一种基于宽带光空域-谱域显微干涉术的微位移量传感装置及测量方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于宽带光空域

【技术实现步骤摘要】
一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置及测量方法


[0001]本专利技术涉及光学领域，特别是一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置及测量方法。

技术介绍

[0002]随着机械制造、光学元件加工、电子工业等领域的发展，对于微位移量、微结构的测量工作要求越来越高。高精度位移传感器分为接触式和非接触式两种。其中，接触式位移传感器多采用宝石制成的小球配合电信号进行测量，在测量过程中由于测头在测量过程中接触表面，因此有划伤被测件表面的危险。对于表面轮廓陡度太大或者存在沟槽的元件，测头无法接触指定点，造成测量误差。
[0003]非接触式位移传感器多采用光学探头，测量精度高，不会损坏测量表面。宽带光干涉法作为一种高精度的非接触式位移传感器技术被广泛用于精密测量领域。传统的宽带光干涉法以白光垂直扫描法为代表，通过传感器或者被测面的轴向移动实现时域上光程差的扫描，通过对干涉信号包络极值位置的定位实现位移量传感。测量过程中需要大量的轴向扫描过程，测量效率不高，且测量过程中需要高精度的移相装置。国外的U Schnell等人最早报道了基于迈克尔逊型谱域干涉法的位移传感装置，根据载频谱域干涉条纹位相随波长变化的斜率关系实现位移传感，测量过程中无需扫描参考镜或者测试镜，提高了位移量测量的效率。但其装置基于迈克尔逊干涉仪，横向分辨率较低。国内的陈磊等专利技术人提出了基于干涉显微镜的谱域干涉位移传感装置。专利号201510463961.0的中国专利提供一种解决横向分辨率低问题的方案。谱域干涉法存在一个测量局限，即在测量
±
10μm范围内的小位移量时出现谱域干涉条纹畸变，导致测量范围存在“死区”，损失了很大的测量范围。如何克服谱域干涉法这一测量局限，提供一种更为完善的基于宽带光干涉的高精度大范围位移传感装置还未见报道。

技术实现思路

[0004]鉴于现有技术中谱域干涉法存在的测量局限，即在测量
±
10μm范围内的小位移量时出现谱域干涉条纹畸变，导致测量范围存在“死区”，损失了很大的测量范围。本专利技术克服谱域干涉法这一测量局限，提供了一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置及微位测量方法。
[0005]为实现上述专利技术目的，本专利技术采用下列步骤组成的技术方案：
[0006]一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置，所述微位移量传感装置的组成包括有宽带光源、柯勒照明系统、显微镜筒、干涉物镜、被测件、精密电控平台、分束器、科学CCD、导光光纤、多通道光谱仪和计算机；
[0007]所述宽带光源发出的光信号依次经过柯勒照明系统和显微镜筒，经显微镜筒中的分光镜反射后进入所述的干涉物镜，经过干涉物镜的半透半反膜分成参考光束和测试光
束，所述参考光束经过干涉物镜中的参考板反射，所述测试光束到达精密电控平台上的被测件，并在被测件表面产生反射，反射后的参考光束和测试光束沿原路返回并发生干涉，干涉信号依次经过干涉物镜、显微镜筒和分束器，并经分束器分为两支光束，一支光束由所述科学CCD采集，另一支经由导光光纤导入至所述的多通道光谱仪，所述科学CCD和多通道光谱仪分别与计算机电信号连接，所述的计算机连接并控制所述的精密电控平台，实现精密电控平台上被测件的位置变化实现微位移，所述计算机内设有信号计算模块，该信号计算模块采用傅里叶法处理空域干涉和谱域干涉信号，计算获得被测件在空间中的位移量。
[0008]在本专利技术一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置中，所述宽度光源为高功率卤素灯型宽带光源，所述宽度光源的光强大小可调，且由直流稳压电源调控变化。
[0009]在本专利技术一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置中，所述干涉物镜包括有迈克尔逊型干涉物镜或Mirau型干涉物镜。
[0010]在本专利技术一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置中，所述分束器由50:50的消色差分光棱镜配合两个短焦成像透镜构成，两个短焦成像透镜的光轴与消色差分光棱镜表面相互垂直，且光束经过分光棱镜后一分为二，两支光路光轴呈90
°
夹角。
[0011]在本专利技术一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置中，所述多通道光谱仪的光谱分辨率优于0.1nm，波长探测范围覆盖可见光波段，典型值为300
‑
1100nm。
[0012]一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量测量方法，该微位移量测量方法基于微位移量传感装置完成，所述微位移量传感装置的组成包括有宽带光源、柯勒照明系统、显微镜筒、干涉物镜、被测件、精密电控平台、分束器、科学CCD、导光光纤、多通道光谱仪和计算机，该方法包括如下步骤：
[0013]步骤1：调整所述精密电控平台的高度并对准被测件上的第一物点P1，使得所述科学CCD的视场正中心出现清晰的空域干涉条纹，调整所述精密电控平台的倾斜度，使得干涉条纹呈竖直，干涉条纹的数量为1
‑
5根；
[0014]步骤2：采集空域干涉条纹，采用傅里叶变换法处理单幅干涉条纹，根据纵向的高度差和条纹所覆盖的有效横向尺寸，可以标定物面倾斜系数α；
[0015]步骤3：调整所述精密电控平台平移并对准第二物点P2，根据所测微位移量大小，即P1和P2两点的台阶高度差，选择记录对比度良好的空域干涉条纹或者谱域干涉条纹，在
±
10μm的小位移量范围，记录空域干涉条纹，在超过
±
10μm的大位移量范围，记录谱域干涉条纹；
[0016]步骤4：对获取的单幅空域干涉图采用傅里叶变换法提取位移量；
[0017]步骤5：重复步骤4对获取的谱域干涉图采用傅里叶变换法提取位移量。
[0018]在上述基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量测量方法中，在所述的步骤4中，对于空域干涉信号：
[0019]步骤61：采用傅里叶法处理单幅空域干涉图，根据有效空域条纹区域的位相差标定物面的倾斜系数:
[0020][0021]其中ΔL为空域条纹所占据的有效横向空间尺寸，ΔZ为ΔL范围内引入的高度差；
[0022]步骤62：沿垂直于空域干涉条纹方向取一条截线，采用高斯函数拟合该条截线上的光强值，得出截线包络极值与科学CCD视场中心的距离值L；
[0023]步骤63：计算出待测位移量Z的具体数值：
[0024][0025]其中为β干涉物镜的倍率，在给出的系统中β＝2。
[0026]在上述基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量测量方法中，在所述的步骤5中，对于谱域干涉信号：
[0027]步骤71：将光谱仪记录的波长域干涉信号转换至波数域干涉信号；
[0028]步骤72：采用傅里本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于宽带光空域
‑
谱域显微干涉术的微位移量传感装置，其特征在于，所述微位移量传感装置的组成包括有宽带光源(1)、柯勒照明系统(2)、显微镜筒(3)、干涉物镜(4)、被测件(5)、精密电控平台(6)、分束器(7)、科学CCD(8)、导光光纤(9)、多通道光谱仪(10)和计算机(11)；所述宽带光源(1)发出的光信号依次经过柯勒照明系统(2)和显微镜筒(3)，经显微镜筒(3)中的分光镜反射后进入所述的干涉物镜(4)，经过干涉物镜(4)的半透半反膜分成参考光束和测试光束，所述参考光束经过干涉物镜(4)中的参考板反射，所述测试光束到达精密电控平台(6)上的被测件(5)，并在被测件(5)表面产生反射，反射后的参考光束和测试光束沿原路返回并发生干涉，干涉信号依次经过干涉物镜(4)、显微镜筒(3)和分束器(7)，并经分束器(7)分为两支光束，一支光束由所述科学CCD(8)采集，另一支经由导光光纤(9)导入至所述的多通道光谱仪(10)，所述科学CCD(8)和多通道光谱仪(10)分别与计算机(11)电信号连接，所述的计算机(11)连接并控制所述的精密电控平台(6)，实现精密电控平台(6)上被测件(5)的位置变化实现微位移，所述计算机(11)内设有信号计算模块，该信号计算模块采用傅里叶法处理空域干涉和谱域干涉信号，计算获得被测件(5)在空间中的位移量。2.根据权利要求1所述的空域
‑
谱域显微干涉位移传感装置，其特征在于，所述宽度光源(1)为高功率卤素灯型宽带光源，所述宽度光源(1)的光强大小可调，且由直流稳压电源调控变化。3.根据权利要求1所述的空域
‑
谱域显微干涉位移传感装置，其特征在于，所述干涉物镜(4)包括有迈克尔逊型干涉物镜或Mirau型干涉物镜。4.根据权利要求1所述的空域
‑
谱域显微干涉位移传感装置，其特征在于，所述分束器(7)由50:50的消色差分光棱镜配合两个短焦成像透镜构成，两个短焦成像透镜的光轴与消色差分光棱镜表面相互垂直，且光束经过分光棱镜后一分为二，两支光路光轴呈90
°
夹角。5.根据权利要求1所述的空域
‑
谱域显微干涉位移传感装置，其特征在于，所述多通道光谱仪(10)的光谱分辨率优于0.1nm，波长探测范围覆盖可见光波段，典型值为300
‑
1100nm。6.根据权利要求1所述的空域
‑
谱域显微干涉位移传感装置，其特征在于，所述的信号计算模块中执行如下操作：对于空域干涉信号：步骤61：采用傅里叶法处理单幅空域干涉图，根据有效空域条纹区域的位相差标定物面的倾斜系数:其中ΔL为空域条纹所占据的有效横向空间尺寸，ΔZ为ΔL范围内引入的高度差；步骤62：沿垂直于空域干涉条纹方向取一条截线，采用高斯函数拟合该条截线上的光强值，得出截线包络极值与科学CCD(8)视场中心的距离值L；步骤63：计算出待测位移量Z的具体数值：其中为β干涉物镜的倍率，在给出的系统中β＝2；
对于谱域干涉信号：步骤71：将光谱仪记录的波长域干涉信号转换至波数域...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑权，崔勇，季来林，饶大幸，贺瑞敬，刘佳，史建，张发旺，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所，
类型：发明
国别省市：