(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210347541.6 (22)申请日 2022.04.01 (71)申请人 浙江大学 地址 310027 浙江省杭州市西湖区浙大路 38号 (72)发明人 朱吴乐　吴佳君　赵冉　孙安玉　 居冰峰　 (74)专利代理 机构 杭州君度专利代理事务所 (特殊普通 合伙) 33240 专利代理师 朱月芬 (51)Int.Cl. G01B 11/24(2006.01) G01N 21/88(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 一种基于超结构色散共焦的复杂 曲面形貌 测量方法及系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于超结构色散共焦的 复杂曲面形貌测量方法及系统， 宽谱激光光源发 出的光线经传输光纤、 耦合器和光纤准直器后变 为平行光， 再由微型色散共焦探头产生光谱色 散， 聚焦于被测表面的光线反射回光谱仪， 通过 微处理器解码光谱 ‑距离映射关系获得测量值， 最后配合精密三维运动台和大量程平移台对复 杂曲面形貌进行全域扫描。 该方法将平面超结构 与色散共焦技术相结合， 提供一种能够代替传统 色散共焦透镜组的微型色散共焦探头， 具有可设 计性强、 结构小巧、 轻薄、 能同时实现轴向和径向 色散等特点， 可以完成对复杂曲面甚至异形结构 表面形貌的超分辨测量。 权利要求书2页 说明书5页 附图3页 CN 114719774 A 2022.07.08 CN 114719774 A 1.一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统， 其特征在于， 包括宽谱激光光 源、 传输光纤及耦合器、 光纤准直器、 微型色散共焦探头、 光谱仪、 微处理器、 精密三维运动 台和大量 程平移台； 所述宽谱激光光源发出的光线经传输光纤及耦合器传播， 并由固定于传输光纤端部的 光纤准直器将光线准直为平行光， 平行光到达微型色散共焦探头后产生光谱色散， 聚焦于 被测物表面的光线经传输光纤原路反射回光谱仪， 通过微处理器解码光谱 ‑距离映射关系 获得测量值； 所述微型色散共焦探头固定于精密三维运动台上， 用于扫描设置于大量程平 移台上的被测复杂曲面样品。 2.根据权利要求1所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统， 其特征 在于， 所述微型色散共焦探头由超薄平面超构 透镜、 带通滤光片以及微型固定镜筒组成， 其 中超薄平面超构透镜由于对消逝波具有一定的收集和放大作用， 能够实现远场超衍射极限 测量； 带通滤光片用于滤除光源当中非工作波段的光线， 避免工作波段外的光线对测量过 程产生干扰； 所述微型色散共焦探头口径小于1mm， 可深入 大深径比的孔状结构甚至异形结 构当中进行内部形貌测量。 3.根据权利要求2所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统， 其特征 在于， 所述超薄平面超构 透镜能使入射平面光线变为不同波长光线沿光轴方向在不同焦距 位置处汇聚的轴向色散光线， 超薄平面超构透镜的口径为50～200 μm， 其色散范围Δf由超 薄平面超构透镜的口径和纳米结构单元对相位色散的操纵程度所决定， 在这一限度内依据 线性色散准则进行定制设计， 相对应的数值 孔径设计为0.02 ～0.8。 4.根据权利要求3所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统， 其特征 在于， 所述超薄平面超构透镜是通过设计纳米结构单元 的几何形状及其周期性排布方式， 使其能够实现对光波前的定制化调控， 将不同波长的光线沿光轴方向聚焦并产生线性色 散， 与传统非线性色散共焦镜 头相比， 具有在量 程内不同位置处测量灵敏度一 致的优点； 所述微型色散共焦探头 中超薄平面超构透镜上的纳米结构单元可设计为 圆柱形、 方形 及由圆柱形和方形共同组合的各类形状结构； 各类纳米结构单元结构需存在两个以上的尺 寸调控自由度以满足上述产生线性色散的设计需求， 单元间的间距为0.1～2 μm， 单元高度 为0.2～4 μm。 5.根据权利要求4所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统， 其特征 在于， 所述的超薄平 面超构透镜上的纳米结构单元的材料采用金属材料或工作波段高折射 率、 低损耗的介质材 料。 6.根据权利要求2 ‑5任一所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量系统， 其特征在于， 所述微型色散共焦探头中能够通过加入直角棱镜或改变超薄平面超构透镜的 倾角及其纳米单元 的结构和 排布， 使得共焦光线由原来的轴向改为径向传播， 实现径向色 散共焦， 从而获得侧向测量 值。 7.一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1： 通过宽谱激光光源产生在工作频率区间内均匀分布的光谱， 减小光源特性对传感 器测量精度所造成的影响； S2： 宽谱激光光源发出的光经过传输光纤及耦合器和光纤准直器进入微型色散共焦探 头产生轴向光谱色散； 通过光纤准直器将光线准直为平行光， 之后微型色散共焦探头中的权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114719774 A 2超薄平面超构 透镜利用平行光在光轴上形成连续分布的不同波长的聚焦光斑， 即轴向位置 色散； S3： 当被测复杂曲面位于光谱色散测量范围内时， 聚焦于被测复杂曲面上的特定波长λ 的光斑将反射并进入光谱仪， 其他波长的光则因无法聚焦只能在表面上形成弥散斑， 由于 这些离焦光斑尺寸较大、 能量分散， 故反射回的光强极弱； S4： 通过微处理器提取由光谱仪得到的回光光谱信号， 对光谱信号进行数据分析与解 码， 建立光谱波峰与距离间的映射关系从而获得距离测量结果； S5： 通过精密三维运动台带动固定在上面的微型色散共焦探头对复杂曲面进行局部三 维形貌特 征的扫描； S6： 将被测复杂曲面样品设置于大量程平移台上， 根据精密三维运动台的扫描区间设 定大量程平移台的扫描路径， 以此来实现大面积复杂曲面形貌的全局扫描。 8.根据权利要求7所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法， 其特征 在于， 测量类型还包括超薄透明材料的厚度， 利用超薄透明材料的折射率参数， 依据几何光 学的基本原理对光谱仪采集的数据进 行补偿建模分析， 再经微处理器计算后得到超薄透明 材料的厚度。 9.根据权利要求7所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法， 其特征 在于， 测量类型还包括大深径比的孔状及异形结构的底面及侧 壁形貌； 微型色散共焦探头 由于口径仅为亚毫米量级， 能够深入大深径比的微型孔状结构当中， 分别利用微型色散共 焦探头的轴向色散和径向色散两种测 量模式能够对孔底面及侧 壁进行扫描获取孔内部的 三维形貌； 并且通过分光棱镜能够在一个微型探头中同时实现轴向及径向色散， 单次扫描 获得孔内形貌 。 10.根据权利要求7所述的一种基于超结构色散共焦的复杂曲面形貌测量方法， 其特征 在于， 利用微型色散共焦探头横向分辨率能够突破传统光学衍射极限的特点， 能够用于超 光滑材料表面的微 缺陷检测。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114719774 A 3