高精度白光干涉测量方法

高精度白光干涉测量方法

柳晓莹,邱倩文,杨朔,李宇航

（中国航发沈阳黎明航空发动机有限责任公司，辽宁沈阳 110043）

摘要：白光干涉测量常用于高精度光学元件或其他精密元件的测量，近年来随着该领域研究的不断深入，尽管从技术和应用水平上白光干涉测量方法都达到了一定水平，但移动精度不够的问题依然极大限制了白光干涉测量精度的提升。而基于全视场的高精度外差白光干涉测量方法，能够有效解决线性位移精度不准确的问题。在对高精度白光干涉测量方法进行简要概述后，阐述了全视场外差高精度白光干涉测量方法，为高精度白光干涉测量方法进一步研究发展提供借鉴。

关键词：白光干涉测量；外差；高精度；全视场

引言

白光干涉测量是一种光学测量方式，主要被广泛应用于精密元器件加工和检测方面，特别是光学、电子学、材料学等对于测量精度要求较高的学科，其中最为常见的就是微机电系统加工检测。白光干涉测量能精确复原多形态精密元件的三维形貌，传统接触式测量方式由于大多采用三角函数计算方法，会产生一定的计算误差，而白光干涉测量技术解决了这一误差问题，并达到了绝对测量的水平，该技术的产生也进一步优化了精密加工和检测体系。近年来在行业专家不断的实践探索中，白光干涉测量技术有了较大的进步，基于白光干涉测量技术的高精度测量方式相继诞生，如自动聚焦法、光学显微干涉测量法等，这些高精度白光干涉测量方法不仅进一步提高了测量精度，满足生产测量需求，而且有效简化了测量硬件要求，降低了测量成本。

一、高精度白光干涉测量方法概述

从工作原理上来说高精度白光干涉测量技术主要取决于求解算法和系统光电元器件，更优的算法和更高精度元器件会极大的提高测量精度。特别是线性扫描技术，通常线性扫描机构精度越高测量精度越高，而随之成本价格也更高。由于不同的测量环境和系统处理算法也会影响测量结果，且提高扫描机构精度成本太高，因此，高精度白光干涉测量方式大多是在改善测量环境和优化处理算法上。鉴于此，一种基于全视场的高精度外差白光干涉测量技术被提出，该技术主要是借助于白光干涉信号，实现在大扫描步长和低扫描精度环境下的高精度检测。外差白光干涉算法实现了测量精度的提高，相对于传统的白光干涉测量方式具有一定的优势，首先，该技术脱离了对高成本高精度线性扫描机构的束缚，即使是在低精度线性扫描机构环境下，也能得出较高的测量结果，该技术大大降低了依赖高精度线性扫描机构的仪器测量成本。其次，该技术进一步提升了外差白光干涉测量精度的同时，抗环境干扰能力也有所提升，通过优化算法优化精度的方式，很好的弥补了硬件缺陷，且通过验证测量结果精度非常可靠。

二、基于全视场的高精度外差白光干涉测量方法

通过以上分析不难看出高精度白光干涉测量技术的提升，目前最好的方向是提高白光干涉测量的精度、降低白光干涉的干扰。基于全视场的高精度外差白光干涉测量方法，能在大扫描步长环境下，基于低扫描精度条件下实现对测量数据的高精度定位，该技术最重要的是优化算法处理。

（一）外差白光干涉信号处理方法

外差白光干涉测量技术在白光干涉测量的技术上通过使用外差干涉技术代替了传统的函数求解近似计算法，进一步提高了测量精度，而且也不需要借助去余弦调制项频率的方式获取高斯曲线，有效解决了滤波过程中出现的不完整和失真问题。外差白光干涉测量技术利用时域数据得到相应的高斯包络曲线，然后通过对高斯曲线直接得到高寻址精度，这也是所谓的幅值寻址算法。利用幅值寻址算法进行信号处理，得到测量对象的形面数据。

（二）外差白光干涉测量方案

外差高精度白光干涉测试能够解决传统白光干涉测试过程中，对线性扫描机构精度要求过高的问题，基于全视场的高精度外差白光干涉测量技术能够在此基础上提高抗干扰能力，实现对白光干涉测量技术精度的提高。

1、测量方案

基于全视场的高精度外差白光干涉测量技术主要有两部分组成，一部分是系统光纤的光源，另一部分是斐索干涉腔，这两部分可以解决外差信号和光程匹配问题。其中系统光纤后方是干涉结构模块，通过斐索型干涉测量能够实现对大面形测量对象表面的测量。该技术能够实现光源与其他测量系统的互换，且物理体积更小，使用灵活性强。

外差白光干涉测量系统主要由光源模块和干涉模块构成，其中光源模块的光源部分主要包括线性扫描机构和光纤耦合机构。在光源模块中白光光源被分光，然后经过平面镜和角锥棱镜的反射，由BS将反射的光束进行合束处理，然后就形成了带有一定频率差的白光光源，压电陶瓷借助角锥线性移动实现扫描测量，过程中弥补斐索干涉仪测量光路和标准光路的不等问题。干涉模块主要采用的斐索干涉测量结构，该结构主要包括干涉系统和数据采集两个部分。斐索干涉光路能够实现对大口径光学面形的测量。其中数据采集处理部分，通过MATLAB软件进行数据分析、读取和算法处理，最终得出所测面形的复原图。

针对高精度外差白光干涉测量技术方案，选择适合该测量方式的算法。鉴于该技术通过调整光源部分可以实现对白光干涉测量的扫描处理，所以在测量球类面形是，可以摆脱焦距的干扰，实现对曲面的准确测量。另外光源部分是借助耦合光纤实现光于光纤的耦合，继而光源就有了较好的互换和适应特性，能够更好的被应用于不同种类的测量结构中。

2、数据处理

通过计算机系统实现对数据的处理技工，目前对于高精度测量方式的数据处理大多用MATLAB软件，该软件功能齐全，数据兼容性强。将测量采集到的数据用MATLAB软件进行处理，过程借助Fourier自动分析曲线拟合，使用去倾斜、图像绘制等软件工具包，实现对测量对象面形的计算分析和复原。

3、实验验证

为了验证基于全视场的高精度外差白光干涉测量方法的精度，判断其实际可行性，通过搭建实验系统，选取了一个球面透镜作为检测对象，经过详细的测量和数据处理，得出最终的实验测量结果。通过将复原球面透镜三维面型信息数据与理论面形信息相对比，得出了测量数据和理论数据之间的误差，通过对对比结果的分析，得出外差高精度白光干涉测量技术能够提高测量精度，且具有较强的抗干扰性，具有较高的可靠性和实际可实用性。

三、结束语

基于全视场的高精度外差白光干涉测量技术能够有效的提高白光干涉测量的精度，通过实验验证该方法具备实际可行性，该技术能够进一步降低白光干涉测量对精度位移的依赖性，进一步提升白光干涉测量的精度及稳定性。该技术依然采用传统的幅值寻址算法，最终的实验结果从各个方面验证了全视场外差白光干涉测量方法理论和实践的一致性。未来对于该技术的分析研究，一方面要集中在是否能够适应更宽光源波段，相应的精度能够是否有提升空间，两者之间是否存在对应的变化规律，另一方面要进一步降低实验器材带来的测量误差，以更好的提升白光干涉测量方法的精度。

参考文献

[1]杜海龙,段照斌,孙晓东.基于Fourier频谱分析的白光干涉信号解算方法[J].激光与光电子学进展.2021,(9).DOI:10.3788/LOP202158.0907001.

[2]张昭琳,苏俊宏.光学薄膜损伤表面三维微观形貌的仿真与重构[J].光学学报.2021,(2).DOI:10.3788/AOS202141.0212002.