CN108844493A - 电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法 - Google Patents

电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法 Download PDF

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Abstract

一种电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法，所述电光调制双光梳形貌测量装置包括：电光调制双光梳生成模块，用于生成中心频率和重复频率不同的光学频率梳；多外差一维测距模块，用于测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息；二维运动模块，用于带动被测物体做螺旋移动，并提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；计算处理单元，用于整合分析被测物z方向、x方向和y方向上的距离信息，生成被测物体的三维形貌。本发明的电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法使用基于电光调制双光梳的合成波长测距装置，能得到很高的z方向测距精度，且装置易调节，可方便实现垂直度校验等工作。

Description

电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法
技术领域
本发明属于三维形貌测量技术领域，具体涉及一种电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法。
背景技术
三维形貌测量技术在质量检测、集成电路制造、工业装配等领域有着广泛的应用，传统的形貌测量技术只要分为两个方面：适用于大被测物表面的视觉法和适用于微小物体形貌测量的白光干涉技术和探针法测量技术。适用于大被测物表面的视觉法可测量的面积大，但受限于相机的性能，难以得到很准确的测量精度；微小物体形貌测量的白光干涉技术和探针法测量技术不仅测量速度慢，而且都属于增量测量方法，遇到大的起伏表面或者阶梯面，无法测出数值。现在工业领域缺少一种能兼容大被测表面和小被测表面，精度高，鲁棒性强的三维测量技术。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法，以便解决上述问题的至少之一。
本发明是通过如下技术方案实现的：
作为本发明的一个方面，提供一种电光调制双光梳形貌测量装置，包括：电光调制双光梳生成模块，用于生成中心频率和重复频率不同的光学频率梳；多外差一维测距模块，使用所述双光学频率梳测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息，所述多外差一维测距模块的出射激光方向为z方向；二维运动模块，用于带动被测物体做螺旋移动，并提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；计算处理单元，用于整合分析所述多外差一维测距模块得到的z方向信息和所述二维运动模块得到的x方向和y方向上的二维距离信息，生成被测物体的三维形貌。
优选地，所述电光调制双光梳生成模块包括：连续波激光器、光纤耦合器、主振电光调制器、主振声光调制器、本振电光调制器以及本振声光调制器；其中，所述连续波激光器发出的光经过所述光纤耦合器分成两束，其中一束经过所述主振电光调制器和所述主振声光调制器生成主振光学频率梳；另一束经过所述本振电光调制器和所述本振声光调制器生成本振光学频率梳；所述主振光学频率梳和所述主振光学频率梳的中心频率差为Δf0、重复频率差为Δfrep。
优选地，所述多外差一维测距模块包括：主振光学频率梳，其经分束器分成参考光和测量光；以及本振光学频率梳；其经分束器分成参考光和测量光；其中，主振光学频率梳和本振光学频率梳的参考光直接通过耦合器汇合在一起送入探测器拍频；主振光学频率梳的测量光发射到被测物体表面，反射后与本振光学频率梳的测量光汇合，再送入光电探测器拍频。
优选地，所述多外差一维测距模块的的测距计算关系为：
其中，c是空气中光的传播速度，是n阶合成波长下参考光与测量光的相位差，所述主振光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的频率为nfrep，n为正整数，frep为主振光学频率梳的重复频率。
优选地，所述二维运动模块包括：旋转台，其旋转面垂直于所述多外差一维测距模块的出射激光；安装机构，其位于所述旋转台的靠近所述多外差一维测距模块的一侧，用于安装被测物；平移台，用于固定所述旋转台，并使所述旋转台平移，其运动方向垂直于所述多外差一维测距模块的出射激光。
优选地，所述二维运动模块还包括：调整架，其位于所述旋转面下方，带有俯仰和偏摆功能，用于保证出射激光与旋转面的垂直度；升降台，其位于所述调整架下方，用于调整所述旋转台的高度，保证完整测量被测物表面；以及转台控制电机，其位于所述旋转台的背对所述多外差一维测距模块的一侧，用于控制所述旋转台做匀角速度圆周运动。
优选地，所述二维运动模块的旋转台上刻有一圈以转轴圆心为圆心，半径为X的圆环，作为判定线校验所述多外差一维测距模块的出射激光与旋转面是否垂直。
作为本发明的另一个方面，提供一种前述的电光调制双光梳形貌测量装置的校验方法，包括以下步骤：(1)调节所述升降台和所述平移台，将多外差一维测距模块的出射激光打到旋转台的旋转轴的圆心处；(2)将所述平移台移动X，查看所述多外差一维测距模块的出射激光是否打到所述判定线上；(3)如果打到所述判定线上，则出射激光与旋转面垂直；(4)如果没打到所述判定线上，调整所述调整架，再回到步骤(1)开始验证。
从上述技术方案可以看出，本发明的电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法具有以下有益效果：
(1)使用基于电光调制双光梳的合成波长测距装置，能得到很高的z方向测距精度；
(2)装置易调节，可方便实现垂直度校验等工作。
附图说明
图1为本发明实施例中电光调制双光梳形貌测量装置的整体结构图；
图2是光频梳出射激光与旋转台表面垂直校验步骤图；
图3是电光调制双光梳生成结构图；
【附图元件说明】
1-准直器； 2-准直器；
3-准直器； 4-半透半反镜；
5-半透半反镜； 6-半透半反镜；
7-半透半反镜； 8-光纤耦合器；
9-光电探测器； 10-光电探测器；
11-旋转台； 12-旋转台控制电机；
13-判定线； 14-俯仰偏摆台；
15-升降台； 16-手动平移台；
17-电动平移台； 18-电动平移台控制电机；
19-多外差一维测距模块； 20-计算处理单元；
21-连续被激光器； 22-光纤耦合器；
23-主振电光调制器； 24-本振电光调制器；
25-主振声光调制器； 26-本振声光调制器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
一种电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法，所述电光调制双光梳形貌测量装置包括：电光调制双光梳生成模块，用于生成中心频率和重复频率不同的光学频率梳；多外差一维测距模块，用于测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息；二维运动模块，用于带动被测物体做螺旋移动，并提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；计算处理单元，用于整合分析被测物z方向、x方向和y方向上的距离信息，生成被测物体的三维形貌。本发明的电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法使用基于电光调制双光梳的合成波长测距装置，能得到很高的z方向测距精度，且装置易调节，可方便实现垂直度校验等工作。
具体地，作为本发明的一个方面，提供一种电光调制双光梳形貌测量装置，包括：电光调制双光梳生成模块，用于生成中心频率和重复频率不同的光学频率梳；多外差一维测距模块，使用所述双光学频率梳测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息，所述多外差一维测距模块的出射激光方向为z方向；二维运动模块，用于带动被测物体做螺旋移动，并提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；计算处理单元，用于整合分析所述多外差一维测距模块得到的z方向信息和所述二维运动模块得到的x方向和y方向上的二维距离信息，生成被测物体的三维形貌。
优选地，所述电光调制双光梳生成模块包括：连续波激光器、光纤耦合器、主振电光调制器、主振声光调制器、本振电光调制器以及本振声光调制器；其中，所述连续波激光器发出的光经过所述光纤耦合器分成两束，其中一束经过所述主振电光调制器和所述主振声光调制器生成主振光学频率梳；另一束经过所述本振电光调制器和所述本振声光调制器生成本振光学频率梳；所述主振光学频率梳和所述主振光学频率梳的中心频率差为Δf0、重复频率差为Δfrep的。
优选地，所述多外差一维测距模块包括：主振光学频率梳，其经分束器分成参考光和测量光；以及本振光学频率梳；其经分束器分成参考光和测量光；其中，主振光学频率梳和本振光学频率梳的参考光直接通过耦合器汇合在一起送入探测器拍频；主振光学频率梳的测量光发射到被测物体表面，反射后与本振光学频率梳的测量光在汇合，再送入光电探测器拍频。
优选地，所述多外差一维测距模块的的测距计算关系为：
其中，c是空气中光的传播速度，是n阶合成波长下参考光与测量光的相位差，所述主振光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的频率为nfrep，n为正整数，frep为主振光学频率梳的重复频率。
优选地，所述二维运动模块包括：旋转台，其旋转面垂直于所述多外差一维测距模块的出射激光；安装机构，其位于所述旋转台的靠近所述多外差一维测距模块的一侧，用于安装被测物；平移台，用于固定所述旋转台，并使所述旋转台平移，其运动方向垂直于所述多外差一维测距模块的出射激光。
优选地，所述二维运动模块还包括：调整架，其位于所述旋转面下方，带有俯仰和偏摆功能，用于保证出射激光与旋转面的垂直度；升降台，其位于所述调整架下方，用于调整所述旋转台的高度，保证完整测量被测物表面；以及转台控制电机，其位于所述旋转台的背对所述多外差一维测距模块的一侧，用于控制所述旋转台做匀角速度圆周运动。
优选地，所述二维运动模块的旋转台上刻有一圈以转轴圆心为圆心，半径为X的圆环，作为判定线校验所述多外差一维测距模块的出射激光与旋转面是否垂直。
作为本发明的另一个方面，提供一种前述的电光调制双光梳形貌测量装置的校验方法，包括以下步骤：(1)调节所述升降台和所述平移台，将多外差一维测距模块的出射激光打到旋转台的旋转轴的圆心处；(2)将所述平移台移动X，查看所述多外差一维测距模块的出射激光是否打到判定线上；(3)如果打到判定线上，则出射激光与旋转面垂直；(4)如果没打到判定线上，调整所述调整架，再回到步骤(1)开始验证。
以下结合具体实施例和附图，对本发明的电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例中电光调制双光梳形貌测量装置的整体结构图。如图1所示，两路光频梳经多外差一维测距模块19测量被测物的z方向距离信息，在多外差一维测距模块里，主振光学频率梳经准直器1变为空间光，通过分束器4分成参考光和测量光，其参考光与本振光学频率梳经光纤耦合器8和准直器2分出的参考光通过半透半反镜5合束后达到探测器9上作为参考信号，主振光学频率梳的测量光通过半透半反镜6后达到被测物表面，经被测物表面反射后在经过半透半反镜6反射，最后和本振光学频率梳的测量光经准直器3在半透半反镜7上合束，一同送入探测器10上作为测量光，反射后与本振光学频率梳的测量光在半透半反镜上汇合，再送入光电探测器拍频，探测器探测到的信号是以两路光学频率梳中心频率差Δf0为中心，以重复频率差Δfrep为间隔的一系列等间隔频率成分，每一个频率成分都为主振光学频率梳相对应光学频率的下降频，其相位变化也等于主振光学频率梳相对应光学频率的相位变化；在计算时主振光学频率梳的不同频率成分两两组合形成合成波长，其合成波长的频率为nfrep，其中n为正整数，frep为主振光学频率梳的重复频率，那么根据相位法激光测距的原理，该多外差一维测距模块的按如下公式计算：
其中，c是空气中光的传播速度，是n阶合成波长下参考光与测量光的相位差。
所述二维运动模块包含平移台17和旋转台11，平移台17由平移台控制电机18控制做匀速直线运动，运动方向垂直于上述多外差一维测距模块的出射激光，而且旋转台的旋转面也垂直于上述多外差一维测距模块19的出射激光，为了保证出射激光与旋转面的垂直度，在旋转面下放置带有俯仰和偏摆功能的调整架14，为了保证能完整测量被测物表面，还需在旋转台下放置精调升降台15和平移台16，在测量开始之前先将出射激光打到旋转台的圆心位置或者打到被测物体离圆心最远的外沿或其以外的地方。所述二维运动模块的旋转台上刻一圈以转轴圆心为圆心，半径为X的判定线13以校验出射激光是否与旋转面垂直，校验步骤如图2所示：
步骤一、调节升降和平移台，将出射激光打到旋转轴的圆心处；
步骤二、将水平位移台移动X，观察出射激光是否打到判定线上；
步骤三、如果打到判定线上，说明出射激光与旋转面垂直了；
步骤三、如果没打到判定线上，则调整俯仰台和偏摆台，再回到步骤一开始验证。
所述计算处理单元20，用于整合分析上述多外差一维测距模块19得到的z方向信息和二维运动模块的二维x-y方向信息，生成被测物体的三维形貌。
图3示出了电光调制双光梳生成模块的具体结构，连续波激光器21发出的光经过光纤耦合器22分成两束光，其中一路经过一个主振电光调制器23和主振声光调制器25生成主振光学频率梳，另一路也经过本振电光调制器24和本振声光调制器26生成本振光学频率梳；主振电光调制器23和本振电光调制器24的射频调制信号分别由信号源27和信号源28提供，这两个信号源的输出频率不同，就使得两路光频梳有一个重复频率差Δfrep，而主振声光调制器25和和本振声光调制器26的射频调制信号分别由信号源29和信号源30提供，这两个信号源的输出频率相差Δf0，最终得到两路中心频率差为Δf0和重复频率差为Δfrep的主振光学频率梳和主振光学频率梳。
综上所述，本发明的电光调制双光梳形貌测量装置及其校验方法使用基于电光调制双光梳的合成波长测距装置，能得到很高的z方向测距精度，且装置易调节，可方便实现垂直度校验等工作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，包括：
电光调制双光梳生成模块，用于生成中心频率和重复频率不同的光学频率梳；
多外差一维测距模块，使用所述双光学频率梳测量被测物在其出射激光方向上的一维距离信息，所述多外差一维测距模块的出射激光方向为z方向；
二维运动模块，用于带动被测物体做螺旋移动，并提供被测物x方向和y方向上的二维距离信息；
计算处理单元，用于整合分析所述多外差一维测距模块得到的z方向信息和所述二维运动模块得到的x方向和y方向上的二维距离信息，生成被测物体的三维形貌。
2.根据权利要求1所述的电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，
所述电光调制双光梳生成模块包括：连续波激光器、光纤耦合器、主振电光调制器、主振声光调制器、本振电光调制器以及本振声光调制器；
其中，所述连续波激光器发出的光经过所述光纤耦合器分成两束，其中一束经过所述主振电光调制器和所述主振声光调制器生成主振光学频率梳；另一束经过所述本振电光调制器和所述本振声光调制器生成本振光学频率梳；
所述主振光学频率梳和所述主振光学频率梳的中心频率差为Δf0、重复频率差为Δfrep。
3.根据权利要求1所述的电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，
所述多外差一维测距模块包括：
主振光学频率梳，其经分束器分成参考光和测量光；以及
本振光学频率梳；其经分束器分成参考光和测量光；
其中，主振光学频率梳和本振光学频率梳的参考光直接通过耦合器汇合在一起送入探测器拍频；
主振光学频率梳的测量光发射到被测物体表面，反射后与本振光学频率梳的测量光在汇合，再送入光电探测器拍频。
4.根据权利要求1所述的电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，
所述多外差一维测距模块的的测距计算关系为：
其中，c是空气中光的传播速度，是n阶合成波长下参考光与测量光的相位差，所述主振光学频率梳的不同频率成分组合形成的合成波长的频率为nfrep，n为正整数，frep为主振光学频率梳的重复频率。
5.根据权利要求1所述的电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，
所述二维运动模块包括：
旋转台，其旋转面垂直于所述多外差一维测距模块的出射激光；
安装机构，其位于所述旋转台的靠近所述多外差一维测距模块的一侧，用于安装被测物；
平移台，用于固定所述旋转台，并使所述旋转台平移，其运动方向垂直于所述多外差一维测距模块的出射激光。
6.根据权利要求1所述的电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，
所述二维运动模块还包括：
调整架，其位于所述旋转面下方，带有俯仰和偏摆功能，用于保证出射激光与旋转面的垂直度；
升降台，其位于所述调整架下方，用于调整所述旋转台的高度，保证完整测量被测物表面；以及
转台控制电机，其位于所述旋转台的背对所述多外差一维测距模块的一侧，用于控制所述旋转台做匀角速度圆周运动。
7.根据权利要求1所述的电光调制双光梳形貌测量装置，其特征在于，
所述二维运动模块的旋转台上刻有一圈以转轴圆心为圆心，半径为X的圆环，作为判定线校验所述多外差一维测距模块的出射激光与旋转面是否垂直。
8.一种权利要求1～7中任一项所述的电光调制双光梳形貌测量装置的校验方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)调节所述升降台和所述平移台，将多外差一维测距模块的出射激光打到旋转台的旋转轴的圆心处；
(2)将所述平移台移动X，查看所述多外差一维测距模块的出射激光是否打到所述判定线上；
(3)如果打到所述判定线上，则出射激光与旋转面垂直；
(4)如果没打到所述判定线上，调整所述调整架，再回到步骤(1)开始验证。
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