[发明专利]基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置及控制方法

权利要求书

1.一种基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于，该装置包括：

SLD光源、凸透镜、第一柱透镜、第一分光镜、参考镜、待测曲面轮廓件、第二柱透镜、反射镜、反射式光栅、柱透镜和面阵CCD相机；所述SLD光源发出的点光源经过凸透镜准直为平行光束；该平行光束通过第一柱透镜聚焦为焦线光束，第一分光镜将焦线光束分为强度相等的两束光线，一束为参考光汇聚于参考镜，一束为探测光汇聚于待测曲面轮廓件；两束光线经反射后重合发生干涉，干涉光束经反射式光栅按波长在空间分光后由柱透镜汇聚成干涉谱线，由面CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹。

2.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于：还设置有一电动位移平台扫描模块，包括电动线性位移平台和可调整式样品安装架；所述电动线性位移平台可通过控制器对一个轴方向进行运动控制，驱动线性扫描位移平台垂直于探测光束方向运动，从而实现扫描式检测；所述可调整式样品安装架用于固定安装待测曲面轮廓件，可对待测曲面轮廓件姿态进行调整。

3.根据权利要求2所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于：还设置有一移相器；所述移相器为由可编程式直流电压源控制的压电陶瓷；所述压电陶瓷上安装有反射镜，通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现纳米量级位移。

4.根据权利要求1所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于：还包括一单频激光光源、一第二分光镜；所述第二分光镜设于第二柱透镜与反射镜之间，所述单频激光光源发射的激光发射至第二分光镜一入光口。

5.根据权利要求4所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于：所述单频激光光源、第二分光镜用于为整个装置二维光谱仪系统波长标定引入波长已知的特征谱线。

6.根据权利要求3所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置，其特征在于：所述由CCD相机采集获得二维干涉光谱条纹二维干涉光谱条纹经计算机处理，获得待测曲面轮廓表面信息。

7.根据权利要求6所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1:通过调整可调整式样品安装架，调整待测曲面轮廓件位置和姿态，产生干涉信号；

步骤S2:通过可编程式直流电压源对压电陶瓷输入不同的电压，驱动压电陶瓷实现定步距位移，采用面阵CCD相机图像采集模块对干涉条纹图像进行成像和记录, 获得若干组不同相位差的干涉光谱；

步骤S3:将采集到的干涉光谱传输到计算机，完成两相去直流，修正的五步移相法重构复数形式的二维干涉光谱信号;

步骤S4:根据得到的二维干涉光谱信号，采用图像处理软件进行条纹信号的处理，得到曲面轮廓件的检测曲线，经扫描可获取整个检测曲面的曲面轮廓信息。

8.根据权利要求7所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置的控制方法，其特征在于：所述步骤S4具体为：

步骤S41:图像处理软件模块对二维干涉光谱信号每行像素点光强先加Hanning窗函数，后进行快速傅里叶变换，并采用能量重心法对峰值频率进行校正，精确提取出各行像素点强度变化频率;

步骤S42:将各行像素点强度变化频率乘以经波长标定后自搭建光谱仪所确定的系统距离分辨率即得到曲面轮廓件的检测曲线，经扫描可获取整个检测曲面的曲面轮廓信息。

9.根据权利要求8所述的基于光学相干层析的全深式曲面轮廓测量装置的控制方法，其特征在于：采用两步移相法去除成像信号中的直流干扰，具体如下：

干涉信号中直流项信号及互干涉项不受光程差影响，在测量中先后采集二维光谱信号及由移相器移位后得到的另一二维光谱信号, 光谱信号可以表示为：

(1)

(2)

其中为波数，y为探测焦线上检测点的竖向位置坐标，为第一次采集时参考光与样品光相位角，为第二次采集时参考光与样品光相位角，由式减去式得到去除直流及自相干的干涉信号：

通过改变光程差从而改变干涉信号中的相位，将两组光谱信号相减，得到只包含曲面轮廓表面位置信息的二维干涉光谱。