一种基于白光扫描干涉法表面形貌测量仪的研究

　　1前言

　　随着光电技术、计算机和激光技术的进步，使得相移干涉技术得到了长足的发展，在光学元件质量检测、全息、散斑干涉计量中得到广泛应用。特别是表面轮廓测量领域，如正弦相位调制干涉仪、测量面振动法外差表面轮廓仪和参考面振动干涉仪等。其中以美国 WYKO 公司的 TOPO 测量仪最有代表性，它是以莫尔条纹干涉仪为基础的相移干涉轮廓仪，其垂直分辨率为 1A，水平分辨率为 0.4 m，属国际领先水平。

　　本文提出的测量仪系统以白光干涉的特性为基础，采用 Mirau 相移干涉，利用对所获取的干涉条纹图像的灰度分析和数据处理，可精确的获得被测工件的表面三维轮廓。

　　目前，利用白光干涉测量表面三维形貌的过程中，几乎所有的仪器都是通过压电陶瓷改变参考镜的位置来驱动干涉条纹，但是压电陶瓷本身的磁滞现象和伸缩的非线性会影响到仪器的分辨率和灵敏度。本文提出的三维形貌测量仪利用Z 向精密工作台改变被测表面位置来驱动干涉条纹，Z 向精密工作台采用步进电机和压电陶瓷的粗、精两级进给来分别实现大量程和高精度的测量需要，利用衍射光栅干涉位移传感器对工作台实际位移量的测量值作为反馈量，实现了驱动的闭环控制，使得扫描步距的精度得到保证。

　　2 测量原理

　　测量系统利用 Mirau 相移干涉，相移干涉是指在参考或测量光中引入已知相移量，改变两相干光束的相对相位，可从干涉场中任意点在不同相移量下的光强值求解该点相位。总体包括光学相移干涉部分、CCD摄像部分、图像卡、计算机和控制单元、Z 向精密工作台、压电陶瓷和步进电机驱动电路及衍射光栅干涉信号处理电路 7 部分。其原理如图 1 所示。

　　光束经显微物镜后通过参考镜，再由分光镜的半透半反膜分成两束，一束透过分光镜投射到被测面上，反射后经分光镜和参考镜回到显微镜;另一束被分光镜反射到参考镜上表面中心的反射区域，透过参考镜回到显微镜，两束光在显微物镜处相遇而发生干涉。

　　在利用白光干涉测量表面三维形貌的过程中，对于被测表面上某一点来说，为了定位其零光程差位置，采用垂直扫描的方式改变被测表面的位置，以此来获得该点光强变化的离散数据，然后依据白光干涉的典型特征来判别并提取最佳干涉位置。

　　测量时通过计算机输出信号控制步进电机和PZT，驱动 Z 向工作台做定长的位移带动被测工件的进给,这样被测工件表面的不同高度平面就会逐渐进入干涉区，如果在充足的扫描范围内进给，被测工件表面的整个高度范围都可以通过最佳干涉位置。每一次位移都可获得一幅干涉图像，用 CCD 摄像机接收干涉条纹并将接收到的光强信号转换成电信号送至图像卡进行信号放大，再经 A/D 转换后存储于计算机中，利用与被测面对应的各象素点相关的干涉数据，通过采用某种最佳干涉位置识别算法对干涉图样数据进行分处理，提取出特征点位置，进而可得到各象素点的相对高度，这样便实现了对三维形貌的测量。