一種基于光譜色散線掃描的超橫向分辨率表面三維在線干涉測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，尤其是涉及一種基于光譜色散線掃描的超橫向分辨率 表面三維在線干涉測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有的與此技術(shù)相接近的文獻(xiàn)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(xué)快報），第18卷，第16 期，Ρ· 1361-1363)
[0004] 文獻(xiàn)[1]的技術(shù)原理如圖1所示。
[0005] 半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)過法拉第隔離器和光纖3dB耦合器后，到達(dá)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(jīng)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(tǒng)中并與參考光發(fā)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(diǎn)的縱向高度；改變該激光器的 驅(qū)動電流以改變激光器的發(fā)光頻率，用四種不同頻率的光對同一點(diǎn)進(jìn)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(diào)節(jié)驅(qū)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(diào)出該點(diǎn)的光程差D，即完成單點(diǎn)的測量：
[0006]
[0007] Ιη(η = 1，2, 3, 4)是第η次干涉信號的強(qiáng)度，c是光速，v是入射光頻率。
[0008] 步進(jìn)電機(jī)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(xué)特快），2004年，第 12卷，第23期，Ρ· 5729-5734)
[0010] 文獻(xiàn)[2]的技術(shù)原理圖如圖2所示。
[0011] 此系統(tǒng)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(gòu)成，用于完成穩(wěn)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(gòu)成，用于完成測量工作。因?yàn)閮蓚€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(wěn)定了，另一個干涉儀也就穩(wěn)定了。
[0012] 由半導(dǎo)體激光器發(fā)出波長為λ。的光經(jīng)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(jīng)過3dB耦合器后再次相遇并且發(fā) 生干涉，干涉信號經(jīng)過環(huán)行器后，被另一個光纖光柵反射，再次經(jīng)過環(huán)行器，然后被探測器 探測，此探測器探測到的信號經(jīng)過伺服電路處理后驅(qū)動壓電陶瓷管調(diào)節(jié)光纖干涉儀的參考 臂的長度，使穩(wěn)定干涉儀的兩個干涉臂始終處于正交狀態(tài)（相位差為η/2)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 該干涉儀的目的。
[0013] 可調(diào)諧激光器發(fā)出的波長λ"可變的光經(jīng)過兩個光纖3dB耦合器后被分為兩路， 一路經(jīng)過光纖自準(zhǔn)直透鏡后再由測量鏡反射再次回到干涉儀中，另一路經(jīng)過光纖自準(zhǔn)直透 鏡后再由參考鏡反射再次回到干涉儀中，兩路光經(jīng)過3dB耦合器后相遇，形成干涉信號，此 干涉信號經(jīng)過環(huán)行器及光纖光柵后，被探測器探測，再經(jīng)過相位分析即測量出測量鏡的位 移。
[0014] 上述兩個現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足是：
[0015] 1、是光點(diǎn)掃描被測表面進(jìn)行表面三維測量，光點(diǎn)需要二維掃描才能完成表面三維 測量，掃描機(jī)構(gòu)復(fù)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(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0017] 本發(fā)明利用衍射光柵色散寬帶光譜形成波長在橫向（垂直于光波傳播方向）連續(xù) 分布的平行光片，柱面凸透鏡將此平行光片聚焦成一條光線，此光線掃描被測表面對被測 表面進(jìn)行測量，光線只需一維掃描即完成表面三維測量，掃描機(jī)構(gòu)簡單，測量速度快；利用 一維振幅型光瞳濾波器提高光線寬度方向的橫向分辨率，利用Fabry-Perot濾波器提高光 線長度方向的橫向分辨率；利用反饋控制系統(tǒng)補(bǔ)償環(huán)境干擾對測量系統(tǒng)的影響，以提高測 量系統(tǒng)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的波長在橫向連續(xù)分 布且各種波長位置固定的光片，使測量結(jié)果能準(zhǔn)確溯源到波長基準(zhǔn)，光源光譜的漂移對測 量結(jié)果沒有影響。
[0018] 本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0019] 一種基于光譜色散線掃描的超橫向分辨率表面三維在線干涉測量系統(tǒng)，由寬帶光 源XI，隔離器B1，光纖F，光纖連接頭C，球面凸透鏡LI、L2和L3,衍射光柵G，一維振幅型光 瞳濾波器B2,分光鏡Sl、S2,平面反射鏡M，圓孔光闌D1，狹縫光闌D2,柱面凸透鏡L4、L5、 L6、L7、L8、L9、L10、Lll，F(xiàn)abry-Perot濾波器X2,縱向平移臺Tl、T3,橫向平移臺T2,光電 探測器HH，線性探測器TO2,壓電陶瓷PZT，信號處理電路B3,反饋控制電路M，數(shù)據(jù)采集卡 B5,計(jì)算機(jī)B6、結(jié)果輸出B7、縱向平移臺驅(qū)動B8、橫向平移臺驅(qū)動B9組成。寬帶光源XI發(fā) 出的光經(jīng)過隔離器B1和光纖F，由光纖連接頭C輸出，經(jīng)過球面凸透鏡L1準(zhǔn)直形成的平行 光束經(jīng)過球面凸透鏡L2后，被聚焦在球面凸透鏡L2的后焦點(diǎn)處，經(jīng)過位于球面凸透鏡L2 后焦點(diǎn)的圓孔光闌D1，再由球面凸透鏡L3準(zhǔn)直形成的平行光束經(jīng)過柱面凸透鏡L4,再被柱 面凸透鏡L4聚焦到位于柱面凸透鏡L4后焦點(diǎn)的衍射光柵G上，再由衍射光柵G色散形成 波長在橫向（垂直于光波的傳播方向）連續(xù)分布的扇形光片，此扇形光片被柱面凸透鏡L5 準(zhǔn)直成波長在橫向連續(xù)分布的平行光片。此平行光片經(jīng)過兩個共焦柱面凸透鏡L6和L7擴(kuò) 束為平行光束，垂直入射到一維振幅型光瞳濾波器B2上，經(jīng)此一維振幅型光瞳濾波器B2整 形，變換成沿柱面凸透鏡L7的主光軸無光能量的平行光束，此平行光束到達(dá)分光鏡SI，被 分成透射和反射兩束光，其中透射平行光經(jīng)柱面凸透鏡L9聚焦后入射到位于透鏡L9后焦 面的平面反射鏡Μ上，被平面反射鏡Μ反射，再次經(jīng)過柱面凸透鏡L9,再次回到分光鏡S1， 再由分光鏡S1反射及透射成兩束平行光束。
[0020] 來自一維振幅型光瞳濾波器Β2,并由分光鏡S1反射的平行光束經(jīng)過柱面凸透鏡 L8聚焦成一條波長在光線方向連續(xù)分布的光線，此光線投射在被測表面上，被測表面上不 同的被測點(diǎn)反射回不同波長的