单帧式绝对光程差表面测量技术研究

传统激光干涉仪存在2π相位不确定性问题和抗干扰能力差问题，一定程度上制约了干涉测量技术的应用范围。4D干涉仪能够在一帧内获取所有需要的相移图，显著地提高了抗干扰能力，但仍然没有解决相位不确定性问题。本项目提出了一种新型单帧式的绝对光程差面形测量方法。采用法布里-珀罗标准具对入射到干涉仪上的宽带光进行调制，使用闪耀光栅将各个波长的干涉分量成像在CCD相机上。利用该方法不但能够通过采集1帧CCD图像获得所需要的干涉信号，具有较强的抗干扰能力；同时由于采用了宽带光源，利用同一光程差下不同光波长的相位来计算被测面上各点的绝对光程差，解决了相位不确定性问题。因此，该技术能够用来在缺乏隔振措施的环境中对超精加工表面、MEMS器件、半导体芯片等平滑表面或结构表面进行在线测量，进一步拓展干涉测量技术的应用范围。

相对于传统纵向扫描白光干涉仪而言，基于光谱分辨的白光干涉仪无需机械式光程差扫描既可获取绝对光程差。它利用具有连续光谱的宽带光源或白光作为光源，干涉信号可以看做多个单色光干涉信号的线性叠加。利用光栅、棱镜等衍射元件可以将它们在空间上展开。计算相位相对于波数的斜率，可获得绝对光程差，从而实现极短时间（一帧干涉图像）内获得被测表面信息的功能。可以用于实时抗干扰在线结构表面测量，单次测量仅能获得一维表面信息，即一个截面形貌。为了获得两维表面信息，我们使用梳状光谱光源代替了连续光谱光源，此时干涉图是一系列分立的单波长干涉图的叠加，单帧干涉图像既包含了二维表面信息，也包含了波长信息，因此可以利用单帧图像获得一个被测表面窄条的三维形貌。可用于结构表面、粗糙表面等的在线分析。.我们构建了相关的实验系统，编写了控制程序和数据处理软件，获得了预期的干涉信号，对信号进行处理后获得了纳米量级的纵向表面测量精度。相关成果申请发明专利1项，发表论文4篇，技术转化开发了光纤连接器端面3D干涉仪。