表面形貌测量装置及方法、物体表面高度计算方法与流程

1.本技术涉及光学精密测量技术领域，具体涉及一种表面形貌测量装置及方法、物体表面高度计算方法。

背景技术：

2.随着精密设备加工制造业的快速发展，表面形貌测量在元件尺寸测量、元件表面缺陷测量、质量控制等生产过程中具有重要的应用，基于光学检测的光学非接触式测量凭借测量精度高、测量对象适用范围广、便于自动化和模块化等优势成为表面形貌测量领域的研究和应用热点。
3.在光学非接触式测量方法中，与传统的透镜组合的干涉仪相比，全光纤结构的光纤干涉仪具有结构紧凑灵活、灵敏度高、环境适应性强的优点。常见的光纤干涉仪有光纤马赫-曾德干涉仪、光纤迈克尔逊干涉仪、光纤f-p干涉仪(fabry
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rot interferometer，法布里－珀罗干涉仪)，其中，光纤马赫-曾德干涉仪和光纤迈克尔逊干涉仪因其分光路的结构在表面形貌测量的应用中存在系统结构复杂、需设置参考臂的问题，不利于表面形貌检测系统集成。光纤f-p干涉仪是一种共光路结构干涉仪，其工作原理是通过改变f-p腔腔长来改变f-p腔干涉场的相位变化。由于f-p干涉仪独特的工作原理及共光路结构，应用于位移测量的光纤f-p干涉仪具有灵敏度高、稳定性强、结构简单的优点。
4.然而，目前通常将光纤f-p干涉仪应用于一维位移测量、物体微振动测量等场景，没有将光纤f-p干涉仪应用于三维表面形貌测量，同时，传统的强度解调光纤f-p干涉仪也存在测量范围小、稳定性不高的问题。
5.因此，需要一种新的将光纤f-p干涉仪应用于三维表面形貌测量的技术方案。

技术实现要素：

6.有鉴于此，本说明书实施例提供一种表面形貌测量装置及方法、物体表面高度计算方法，以解决现有技术中光纤f-p干涉测头测距原理方案精度较低、稳定性较差、测量范围小和测量速度慢的技术问题。
7.本说明书实施例提供以下技术方案：
8.本说明书实施例提供一种表面形貌测量装置，包括：光纤f-p干涉测头和三维位移台；
9.光纤f-p干涉测头由光纤头阵列和微透镜阵列组成，三维位移台上固定待测物体；
10.光束传输到光纤f-p干涉测头上，通过光纤头阵列和微透镜阵列后，从微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到待测物体的表面；
11.三维位移台带动待测物体做三维运动以对待测物体进行表面形貌测量。
12.优选地，微透镜阵列由多个微透镜单元并排构成；
13.每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体的表面的反射区域构成一个f-p腔。
14.优选地，光纤头阵列与微透镜单元的入射面相对，光纤头阵列由多个光纤单元构
成，多个光纤单元与多个微透镜单元一一对应。
15.优选地，每个光纤单元包括光纤、保护管和圆台；
16.光纤与圆台的小圆柱面熔接，保护管与圆台的大圆柱面熔接；
17.圆台的圆弧面与微透镜单元的入射面相对。
18.优选地，三维位移台包括第一位移台、第二位移台和第三位移台；
19.第一位移台与第二位移台固定连接，待测物体固定在第一位移台上，光纤头阵列和微透镜阵列固定在第三位移台上；
20.第一位移台和第二位移台控制待测物体在第一平面内进行二维运动，第三位移台控制光纤头阵列和微透镜阵列在垂直于第一平面的方向上进行一维运动。
21.优选地，还包括：激光器、光纤合束器、光纤环形器、位移台控制上位机、光谱仪和计算机；
22.激光器为宽带光源，用于输出激光；
23.激光经过光纤合束器分成多个光束，多个光束经过光纤环形器后传输到光纤f-p干涉测头上，多个光束传输到光纤f-p干涉测头上，从微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到待测物体的表面上，并在待测物体的表面和微透镜阵列的出射面之间的来回反射，在多个f-p腔内形成多光束干涉场，多光束干涉场的反射部分通过光纤环形器传输到光谱仪上；
24.三维位移台通过位移传感器进行位移实时检测，并将位移数据实时反馈给位移台控制上位机，位移台控制上位机通过位移数据以及预设运动轨迹控制三维位移台进行三维运动，并将三维运动的运动数据反馈给计算机；
25.计算机根据位移台控制上位机反馈的运动数据及光谱仪上的光谱数据，完成对待测物体的表面形貌测量。
26.本说明书实施例还提供一种表面形貌测量方法，适用于上述的表面形貌测量装置，包括：
27.激光器发射的激光经过光纤合束器分成多个光束，多个光束经过光纤环形器后传输到光纤f-p干涉测头上，从微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到待测物体的表面上，并在待测物体的表面和微透镜阵列的出射面之间的来回反射，在多个f-p腔内形成多光束干涉场，多光束干涉场的反射部分通过光纤环形器传输到光谱仪上，微透镜阵列中的每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体的表面上的反射区域构成f-p腔；
28.三维位移台通过位移传感器进行位移实时检测，并将位移数据实时反馈给位移台控制上位机，位移台控制上位机通过位移数据以及预设运动轨迹控制三维位移台进行三维运动，并将三维运动的运动数据反馈给计算机；
29.计算机根据位移台控制上位机反馈的运动数据及光谱仪上的光谱数据，完成对待测物体的表面形貌测量。
30.优选地，三维位移平台包括第一位移平台、第二位移平台和第三位移平台，包括：
31.调整第一位移台和第二位移台使得微透镜阵列照射在待测物体的初始采样点上，通过第三位移台调整光纤f-p干涉测头与待测物体的相对位置，得到初始采样点处光纤f-p干涉测头与待测物体之间的第一距离；
32.第三位移台保持不变，待测物体在第一位移台的带动下在第二方向做连续一维运
动，通过一维运动过程中的光谱数据解算出一维运动中每个时刻f-p腔的第一腔长数据，根据第一腔长数据和第一距离，得到待测物体表面在第二方向上的各个采样点相对于初始采样点的第二距离；
33.第三位移台保持不变，待测物体在第二位移台的带动下在第一方向做连续一维运动，通过一维运动中的光谱数据解算出一维运动中每个时刻f-p腔的第二腔长数据，根据第二腔长数据和第一距离，得到待测物体表面在第一方向上的各个采样点相对于初始采样点的第三距离；
34.根据第一距离、第二距离和第三距离，完成待测物体的表面形貌测量。
35.优选地，在待测物体在第一位移台的带动下在第二方向上做连续一维运动，以及，待测物体在第二位移台的带动下在第一方向上做连续一维运动的过程中，待测物体表面与光纤f-p干涉测头组成的f-p腔的腔长发生变化。
36.本说明书实施例还提供一种物体表面高度计算方法，应用于上述的表面形貌测量方法，包括：
37.步骤1：根据f-p腔的初始反射光谱，得到干涉图谱，并对干涉图谱中的一个谐振峰中心波长进行跟踪记录，微透镜阵列中的每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体的表面上的反射区域构成f-p腔；
38.步骤2：对f-p腔的腔长变化量和谐振峰中心波长的波长变化量进行标定，得到腔长变化量和波长变化量之间的对应关系；
39.步骤3：根据对待测物体测量过程中的波长变化量和对应关系，得到f-p腔的腔长变化量；
40.步骤4：根据腔长变化量得到待测物体的表面高度。
41.与现有技术相比，本说明书实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到的有益效果至少包括：采用光谱解调的测头测距方案，解决了现有技术中光纤f-p干涉测头测距原理方案精度较低、稳定性较差的问题，提高光纤f-p干涉表面形貌检测产品的测距精度以及环境稳定性，采用光纤头阵列和微透镜阵列与三维位移台结合的扫描测量方案，解决光纤f-p干涉测头测量范围小、测量速度慢的问题，提高光纤f-p干涉表面形貌检测产品的测量范围及测量速度、降低其成本。
附图说明
42.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
43.图1是本技术实施例提供的一种表面形貌测量装置的结构示意图；
44.图2是本技术实施例提供的一种光纤f-p干涉测头的结构示意图；
45.图3是本技术实施例提供的一种光纤头单元的结构示意图。
具体实施方式
46.下面结合附图对本技术实施例进行详细描述。
47.以下通过特定的具体实例说明本技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书
所揭露的内容轻易地了解本技术的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本技术的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
48.要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本技术，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
49.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本技术的基本构想，图式中仅显示与本技术中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
50.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践。
51.在光学非接触式测量方法中，与传统的透镜组合的干涉仪相比，全光纤结构的光纤干涉仪具有结构紧凑灵活、灵敏度高、环境适应性强的优点。常见的光纤干涉仪有光纤马赫-曾德干涉仪、光纤迈克尔逊干涉仪、光纤f-p干涉仪，其中，光纤马赫-曾德干涉仪和光纤迈克尔逊干涉仪因其分光路的结构在表面形貌测量的应用中存在系统结构复杂、需设置参考臂的问题。
52.专利文献cn107796423a公开一种使用微透镜的光纤干涉仪，该专利在光纤干涉仪的输出端加入微透镜耦合，借助微透镜大的数值孔径和对光束的会聚作用，提高探测系统的光收集能力和样品探测的空间分辨率，但是，采用分光路结构干涉仪，测头结构较复杂，不利于表面形貌检测系统集成。专利文献cn112097680a公开一种基于多腔fp干涉仪的表面形貌测试装置及测试方法，该专利利用光纤环形器构成多腔的光纤f-p干涉仪，可同时测试待测面的形貌，无需扫描过程避免了扫描所需时间及扫描带来的机械振动干扰。测头原理上，该专利使用强度解调的方法，相对于光谱解调稳定性差；测量方案上，使用多组光纤f-p干涉仪完全覆盖被测表面某一区域，这种方式存在测量范围窄、光学系统设计要求高、整体系统复杂的缺点。f-p干涉仪位移测量原理是根据强度信号变化解算位移变化，受环境干扰较大；在表面检测系统上未采用扫描方式，对被测件的尺寸有要求，应用范围窄。
53.光纤f-p干涉仪是一种共光路结构干涉仪，其工作原理是通过改变f-p腔腔长来改变f-p腔干涉场的相位变化。由于f-p干涉仪独特的工作原理及共光路结构，应用于位移测量的光纤f-p干涉仪具有灵敏度高、稳定性强、结构简单的优点。
54.然而，目前通常将光纤f-p干涉仪应用于一维位移测量、物体微振动测量等场景，鲜有将光纤f-p干涉仪应用于三维表面形貌测量的报道，同时，传统的强度解调光纤f-p干
涉仪也存在测量范围小、稳定性不高的问题。
55.基于此，本说明书实施例提出了一种处理方案：如图1所示，采用光纤头阵列和微透镜阵列与三维位移台结合对待测物体进行表面形貌测量，同时对待测物体的表面上的多个照射点进行测量，提高测量速度。
56.以下结合附图，说明本技术各实施例提供的技术方案。
57.如图1到图3所示，本说明书实施例提供一种表面形貌测量装置，包括：光纤f-p干涉测头104和三维位移台。
58.其中，光纤f-p干涉测头104由光纤头阵列201和微透镜阵列202组成，三维位移台上固定待测物体105。
59.在本说明书实施例中三维位移台包括第一位移台106、第二位移台107和第三位移台203；第一位移台106与第二位移台107固定连接，待测物体固定在第一位移台106上，光纤头阵列201和微透镜阵列202固定在第三位移台203上；第一位移台106和第二位移台107控制待测物体在第一平面内进行二维运动，第三位移台203控制光纤头阵列和微透镜阵列在垂直于第一平面的方向上进行一维运动。
60.具体地，光束传输到光纤f-p干涉测头104上后，通过光纤头阵列201和微透镜阵列202后，从微透镜阵列202的出射面发射，并准直照射到待测物体105的表面；并且，通过三维位移台带动待测物体105做三维运动以对待测物体105进行表面形貌测量。
61.可选地，三维位移台带动待测物体105进行三维运动时，微透镜的出射面与待测物体的表面的高度发生变化，导致微透镜的出射面与待测物体的表面形成的f-p腔的腔长发生变化，可以根据f-p腔的腔长变化得到待测物体105的表面高度，完成对待测物体105的表面形貌测量。
62.在本说明实施例中通过光纤头阵列201和微透镜阵列202与三维位移台结合对待测物体进行表面形貌测量，提高光纤f-p干涉仪表面形貌检测产品的测量范围及测量速度、降低成本，提高微观表面形貌检测产品的检测速度及检测范围，扩大应用对象范围。
63.进一步地，如图2所示，微透镜阵列202由多个微透镜单元并排构成；每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体105的表面的反射区域构成一个f-p腔；光纤头阵列201与微透镜单元的入射面相对，光纤头阵列201由多个光纤单元构成，多个光纤单元与多个微透镜单元一一对应。
64.更进一步地，如图3所示，每个光纤单元包括光纤301、保护管302和圆台303；光纤301与圆台303的小圆柱面熔接，保护管302与圆台303的大圆柱面熔接；圆台303的圆弧面与微透镜单元的入射面相对。
65.在本说明书实施例中光束通过微透镜阵列的出射面准直发射到待测物体105的表面。
66.在本说明书实施例中表面形貌测量装置还包括：激光器101、光纤合束器102、光纤环形器103、位移台控制上位机108、光谱仪109和计算机110。
67.其中，激光器101为宽带光源，用于输出激光；激光经过光纤合束器102分成多个光束，多个光束经过光纤环形器103后传输到光纤f-p干涉测头104上，多个光束传输到光纤f-p干涉测头104上，从微透镜阵列202的出射面发射，并准直照射到待测物体105的表面上，并在待测物体105的表面和微透镜阵列202的出射面之间的来回反射，在多个f-p腔内形成多
光束干涉场，多光束干涉场的反射部分通过光纤环形器103传输到光谱仪109上；三维位移台通过位移传感器进行位移实时检测，并将位移数据实时反馈给位移台控制上位机108，位移台控制上位机108通过位移数据以及预设运动轨迹控制三维位移台进行三维运动，并将三维运动的运动数据反馈给计算机110；计算机110根据位移台控制上位机108反馈的运动数据及光谱仪109上的光谱数据，完成对待测物体105的表面形貌测量。
68.在一种可选的实施方式中，如图1到图3所示，本说明书实施例提供的一种表面形貌测量装置，包括：激光器101、光纤合束器102、光纤环形器103、光纤f-p干涉测头104、待测物体105、一维位移台106、一维位移台107、位移台控制上位机108、光谱仪109和计算机110。激光器101为宽带光源，其输出波段根据待测物体105的表面反射率及光谱仪109光谱响应范围综合决定。待测物体105固定在一维位移台106上，一维位移台106与一维位移台107固定，并且一维位移台106与一维位移台107之间无相对移动。一维位移台203为光纤f-p干涉侧头104的组成部分，其作用为固定光纤头阵列201及微透镜阵列202。一维位移台106、一维位移台107和一维位移台203均通过内部集成的如光栅尺等同类型高精度位移传感器对其位移实时检测，并将位移数据实时反馈给位移台控制上位机108。位移台控制上位机108通过一维位移台106、一维位移台107和一维位移台203反馈的位移数据，结合预先设定的各个方向上的预设运动轨迹，通过控制一维位移台203控制光纤f-p干涉测头104在z方向上的一维运动，通过控制一维位移台106及一维位移台107控制被测物体105在x、y平面的二维运动。一维位移台106及一维位移台107分别带动待测物体105进行y方向和x方向的扫描运动。计算机110根据位移台控制上位机108反馈的位移信息数据及光谱仪109的光谱数据，计算待测物体的表面上各点的相对高度。
69.其中，光纤f-p干涉测头104包括光纤头阵列201和微透镜阵列202、一维位移台203。光纤头阵列201和微透镜阵列202构成激光准直系统，其作用是使得微透镜阵列202出射激光为准直性好的测试光束。微透镜阵列202的出射面为平面，其作用是与被测物体105表面被光斑照射区域构成f-p干涉腔，即f-p腔，被测物体105与待测物体105为同一物体，在不同模。光纤头阵列201及微透镜阵列202与一维位移台203固定。一维位移台203带动光纤头阵列201及微透镜阵列202在位移台控制上位机108控制下做z方向一维运动，运动范围为待测物体105的表面两个相邻聚焦光斑的距离，此距离可根据实际光纤头阵列201与微透镜阵列202的具体参数及与待测物体105的距离计算得到。实际应用中不存在发散角为0
°
的完美准直出射光束，因此一维运动台204的运动范围a可以根据公式(1)得到：
70.a＝d-d
1-2
·
l1·
θ+2
·
l2·a·
θ；
ꢀꢀꢀ
(1)
71.其中，a表示微透镜阵列中单个微透镜单元的角放大率；d表示相邻微透镜单元的中心间距；θ表示光纤头单元的数值孔径；d1表示光纤的纤芯直径；l1小时微透镜阵列与光纤端面距离；l2表示微透镜阵列与待测物体的表面距离。
72.进一步地，光纤头阵列201由光纤头单元组成，光纤头单元包括光纤301、保护管302、圆台303。保护管302、圆台303均为常用光学材料并通过熔接的方式连接为一体，其具体材料型号根据光纤301的材料、熔接工艺决定。光纤301与圆台303小圆柱面熔接，保护管302与圆台303大圆柱面熔接。圆台303测面做磨砂或发黑等类似处理以减少散射光对测量结果的影响，保护管302内径略大于熔石英圆台303小圆柱面直径以减小熔接点处光纤受力，保护光纤熔接点。
73.本说明书实施例还提供一种表面形貌测量方法，适用于上述的表面形貌测量装置，包括：
74.激光器发射的激光经过光纤合束器分成多个光束，多个光束经过光纤环形器后传输到光纤f-p干涉测头上，从微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到待测物体的表面上，并在待测物体的表面和微透镜阵列的出射面之间的来回反射，在多个f-p腔内形成多光束干涉场，多光束干涉场的反射部分通过光纤环形器传输到光谱仪上，微透镜阵列中的每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体的表面上的反射区域构成f-p腔；三维位移台通过位移传感器进行位移实时检测，并将位移数据实时反馈给位移台控制上位机，位移台控制上位机通过位移数据以及预设运动轨迹控制三维位移台进行三维运动，并将三维运动的运动数据反馈给计算机；计算机根据位移台控制上位机反馈的运动数据及光谱仪上的光谱数据，完成对待测物体的表面形貌测量。
75.具体地，激光器101发出的激光经光纤合束器102分成若干个光束，光束通过光纤环形器组103传输到光纤f-p干涉测头104，光束从光纤f-p干涉测头104内微透镜阵列202端面发射并准直照射在待测表面105上并在待测表面105及微透镜阵列202的出射面来回反射，最终形成多光束干涉场，微透镜阵列202中每个微透镜单元的出射面与其对应的待测表面反射区域构成一个f-p腔，多光束干涉场的反射端部分通过光纤环形器组103传输到光谱仪109，根据光谱变化解算每个f-p腔腔长的改变量，得到待测物体表面各个点的相对高度。
76.其中，三维位移平台包括第一位移平台、第二位移平台和第三位移平台，包括：调整第一位移台和第二位移台使得微透镜阵列照射在待测物体的初始采样点上，通过第三位移台调整光纤f-p干涉测头与待测物体的相对位置，得到初始采样点处光纤f-p干涉测头与待测物体之间的第一距离；第三位移台保持不变，待测物体在第一位移台的带动下在第二方向做连续一维运动，通过一维运动过程中的光谱数据解算出一维运动中每个时刻f-p腔的第一腔长数据，根据第一腔长数据和第一距离，得到待测物体表面在第二方向上的各个采样点相对于初始采样点的第二距离，其中，第二方向为图1中的y方向；第三位移台保持不变，待测物体在第二位移台的带动下在第一方向做连续一维运动，通过一维运动中的光谱数据解算出一维运动中每个时刻f-p腔的第二腔长数据，根据第二腔长数据和第一距离，得到待测物体表面在第一方向上的各个采样点相对于初始采样点的第三距离，其中，第一方向为图1中的x方向；根据第一距离、第二距离和第三距离，完成待测物体的表面形貌测量。
77.其中，在待测物体在第一位移台的带动下在第二方向上做连续一维运动，以及，待测物体在第二位移台的带动下在第一方向上做连续一维运动的过程中，待测物体表面与光纤f-p干涉测头组成的f-p腔的腔长发生变化。
78.具体地，选择待测物体上任一点为初始采样点，调整一维位移台106、一维位移台107使得微透镜阵列202照射在初始采样点。通过一维位移台203调整光纤f-p干涉测头104与待测物体的相对位置使得反馈信号强度最大，根据一维位移台203内部集成的如光栅尺等同类型高精度位移传感器反馈得到此时干涉测头104与待测物体的第一距离h0；一维位移台203保持原位置不变，待测物体105在一维位移台106的带动下在y方向做连续一维运动，此时物体表面各点与光纤f-p干涉测头104的相对距离改变，即待测物体表面与对应点与光纤f-p干涉测头104组成的f-p腔的腔长改变，通过光谱变化解算出运动过程中各时刻f-p腔的第一腔长数据：h
t1
、h
t2
……htn
，其中，t1、t2
……
tn表示不同的时刻，h
t1
、h
t2
……htn
表示在不同时刻的腔长，则待测物体表面在y方向上的各个采样点的相对于初始采样点的高度差，即第二距离：h
t1-h0、h
t2-h0
……htn-h0；完成对待测物体表面y方向的扫描；同理，一维位移台203保持原位置不变，待测物体105在一维位移台107的带动下在x方向做连续一维运动，得到待测物体表面在x方向上的各个采样点相对于初始采样点的第三距离，完成对待测物体表面x方向的扫描；计算机110根据第一距离、第二距离和第三距离解算得到待测物体表面各个采样点的相对高度差后，结合以初始采样点与干涉测头104的距离h0，完成对待测物体表面形貌恢复和测量。
79.本说明书实施例采用光谱解调的测头测距方案，提高光纤f-p干涉表面形貌检测产品的测距精度以及环境稳定性，提高微观表面形貌检测产品的检测精度，扩大其应用场景范围。
80.本说明书实施例还提供一种物体表面高度计算方法，应用于上述的表面形貌测量方法，包括：
81.步骤1：根据f-p腔的初始反射光谱，得到干涉图谱，并对干涉图谱中的一个谐振峰中心波长进行跟踪记录，微透镜阵列中的每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体的表面上的反射区域构成f-p腔。
82.步骤2：对f-p腔的腔长变化量和谐振峰中心波长的波长变化量进行标定，得到腔长变化量和波长变化量之间的对应关系。
83.步骤3：根据对待测物体测量过程中的波长变化量和对应关系，得到f-p腔的腔长变化量。
84.步骤4：根据腔长变化量得到待测物体的表面高度。
85.具体地，首先获取各个f-p干涉腔的初始反射光谱。各f-p腔输出的反射光干涉光谱强度可以通过公式(2)表示：
[0086][0087]
其中，j＝1,2,3,
……
n，ij表示干涉场光强；aj表示单个微透镜单元的出射面的反射光强；bj表示待测物体照射面反射光强；φj表示f-p腔的相位；n
air
表示空气折射率；lj表示单个微透镜单元的出射面到待测物体照射面的距离；λ为表示振峰中心波长，当相位满足干涉仪条件时，光谱仪上将形成稳定的干涉图谱，形成多个谐振峰，跟踪记录某一谐振峰中心波长。
[0088]
然后：对f-p腔的腔长变化量及所跟踪谐振峰中心波长的波长变化量进行标定。在图1的结构中，待测物体105用一平面光学元件如反射镜、平行平板等代替，该平面光学元件表面粗糙度及表面反射率与待测物体105表面粗糙度、表面反射率相近。光纤f-p干涉测头104出射测试光照射在平面光学元件上，使用第三位移台203沿z方向移动光纤f-p干涉测头104，当f-p腔的腔长变化时所跟踪谐振峰的中心波长会发生改变，波长漂移量和位移量满足公式(3)。
[0089]
[0090]
其中，表示f-p腔相位；n表示空气折射率；l表示f-p腔初始长度，δl表示f-p腔长因第三位移台203运动的改变量；λ表示谐振峰初始中心波长；δλ表示因f-p腔长改变导致的谐振峰中心波长漂移量。
[0091]
具体的，通过第三位移台203内部集成的如光栅尺等同类型高精度位移传感器实时反馈输出第三位移台203沿z方向移动过程中光纤f-p干涉测头104与标准平面光学元件组成的f-p腔的腔长，即光纤f-p干涉测头104与标准平面光学元件之间距离。结合光谱仪109反馈的所跟踪谐振峰的中心波长漂移量，建立所跟踪谐振峰中心波长漂移量与f-p腔腔长改变量的一一对应关系，可以为映射表格或者映射公式等。
[0092]
之后：测量中跟踪反射干涉光谱某一峰值中心波长变化，根据上述标定确定的对应关系，如映射表格或者映射公式等，对照或计算得到其对应的f-p腔的腔长变化量。
[0093]
最后，根据腔长变化量得到待测物体的表面高度。
[0094]
本说明书实施例中跟踪干涉场反射光谱某一峰值波长变化量完成一维位移测量，相对于现有技术中强度解调光纤f-p干涉仪，灵敏度更高、抗干扰能力更强。
[0095]
本说明书实施例中f-p干涉测头由光纤头阵列及微透镜阵列耦合组成而成，同时对待测物体表面多个照射点进行测量，提高测量速度。
[0096]
本说明书实施例中采用非接触式测量，保证待测物体表面不受损伤。
[0097]
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例侧重说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于后面说明的产品实施例而言，由于其与方法是对应的，描述比较简单，相关之处参见系统实施例的部分说明即可。
[0098]
以上所述，仅为本技术的具体实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

技术特征：

1.一种表面形貌测量装置，其特征在于，包括：光纤f-p干涉测头和三维位移台；所述光纤f-p干涉测头由光纤头阵列和微透镜阵列组成，所述三维位移台上固定待测物体；光束传输到所述光纤f-p干涉测头上，通过所述光纤头阵列和所述微透镜阵列后，从所述微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到所述待测物体的表面；所述三维位移台带动所述待测物体做三维运动以对所述待测物体进行表面形貌测量。2.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述微透镜阵列由多个微透镜单元并排构成；每个所述微透镜单元的出射面与对应的所述待测物体的表面的反射区域构成一个f-p腔。3.根据权利要求2所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述光纤头阵列与所述微透镜单元的入射面相对，所述光纤头阵列由多个光纤单元构成，多个所述光纤单元与多个所述微透镜单元一一对应。4.根据权利要求3所述的表面形貌测量装置，其特征在于，每个所述光纤单元包括光纤、保护管和圆台；所述光纤与所述圆台的小圆柱面熔接，所述保护管与所述圆台的大圆柱面熔接；所述圆台的圆弧面与所述微透镜单元的所述入射面相对。5.根据权利要求1所述的表面形貌测量装置，其特征在于，所述三维位移台包括第一位移台、第二位移台和第三位移台；所述第一位移台与所述第二位移台固定连接，所述待测物体固定在所述第一位移台上，所述光纤头阵列和所述微透镜阵列固定在所述第三位移台上；所述第一位移台和所述第二位移台控制所述待测物体在第一平面内进行二维运动，所述第三位移台控制所述光纤头阵列和所述微透镜阵列在垂直于所述第一平面的方向上进行一维运动。6.根据权利要求1-5任一项所述的表面形貌测量装置，其特征在于，还包括：激光器、光纤合束器、光纤环形器、位移台控制上位机、光谱仪和计算机；所述激光器为宽带光源，用于输出激光；所述激光经过所述光纤合束器分成多个所述光束，多个所述光束经过所述光纤环形器后传输到所述光纤f-p干涉测头上，多个所述光束传输到所述光纤f-p干涉测头上，从所述微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到所述待测物体的表面上，并在所述待测物体的表面和所述微透镜阵列的所述出射面之间的来回反射，在多个所述f-p腔内形成多光束干涉场，所述多光束干涉场的反射部分通过所述光纤环形器传输到所述光谱仪上；所述三维位移台通过位移传感器进行位移实时检测，并将位移数据实时反馈给所述位移台控制上位机，所述位移台控制上位机通过所述位移数据以及预设运动轨迹控制所述三维位移台进行三维运动，并将三维运动的运动数据反馈给所述计算机；所述计算机根据所述位移台控制上位机反馈的所述运动数据及所述光谱仪上的光谱数据，完成对所述待测物体的表面形貌测量。7.一种表面形貌测量方法，其特征在于，适用于权利要求1-6中任一项所述的表面形貌测量装置，包括：
激光器发射的激光经过光纤合束器分成多个光束，多个所述光束经过光纤环形器后传输到光纤f-p干涉测头上，从微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到待测物体的表面上，并在所述待测物体的表面和所述微透镜阵列的所述出射面之间的来回反射，在多个f-p腔内形成多光束干涉场，所述多光束干涉场的反射部分通过所述光纤环形器传输到所述光谱仪上，所述微透镜阵列中的每个微透镜单元的出射面与对应的所述待测物体的表面上的所述反射区域构成所述f-p腔；三维位移台通过位移传感器进行位移实时检测，并将位移数据实时反馈给位移台控制上位机，所述位移台控制上位机通过所述位移数据以及预设运动轨迹控制所述三维位移台进行三维运动，并将三维运动的运动数据反馈给计算机；所述计算机根据所述位移台控制上位机反馈的运动数据及所述光谱仪上的光谱数据，完成对所述待测物体的表面形貌测量。8.根据权利要求7所述的表面形貌测量方法，其特征在于，所述三维位移平台包括第一位移平台、第二位移平台和第三位移平台，包括：调整所述第一位移台和所述第二位移台使得所述微透镜阵列照射在所述待测物体的初始采样点上，通过所述第三位移台调整所述光纤f-p干涉测头与所述待测物体的相对位置，得到所述初始采样点处所述光纤f-p干涉测头与待测物体之间的第一距离；所述第三位移台保持不变，所述待测物体在所述第一位移台的带动下在第二方向做连续一维运动，通过一维运动过程中的所述光谱数据解算出一维运动中每个时刻f-p腔的第一腔长数据，根据所述第一腔长数据和所述第一距离，得到所述待测物体表面在所述第二方向上的各个采样点相对于所述初始采样点的第二距离；所述第三位移台保持不变，所述待测物体在所述第二位移台的带动下在第一方向做连续一维运动，通过一维运动中的所述光谱数据解算出一维运动中每个时刻f-p腔的第二腔长数据，根据所述第二腔长数据和所述第一距离，得到所述待测物体表面在所述第一方向上的各个采样点相对于所述初始采样点的第三距离；根据所述第一距离、所述第二距离和所述第三距离，完成所述待测物体的表面形貌测量。9.根据权利要求8所述的表面形貌测量方法，其特征在于，在所述待测物体在所述第一位移台的带动下在所述第二方向上做连续一维运动，以及，所述待测物体在所述第二位移台的带动下在所述第一方向上做连续一维运动的过程中，所述待测物体表面与所述光纤f-p干涉测头组成的所述f-p腔的腔长发生变化。10.一种物体表面高度计算方法，其特征在于，应用于权利要求7-9中任一项所述的表面形貌测量方法，包括：步骤1：根据f-p腔的初始反射光谱，得到干涉图谱，并对所述干涉图谱中的一个谐振峰中心波长进行跟踪记录，微透镜阵列中的每个微透镜单元的出射面与对应的待测物体的表面上的反射区域构成所述f-p腔；步骤2：对所述f-p腔的腔长变化量和所述谐振峰中心波长的波长变化量进行标定，得到所述腔长变化量和所述波长变化量之间的对应关系；步骤3：根据对待测物体测量过程中的所述波长变化量和所述对应关系，得到所述f-p腔的所述腔长变化量；
步骤4：根据所述腔长变化量得到所述待测物体的表面高度。

技术总结

本申请提供一种表面形貌测量装置及方法、物体表面高度计算方法，应用于光学精密测量技术领域，包括：光纤F-P干涉测头和三维位移台；光纤F-P干涉测头由光纤头阵列和微透镜阵列组成，三维位移台上固定待测物体；光束传输到光纤F-P干涉测头上，通过光纤头阵列和微透镜阵列后，从微透镜阵列的出射面发射，并准直照射到待测物体的表面；三维位移台带动待测物体做三维运动以对待测物体进行表面形貌测量。通过采用光纤头阵列和微透镜阵列与三维位移台结合的扫描测量方案，解决光纤F-P干涉测头测量范围小、测量速度慢的问题，提高光纤F-P干涉表面形貌检测产品的测量范围及测量速度、降低其成本。成本。成本。