具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互结合。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

一方面，本发明提供一种干涉共聚焦测量系统。

图1示出了本发明实施例的干涉共聚焦测量系统的结构图。

一种干涉共聚焦测量系统，包括第一测量单元和第二测量单元。

第一测量单元构成了光谱共焦系统，进行的第一次测量实现的是“粗测”，通过“粗测”确定干涉级次；第二测量单元构成了双光束干涉系统，进行的第二次测量实现的是“精测”，逐级测量，保证了干涉共聚焦测量系统的测量精度。

第一测量单元包括发出λ₁-λ₂波长范围的宽光谱光源组件1、第一分束镜2、色散物镜3、信号接收组件；宽光谱光源组件1发出的光束经第一分束镜2反射和色散物镜3透射，入射至待测物4表面，经待测物4表面反射回的光束经第一分束镜2和色散物镜3透射至信号接收组件，通过分析信号接收组件的数据得到待测物4表面的位置信息。

第二测量单元包括单波长的激光光源5、扩束镜6、第二分束镜7、移相器9、反射镜8、光电探测器10、第三分束镜11、位于色散物镜3中心的光阑12。激光光源5发出的光束经扩束镜6扩束后入射至第二分束镜7，一部分被反射作为参考光束，另一部分被透射作为测量光束；参考光束反射至反射镜8后又经反射，入射至第二分束镜7透射至光电探测器10；移相器9控制反射镜8沿参考光束方向往复移动进行相位调制；测量光束经第三分束镜11反射至第一分束镜2，依次经第一分束镜2透射、穿过光阑12入射至待测物4表面，经待测物4表面反射后依次穿过光阑12、第一分束镜2透射、第三分束镜11反射，后入射至第二分束镜7，经第二分束镜7反射至光电探测器10，与参考光束发生干涉。

第一测量单元构成了光谱共焦系统，特定波长范围的宽光谱光源为波长范围为λ₁-λ₂nm的光束，由于白光作为复色光包含很多不同波长的单色光，因此为了便于实际操作可以选取白光作为光源。光源的选取不限于白光，可以根据实际测量的物体做选择，只要是具有一定波长范围的光源均可，若实现高精度测量可以选择连续光谱的光源，本发明对此不进行限定。在相同介质中折射率随波长的变化而改变。因此，经过色散物镜3后的光束的像点在光轴上的聚焦位置不同，在光轴上形成一系列连续的聚焦光斑，形成像差中的轴向色散，因此并不是所有的波长的光束都能够在待测物4表面聚焦。当待测物4表面的测量点与待测物4表面聚焦的点重合，光源发出光束的一点、能够在待测物4表面聚焦的点、进入信号接收组件的点，三处位置相互共轭构成共聚焦的三点，进而获得光通量最大处的波长值，得到待测物4表面待测点的位置信息。

光的色散特性如下式：

其中f为焦点，λ为对应光线的波长，r₁为色散物镜3最内半径，λ_d为理论波长，f(λ_d)理论焦点。

将上式在λ＝λ_d处泰勒展开如下式：

本发明所取波段为λ₁-λ₂nm的光束，因此本发明所提供的干涉共聚焦测量系统的测量范围如下式：

ΔL＝f(λ₂)-f(λ₁) (3)

具体应用时，可根据待测物4目标所要测量的范围反向推导对应波段的范围。此处不做具体限定，可以视其具体应用环境而定。

第二测量单元构成了双光束干涉系统，单波长的激光光源5选取波长为λ₃nm的光束。本发明提供一种优选实施例波长选取λ₂＞λ₁＞λ₃。双光束干涉系统的精度取决于光束的波长，干涉系统的精度为λ₃/2；因此λ₃的取值决定了最终的测量精度。光阑12设置于色散物镜3的内部，能够使第一透射光不经色散物镜3的色散而直接入射至待测物4表面，并经待测物4表面反射原路返回，入射至光电探测器10，并且λ₃的选值最小，能够避免λ₃波长的光束入射至信号接收组件，此设置方式能够降低第一测量单元、第二测量单元光路之间的相互干扰，提高测量精度。

在本发明的一个优选示例中，光源组件1包括光源和第一光孔。光源发出的光束经第一光孔出射，形成点光源。

在本发明的一个优选示例中，光源为连续光谱的白色光源。连续光谱的白色光源能够保证不同高度的待测物4的待测点均有相对应波长的光束在待测点聚焦，不会有待测点没有对应波长的光束聚焦的情况，进而保证测量精度。

在本发明的一个优选示例中，信号接收组件包括滤光片13、光接收单元、第二光孔14。

光源组件1发出的光束经第一分束镜2反射和色散物镜3透射，入射至待测物4表面，经待测物4反射的光束依次经过滤光片13和第二光孔14，进入光接收单元，通过分析光接收单元的光通量最大处的波长值得到待测物4表面的位置信息。

在本发明的一个优选示例中，光接收单元为光谱仪或光电探测器。具体应用中可以使用质心法对光谱仪或光电探测器所接收到的谱峰位置进行确定。

本发明所提供的干涉共聚焦测量系统，将共聚焦成像系统和双光束干涉系统相结合，通过第一测量单元完成待测物4表面的“粗测量”，解决了双光束干涉系统只能测量0到2π范围内的相位值的技术问题，同时解决了干涉仪只能够在测量光束波长λ/2范围内实现精准测量的技术问题，因此第一测量单元完成了大范围的测量。通过第二测量单元完成待测物4表面的“精测量”，解决了共聚焦成像系统在检测时测量远距离物体时检测精度降低的技术问题，因此第二测量单元完成了高精度的测量。本发明通过第一测量单元和第二测量单元的逐级测量组合提供了一种原理简单、操作方便，能够实现大范围精准测量的非接触式的干涉共聚焦测量系统。

另一方面，本发明提供一种干涉共聚焦成像的测量方法。

图2示出了本发明实施例中的干涉共聚焦测量方法的流程示意图。

一种干涉共聚焦成像的测量方法，包括如下步骤：

S1、宽光谱光源组件1发出的光束经第一分束镜2和色散物镜3至待测物4表面，待测物4的待测点表面反射后的光束经第一分束镜2和色散物镜3透射至信号接收组件，信号接收组件通过接收到经待测物4的待测点表面反射后的光谱信息得到相应的位置信息，从而得到待测物4的待测点的高度，完成第一次测量。

宽光谱光源组件1发出波长范围为λ₁-λ₂nm的白光光束，在相同介质中折射率随波长的变化而改变，经过色散物镜3后的色散的不同波长的光束在光轴上的聚焦位置不同，并不是所有的波长的光束都能够在待测物4的待测点表面聚焦。只有在待测物4的待测点表面聚焦的特定波长的光束能够被待测物4的待测点表面所反射，反射后的特定波长的光束进入至信号接收组件，信号接收组件通过光束的波长信息能够得出待测物4的待测点的高度L的粗测值，实现粗测。

S2、根据公式(4)计算所述第一测量单元的干涉级次：

计算并取整数得出m值；

其中：m为干涉级次，L为所述待测物表面的待测点的高度，λ为信号接收组件所接收到的光束的波长。

令公式(5)中的Φ＝0，整理则可以得到公式(4)，进而求得干涉级次m。

S3、激光光源5发出的光束经第二分束镜7被分束为参考光束和测量光束，其中参考光束作为参考光束经反射镜8反射至光电探测器10；测量光束依次经第三分束镜11反射、第一分束镜2透射、穿过光阑12、入射至待测物4表面的待测点，经待测物4表面的待测点反射后再沿原光路返回，经第二分束镜7反射至光电探测器10，与参考光束形成干涉；调整移相器9的移动位移4次，相位分别为：0、π/2、π、3π/2，利用四步相移法求得目标相位值Φ，完成第二次测量。若进行多次测量，可对测量的目标相位值Φ进行求平均值，以获得更精确的目标相位值Φ的数值。

S4、根据公式(5)，计算得出待测物4待测点精确的高度，从而获得待测物4的面型信息，其中λ₃为激光光源5发出的光束的波长，L'为待测物4体的高度的精确值。

将步骤S2、S3所获得的m值和Φ值代入公式(5)，求得待测物4的高度的精确值L'。

在本发明的一个优选示例中，步骤S1还包括以下步骤：

S101、宽光谱光源组件1发出的光束经第一分束镜2和色散物镜3入射至待测物4表面的待测点，待测点与特定波长光束聚焦点重合时，待测点将特定波长光束反射，特定波长光束依次经第一分束镜2和色散物镜3透射后，入射至信号接收组件；

S102、通过分析所述信号接收组件接收到的所述特定波长光束的光谱信息，获得光通量最大处的波长值，进而获得相应的待测物表面的任意一点位置信息，从而得到待测物体的高度，完成第一次测量，即粗测。

在本发明的一个优选示例中，步骤S3中：获得目标相位值Φ的具体方法为：

移相器9往复移动4次进行相位调制，4次相位调制的相位分别是0、π/2、π、3π/2，即初始相位为0，每次的相移变量为π/2，光电探测器10采集4次干涉灰度图，目标相位值Φ满足公式(6)：

其中，I₀、I₁、I₂、I₃分别是光电探测器采集的4次干涉的光强度，I_a为干涉场的均匀光强分布，A为幅值调制的系数。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。