三种超精密光学结构表面形貌测量方法

1，共聚焦扫描技术

共聚焦显微扫描技术发展于上世纪80 年代，其测量原理如图所示，激光由光源发出，经分光镜和显微物镜投射在待测品表面上，待测品表面反射回的光束沿着光路结构到达共聚焦针孔滤光片。此时，只有在待测品的表面刚好处于聚焦平面时，反射光才能穿过共聚焦针孔滤光片，被光强倍增管感应到，否则，当待测品表面处于离焦的位置时，反射光会被滤光片吸收。测量物体时，PZT 驱动物镜改变物距，调节待测品表面与焦平面的距离，越靠近焦平面，光电倍增管感应到的光信号越强。当光信号感应到达峰值时，表示待测品表面到达焦平面位置，投射在测量表面上的激光汇聚成一点，根据仪器与该测量点的数学关系可以计算该点的高度信息。对待测品上的各个点依次测量，就可以获求取待测品的整个形貌高度。

根据共聚焦原理可知，共聚焦显微扫描技术每次垂直扫描只能测量单个点的高度，要测量整个表面，需要配备高精度的三轴运动平台对待测品的表面逐点扫描，测量极其耗时。为了提高测量效率，许多学者对共聚焦方法进行了改进，提出了多光束并行共聚焦方法，如数字微镜法、Nipkow 转盘法等。

2， 结构光投影技术

结构光投影技术是近年兴起的一种表面形貌测量技术，如图所示，该技术使用空间光调制器（DMD）产生编码条纹，光源照射编码条纹使其经过系统光路投影到被测品上，然后变形的条纹再经系统光路成像在工业相机感光芯片上。测量时，利用微位移机构纵向扫描，同时相机在扫描过程中摄取图像，这些系列图像是被结构光调制的，条纹中包含高度信息，通过频谱提取，傅里叶变换等算法对图像进行解码可以得到编码相位值，再与系统标定的参数联解可以恢复被测物体的三维形貌。

3， 显微干涉技术

光学显微干涉技术是一种依据干涉条纹信息与表面高度之间关系建立起来的三维重建技术，根据使用光源的不同，光学显微干涉技术可分为激光干涉术和白光干涉术。激光干涉术利用单色光作为光源，单色光通过干涉光路分别投射到被测表面和参考镜，然后反射回来汇集形成干涉条纹，用相机采集条纹图，经相移算法提取条纹图相位信息，并根据相位与光程差之间的对应关系得到表面三维形貌。激光干涉术测量精度高、速度快，对背景光强不敏感，但是由于“相位模糊”问题，无法测量相邻高度差超过λ/4 的非连续表面。

白光干涉术利用白光作为光源，其相干程度极短，干涉条纹只能出现在很小的范围内，只有在零光程差附近才出现干涉条纹，且随着光程差的增加，条纹的可见性会迅速降低，因而能够有效解决“相位模糊”的问题，可用于测量非连续台阶结构的表面。

以上三种显微形貌测量技术的性能参数如表所示，显微干涉术较其他两种技术Z 向分辨率和横向分辨率都更高，且为场式测量，横向扫描范围能达毫米级。

文章截取自：白光扫描干涉测量的自动对焦方法与三维重构系统开发，梁航，广东工业大学硕士学位论文。