本發(fā)明涉及光干涉計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域，特別是一種基于寬帶光譜域顯微干涉術(shù)的近紅外位移傳感裝置及微位移量測(cè)量方法。

背景技術(shù)：

隨著機(jī)械制造、光學(xué)元件加工、電子工業(yè)等領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)于微位移量測(cè)量工作的要求越來越高。接觸式位移傳感方法多由于測(cè)頭在測(cè)量過程中接觸表面，因此有劃傷被測(cè)件表面的危險(xiǎn)(例如賈立德,鄭子文,戴一帆,李圣怡.擺臂式非球面輪廓儀的原理與試驗(yàn)[J].光學(xué)精密工程，2007,15(4)：499-504)。對(duì)于表面輪廓陡度太大或者存在溝槽的元件，測(cè)頭無法接觸指定點(diǎn)，造成測(cè)量誤差。非接觸式位移傳感技術(shù)多采用光學(xué)探頭，測(cè)量精度高，不會(huì)損傷測(cè)量面。白光干涉法作為一種高精度的非接觸式位移傳感技術(shù)被廣泛應(yīng)用于微位移量的測(cè)量。傳統(tǒng)的白光干涉法多通過參考鏡或者測(cè)試鏡的時(shí)域掃描，通過對(duì)干涉信號(hào)包絡(luò)極值位置的定位實(shí)現(xiàn)位移量傳感。但其測(cè)量過程需要大量的軸向掃描過程，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)高精度的移相裝置也提出了嚴(yán)格的要求。國(guó)外的U Schnell(U Schnell,E Zimmermann,R Dandliker.Absolute distance measurement with synchronously sampled white-light channeled spectrum interferometry[J].Pure Appl.Opt.1995,4:643-651.)等最早報(bào)道了白光譜域干涉位移傳感裝置，根據(jù)載頻譜域干涉條紋位相隨波長(zhǎng)變化的斜率關(guān)系實(shí)現(xiàn)位移傳感，測(cè)量過程中無需掃描參考鏡或者測(cè)試鏡，提高了位移量測(cè)量的效率。但其裝置基于邁克爾遜干涉儀，橫向分辨率較低。另一方面，目前用于微位移量測(cè)量的位移傳感裝置多為可見光波段(例如薛暉，沈偉東，顧培夫等.基于白光干涉的光學(xué)薄膜物理厚度測(cè)量方法[J].光學(xué)學(xué)報(bào)，2009,29(7):1877-1880)，對(duì)于近紅外波段的譜域干涉位移傳感裝置還未見相關(guān)技術(shù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的第一方面提出一種基于寬帶光譜域顯微干涉術(shù)的近紅外位移傳感裝置，包括寬帶光源、柯勒照明系統(tǒng)、顯微鏡筒、干涉物鏡、精密電控平臺(tái)、短波截止濾光片、SMA905光纖接頭、光纖、光譜儀、計(jì)算機(jī)和。光路結(jié)構(gòu)沿光路行進(jìn)方向依次是寬帶光源、柯勒照明系統(tǒng)、顯微鏡筒，之后進(jìn)入干涉物鏡，經(jīng)過干涉物鏡的半透半反膜分成參考光束和測(cè)試光束，兩者分別經(jīng)過干涉物鏡的參考板和被測(cè)件表面反射，沿原路返回并發(fā)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)過顯微鏡筒的成像透鏡和短波截止濾光片投射到像面，SMA905光纖接頭將光纖固定于顯微鏡筒的像面，干涉信號(hào)通過光纖導(dǎo)入光譜儀，光譜儀與計(jì)算機(jī)連接，輸出譜域干涉條紋。光源為高功率寬帶光源，光強(qiáng)大小可調(diào)。

根據(jù)本發(fā)明的改進(jìn)，還提出一種基于前述近紅外位移傳感裝置的微位移量測(cè)量方法，包括：

步驟1、將SMA905光纖接頭、光纖、光譜儀換成CCD，調(diào)整精密電控平臺(tái)的傾斜和高度，使得CCD視場(chǎng)中出現(xiàn)數(shù)根空域干涉條紋；

步驟2、將CCD換成SMA905光纖接頭、光纖、光譜儀，調(diào)整精密電控平臺(tái)高度，使得光譜儀上出現(xiàn)載頻數(shù)適中的譜域干涉條紋；

步驟3、根據(jù)光譜儀記錄的譜域干涉條紋出現(xiàn)串?dāng)_的波段范圍選擇合適的短波截止濾光片加入系統(tǒng)；

步驟4、調(diào)整寬帶光源光強(qiáng)和光譜儀積分時(shí)間、積分次數(shù)，記錄多個(gè)對(duì)比度的譜域干涉條紋；

步驟5、對(duì)獲取的單幅譜域干涉圖采用傅里葉變換法提取位移量。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，顯著優(yōu)點(diǎn)為：非接觸式位移量傳感方法，不會(huì)對(duì)測(cè)量件造成損傷；測(cè)量過程無需軸向掃描，測(cè)量效率高，時(shí)間短；系統(tǒng)橫向分辨率高，尤其是在光學(xué)元件的高精度檢測(cè)中能滿足需求。

應(yīng)當(dāng)理解，前述構(gòu)思以及在下面更加詳細(xì)地描述的額外構(gòu)思的所有組合只要在這樣的構(gòu)思不相互矛盾的情況下都可以被視為本公開的發(fā)明主題的一部 分。另外，所要求保護(hù)的主題的所有組合都被視為本公開的發(fā)明主題的一部分。

結(jié)合附圖從下面的描述中可以更加全面地理解本發(fā)明教導(dǎo)的前述和其他方面、實(shí)施例和特征。本發(fā)明的其他附加方面例如示例性實(shí)施方式的特征和/或有益效果將在下面的描述中顯見，或通過根據(jù)本發(fā)明教導(dǎo)的具體實(shí)施方式的實(shí)踐中得知。

附圖說明

附圖不意在按比例繪制。在附圖中，在各個(gè)圖中示出的每個(gè)相同或近似相同的組成部分可以用相同的標(biāo)號(hào)表示。為了清晰起見，在每個(gè)圖中，并非每個(gè)組成部分均被標(biāo)記?，F(xiàn)在，將通過例子并參考附圖來描述本發(fā)明的各個(gè)方面的實(shí)施例，其中：

圖1是說明本發(fā)明某些實(shí)施例的基于寬帶光譜域顯微干涉術(shù)的近紅外位移傳感裝置的示意圖。

圖2a-2d是說明本發(fā)明某些實(shí)施例的位移量提取過程的示意圖。

具體實(shí)施方式

為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說明如下。

在本公開中參照附圖來描述本發(fā)明的各方面，附圖中示出了許多說明的實(shí)施例。本公開的實(shí)施例不必定意在包括本發(fā)明的所有方面。應(yīng)當(dāng)理解，上面介紹的多種構(gòu)思和實(shí)施例，以及下面更加詳細(xì)地描述的那些構(gòu)思和實(shí)施方式可以以很多方式中任意一種來實(shí)施，這是因?yàn)楸景l(fā)明所公開的構(gòu)思和實(shí)施例并不限于任何實(shí)施方式。另外，本發(fā)明公開的一些方面可以單獨(dú)使用，或者與本發(fā)明公開的其他方面的任何適當(dāng)組合來使用。

結(jié)合圖1的基于寬帶光譜域顯微干涉術(shù)的近紅外位移傳感裝置的示意，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，一種基于寬帶光譜域顯微干涉術(shù)的近紅外位移傳感裝置，其特征在于，該近紅外位移傳感裝置包括寬帶光源1、柯勒照明系統(tǒng)2、顯微鏡筒3、干涉物鏡4、精密電控平臺(tái)6、短波截止濾光片7、SMA905光纖接頭8、光纖9、光譜儀10、計(jì)算機(jī)11和CCD12。

如圖1所示，光路結(jié)構(gòu)沿光路行進(jìn)方向依次是寬帶光源1、柯勒照明系統(tǒng)2、顯微鏡筒3，之后進(jìn)入干涉物鏡4，經(jīng)過物鏡的半透半反膜分成參考光束和測(cè)試光束，兩者分別經(jīng)過干涉物鏡4的參考板和位于精密電控平臺(tái)6上的被測(cè)件5表面反射，沿原路返回并發(fā)生干涉，干涉信號(hào)經(jīng)過顯微鏡筒3的成像透鏡和短波截止濾光片7投射到像面，SMA905光纖接頭8將光纖9固定于顯微鏡筒3的像面，干涉信號(hào)通過光纖9導(dǎo)入光譜儀10。

光譜儀與計(jì)算機(jī)11連接，輸出譜域干涉條紋。

所述精密電控平臺(tái)6用于調(diào)整被測(cè)件5的空間位置以滿足測(cè)量需求。

所述CCD12用于測(cè)量過程中尋找空域條紋。

前述實(shí)施例的近紅外位移傳感裝置(如圖1所示)，可工作于近紅外波段，且能消除不同波段條紋的串?dāng)_，增大位移傳感范圍。

在一些例子中，所述寬帶光源1為高功率寬帶光源，光強(qiáng)大小可調(diào)。

優(yōu)選地，光譜儀10的光譜范圍為近紅外波段。

短波截止濾光片7用于濾除近紅外譜域干涉條紋中出現(xiàn)的串?dāng)_條紋。

所述干涉物鏡4優(yōu)選為邁克爾遜型干涉物鏡。

在一些具體的例子中，前述圖1中，近紅外位移傳感裝置中，其光學(xué)結(jié)構(gòu)包括：寬帶光源(1)為150W石英鹵鎢燈，光強(qiáng)連續(xù)可調(diào)；柯勒照明系統(tǒng)(2)；顯微鏡筒(3)；邁克爾遜型干涉物鏡(4)；精密電控平臺(tái)(6)可實(shí)現(xiàn)三維位移調(diào)整以及正交方向傾斜調(diào)整；短波截止濾光片(7)的截止波段為200-630nm；SMA905光纖接頭(8)、光纖(9)纖芯直徑600um、光譜儀(10)光譜帶寬為700-1100nm、計(jì)算機(jī)(11)和CCD(12)。

示例性地，被測(cè)件(5)為高度7.8um的標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)階板。

本發(fā)明的一些實(shí)施例還提出一種基于前述近紅外位移傳感裝置的微位移量測(cè)量方法，包含以下幾個(gè)步驟：

步驟1、將圖1中的SMA905光纖接頭8、光纖9、光譜儀10換成CCD12，調(diào)整精密電控平臺(tái)6的傾斜和高度，使得CCD12視場(chǎng)中出現(xiàn)數(shù)根空域干涉條紋；

步驟2、將CCD12換成SMA905光纖接頭8、光纖9、光譜儀10，調(diào)整精密電控平臺(tái)6高度，使得光譜儀10上出現(xiàn)載頻數(shù)適中的譜域干涉條紋；

步驟3、根據(jù)光譜儀10記錄的譜域干涉條紋出現(xiàn)串?dāng)_的波段范圍選擇合適的短波截止濾光片7加入系統(tǒng)；

步驟4、調(diào)整寬帶光源1光強(qiáng)和光譜儀10積分時(shí)間、積分次數(shù)，記錄對(duì)比度良好的譜域干涉條紋；

步驟5、對(duì)獲取的單幅譜域干涉圖采用傅里葉變換法提取位移量。

由于微位移量的變化反應(yīng)為譜域干涉條紋載頻量的變化，載頻量的信息包含在干涉條紋的相位變化中。因此，通過光譜儀記錄對(duì)應(yīng)于一定位移量的譜域干涉條紋，采用傅里葉變換算法提取相位即可實(shí)現(xiàn)位移量的傳感的目的。

通過傅里葉變換算法來提取相位信息的方式，可以采用現(xiàn)有技術(shù)中公知的方式進(jìn)行，在此不再贅述。

下面結(jié)合圖1所示，更加具體地說明前述微位移量測(cè)量方法的實(shí)現(xiàn)。

步驟1：調(diào)整空域干涉條紋。將圖1中的SMA905光纖接頭8、光纖9、光譜儀10換成CCD12，調(diào)整電控平臺(tái)的傾斜和高度，使得CCD12視場(chǎng)中出現(xiàn)1-5根空域干涉條紋；

步驟2：初次調(diào)整譜域干涉條紋。將CCD12換成SMA905光纖接頭8、光纖9、光譜儀10，使測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)臺(tái)階板的P₁點(diǎn)，調(diào)整精密電控平臺(tái)6高度，使得光譜儀10上出現(xiàn)載頻數(shù)適中的譜域干涉條紋；

步驟3：將短波截止濾光片7加入系統(tǒng)。光譜儀10記錄的紅外波段譜域干涉條紋出現(xiàn)可見光波段的串?dāng)_，選擇截止波段為200-630nm的短波截止濾光片7加入系統(tǒng)；

步驟4：調(diào)整并記錄P₁點(diǎn)測(cè)試結(jié)果。調(diào)整寬帶光源1光強(qiáng)和光譜儀10積分時(shí)間100ms、積分次數(shù)5次，記錄譜域干涉信號(hào)S₁；

步驟5：調(diào)整被測(cè)件?？刂凭茈娍仄脚_(tái)6平移被測(cè)件，使得測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)P₂；

步驟6：重復(fù)步驟4，記錄譜域干涉信號(hào)S₂；

步驟7：由譜域干涉信號(hào)提取位移量。

結(jié)合圖2a-2d，前述步驟7中由譜域干涉信號(hào)提取位移量方法，包括以下步驟：

步驟1：將光譜儀10記錄的波長(zhǎng)域干涉信號(hào)(圖2a)轉(zhuǎn)換至波數(shù)域干涉信號(hào)，如圖2b；

步驟2：采用傅里葉變換法，提取譜域干涉信號(hào)相位，如圖2c，其過程見式(1)：

式中z為位移量，k為波數(shù)，F(xiàn)^-1表示取傅里葉逆變換，Im()和Re()分別表示取復(fù)數(shù)的虛部和實(shí)部，B(f-f₀)表示譜域干涉信號(hào)傅里葉頻譜的一級(jí)旁瓣。

步驟3：對(duì)提取的相位進(jìn)行線性擬合以提取兩次測(cè)量的位移量，如圖2d，見式(2)：

步驟4：由兩次微位移量計(jì)算臺(tái)階高度，見式(3)。

h_step＝z₁-z₂ (3)

其中h_step表示臺(tái)階高度，z₁、z₂分別為由步驟3得到的兩次測(cè)量的微位移量。

由此，可通過光譜儀記錄的對(duì)應(yīng)于一定位移量的譜域干涉條紋，采用傅里葉變換算法提取相位，實(shí)現(xiàn)位移量的傳感的目的。

雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施例揭露如上，然其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識(shí)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤(rùn)飾。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定者為準(zhǔn)。