專利名稱：一種可調(diào)諧拍波線掃描的表面三維干涉測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)測量領(lǐng)域，尤其涉及一種大量程及高分辨率的表面三維測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的與此技術(shù)相接近的文獻(xiàn)有以下兩個(gè)[1]D. P. Hand, Τ. 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(bào))，第 18 卷，第 16 期，P. 1361-1363)文獻(xiàn)[1]的技術(shù)原理如圖1所示。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(gè)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(hào)由探測器Dl探測，干涉信號(hào)的相位決定于被測表面被測點(diǎn)的縱向高度；改變?cè)摷す馄鞯尿?qū)動(dòng)電流以改變激光器的發(fā)光頻率，用四種不同頻率的光對(duì)同一點(diǎn)進(jìn)行測量，得到四個(gè)干涉信號(hào)，由于入射光波頻率不同，四個(gè)干涉信號(hào)的位相就不同，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，使相鄰兩個(gè)干涉信號(hào)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
D = -^tan1
(I —I、
1A 1 2
T-T1
V7I 73 J
4πνIn(η = 1，2，3，4)是第η次干涉信號(hào)的強(qiáng)度，c是光速，ν是入射光頻率。步進(jìn)電機(jī)再帶動(dòng)測量頭橫向掃描被測表面，即完成對(duì)被測表面的測量。[2]Dejiao 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. 12, Issue 23，2004，P. 5729-5734. (Optics Express (光學(xué)特快)，2004 年，第 12 卷，第 23 期，P. 5729-5734)文獻(xiàn)[2]的技術(shù)原理圖如圖2所示。此系統(tǒng)包含兩個(gè)光路幾乎重合的邁克爾遜干涉儀。一個(gè)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(gè)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€(gè)干涉儀的參考臂共用一個(gè)反射鏡，兩個(gè)干涉儀的參考臂光路完全重合，又由于兩個(gè)干涉儀的測量臂幾乎重合， 所以，一個(gè)干涉儀穩(wěn)定了，另一個(gè)干涉儀也就穩(wěn)定了。由半導(dǎo)體激光器發(fā)出波長為λ ^的光經(jīng)過兩個(gè)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(hào)經(jīng)過環(huán)行器后，被另一個(gè)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(hào)經(jīng)過伺服電路處理后驅(qū)動(dòng)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(gè)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?？烧{(diào)諧激光器發(fā)出的波長入1]]可變的光經(jīng)過兩個(gè)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(hào)， 此干涉信號(hào)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。上述兩個(gè)現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足是1、是點(diǎn)掃描測量方式，需要二維掃描才能完成表面三維測量。2、測量量程受入射光波波長λ的限制，測量量程很小，小于λ/2，不能對(duì)臺(tái)階高度大于半波長的不連續(xù)表面進(jìn)行測量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用拍波光片線掃描被測表面進(jìn)行三維干涉測量，只需一維掃描即可完成表面三維測量；融合拍波干涉和單波長干涉的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大量程及高分辨率測量的目的，能夠?qū)ε_(tái)階高度大于半波長的不連續(xù)表面進(jìn)行測量。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明提供了一種可調(diào)諧拍波線掃描的表面三維干涉測量系統(tǒng)，由寬帶光源Si、 兩個(gè)光纖隔離器Il和12、三個(gè)自準(zhǔn)直鏡Ζ1、Ζ2和^3、兩個(gè)衍射光柵Gl和G2、七個(gè)平柱透鏡 Ll L7、兩個(gè)線陣光電耦合器CXDl和(XD2、三個(gè)光闌GLl、GL3和GL3、3dB_耦合器Ni、分光鏡BS、縱向微動(dòng)工作臺(tái)Ml、橫向微動(dòng)工作臺(tái)M2、數(shù)據(jù)采集卡Bi、信號(hào)發(fā)生器B3、驅(qū)動(dòng)控制 B4、計(jì)算機(jī)B2和結(jié)果輸出B5組成；寬帶光源Sl發(fā)出的光經(jīng)過光纖隔離器Il以及3dB_耦合器m后被分為兩路，一路光經(jīng)過自準(zhǔn)直鏡Zl后被準(zhǔn)直成平行光束，另一路光經(jīng)過光纖隔離器12及自準(zhǔn)直鏡Z2后也被準(zhǔn)直成平行光束，這兩束平行光以夾角△ i入射到衍射光柵 Gl的同一點(diǎn)上，光闌GLl的作用是去掉雜散光，衍射光柵Gl將這兩束平行光色散成波長在空間連續(xù)分布的兩片扇形光片，這兩片扇形光片橫向錯(cuò)位且部分重疊，重疊區(qū)域也是一個(gè)扇形光片，在重疊的扇形光片中的任一點(diǎn)均是由兩種不同的波長合成而成的拍波，扇形光片經(jīng)過光闌GL2，光闌GL2將未重疊區(qū)域?yàn)V掉，平柱透鏡Ll將重疊區(qū)域的扇形光片準(zhǔn)直成平行光片，此平行光片是由一系列并行的拍波組成的拍波平行光片，此拍波平行光片到達(dá)分光鏡BS，一半的光強(qiáng)透射，另一半的光強(qiáng)被反射出測量系統(tǒng)，透射光垂直入射到平柱透鏡 L2的平面上，該平面鍍了部分反射膜，一部分光強(qiáng)被反射，此反射光作為參考光，另一部分的光強(qiáng)透射，透射光被平柱透鏡L2聚焦成細(xì)光線，此光線掃描被測表面T，由被測表面T反射或散射回系統(tǒng)，經(jīng)過平柱透鏡L2后與參考光相遇并發(fā)生拍波干涉，形成拍波干涉光片， 此拍波干涉光片到達(dá)分光鏡BS，一半的光強(qiáng)被反射，另一半光強(qiáng)透射，反射的拍波干涉光片垂直入射到平柱透鏡L3上，平柱透鏡L3和L4共焦，且平柱透鏡L3的焦距小于平柱透鏡L4 的焦距，拍波干涉光片經(jīng)過平柱透鏡L3和L4后被擴(kuò)展成更寬的光片，此光片由線陣光電耦合器CCDl探測；透過分光鏡BS的拍波干涉光片經(jīng)過平柱透鏡Ll后被聚焦到衍射光柵Gl上，原來由自準(zhǔn)直鏡Zl和Z2準(zhǔn)直的兩束平行光色散成的兩片重疊的扇形光片，現(xiàn)在又成了兩束平行光，沿原路分別入射到自準(zhǔn)直鏡Zl和Z2中，入射到自準(zhǔn)直鏡Z2的光因?yàn)楣饫w隔離器12的作用不能到達(dá)3dB-耦合器附，入射到自準(zhǔn)直鏡Zl的光束經(jīng)過3dB-耦合器m后被分成兩束，一束光到達(dá)光纖隔離器II，由于光纖隔離器Il的作用不能到達(dá)光源，因此不會(huì)對(duì)光源產(chǎn)生影響，另一束光到達(dá)自準(zhǔn)直鏡Z3，被自準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直成平行光束，入射到衍射光柵G2上，光闌GL3的作用也是去掉雜散光，此平行光束由衍射光柵G2再次色散成波長在空間連續(xù)分布的扇形光片，由平柱透鏡L5準(zhǔn)直成波長在空間連續(xù)分布的平行光片，此平行光片垂直入射到平柱透鏡L6上，平柱透鏡L6和L7共焦，且平柱透鏡L6的焦距小于平柱透鏡L7的焦距，此干涉光片經(jīng)過兩個(gè)平柱透鏡L6和L7后被擴(kuò)展成更寬的光片，由線陣光電耦合器CCD2探測；線陣光電耦合器CCDl和CCD2探測到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡Bi，由計(jì)算機(jī)B2中的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，由結(jié)果輸出B5輸出測量結(jié)果，完成表面二維測量；計(jì)算機(jī)B2輸出信號(hào)至驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)橫向微動(dòng)工作臺(tái)M2，光線橫向掃描被測表面T，再對(duì)兩個(gè)線陣光電耦合器CCDl和CCD2探測到的信號(hào)作相同的處理，即完成表面三維測量。所述信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生周期性鋸齒波，對(duì)光路中的縱向微動(dòng)工作臺(tái)Ml加周期性的鋸齒波電壓，周期性地線性調(diào)節(jié)干涉光路的光程差，對(duì)拍波干涉信號(hào)和單波長干涉信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，調(diào)節(jié)鋸齒波電壓的幅值，使拍波干涉信號(hào)的周期與鋸齒波的周期相同。進(jìn)一步，作為優(yōu)選方案，衍射光柵Gl將夾角為△ i的兩束平行光束色散成波長在空間連續(xù)分布的扇形光片，這兩片扇形光片部分重疊，重疊部分由平柱透鏡Ll轉(zhuǎn)換成拍波平行光片。進(jìn)一步，作為優(yōu)選方案，線陣光電耦合器CCDl探測到拍波干涉信號(hào)，線陣光電耦合器CCD2探測到單波長干涉信號(hào)；融合兩個(gè)光電耦合器CCDl和CCD2探測到的信號(hào)，拍波干涉信號(hào)用于決定測量系統(tǒng)的測量量程，使測量量程擴(kuò)大為半拍波波長，單波長干涉信號(hào)用于決定測量分辨率，使測量分辨率為單波長干涉測量的高分辨率。本發(fā)明的有益效果主要有三個(gè)1、本發(fā)明利用拍波光片線掃描被測表面實(shí)現(xiàn)三維干涉測量，只需一維掃描即可完成表面三維測量，極大地簡化機(jī)構(gòu)，提高測量速度。2、本發(fā)明利用拍波干涉信號(hào)決定測量系統(tǒng)的測量量程，使得測量量程為半拍波波長，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于現(xiàn)有技術(shù)的半光波波長的測量量程。3、本發(fā)明利用單波長干涉信號(hào)決定測量系統(tǒng)的測量分辨率，使得測量系統(tǒng)在具有大測量量程的同時(shí)，仍然具有單波長干涉測量的高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[1]的總原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[2]的實(shí)現(xiàn)表面測量原理圖；圖3是本發(fā)明原理圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖3和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。如圖3所示，一種可調(diào)諧拍波線掃描的表面三維干涉測量系統(tǒng)，由寬帶光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖隔離器Ii以及3dB-耦合器m后被分為兩路，一路光經(jīng)過自準(zhǔn)直鏡Zl被準(zhǔn)直成平行光束，另一路光經(jīng)過光纖隔離器12及自準(zhǔn)直鏡Z2后也被準(zhǔn)直成平行光束。這兩束平行光以夾角Ai入射到衍射光柵Gl的同一點(diǎn)上，光闌GLl的作用是去掉雜散光。衍射光柵Gl將這兩束平行光色散成波長在空間連續(xù)分布的兩片扇形光片。由于兩束平行光的入射角不同，所以這兩片扇形光片橫向錯(cuò)位且部分重疊，重疊區(qū)域也是一個(gè)扇形光片。在重疊的扇形光片中的任一點(diǎn)均是由兩種不同的波長合成而成的拍波。扇形光片經(jīng)過光闌GL2， 光闌GL2將未重疊區(qū)域?yàn)V掉，平柱透鏡Ll將重疊區(qū)域的扇形光片準(zhǔn)直成平行光片，此平行光片是由一系列并行的拍波組成的拍波平行光片。此拍波平行光片到達(dá)分光鏡BS，一半的光強(qiáng)透射，另一半的光強(qiáng)被反射出測量系統(tǒng)。透射光垂直入射到平柱透鏡L2的平面上，該平面鍍了部分反射膜，一部分光強(qiáng)被反射，此反射光作為參考光，另一部分的光強(qiáng)透射，透射光被平柱透鏡L2聚焦成細(xì)光線。此光線掃描被測表面T，由被測表面T反射(或散射) 回系統(tǒng)，經(jīng)過平柱透鏡L2后與參考光相遇并發(fā)生拍波干涉，形成拍波干涉光片。此拍波干涉光片到達(dá)分光鏡BS，一半的光強(qiáng)被反射，另一半光強(qiáng)透射。反射的拍波干涉光片垂直入射到平柱透鏡L3上，平柱透鏡L3和L4共焦，且平柱透鏡L3的焦距小于平柱透鏡L4的焦距，所以拍波干涉光片經(jīng)過平柱透鏡L3和L4后被擴(kuò)展成更寬的光片，此光片由線陣光電耦合器CCDl探測，線陣光電耦合器CCDl不同的像元探測到被測表面T對(duì)應(yīng)點(diǎn)反射回來的拍波與參考光產(chǎn)生的拍波干涉信號(hào)，被測點(diǎn)的縱向(垂直于被測表面方向)信息包含在此拍波干涉信號(hào)的相位中，可對(duì)梯度達(dá)半拍波波長的不連續(xù)表面進(jìn)行測量，測量量程達(dá)半拍波波長。因相位測量的分辨率是一定的，拍波波長遠(yuǎn)大于光波波長，所以拍波干涉的測量分辨率遠(yuǎn)低于單波長干涉的測量分辨率。為了在得到大的測量量程的同時(shí)，得到高的測量分辨率，本測量系統(tǒng)利用線陣光電耦合器CCD2 (與線陣光電耦合器CCDl型號(hào)相同)探測單波長光片掃描被測表面形成的單波長干涉信號(hào)，通過解調(diào)線陣光電耦合器CCD2探測到的干涉信號(hào)可得到單波長干涉測量的高分辨率。具體實(shí)現(xiàn)說明如下。拍波干涉光片到達(dá)分光鏡BS后，一半的光強(qiáng)被反射，此部分光經(jīng)過平柱透鏡L3和 L4后被線陣光電耦合器CCDl探測；另一半光強(qiáng)透過分光鏡BS，此拍波干涉光片經(jīng)過平柱透鏡Ll后被聚焦到衍射光柵Gl上。原來由自準(zhǔn)直鏡Zl和Z2準(zhǔn)直的兩束平行光色散成的兩片重疊的扇形光片，現(xiàn)在又成了兩束平行光，沿原路分別入射到自準(zhǔn)直鏡Zl和Z2中，這兩束平行光都攜帶了被測表面T的信息。入射到自準(zhǔn)直鏡Z2的光因?yàn)楣饫w隔離器12的作用不能到達(dá)3dB-耦合器附。入射到自準(zhǔn)直鏡Zl的光束經(jīng)過3dB-耦合器附后被分成兩束， 一束光到達(dá)光纖隔離器II，由于光纖隔離器Il的作用不能到達(dá)光源，因此不會(huì)對(duì)光源產(chǎn)生影響。另一束光到達(dá)自準(zhǔn)直鏡23，被D準(zhǔn)直成平行光束，投射到衍射光柵G2上(Gl和G2 同型號(hào)同參數(shù))，光闌GL3的作用也是去掉雜散光。此平行光束由衍射光柵G2再次色散成波長在空間連續(xù)分布的扇形光片，由平柱透鏡L5準(zhǔn)直成波長在空間連續(xù)分布的平行光片。 此平行光片是拍波平行光片掃描被測表面T時(shí)，組成拍波平行光片的兩片光片之中的一片光片，由被測表面T反射(或散射)的光和與此光片對(duì)應(yīng)的參考光片產(chǎn)生的干涉信號(hào)。此干涉光片垂直入射到平柱透鏡L6上，平柱透鏡L6和L7共焦，且平柱透鏡L6的焦距小于平柱透鏡L7的焦距，此干涉光片經(jīng)過兩個(gè)平柱透鏡L6和L7后被擴(kuò)展成更寬的光片，由線陣光電耦合器CCD2探測。因此，線陣光電耦合器CCD2的每個(gè)像元探測到的是被測表面T對(duì)應(yīng)點(diǎn)反射回來的單波長與對(duì)應(yīng)的參考光產(chǎn)生的單波長干涉信號(hào)，被測表面T的縱向(垂直于被測表面方向)信息也包含在此單波長干涉信號(hào)中。來自自準(zhǔn)直鏡Zl和的兩束平行光以相同的入射角分別入射到衍射光柵Gl和 G2上，因?yàn)檠苌涔鈻臛l和G2的參數(shù)相同，平柱透鏡Ll和L5的參數(shù)相同，平柱透鏡L3和 L6的參數(shù)相同，平柱透鏡L4和L7的參數(shù)相同。因此，線陣光電耦合器CXDl的每個(gè)像元探測到的拍波干涉信號(hào)與線陣光電耦合器CCD2對(duì)應(yīng)的像元探測到的單波長干涉信號(hào)均是由被測表面T上同一點(diǎn)的反射(散射)光形成的，它們的相位包含的是同一點(diǎn)的縱向(垂直于被測表面方向)信息。只要比較測量出兩個(gè)線陣光電耦合器CXDl和(XD2兩兩相鄰像元探測到的干涉信號(hào)的相位差，即可計(jì)算出被測表面T對(duì)應(yīng)相鄰兩點(diǎn)之間的縱向變化量。為了比較測量線陣光電耦合器CCDl和CCD2兩兩相鄰像元探測到的干涉信號(hào)的相位差，本系統(tǒng)對(duì)干涉信號(hào)進(jìn)行了調(diào)制。由信號(hào)發(fā)生器發(fā)出周期性的鋸齒波電壓驅(qū)動(dòng)一維縱向微動(dòng)工作臺(tái)Ml縱向調(diào)節(jié)干涉光路的光程差，光程調(diào)節(jié)幅值為線陣光電耦合器CCDl探測到的最大的半拍波波長 (因拍波平行光片在垂直于波的傳播方向上每一點(diǎn)的拍波波長不同)，兩個(gè)線陣光電耦合器CCDl和CCD2分別探測到一個(gè)鋸齒波周期內(nèi)的拍波干涉信號(hào)和單波長干涉信號(hào)，將這兩路干涉信號(hào)和鋸齒波信號(hào)同時(shí)輸入數(shù)據(jù)采集卡Bi，由計(jì)算機(jī)B2采樣并記錄兩個(gè)線陣光電耦合器CCDl和CCD2在一個(gè)鋸齒波周期內(nèi)探測到的干涉信號(hào)，由計(jì)算機(jī)中的程序作數(shù)據(jù)處理后即可分別得到兩個(gè)線陣光電耦合器CCDl和CCD2兩兩相鄰像元探測到的干涉信號(hào)的相位差，即可計(jì)算出對(duì)應(yīng)被測點(diǎn)的縱向相對(duì)變化量，由結(jié)果輸出B5輸出測量結(jié)果，即完成表面二維測量；計(jì)算機(jī)B2發(fā)出信號(hào)給驅(qū)動(dòng)控制B4驅(qū)動(dòng)橫向微動(dòng)工作臺(tái)，光線橫向掃描被測表面T，再對(duì)兩個(gè)線陣光電耦合器CCDl和CCD2對(duì)應(yīng)的每對(duì)像元探測到的干涉信號(hào)作相同的處理，即完成表面三維測量。通過調(diào)節(jié)自準(zhǔn)直鏡Zl和Z2出射的兩束平行光的夾角Δ i的大小，可以調(diào)節(jié)兩片平行光片的重疊區(qū)域的大小，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)合成波波長大小的調(diào)節(jié)，得到大的測量量程，以測量大臺(tái)階不連續(xù)表面。為了舉例說明本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)，描述了上述的具體實(shí)例。但本發(fā)明的其他變化和修改，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯而易見的，在本發(fā)明無公開內(nèi)容的實(shí)質(zhì)和基本原則范圍內(nèi)的任何修改/變化或仿效變換都屬于本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種可調(diào)諧拍波線掃描的表面三維干涉測量系統(tǒng)，其特征在于它是由寬帶光源 (Si)、兩個(gè)光纖隔離器(11，12)、三個(gè)自準(zhǔn)直鏡(Z1，Z273)、兩個(gè)衍射光柵(G1，G2)、七個(gè)平柱透鏡(Li L7)、兩個(gè)線陣光電耦合器(CCD1，CCD2)、三個(gè)光闌(GLl, GL2，GL!3)、3dB-耦合器(W)、分光鏡(BS)、縱向微動(dòng)工作臺(tái)(Ml)、橫向微動(dòng)工作臺(tái)(iC)、數(shù)據(jù)采集卡(Bi)、信號(hào)發(fā)生器(B3)、驅(qū)動(dòng)控制(B4)、計(jì)算機(jī)(B2)和結(jié)果輸出(B5)組成；寬帶光源(Si)發(fā)出的光經(jīng)過光纖隔離器(Il)以及3dB-耦合器(Ni)后被分為兩路，一路光經(jīng)過自準(zhǔn)直鏡(Zl) 后被準(zhǔn)直成平行光束，另一路光經(jīng)過光纖隔離器(1 及自準(zhǔn)直鏡m后也被準(zhǔn)直成平行光束，這兩束平行光以夾角Ai入射到衍射光柵(Gl)的同一點(diǎn)上，光闌(GLl)的作用是去掉雜散光，衍射光柵(Gl)將這兩束平行光色散成波長在空間連續(xù)分布的兩片扇形光片，這兩片扇形光片橫向錯(cuò)位且部分重疊，重疊區(qū)域也是一個(gè)扇形光片，在重疊的扇形光片中的任一點(diǎn)均是由兩種不同的波長合成而成的拍波，扇形光片經(jīng)過光闌(GL2)，光闌(GL2)將未重疊區(qū)域?yàn)V掉，平柱透鏡(Li)將重疊區(qū)域的扇形光片準(zhǔn)直成平行光片，此平行光片是由一系列并行的拍波組成的拍波平行光片，此拍波平行光片到達(dá)分光鏡(BS)，一半的光強(qiáng)透射， 另一半的光強(qiáng)被反射出測量系統(tǒng)，透射光垂直入射到平柱透鏡(U)的平面上，該平面鍍了部分反射膜，一部分光強(qiáng)被反射，此反射光作為參考光，另一部分光強(qiáng)透射，透射光被平柱透鏡(L2)聚焦成細(xì)光線，此光線掃描被測表面T，由被測表面T反射或散射回系統(tǒng)，經(jīng)過平柱透鏡(L2)后與參考光相遇并發(fā)生拍波干涉，形成拍波干涉光片，此拍波干涉光片到達(dá)分光鏡(BQ，一半的光強(qiáng)被反射，另一半光強(qiáng)透射，反射的拍波干涉光片垂直入射到平柱透鏡 (L3)上，平柱透鏡(L3)和(L4)共焦，且平柱透鏡(L3)的焦距小于平柱透鏡(L4)的焦距， 拍波干涉光片經(jīng)過平柱透鏡(U)和(L4)后被擴(kuò)展成更寬的光片，此光片由線陣光電耦合器(CCDl)探測；透過分光鏡(BQ的拍波干涉光片經(jīng)過平柱透鏡(Li)后被聚焦到衍射光柵 (Gl)上，原來由自準(zhǔn)直鏡(Zl)和、 )準(zhǔn)直的兩束平行光色散成的兩片重疊的扇形光片，現(xiàn)在又成了兩束平行光，沿原路分別入射到自準(zhǔn)直鏡(Zl)和、 )中，入射到自準(zhǔn)直鏡(Z2) 的光因?yàn)楣饫w隔離器(12)的作用不能到達(dá)3dB-耦合器(m)，入射到自準(zhǔn)直鏡(Zl)的光束經(jīng)過3dB-耦合器(Ni)后被分成兩束，一束光到達(dá)光纖隔離器(II)，由于光纖隔離器(Il) 的作用不能到達(dá)光源，因此不會(huì)對(duì)光源產(chǎn)生影響，另一束光到達(dá)自準(zhǔn)直鏡(Z3)，被自準(zhǔn)直鏡 (Z3)準(zhǔn)直成平行光束，入射到衍射光柵(G2)上，光闌(GL3)的作用也是去掉雜散光，此平行光束由衍射光柵(6 再次色散成波長在空間連續(xù)分布的扇形光片，由平柱透鏡(L5)準(zhǔn)直成波長在空間連續(xù)分布的平行光片，此平行光片垂直入射到平柱透鏡(L6)上，平柱透鏡 (L6)和(L7)共焦，且平柱透鏡(L6)的焦距小于平柱透鏡(L7)的焦距，此干涉光片經(jīng)過兩個(gè)平柱透鏡(L6)和(L7)后被擴(kuò)展成更寬的光片，由線陣光電耦合器(CCD》探測；線陣光電耦合器(CCD1，CCM)探測到的信號(hào)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡(Bi)，由計(jì)算機(jī)(B》中的程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，由結(jié)果輸出(BQ輸出測量結(jié)果，完成表面二維測量；計(jì)算機(jī)(B》輸出信號(hào)至驅(qū)動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)橫向微動(dòng)工作臺(tái)(M2)，光線橫向掃描被測表面，再對(duì)兩個(gè)線陣光電耦合器CCDl 和CCD2探測到的信號(hào)作相同的處理，即完成表面三維測量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧拍波線掃描的表面三維干涉測量系統(tǒng)，其特征在于衍射光柵(Gl)將夾角為Ai的兩束平行光束色散成波長在空間連續(xù)分布的扇形光片， 這兩片扇形光片部分重疊，重疊部分由平柱透鏡(Li)轉(zhuǎn)換成拍波平行光片。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可調(diào)諧拍波線掃描的表面三維干涉測量系統(tǒng)，其特征在于線陣光電耦合器(CCDl)探測到拍波干涉信號(hào)，線陣光電耦合器(CCD2)探測到單波長干涉信號(hào)，融合兩個(gè)光電耦合器(CCD1，CCD2)探測到的信號(hào)，拍波干涉信號(hào)用于決定測量系統(tǒng)的測量量程，使測量量程擴(kuò)大為半拍波波長，單波長干涉信號(hào)用于決定測量分辨率，使測量分辨率為單波長干涉測量的高分辨率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種可調(diào)諧拍波線掃描的大量程高分辨率表面三維干涉測量系統(tǒng)，屬于光學(xué)測量技術(shù)領(lǐng)域。所述系統(tǒng)由寬帶光源、兩個(gè)光纖隔離器、三個(gè)光闌、三個(gè)自準(zhǔn)直鏡、兩個(gè)衍射光柵、七個(gè)平柱透鏡、兩個(gè)線陣光電耦合器、3dB-耦合器、分光鏡、縱向微動(dòng)工作臺(tái)、橫向微動(dòng)工作臺(tái)、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)發(fā)生器、驅(qū)動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)和結(jié)果輸出組成；利用拍波光片掃描被測表面，一個(gè)線陣光電耦合器探測拍波干涉信號(hào)，使量程為半拍波波長，另一線陣光電耦合器探測單波長干涉信號(hào)來決定分辨率，使系統(tǒng)有大量程及高分辨率。調(diào)節(jié)拍波波長，可得不同量程。只需一維掃描即完成表面三維測量，簡化了機(jī)構(gòu)，提高了測量速度。共路干涉使系統(tǒng)有強(qiáng)抗干擾性，適合在線測量。
文檔編號(hào)G01D21/00GK102538866SQ20111043985
公開日2012年7月4日 申請(qǐng)日期2011年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月23日
發(fā)明者劉義秦, 李昭瑩, 謝芳, 馬森 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)