一種基于光譜色散全場的超橫向分辨率表面三維在線干涉測量系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及光學測量領域，尤其是涉及一種基于光譜色散全場的超橫向分辨率表 面三維在線干涉測量系統。
【背景技術】
[0002] 現有的與此技術相接近的文獻有以下兩個：
[0003] [1]D. P. Hand, T. A. Carolan, J. S. Barton, and J. D. C. Jones. ^Profile measurement of optically rough surfaces by fiber-optic interferometry'，，Opt. Lett.，Vol. 18, No. 16, 1993, P. 1361-1363. (Optics Letters(光學快報），第18卷，第16 期，Ρ· 1361-1363)
[0004] 文獻[1]的技術原理如圖1所示。
[0005] 半導體激光器發出的光經過法拉第隔離器和光纖3dB耦合器后，到達測量頭，測 量頭是一個菲索干涉儀，一部分光被光纖端面反射作為參考光，另一部分光經過自聚焦透 鏡聚焦后，投射到被測表面上，由被測表面反射重新回到系統中并與參考光發生干涉，干涉 信號由探測器探測，干涉信號的相位決定于被測表面被測點的縱向高度；改變該激光器的 驅動電流以改變激光器的發光頻率，用四種不同頻率的光對同一點進行測量，得到四個干 涉信號，由于入射光波頻率不同，四個干涉信號的位相就不同，調節驅動電流，使相鄰兩個 干涉信號的相位差η/2,通過以下式子，即可解調出該點的光程差D，即完成單點的測量：
[0006]
[0007] Ιη(η = 1，2, 3, 4)是第η次干涉信號的強度，c是光速，v是入射光頻率。
[0008] 步進電機再帶動測量頭橫向掃描被測表面，即完成對被測表面的測量。
[0009] [2]De jiao Lin, Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion. "High stability multiplexed fibre interferometer and its application on absolute displacement measurement and on-line surface metrology'，，Optics Express，Vol.l2，Issue 23,2004，P. 5729-5734. (Optics Express(光學特快），2004年，第 12卷，第23期，Ρ· 5729-5734)
[0010] 文獻[2]的技術原理圖如圖2所示。
[0011] 此系統包含兩個光路幾乎重合的邁克爾遜干涉儀。一個邁克爾遜干涉儀是利用測 量臂上的光纖光柵和參考鏡作為反射鏡構成，用于完成穩定工作；另一個邁克爾遜干涉儀 是利用測量鏡和參考鏡作為反射鏡構成，用于完成測量工作。因為兩個干涉儀的參考臂共 用一個反射鏡，兩個干涉儀的參考臂光路完全重合，又由于兩個干涉儀的測量臂幾乎重合， 所以，一個干涉儀穩定了，另一個干涉儀也就穩定了。
[0012] 由半導體激光器發出波長為λ。的光經過兩個3dB耦合器后被分為兩路，一路被 光纖光柵反射，另一路被參考反射鏡反射。兩路反射光經過3dB耦合器后再次相遇并且發 生干涉，干涉信號經過環行器后，被另一個光纖光柵反射，再次經過環行器，然后被探測器 探測，此探測器探測到的信號經過伺服電路處理后驅動壓電陶瓷管調節光纖干涉儀的參考 臂的長度，使穩定干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交狀態（相位差為η/2)，從而實現穩定 該干涉儀的目的。
[0013] 可調諧激光器發出的波長λ"可變的光經過兩個光纖3dB耦合器后被分為兩路， 一路經過光纖自準直透鏡后再由測量鏡反射再次回到干涉儀中，另一路經過光纖自準直透 鏡后再由參考鏡反射再次回到干涉儀中，兩路光經過3dB耦合器后相遇，形成干涉信號，此 干涉信號經過環行器及光纖光柵后，被探測器探測，再經過相位分析即測量出測量鏡的位 移。
[0014] 上述兩個現有技術存在的問題和不足是：
[0015] 1、是光點掃描被測表面進行表面三維測量，光點需要進行二維掃描才能完成表面 三維測量，掃描機構復雜，測量速度慢。
[0016] 2、測量的橫向分辨率決定于光斑直徑，光斑直徑受衍射極限的限制，因此，橫向分 辨率決定于衍射極限，難以得到高橫向分辨率的測量結果。
[0017] 3、不能對有高度差大于半波長的臺階以及有大深寬比的溝槽的表面進行測量。
【發明內容】
[0018] 本發明利用衍射光柵色散寬帶光譜形成的波長在橫向（垂直于光波傳播方向）連 續分布的光片，將此光片擴束成平行光束垂直入射到被測表面上，對被測表面進行全場測 量，一次定位完成表面三維測量，無需掃描，測量速度快；利用兩種不同的波長分別對被測 表面上同一個被測點進行測量，通過調諧這兩個波長的差值可得不同大小的合成波波長， 使系統能夠對高度差達毫米量級的臺階以及深寬比大于50的溝槽的不連續表面進行三維 快速測量；利用可調諧Fabry-Perot濾波器實現光線長度方向超橫向分辨率；利用反饋控 制系統補償環境干擾對測量系統的影響，以提高測量系統抗干擾能力，使之適合在線測量； 衍射光柵色散寬帶光譜形成波長在橫向連續分布且各種波長位置固定的光片，使測量結果 能精確溯源到波長基準，光源光譜的漂移對測量結果沒有影響。
[0019] 本發明是通過以下技術方案實現的。
[0020] -種基于光譜色散全場的超橫向分辨率表面三維在線干涉測量系統，由寬帶光源 XI，隔離器B1，光纖F，光纖連接頭C，球面凸透鏡1^1乂2、1^3，柱面凸透鏡1^4、1^5乂6、1^7，分 光鏡31、52、53、54，直角棱鏡1?1、1?2、1?3;光闌01、02，擋光屏？，衍射光柵6，平面反射鏡1 平移臺T1、T2,光電探測器HH，面陣探測器TO2,可調諧Fabro-Perot濾波器X2,壓電陶 瓷PZT，數據采集卡B2,信號處理電路B3,反饋控制電路M，計算機B5,結果輸出B6,平移 臺驅動B7組成。
[0021] 寬帶光源XI發出的光經過隔離器B1以及光纖F后，由光纖連接頭C輸出，經過球 面凸透鏡L1準直形成的平行光束經過球面凸透鏡L2后，被聚焦在球面凸透鏡L2的后焦點 處，經過位于L2后焦點的圓孔光闌D1，再經過球面凸透鏡L3準直形成的平行光束入射到直 角棱鏡R1上，經直角棱鏡R1轉向，到達分光鏡S1，由分光鏡S1分成透射和反射兩束光，其 中透射光到達分光鏡S2,再由分光鏡S2分成透射和反射兩束光，反射光束被反射出系統， 透射光束沿柱面凸透鏡L4的主光軸入射到柱面凸透鏡L4上，被聚焦在柱面凸透鏡L4后 焦點處，柱面凸透鏡L4的后焦點在衍射光柵G的衍射面上，所以，光束被聚焦在衍射光柵G 上，再由衍射光柵G色散，形成波長在橫向（垂直于光波傳播方向）連續分布的扇形光片。 此扇形光片被柱面凸透鏡L5準直成波長在橫向連續分布的平行光片，此平行光片經過兩 個共焦柱面凸透鏡L6和L7擴束為平行光束，此平行光束到達分光鏡S3,被分成透射和反 射兩束光，其中透射平行光入射到平面反射鏡Μ上，被平面反射鏡Μ反射，再次回到分光鏡 S3,再由分光鏡S3反射及透射成兩束平行光束。
[0022] 來自柱面凸透鏡L7并由分光鏡S3反射的平行光束投射在被測表面上，被測表面 上不同的被測點反射回不同波長的光。反射光再次到達分光鏡S3,并被分光鏡S3分成透 射和反射兩束平行光。其中透射平行光束與由平面反射鏡Μ反射后到達分光鏡S3并被分 光鏡S3反射的平行光相遇并發生干涉，每個波長的光形成自己的干涉信號，此干涉平行光 束到達分光鏡S4,并被分光鏡S4分成透射和反射兩束平行光束。透射平行光束垂直入射 到Fabry-Perot濾波器Χ2的一個平行平板上，滿足Fabry-Perot濾波器Χ2相干相長條件 波長的光得以透過，相鄰波長間隔為Fabry-Perot濾波器自由光譜區的梳狀波長的光透過 Fabry-Perot濾波器X2,形成橫截面光能量不連續的梳狀平行光束，由面陣探測器PD2對應 像元探測。這一組梳狀波長的干涉信號是由被測表面