移相干涉测量系统及测量方法与流程

1.本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种移相干涉测量系统及测量方法。


背景技术：

2.随着现代光学精密测量技术的发展，对元器件的表面轮廓和表面面形误差的测量提出了更高的要求。在光学仪器设备发展的过程中，光学元件经历了由球面、非球面到自由曲面的过程，其中自由曲面打破了非球面旋转对称的局限性，进一步提高了光学系统的性能。
3.自由曲面光学元件的检测总体上分为接触式和非接触式检测两种。以三坐标测量法为代表的接触式测量的优势很多，但是，它也存在着直接接触工件表面、易破坏被测件光洁度、检测头的机构磨损和机械运动机构会影响测量准确性以及检测精度较低等问题逐渐被接触式测量所替代，市场份额逐渐减小。
4.非接触式检测方式有光探针法以及干涉法。光探针法将光束代替机械探针。干涉法分为双光束干涉、双波长干涉等。双光束干涉法等使用单波长光波的测量方法只能测得0到2π范围内的相位值。并且测量时，所测得的距离，是激光到达被测面后返回的路程，相当于实际被测距离的2倍。因此，干涉仪的测量距离被极大限制住，只能在λ/2范围内，实现精准测量。一旦待测距离超过λ/2(即干涉级次m大于等于1)，将因无法确定相位的2π倍数也就是干涉级次未知，而使测量结果不确定。双波长干涉可有效扩大干涉法测距的不模糊范围，然而，双波长干涉法会使得原本可忽略的误差扩大波长放大的倍数，严重影响测量精度。而且机械装配误差会引起光学系统的偏差，以及相位偏移，并且结构复杂。


技术实现要素：

5.本发明克服现有技术的不足，本发明提供一种移相干涉测量系统及测量方法。
6.本发明提供一种移相干涉测量系统，包括光源单元、参考反射镜、第一分束镜、扩束镜、移相器、光电探测器。
7.所述光源单元用于发出不同波长的光束，所述光束经所述扩束镜扩束后入射至所述第一分束镜，一部分被反射作为参考光束，另一部分被透射作为测量光束；
8.所述参考光束入射至所述参考反射镜，经所述参考反射镜反射至所述第一分束镜，经所述第一分束镜透射至所述光电探测器，所述参考反射镜与所述移相器固定连接，所述移相器控制所述参考反射镜沿所述参考光束方向往复移动对所述参考光束进行相位调制；
9.所述测量光束入射至待测物，经所述待测物反射回所述第一分束镜，经所述第一分束镜反射至所述光电探测器，且与所述参考光束发生干涉，通过分析干涉信息获取待测物表面待测点的高度值。
10.进一步地，还包括用于偏倚补偿矫正的位移测量单元，所述位移测量单元包括第二分束镜和位移测量仪；
11.所述测量光束经所述第二分束镜被分为反射光束和透射光束，所述反射光束被反射至所述位移测量仪；所述透射光束经待测物反射回所述第二分束镜，经所述第二分束镜透射至所述第一分束镜，经所述第一分束镜被反射至所述光电探测器，且与所述参考光束进行干涉。
12.进一步地，还包括控制单元，所述控制单元包括用于控制所述光源单元光束的波长和光强度的光源控制模块、用于控制所述移相器进行往复移动的相位控制模块、用于接收所述光电探测器的数据并计算待测物的面型的计算模块、用于补偿移相干涉测量系统误差的偏移补偿模块。
13.进一步地，所述光源单元包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一可变中性密度滤光片、第二可变中性密度滤光片、第三可变中性密度滤光片、第二反射镜、第三分束镜、第四分束镜；其中，
14.所述第一激光器发出的光束进入所述第一可变中性密度滤光片，滤光后进入所述第二反射镜，经所述第二反射镜反射后，依次经过所述第三分束镜的反射、所述第四分束镜的透射进入所述扩束镜；
15.所述第二激光器发出的光束进入所述第二可变中性密度滤光片，滤光后依次经过所述第三分束镜的反射、第四分束镜的透射进入所述扩束镜；
16.所述第三激光器发出的光束进入所述第三可变中性密度滤光片，滤光后经过所述第四分束镜的反射进入所述扩束镜。
17.进一步地，所述光源单元包括多波长激光光源、旋转滤光盘；
18.所述多波长激光光源发出的光束进入旋转滤光盘，经过滤光后进入所述扩束镜。
19.本发明还提供一种测量方法，包括如下步骤：
20.s1、对待测物表面的待测点进行测量，所述光源单元分时输出n路不同波长的光束，每输出一路光束，所述移相器往复移动p次进行光相位调制，所述光电探测器采集p次，通过所述光电探测器采集的数据计算每路光束的初相位其中，n为≥3的正整数，p为≥4的正整数；
21.s2、取两路波长长度差值最小的光束构成近波长；取两路波长长度差值最大的光束构成远波长；
[0022][0023][0024]
其中，λ
12
为近波长；λ
13
为远波长；λ1、λ2分别为波长差值最小的两束光束的波长；λ1、λ3分别为波长差值最大的两束光束的波长；
[0025][0026][0027]
其中，分别为波长λ1、λ2、λ3光束的相位；为近波长、远波长的相位差；
[0028]
s3、将公式(1)
‑
(4)代入如下公式：
[0029][0030]
其中，λ为所述光源单元输出的光束的波长，m为干涉级次，为所述光束的初相位，且所述待测物表面上待测点的高度值l的公式组如下；
[0031][0032][0033][0034]
令m＝0，将λ
12
代入公式(5)中，可求得公式(6)；
[0035]
将公式(6)中所算得的待测物11表面上待测点的高度值l代入公式(7)中，求得m
13
；将m
13
和代入公式(5)中再次求得所述待测点的高度值l，将再次求得的所述待测点的高度值l值代入公式(8)求出m3；
[0036]
其中，m
13
代表远波长对应的干涉级次，m3代表波长λ3所对应的干涉级次。
[0037]
进一步地，在步骤s3之后，还包括步骤s4：
[0038]
s4、分别对所述远波长的干涉级次m
13
、λ3所对应的干涉级次m3、λ3所对应的初相位进行圆整运算处理，获得相位修正后的远波长的干涉级次m'
13
、λ3所对应的干涉级次m'3、λ3所对应的初相位
[0039][0040][0041][0042]
其中，[]为圆整运算符号。
[0043]
进一步地，在步骤s4之后还包括步骤s5：
[0044]
s5、将所述干涉级次m'3、所述代入公式(5)中，获得所述待测物表面上待测点的高度值的精确值。
[0045]
进一步地，在步骤s5之后还包括步骤s6：
[0046]
s6、通过所述反射光束被反射至所述位移测量仪的位置信息对获得的待测物表面上待测点的高度值的精确值进行误差补偿，以获得无误差的待测物表面面型的轮廓信息。
[0047]
进一步地，误差补偿的具体方式为：无偏移量情况下，所述反射光束在所述位移测量仪上的入射点为(x0,y0)，发生偏移量后反射光束的入射点为(x1,y1)，通过计算两点间的偏移角度和距离来补偿入射点的偏移量，获得待测物表面面型的轮廓信息。
[0048]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0049]
1、解决了单波长干涉测量方法只能测得0到2π范围内的相位值；
[0050]
2、解决了现有干涉测量系统测量距离被极大限制住，只能在λ/2范围内，实现精准测量；
[0051]
3、通过位移测量仪解决现有干涉测量系统中，光路发生角度偏移带来的测量误差。
附图说明
[0052]
图1是本发明实施例1中的移相干涉测量系统的第一结构图；
[0053]
图2是本发明实施例2中的移相干涉测量系统的第二结构图；
[0054]
图3是本发明实施例3中的移相干涉测量方法的流程示意图；
[0055]
图4是本发明实施例3中的移相干涉测量方法的偏倚补偿的矫正的等效光路第一示意图；
[0056]
图5是本发明实施例3中的移相干涉测量方法的偏倚补偿的矫正的二维psd位移测量仪入射点于偏差点位置第一示意图；
[0057]
图6是本发明实施例3中的移相干涉测量方法的偏倚补偿的矫正的等效光路第二示意图。
[0058]
其中的附图标记如下：
[0059]
可调谐激光器1、第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103、旋转滤光盘2、第一可变中性密度滤光片201、第二可变中性密度滤光片202、第三可变中性密度滤光片203、第二反射镜3、第三分束镜401、第四分束镜402、扩束镜5、第一分束镜6、参考反射镜7、等效参考反射镜701、移相器8、光电探测器9、第二分束镜10、待测物11、位移测量仪12、等效位移测量仪1201、控制单元13、待测物表面前方的测距零点14。
具体实施方式
[0060]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0061]
实施例1：
[0062]
本实施例1提供一种移相干涉测量系统，包括光源单元、参考反射镜7、第一分束镜6、扩束镜5、移相器8、光电探测器9。
[0063]
如图1所示，光源单元包括能第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103、第一可变中性密度滤光片201、第二可变中性密度滤光片202、第三可变中性密度滤光片203、
第二反射镜3、第三分束镜401、第四分束镜402。第一激光器101发出的波长为λ1的光束，波长为λ1的光束进入第一可变中性密度滤光片201进行滤光，经滤光后进入第二反射镜3，经第二反射镜3反射后，依次经过第三分束镜401的透射、第四分束镜402的透射进入扩束镜5。第二激光器102发出的波长为λ2的光束进入第二可变中性密度滤光片202，滤光后依次经过第三分束镜401的透射、第四分束镜402的透射进入扩束镜5；第三激光器103发出的波长为λ3的光束进入第三可变中性密度滤光片203，滤光后经过第四分束镜402的反射进入扩束镜5。通过调节第一可变中性密度滤光片201、第二可变中性密度滤光片202、第三可变中性密度滤光片203可以实现光源单元出射的不同波长的光束的光强度统一，依次经过第二反射镜3的反射、第三分束镜401的透射、第四分束镜402的透射耦合成为等光强多波长的复合光源。
[0064]
光源单元发出的光束经扩束镜5扩束后，经第一分束镜6被分为两部分光束，一部分被反射作为参考光束，另一部分被透射作为测量光束，参考光束被参考反射镜7反射至光电探测器9，参考反射镜7与移相器8固定连接，移相器8控制参考反射镜7沿参考光束方向往复移动进行相位调制。实施例1中的移相器8为压电陶瓷移相器8，本发明对移相器8的种类不进行限定，可以根据实际应用情况进行选择。测量光束经待测物11表面反射回第一分束镜6，经第一分束镜6反射至光电探测器9，且与参考光束在光电探测器9发生干涉。
[0065]
本实施例1中，移相干涉测量系统通过控制第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103的开关，循环接替开启实现单波长或多波长的干涉，简化设备的同时避免机械装调误差等问题。通过对光电探测器9上干涉条纹信息的处理能够得到对待测物11表面进行检测获得待测物11的精确面型轮廓信息。
[0066]
本实施例1中的一种优选实施方式，移相干涉测量系统还包括用于偏倚补偿矫正的位移测量单元，位移测量单元包括第二分束镜10、位移测量仪12。位移测量仪12可以是四象限光电探测器或二维psd位移测量仪12等，本发明对此不进行限定，可以根据实际应用情况进行选择。测量光束经第二分束镜10被分为反射光束和第二透射光束，第二反射光束被反射至位移测量仪12；第二透射光束经待测物11反射回第二分束镜10，经第二分束镜10透射至第一分束镜6，经第一分束镜6被反射至光电探测器9，与参考光束进行干涉。
[0067]
由于移相干涉测量系统机械结构的标定误差，元器件安装误差等使光束并非垂直入射至待测物11表面，存在角度偏移量，因而使待测物高度的测量产生巨大偏差。本发明将角度偏移统一移加到待测物11表面，即默认入射光线满足水平要求，而被测面发生偏移，二者夹角实际并未改变，并统一进行补偿。本发明实施例以二维psd位移测量仪12为例进行描述，将二维psd位移测量仪12的中心点作为若无位移误差垂直入射点，通过计算真实入射点与无位移误差垂直入射点的偏差角度，通过数学方式来实现偏倚补偿的矫正。
[0068]
本实施例1中的一种优选实施方式，移相干涉测量系统还包括控制单元13，控制单元13包括用于控制光源单元发出光束的波长和光强度的光源控制模块、用于控制移相器8进行往复移动相位控制模块、用于接收所述光电探测器9的数据并计算待测物11的面型计算模块、用于补偿移相干涉测量系统误差的偏移补偿模块。本发明实施例中的控制单元13可以为数据采集板卡和上位机，本发明对此不进行限定，可以根据实际应用情况进行选择。
[0069]
实施例2：
[0070]
本实施例2提供一种移相干涉测量系统，包括光源单元、参考反射镜7、第一分束镜
6、扩束镜5、移相器8、光电探测器9。
[0071]
如图2所示，光源单元包括能够发出λ1‑
λ3波长的可调谐激光器1和旋转滤光盘2。多波长激光光源发出的光束进入旋转滤光盘2，经过滤光后进入扩束镜5。不同波长的光束入射至旋转滤光盘2，通过转动旋转滤光盘2可以改变不同波长的光束的光透过率，使不同波长的光束的光强度统一。
[0072]
可调谐激光器1发出的光束经扩束镜5扩束后，经第一分束镜6被分为参考光束和测量光束，参考光束被参考反射镜7反射至光电探测器9。参考反射镜7与移相器8固定连接，移相器8控制参考反射镜7沿参考光束方向往复移动进行相位调制；测量光束经待测物11表面反射后，入射至第一分束镜6，测量光束经第一分束镜6反射后与参考光束在光电探测器9发生干涉。本实施例2中的移相器8为压电陶瓷移相器8，本发明对此不进行限定，可以根据实际应用情况进行选择。
[0073]
本实施例2提供的移相干涉测量系统，通过控制可调谐激光器1发出不同波长的光束，循环接替开启实现单波长的干涉，简化设备的同时避免机械装调误差等问题。通过对光电探测器9上干涉条纹信息的处理能够得到对待测物11表面高度值，获得待测物11的精确面型轮廓信息。
[0074]
上述实施例1和2详细说明了本发明提供的移相干涉测量系统的结构，实施例1与实施例2的区别在于移相干涉测量系统发出不同波长激光光的方式不同，无论移相干涉测量系统采用哪种结构，利用移相干涉测量系统进行移相干涉测量的方法是相同的。
[0075]
实施例3
[0076]
本发明实施例3提供一种移相干涉测量方法，如图3所示，包括如下步骤：
[0077]
s1、使用移相干涉测量系统，对待测物11表面的待测点进行测量，光源控制模块控制光源单元分时输出3路波长分别为λ1、λ2、λ3的光束，每输出一路波长的光束，相位控制模块控制移相器8往复移动4次进行光相位调制，利用四部相移法通过光电探测器9采集的数据求的初相位
[0078]
使用光源控制模块开启波长λ1的光束进行干涉，相位控制模块控制移相器8往复移动4次进行相位调制，4次相位调制的相位分别是0、π/2、π、3π/2，即初始相位为0，，每次的相移变量为π/2，光电探测器9采集4次干涉灰度图，待测点的初相位满足公式：
[0079][0080]
其中，为初相位，i0、i1、i2、i3分别是光电探测器9采集的4次干涉的光强度，i
a
为干涉场的均匀光强分布，a为幅值调制的系数。
[0081]
同理，经计算模块通过公式(1)的计算，可求得λ1、λ2、λ3的光束的初相位
[0082]
s2、取两路波长长度差值最小的两束构成近波长；取两路波长长度差值最大的两束构成远波长。
[0083][0084][0085]
其中，分别为波长λ1、λ2、λ3光束的相位；λ
12
为近波长；λ
13
为远波长；λ1、λ2分别为波长差值最小的光束的波长；λ1λ3分别为波长差值最大的光束的波长；
[0086][0087]
其中，为近波长、远波长的相位差。
[0088]
由于近波长由波长相近的两束单色光λ1、λ2所合成，这样可以保证在同一点，两波长具有相同的干涉级次，不同的波长入射至待测物11表面的同一点时，高度l具有以下关系：
[0089][0090]
其中，m为干涉级次。
[0091]
经计算模块通过上述公式的计算，
[0092]
在满足相位差由此可知近波长的测量范围是
[0093]
近波长的波长相对于波长λ1、λ2、λ3较长，其工作范围可大于被测范围。相比于单波只有的测量范围，等效波长的测量范围可延展至较大范围。
[0094]
s3、将步骤s1、s2所获得的数值代入公式(7)中，其中，λ为光源单元输出的波长，m为干涉级次，为初相位，且待测物11表面上待测点的高度值l的公式组如下；
[0095]
[0096]
令m＝0，将λ
12
代入公式(7)中，可求得公式(8)。
[0097]
将公式(8)中求出待测物11表面上待测点的高度值l，代入公式(9)中，求得m
13
；将m
13
和代入公式(7)中再次求出待测点的高度值l，将再次求出的待测点的高度值l代入公式(10)中求出m3。
[0098]
其中，m
13
代表远波长对应的干涉级次，m3代表波长λ3所对应的干涉级次。
[0099]
本实施例3中的一种优选实施方式，测量方法在步骤s3后还包括步骤s4，
[0100]
s4、将求出的远波长的干涉级次m
13
、λ3所对应的干涉级次m3、λ3所对应的初相位通过计算模块进行圆整运算处理后可获得进行相位修正后的远波长的干涉级次、λ3所对应的干涉级次、λ3所对应的初相位；
[0101][0102][0103][0104]
其中，[]为圆整运算。
[0105]
本实施例3中的一种优选实施方式，测量方法在步骤s4后还包括步骤s5，
[0106]
s5、将经过相位修正后的λ3所对应的干涉级次m'3、λ3所对应的初相位代入公式(7)中，获得待测物11表面上待测点的高度值的精确值l。
[0107]
本实施例3中的一种优选实施方式，测量方法在步骤s5后还包括步骤s6。
[0108]
s6、通过反射光束被反射至位移测量仪12的位置信息对获得的待测点的高度值的精确值进行误差补偿，偏移补偿模块通过计算获得无误差的待测物11表面面型的轮廓信息。
[0109]
本实施例以位移测量仪12为二维psd位移测量仪12进行描述，如图4所示，当反射光束被反射至二维psd位移测量仪12时，无偏移量情况下应当沿虚线进入二维psd位移测量仪12，但实际存在偏移量，所以反射光束沿实线返回。被测距离l由于系统偏移量的存在，含有较大误差，实际计算测量值为l
′
。如图4所示，二维psd位移测量仪12在光路上等效二维psd位移测量仪12位置由几何关系可知：α1＝α2＝α3＝α4。
[0110]
如图5所示，二维psd位移测量仪12具有方形的光敏感接收面，光敏面接受信号后，二维psd位移测量仪12的四个电极x1、x2、y1、y2输出各自响应电流，并且电流的幅值与信号所处位置有关，其具体计算公式如(14)所示：
[0111][0112]
如图5所示，如果无偏移量情况下，反射光束在二维psd位移测量仪12上的入射点应为(x0,y0)，发生偏移量后反射光束的入射点移动到了(x1,y1)，两点之间距离为m1，m1计算公式如下：
[0113][0114]
将实际光路进行等效，如图6所示，二维psd位移测量仪12和等效二维psd位移测量仪1201中心位置与第二分束镜10对称中心距离记作q，将待测物表面前方的测距零点14与第二分束镜10距离记作p，则可用以下公式(16)计算偏移角度α1：
[0115][0116]
则角度偏移补偿后的l计算公式(17)，见下式：
[0117]
l＝l
′
·
cosα1ꢀꢀ
(17)。
[0118]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0119]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
[0120]
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。