测量。

4.根据权利要求1所述的一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，其特征在于利用衍射光栅(G)色散宽带光谱形成波长在横向连续分布且各种波长的空间位置恒定的平行光束，使测量结果能够准确溯源到波长基准，光源光谱漂移对测量结果没有影响。

5.根据权利要求1所述的一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，其特征在于利用Fabry-Perot滤波器(X2)将波长在横向连续分布的平行光束转换成能量在横向不连续的梳状平行光束，以提高在波长排列方向的横向分辨率。

6.根据权利要求1所述的一种基于光谱色散全场的超横向分辨率表面三维在线干涉测量系统，其特征在于利用反馈控制电路(B4)的输出信号加在位于干涉仪的参考臂中的压电陶瓷(PZT)上，驱动压电陶瓷(PZT)调节干涉仪的参考臂的光程，使干涉仪的两个干涉臂保持在正交状态,从而消除环境干扰对干涉仪的影响，提高测量系统的抗干扰能力，达到稳定测量系统的目的，使测量系统适合在线测量。