一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统

摘要

本发明公开了一种可调谐拍波线扫描的大量程高分辨率表面三维干涉测量系统，属于光学测量技术领域。所述系统由宽带光源、两个光纤隔离器、三个光阑、三个自准直镜、两个衍射光栅、七个平柱透镜、两个线阵光电耦合器、3dB-耦合器、分光镜、纵向微动工作台、横向微动工作台、数据采集卡、信号发生器、驱动控制、计算机和结果输出组成；利用拍波光片扫描被测表面，一个线阵光电耦合器探测拍波干涉信号，使量程为半拍波波长，另一线阵光电耦合器探测单波长干涉信号来决定分辨率，使系统有大量程及高分辨率。调节拍波波长，可得不同量程。只需一维扫描即完成表面三维测量，简化了机构，提高了测量速度。共路干涉使系统有强抗干扰性，适合在线测量。

主权项

一种可调谐拍波线扫描的表面三维干涉测量系统，其特征在于：它是由宽带光源（S1）、第一光纤隔离器（I1）、第二光纤隔离器（I2）、第一自准直镜（Z1）、第二自准直镜（Z2）、第三自准直镜（Z3）、第一衍射光栅（G1）、第二衍射光栅（G2）、第一平柱透镜（L1）、第二平柱透镜（L2）、第三平柱透镜（L3）、第四平柱透镜（L4）、第五平柱透镜（L5）、第六平柱透镜（L6）、第七平柱透镜（L7）、第一线阵光电耦合器（CCD1）、第二线阵光电耦合器（CCD2）、第一光阑（GL1）、，第二光阑（GL2）、第三光阑（GL3）、3dB‑耦合器（N1）、分光镜（BS）、纵向微动工作台（M1）、横向微动工作台（M2）、数据采集卡（B1）、信号发生器（B3）、驱动控制部件（B4）、计算机（B2）和结果输出部件（B5）组成；宽带光源（S1）发出的光经过第一光纤隔离器（I1）以及3dB‑耦合器（N1）后被分为两路，一路光经过第一自准直镜（Z1）后被准直成平行光束，另一路光经过第二光纤隔离器（I2）及第二自准直镜（Z2）后也被准直成平行光束，这两束平行光以夹角Δi入射到第一衍射光栅（G1）的同一点上，第一光阑（GL1）的作用是去掉杂散光，第一衍射光栅（G1）将这两束平行光色散成波长在空间连续分布的两片扇形光片，这两片扇形光片横向错位且部分重叠，重叠区域也是一个扇形光片，在重叠的扇形光片中的任一点均是由两种不同的波长合成而成的拍波，扇形光片经过第二光阑（GL2），第二光阑（GL2）将未重叠区域滤掉，第一平柱透镜（L1）将重叠区域的扇形光片准直成平行光片，此平行光片是由一系列并行的拍波组成的拍波平行光片，此拍波平行光片到达分光镜（BS），一半的光强透射，另一半的光强被反射出测量系统，透射光垂直入射到第二平柱透镜（L2）的平面上，该平面镀了部分反射膜，一部分光强被反射，此反射光作为参考光，另一部分光强透射，透射光被第二平柱透镜（L2）聚焦成细光线，此光线扫描被测表面T，由被测表面T反射或散射回系统，经过第二平柱 透镜（L2）后与参考光相遇并发生拍波干涉，形成拍波干涉光片，此拍波干涉光片到达分光镜（BS），一半的光强被反射，另一半光强透射，反射的拍波干涉光片垂直入射到第三平柱透镜（L3）上，第三平柱透镜（L3）和第四平柱透镜（L4）共焦，且第三平柱透镜（L3）的焦距小于第四平柱透镜（L4）的焦距，拍波干涉光片经过第三平柱透镜（L3）和第四平柱透镜（L4）后被扩展成更宽的光片，此光片由第一线阵光电耦合器（CCD1）探测；透过分光镜（BS）的拍波干涉光片经过第一平柱透镜（L1）后被聚焦到第一衍射光栅（G1）上，原来由第一自准直镜（Z1）和第二自准直镜（Z2）准直的两束平行光色散成的两片重叠的扇形光片，现在又成了两束平行光，沿原路分别入射到第一自准直镜（Z1）和第二自准直镜（Z2）中，入射到第二自准直镜（Z2）的光因为第二光纤隔离器（I2）的作用不能到达3dB‑耦合器（N1），入射到第一自准直镜（Z1）的光束经过3dB‑耦合器（N1）后被分成两束，一束光到达第一光纤隔离器（I1），由于第一光纤隔离器（I1）的作用不能到达光源，因此不会对光源产生影响，另一束光到达第三自准直镜（Z3），被第三自准直镜（Z3）准直成平行光束，入射到第二衍射光栅（G2）上，第三光阑（GL3）的作用也是去掉杂散光，此平行光束由第二衍射光栅（G2）再次色散成波长在空间连续分布的扇形光片，由第五平柱透镜（L5）准直成波长在空间连续分布的平行光片，此平行光片垂直入射到第六平柱透镜（L6）上，第六平柱透镜（L6）和第七平柱透镜（L7）共焦，且第六平柱透镜（L6）的焦距小于第七平柱透镜（L7）的焦距，此干涉光片经过第六平柱透镜（L6）和第七平柱透镜（L7）后被扩展成更宽的光片，由第二线阵光电耦合器（CCD2）探测；第一线阵光电耦合器（CCD1）和第二线阵光电耦合器（CCD2）探测到的信号经过数据采集卡（B1），由计算机（B2）中的程序进行数据处理后，由结果输出部件（B5）输出测量结果，完成表面二维测量； 计算机（B2）输出信号至驱动控制部件（B4）驱动横向微动工作台（M2），光线横向扫描被测表面，再对第一线阵光电耦合器（CCD1）和第二线阵光电耦合器（CCD2）探测到的信号作相同的处理，即完成表面三维测量。