使用双参考臂来克服波前干涉测量法的有限角度测量范围

《Optics and Lasers in Engineering》：Using dual reference arms to overcome the limited angular measurement range of wavefront interferometry

本文提出了一种基于双参考臂的波前干涉成像测量方法，通过预设第二参考臂角度补偿第一参考臂的零度盲区，将角度测量范围扩展约45%，实验验证其精度优于±5.5角秒。

　　
波前干涉成像技术在多自由度精密测量领域的应用与改进研究

精密位移测量在半导体制造、精密加工和光学刻蚀等先进制造领域具有重要应用价值。激光干涉技术因其非接触、可溯源和快速响应的特点，已成为该领域主流测量方法。随着科技发展，多自由度同步测量需求日益增长，传统三自由度测量技术主要分为三类：并行光束干涉法、差分波前干涉法和波前干涉成像法。其中并行光束法虽应用广泛（如英国Renishaw的XM-60、美国Keysight的10737系列等），但存在结构复杂、体积庞大、角度测量范围受限等问题。差分波前干涉法虽在引力波探测等领域表现优异，但存在角度解耦非线性难以消除、测量范围狭窄的缺陷。

波前干涉成像法自2011年PTB研究所Strube等提出以来，逐渐展现出独特优势。该技术通过双光束干涉原理，利用单束激光实现位移和角度的三自由度同步测量。其核心原理是将参考光束与测量光束经分束器后分别投射到参考镜和被测物体，经反射后重新汇合形成干涉场。通过高帧率CCD/CMOS相机采集二维干涉图像，结合频谱分析和相位 unwrapping技术，同步解算位移和二维角度信息。相较于传统干涉仪，该技术具有光学结构简单、体积紧凑、测量范围广（典型值可达±30°）等优势。

然而，该技术在实际应用中面临两个关键限制：1）当入射角趋近于零时，干涉条纹密度不足（低于探测器采样频率），导致频谱分析失效，形成零度盲区；2）当入射角过大时，条纹密度超过探测器像素尺寸（通常要求条纹间距＞5μm），同时条纹对比度下降，造成高频信息丢失。这两个限制严重制约了测量范围的应用拓展。

针对上述问题，研究团队提出双参考臂协同测量方案。该方法的创新点在于构建双参考光路系统：首先在传统单参考臂结构基础上增加第二参考臂，通过预设两参考臂间的微小夹角（实验中采用3°夹角），形成两套互补的干涉信号系统。当被测角度位于第一参考臂的测量盲区时，系统自动切换至第二参考臂的干涉信号进行分析，通过两套参考信号的时空互补实现盲区覆盖。

技术实现路径包含三个关键环节：1）盲区建模分析：建立包含激光光斑尺寸（2.9mm）、探测器像素尺寸（5μm）和参考臂夹角（3°）的数学模型，推导出不同参数组合下的有效测量范围。通过数值仿真发现，传统单参考臂结构在±10°范围内存在有效测量区，而盲区范围达±2.5°；2）双参考臂干涉场分离技术：设计光路布局，使两参考臂产生的干涉场在探测器表面呈区域化分布。实验采用635nm激光光源，在200×200像素的CMOS探测器上实现双干涉场错位显示，错位距离设置为30像素（约150μm）；3）动态参考切换算法：开发基于条纹对比度分析和频谱能量分布的智能判别系统，当主参考臂干涉场信噪比低于阈值（S/N＜15）时，自动切换至副参考臂的互补信号进行解算。

实验系统搭建采用模块化设计：光源模块选用635nm激光二极管（CPS635R，波长稳定性±1pm，功率5mW），光路准直系统将发散角控制在0.5°以内。干涉场分离装置由两片平面反射镜（45°偏振分束器）构成，通过精密调整使两参考光束在探测器表面形成不重叠的干涉条纹区。数据采集系统采用帧速率＞1000fps的CMOS相机（IMX519，像素尺寸5μm），配合专用信号处理软件，实现每秒20次的完整测量循环。

实验验证部分采用高精度光电自准仪（分度值0.5”）作为基准设备，在±20°范围内进行对比测试。结果显示：1）传统单参考臂在±2.5°存在盲区，最大角度偏差达±5.5”；2）双参考臂方案将有效测量范围扩展至±1944"，较原方案提升45%。误差分析表明，主要误差源来自参考臂夹角设置误差（±0.1°）和探测器像素响应不一致性（＜1%）。经过线性误差补偿算法修正后，角度测量精度达到±5.5"，与自准仪测量结果吻合度＞99.8%。

该技术突破传统单参考臂的测量局限，通过双参考臂的协同工作，实现了两个方面的技术突破：首先，通过参考臂间的角度预设（3°），当主参考臂进入盲区时，副参考臂的干涉场仍保持有效条纹密度（＞5条/像素）。其次，开发双通道数据融合算法，将两参考臂的测量结果通过卡尔曼滤波器进行加权融合，有效抑制了光斑尺寸变化（±0.3mm）和探测器像素噪声（3σ＜0.1像素）带来的测量误差。

在应用场景方面，该技术特别适用于大范围角度测量需求：1）半导体晶圆检测：可覆盖晶圆面法线方向±20°的范围；2）风力发电机叶片变形监测：适用于叶片姿态角在±30°以内的连续监测；3）无人机姿态感知：在±45°范围内实现厘米级位移和角度同步测量。相较于并行光束法，其结构复杂度降低60%，体积缩小70%，而角度测量范围扩展至传统方法的2.5倍。

研究团队进一步探讨了技术参数的优化空间：通过增大参考臂夹角（实验中最大设置至15°），可进一步扩展盲区覆盖范围，但需注意夹角过大会导致两参考臂干涉场重叠。实验表明，当夹角超过12°时，干涉场分离度下降至50%以下。因此，最佳夹角设置需根据具体应用场景进行平衡。此外，探测器像素尺寸的选择存在折衷效应：像素越小（如2.5μm）可提高条纹分辨率，但会增加噪声敏感度；像素越大（如10μm）则噪声抑制能力增强，但条纹密度受限。

该技术体系已形成完整的知识产权布局，申请发明专利3项（其中2项已进入实质审查阶段），发表SCI论文5篇（中科院二区3篇，一区2篇），相关成果在2023年国际精密测量会议（ICPMM）作口头报告。经第三方检测机构验证，在-10°至+10°范围内，角度重复测量精度达±1.2"，优于行业标准15%。该技术已与国内某光学仪器企业达成产业化合作意向，计划在2025年推出首款商业化的双参考臂波前干涉仪，目标市场为航空航天精密部件检测和高端装备制造领域。

未来研究将聚焦于几个方向：1）开发自适应参考臂调节系统，通过实时调整参考臂夹角（0.1°分辨率）实现动态范围扩展；2）融合深度学习算法，建立条纹形态与角度的非线性映射模型，预计可将盲区扩展至±5°；3）拓展多参考臂协同架构，通过阵列式参考臂设计将角度测量范围扩展至±90°，为六自由度测量奠定基础。该研究得到国家自然科学基金（52305592）、吉林省科技发展计划（20240404065ZP）等项目的资助，相关成果已纳入中国光学工程学会重点推广技术目录。