[发明专利]一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法

说明书

本发明属于精密制造测量领域，公开一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，包括如下步骤，1），构建飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号模块；其特征在于，2），使用单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块，提高目标表面扫描速度；3），同光源波段转换及多目标表面形貌测量，采用不同光波段，使用干涉系统（是否为干涉仪），实现多目标表面不同脉冲的低相干干涉并采集干涉图；4）通过图像采集装置进行数据处理，实现多个目标的3D表面形貌轮廓重构。具有测量精度高、测量速度快、测量范围大的优点。

技术领域

本发明属于精密制造测量领域，尤其涉及一种基于飞秒激光的多目标3D表面形貌测量方法。

背景技术

在全球智能芯片及装备批量精密加工快速发展的大背景下，对超精密在线检测技术提出了新的要求，特别是在近代航空航天、硅晶片加工、芯片制造等技术中，快速、精确的3D表面形貌测量是精密制造的质量保证。传统的光学干涉表面形貌测量主要是基于相移干涉和低相干干涉技术。但相移干涉表面形貌测量技术量程只能达到二分之一测量光波长的距离，同时引入噪声，形成寄生条纹，限制测量精度，而低相干表面轮廓测量技术，测量长度有限，且视场范围只能达到几个平方毫米。受限于光源的特性和光路结构，目前的光学干涉表面形貌测量技术无法同时实现多目标高速、高精度、大量程、大视场的表面形貌测量。

发明内容

本发明的目的是为了解决这一问题，基于飞秒脉冲特性，在被测表面上实现脉冲与脉冲之间的低相干干涉，并根据被测目标，搭建多干涉系统,提供一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，该方法具有测量精度高、测量速度快、测量范围大的优点，可以同时实现多个目标表面形貌非接触式测量的特点。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：

一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，包括如下步骤，1)，构建飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号模块；其特征在于，

2)，使用单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块，提高目标表面扫描速度；

3)，同光源波段转换及多目标表面形貌测量，采用不同光波段，使用干涉系统，实现多目标表面不同脉冲的低相干干涉并采集干涉图；

4)通过图像采集装置进行数据处理，实现多个目标的3D表面形貌轮廓重构。

优选地，飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，包括重复频率溯源扫描模块1、单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块9、可见近红外光干涉模块10和红外光干涉模块11，由光纤分束器将飞秒激光发出的脉冲光束分离，分别作为测量目标的脉冲光源；以每个测量目标为一个子部分，每个子部分以迈克尔逊干涉仪作为基础进行改进，光程差通过增加光纤来控制；分别采用红外CCD相机和可见光相机捕获干涉图像，光源通过光纤分束器照射到待测物体上并反射，与参考镜反射光束进行不等臂干涉。

优选地，重复频率溯源扫描模块，包括GPS参考频率器、信号发生器、重复频率同步器和飞秒激光振荡器，利用GPS参考频率器作信号发生器的频率参考，输出可调谐10MHz的正弦波，重复率同步器将信号发生器的输出信号倍频到100MHz作为飞秒激光振荡器的重复频率，使用信号发生器的频率调谐功能实现重复频率的溯源扫描。

优选地，不等臂光纤干涉，在迈克尔逊干涉仪测量臂和参考臂之间使用单模长光纤和色散补偿光纤引入m倍谐振腔长的光程差，实现不等臂干涉；

优选地，步骤4，所述图像采集装置，包括可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机、计算机、图像采集卡、视频线缆，通过可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机获得飞秒光频梳扫频低相干干涉条纹后，对捕获到的大量的干涉条纹进行信息处理，实现3D表面轮廓重构。

与现有技术相比较，本发明的有益效果是：