基于白光干涉的三维形貌测量实验

GCS-WLIM基于白光干涉的三维形貌测量实验

♦ 实验介绍

白光干涉测量面型套件是一种非接触、高精度的光学三维形貌测量技术，基于迈克尔逊干涉原理与白光短相干特性，通过解析干涉条纹信号，实现对物体表面微观形貌（面型）的纳米级精度重构，广泛用于超光滑表面、微结构、光学元件等的面型检测。

♦ 知识点

迈克尔逊干涉、非相干干涉、相干长度、光程差、成像技术、图像处理与显示

♦ 设计课程

激光技术与应用、光电技术、光电检测技术与应用

♦ 实验内容

• 观察白光干涉条纹的分布、对比度变化，理解白光干涉测量原理。

• 参考光搭建干涉光路，记录相干光条纹变化。

• 白光干涉获取样品二维干涉图样、三维微观面型形貌。

• 记录不同样品的面型误差、粗糙度量化数据。

♦ 实验原理

白光干涉测量面型以迈克尔逊干涉为基础，利用白光短相干特性工作，白光是宽光谱光源，相干长度极短，只有在参考光与测量光的光程差近似为零时，才能形成高对比度干涉条纹，光程差稍大干涉就会迅速消失，以此实现对表面高度的精确定位。

实验中通过微动装置改变参考镜位置，使被测表面不同高度依次满足零光程差条件，CCD同步采集序列干涉图像；再通过干涉包络峰值提取算法，确定每个像素对应的零光程差位置，将其转换为表面高度，最终重构出样品三维面型，并计算出面型误差、粗糙度等形貌参数。

♦ 原理示意图

♦ 实验效果图

保鲜膜测试结果图

♦ 指标参数

• 同轴框架结构：四根高精度不锈钢杆分别位于30mm方形的四个角上，杆直径6mm，杆间距30mm；三维转接多节点模块，可沿光路在全空间扩展；同轴框架可搭载移动式Φ25.4mm镜框、LED光源架、分光棱镜架、45度反射镜架等主要光学器件；器件可沿框架同光轴移动；结构稳定，中心偏差≤1%。

• 多孔固定板：外形尺寸：长×宽×高 450×600×12.7mm，M6点阵螺纹孔，孔间距25*25mm；含地脚。

• 一维精密平移台：台面65*65mm，预留M3、M4转接孔，行程12.5mm，千分丝杆最小读数0.001mm。

• 二维精密平移台：台面65*65mm，预留M3、M4转接孔，行程12.5mm，千分丝杆最小读数0.001mm。

• 图像传感器：黑白CMOS，靶面尺寸1/2.7″，灵敏度1.6v@550nm/Lux/s,帧率15帧/秒，分辨率1280*1024，USB3.0。

• 白光LED光源：工作波长:400～700nm，出光小孔1mm，功率3W；

• 反射镜组件：K9基底，表面镀高反铝膜，Φ25.4mm，R>95%，含二维调节支架；

• 消偏振分光棱镜组件：工作波长400-700nm，外形尺寸25.4×25.4mm，分光比1:1；

• 成像镜头：焦距200mm，外径30mm，匹配同轴支座；

• 压电器件：工作电压0-150V，移动位移0-15um；

• 实验软件：软件包含数据采集模块和数据处理模块，数据采集模块可以单独控制PZT扫描和相机采集，也可实现PZT与相机同步扫描；数据处理模块，可以读取序列图片，可以显示计算二维伪彩高度图、三维伪彩高度图和一维高度分布图，软件可存储图片文件和数据文件。

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