[实用新型]一种多波长可调谐显微干涉的测量装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种多波长可调谐显微干涉测量的装置，属于先进制造与检测技术领域。

背景技术

在光电系统的设计与研制过程中，常常需要用到多种不同类型和材质的光学元件来改善系统性能。其中一些元件(如光栅)的表面存在着由机械加工、等离子体刻蚀、喷镀涂层等工艺过程形成的复杂微结构；其形貌分布不仅体现元件的外在特征，同时也与诸如硬度、残余应力、使用寿命、微观物理性能等内在特性密切相关。为了有效地加工上述器件，使之更好地满足光电系统的设计与应用要求，需要对其表面形貌进行精密检测，从而为预评估与控制其相关性能提供帮助。近十多年以来，针对光学元件表面微结构形貌的超精密检测技术得到了广泛的重视与研究。

在种类众多的检测方法中，具有全场测量、高精度等特点的显微光干涉测试技术尤其适合光学元件微观形貌的精密检测。在传统的显微干涉测量中，多以单色性较好的激光作为光源，结合移相干涉术，测量精度可达亚纳米量级。然而，在测量过程中要求相邻被测点的光程差小于四分之一波长，因而只能进行小量程的相对测量。这在一定程度上制约了激光显微干涉测试技术在表面具有复杂微结构(如阶梯状)的元器件三维形貌复原方面的应用。

一种针对传统单波长激光显微干涉的改进途径是使用两个或多个不同中心波长的单波长激光器代替原有光源，即双/多波长干涉测量技术。其借助等效波长的概念，使用时域相位展开策略，能够大大拓展系统的动态可测范围，避免面形测量过程中的二义性现象，实现对目标形貌的绝对测量。与单波长干涉测试相类似，为了获得较为精确的面形测量结果，移相术常常被应用于双/多波长干涉测量中。然而传统的移相方法，无论是空间域上的分光路移相，还是时间域上借助微位移器的顺序移相，系统复杂度均有所提高，且存在包括系统复杂、移相器定标等在内的问题。

基于短相干光源的显微光干涉测试技术，特别是白光显微干涉，由于其使用的光源相干长度较短，具有唯一的零光程差位置，可以进行绝对度量，克服了传统单波长激光显微干涉中光源的问题，常用于复杂微结构的高精度检测。虽然白光显微干涉具有上述优点，但其对复杂面形的绝对测量需要借助价格昂贵的高精度微位移器(如压电陶瓷堆，PZT)沿轴向扫描实现，扫描越精密，面形测量精度越高。从而导致整个测量时间较长，仅适用于静态物面的检测，且扫描过程中对外界的气流扰动、震动等较为敏感，系统的结构也较为复杂、成本较高。

相比之下，基于波长调谐的移相法通过改变激光的中心波长实现移相。激光器既作为光源，又起到移相器的作用，无需推动硬件实现移相，简化了系统的机械结构，消除了由于硬件移相而引起的误差，避免了白光显微干涉的扫描问题，提高了系统的测量精度。虽然波长调谐移相法具有上述显著优点，但该技术主要还是采用单波长激光器，应用于元件宏观面形(特别是大口径光学元件面形)的检测。目前，针对光学件表面微结构形貌，结合双/多波长干涉测量的超精密检测技术还未见报道。

发明内容

本实用新型针对现有精确测量微结构表面三维形貌技术存在的不足，提供一种无需机械扫描部件，能够实现对微结构表面，特别是面形变化复杂、非连续的微结构元件快速、精确测量的多波长可调谐显微干涉的测量装置。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术解决方案是提供一种多波长可调谐显微干涉的测量装置，包括多波长可调谐激光器、合束光纤、毛玻璃片、准直扩束镜、分束器、干涉显微物镜、载物台、成像镜头、彩色相机、数据传输控制线、计算机、波长调谐控制器；所述多波长可调谐激光器由三个单波长可调谐激光器模块构成，经波长调谐控制器的调控，同步或分时输出红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号，经合束光纤复合为一路复合激光信号，聚焦耦合至匀速旋转的毛玻璃片表面；毛玻璃片位于准直扩束镜的前焦点位置，所述的复合激光透过毛玻璃片经准直扩束镜后成为平行光入射至分束器表面；所述分束器将平行激光反射进入干涉显微物镜，并照射至载物台上的被测元件表面，由被测面反射回的激光信号再依次通过干涉显微物镜和分束器，经成像镜头耦合至彩色相机靶面；所述准直扩束镜、分束器、干涉显微物镜、成像镜头和彩色相机之间呈共光路结构；所述计算机经数据传输控制线与波长调谐控制器、彩色相机相连，实现对多波长可调谐激光器输出信号的调控和对彩色相机采集传输图像数据的同步控制。

本实用新型所述的合束光纤为三合一单模光纤，与多波长可调谐激光器输出端级联，将输出端的红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号合束为一路，并聚焦耦合至准直扩束镜前焦点位置上的毛玻璃片表面。