一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统

摘要

一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，涉及光学精密测量领域。包括:光学测量投射模块，用于在被测量件表面形成明暗干涉条纹作为光学测量尺刻度；光学投射标识模块，用于在被测量件表面形成光谱标识作为光学测量尺刻度的标识；数据采集分析模块，用于采集被测量件、以及被测量件表面的干涉条纹、光谱标识的图像信息，并根据图像信息计算拟合出被测量件的尺寸。本发明利用激光干涉原理构建了一个无需与被测量件接触的条件下，可以几近实时精准地测量出工件尺寸的高精度光学测量尺的方案，并且几乎不会干扰工件的加工过程，这样就可以显著地提高生产效率。

权利要求

1.一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：包括:

光学测量投射模块，用于在被测量件表面形成明暗干涉条纹作为光学测量尺刻度；

光学投射标识模块，用于在被测量件表面形成光谱标识作为光学测量尺刻度的标识；

数据采集分析模块，用于采集被测量件、以及被测量件表面的干涉条纹、光谱标识的图像信息，并根据图像信息计算拟合出被测量件的尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：所述光学测量投射模块包括激光器、扩束器、第一反光镜、窄带反射镜以及角度可调的分光镜；

扩束器设置在激光器的光束输出方向上，分光镜设置在扩束器的光线输出方向上，第一反光镜设置在分光镜的透射方向上，窄带反射镜设置在分光镜反射方向上；

所述激光器射出的光束经扩束器扩束后被分光镜分成等光强一束水平光线和一束相对垂直竖线偏转角度为a的第一倾斜光线，第一倾斜光线经窄带反射镜反射形成一束相对垂直竖线偏转角度为c的第三倾斜光线，水平光束经第一反光镜反射回到分光镜、再通过分光镜反射形成一束相对垂直竖线偏转角度为b的第二倾斜光线，第三倾斜光线穿过分光镜与第二倾斜光线配合形成投射在被测量件表面的明暗干涉条纹。

3.根据权利要求1所述的一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：所述光学投射标识模块包括汞灯光源、短焦距准直凸透镜、可移动式挡光板、反射式光栅、长焦距准直凸透镜、第二反光镜；

短焦距准直凸透镜设置在汞灯光源的输出方向上，反射式光栅设置在短焦距准直凸透镜的光线输出方向上，长焦距准直凸透镜设置在反射式光栅的光线输出方向上，第二反光镜设置在长焦距准直凸透镜的光线输出方向上；

汞灯光源射出的光线经短焦距准直凸透镜形成窄径的准直光束射向反射式光栅，反射式光栅将不同波段管线衍射向不同的角度，再经长焦距准直凸透镜形成的宽径准直标识光束，宽径准直标识光束通过第二反光镜反射至被测量件表面形成谱带标识；

所述可移动式挡光板设置在短焦距准直凸透镜和反射式光栅之间，在移入状态时，沿短焦距准直凸透镜射出的光线被可移动式挡光板挡住，移出状态时，沿短焦距准直凸透镜射出的光线无障碍地射向反射式光栅。

4.根据权利要求1所述的一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：数据采集分析模块包括电脑、设置在被测量件上方、并与干涉条纹变化方向平行的导轨，导轨上设置有可以沿导轨行走的光学摄像机，光学摄像机与电脑连接，光学摄像机的的镜头朝下，光学摄像机的镜头为倍数可调的光学放大镜头。

5.根据权利要求4所述的一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：所述光学摄像机通过旋转滑动机构安装在导轨上，旋转滑动机构包括滑动安装在导轨上的滑动平台，滑动平台上连接有旋转电机，旋转电机的输出端连接有水平设置的转轴，转轴的输出端连接有安装架，所述光学摄像机连接在安装架上；

导轨上通过丝杆座连接有丝杆，所述滑动平台上连接有与丝杆螺纹匹配的螺母，所述丝杆的一端连接有驱动电机。

6.根据权利要求5所述的一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：所述安装架以及连接在安装架上的光学摄像机设置在导轨的端部外侧。

说明书

一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光学精密测量领域，具体为一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统。

背景技术

[0002] 工件在进行例如切削、磨削等加工过程中，操作员如果需要确认当前工件的尺寸，一般会用到游标卡尺、螺旋测微器或千分尺等长度测量工具。但是基于以上工具的测量过程不可避免地会打断工件的加工过程，所以工件尺寸的测量会对工件的加工进度造成一定的影响。另外，在测量过程中、尤其多次测量，因很难将测量工具与工件精准地对齐而产生的误差会影响工件的加工精度。

[0003] 光学中的光学干涉原理在工业中有着广泛的应用，例如激光干涉仪、全息成像和光谱分析都是以此为基础。其中，可精确测出光程变化的激光干涉仪通常被用来精确地测量出物体的相对位移或者光线传播媒介的相对变化，精度在纳米级别甚至更高。例如，引力波的成功发现就是由于超高敏度的激光干涉仪测量到了引力波引起的细微空间形变。激光干涉仪的灵敏度来自于信号的生成方式，干涉仪中两臂上的同源相干光束最终以共线的方式完全重合、相干地投射到探测器上。测得的信号与光程差所对应的角度的余弦值呈线性关系。因为单个波长的光程差对应的角度为2π，所以光程差每变化半个波长，探测到的信号就会经历一个从最小值到最大值的变化过程。如果使用的激光为可见光，例如600nm，那么半个波长所对应的只有300nm。当两束同源光线的强度相等时，所测得的干涉信号的最小值为零，最大值为单个光束强度的四倍，因此，在实际测量过程中，可由探测器所测得的干涉信号的强度的具体数值精确地计算出光程差的变化，即物体的相对位移或光束传播媒介的相对变化。

[0004] 以上的干涉方法虽然有极高的灵敏度，但因为只能提供单点的相干信号，所以无法直观地标定出物体的尺寸并作为一把可见的高精度测量尺来用。

发明内容

[0005] 本发明的目的是提供一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，该系统通过光学测量投射模块将明暗干涉条纹投射在被测量件表面，通过光学投射标识模块将形成光谱标识作为标识投射在被测量件表面，通过数据采集分析模块采集图像信息、并根据图像信息精确计算拟合出被测量件的尺寸、测量精度高达纳米级，从而为背景技术所述的无法直观地标定出物体的尺寸提供了一个有效的解决方案。

[0006] 实现上述目的得技术方案是：一种刻度可调的非接触式高精度长度测量系统，其特征在于：包括:

[0007] 光学测量投射模块，用于在被测量件表面形成明暗干涉条纹作为光学测量尺刻度；

[0008] 光学投射标识模块，用于在被测量件表面形成光谱标识作为光学测量尺刻度的标识；

[0009] 数据采集分析模块，用于采集被测量件、以及被测量件表面的干涉条纹、光谱标识的图像信息，并根据图像信息计算拟合出被测量件的尺寸。

[0010] 进一步地，所述光学测量投射模块包括激光器、扩束器、第一反光镜、窄带反射镜以及角度可调的分光镜；

[0011] 扩束器设置在激光器的光束输出方向上，分光镜设置在扩束器的光线输出方向上，第一反光镜设置在分光镜的透射方向上，窄带反射镜设置在分光镜反射方向上；

[0012] 所述激光器射出的光束经扩束器扩束后被分光镜分成等光强一束水平光线和一束相对垂直竖线偏转角度为a的第一倾斜光线，第一倾斜光线经窄带反射镜反射形成一束相对垂直竖线偏转角度为c的第三倾斜光线，水平光束经第一反光镜反射回到分光镜、再通过分光镜反射形成一束相对垂直竖线偏转角度为b的第二倾斜光线，第三倾斜光线穿过分光镜与第二倾斜光线配合形成投射在被测量件表面的明暗干涉条纹。

[0013] 进一步地，所述光学投射标识模块包括汞灯光源、短焦距准直凸透镜、可移动式挡光板、反射式光栅、长焦距准直凸透镜、第二反光镜；

[0014] 短焦距准直凸透镜设置在汞灯光源的输出方向上，反射式光栅设置在短焦距准直凸透镜的光线输出方向上，长焦距准直凸透镜设置在反射式光栅的光线输出方向上，第二反光镜设置在长焦距准直凸透镜的光线输出方向上；

[0015] 汞灯光源射出的光线经短焦距准直凸透镜形成窄径的准直光束射向反射式光栅，反射式光栅将不同波段管线衍射向不同的角度，再经长焦距准直凸透镜形成的宽径准直标识光束，宽径准直标识光束通过第二反光镜反射至被测量件表面形成谱带标识；

[0016] 所述可移动式挡光板设置在短焦距准直凸透镜和反射式光栅之间，在移入状态时，沿短焦距准直凸透镜射出的光线被可移动式挡光板挡住，移出状态时，沿短焦距准直凸透镜射出的光线无障碍地射向反射式光栅。

[0017] 进一步地，数据采集分析模块包括电脑、设置在被测量件上方、并与干涉条纹变化方向平行的导轨，导轨上设置有可以沿导轨行走的光学摄像机，光学摄像机与电脑连接，光学摄像机的的镜头朝下，光学摄像机的镜头为倍数可调的光学放大镜头。

[0018] 进一步地，所述光学摄像机通过旋转滑动机构安装在导轨上，旋转滑动机构包括滑动安装在导轨上的滑动平台，滑动平台上连接有旋转电机，旋转电机的输出端连接有水平设置的转轴，转轴的输出端连接有安装架，所述光学摄像机连接在安装架上；

[0019] 导轨上通过丝杆座连接有丝杆，所述滑动平台上连接有与丝杆螺纹匹配的螺母，所述丝杆的一端连接有驱动电机。

[0020] 所述安装架以及连接在安装架上的光学摄像机设置在导轨的端部外侧。

[0021] 本发明的具体工作原理将在具体实施方式部分作具体说明。

[0022] 本发明的有益效果：

[0023] 1、本发明利用激光干涉原理构建了一个无需与被测量件接触的条件下，可以几近实时精准地测量出被测量件尺寸的高精度光学测量尺的方案，并且几乎不会干扰工件的加工过程，这样就可以显著地提高生产效率。

[0024] 2、本发明的测量精度可达纳米级别，不仅匹配市场上对精密加工的要求，而且为加工人员提供了一个可视化的长度测量手段，因此使得加工人员在用低端加工设备生产高精度工件时拥有一个可靠的参考标准，从而在被测量件加工方面为产能升级提供了一种节约资源的绿色发展途径。

[0025] 3、本发明可应用于被测量件加工过程中的工件测量，而且测量精度几乎不受温度的影响，因此可以大幅度地提高工件加工的精度、效率和产率。

附图说明

[0026] 图1为本发明的示意图；

[0027] 图2为工件干涉条纹投射在工件上的示意图；

[0028] 图3为移动式挡光板的驱动结构示意图；

[0029] 图4为数据采集分析模块的结构示意图；

[0030] 图5为数据采集分析模块的数据分析步骤流程图；

[0031] 图6为被测工件、干涉条纹、光学摄像机的像素行列的位置关系图；

[0032] 图7为测量系统安装在二维转动平台的示意图。

具体实施方式

[0033] 如图1—4所示，本发明包括光学测量投射模块1、光学投射标识模块2和数据采集分析模块3。

[0034] 光学测量投射模块1包括稳频氦氖激光器11、扩束器12、第一反光镜13、窄带反射镜14以及角度可调的分光镜15，稳频氦氖激光器11的波长为632nm，波长稳定性高于0.1ppm；扩束器12包括依次设置在稳频氦氖激光器11的光束射出方向上的凹透镜121和凸透镜122；窄带反射镜14严格垂直于竖直方向、并且只反射波长为632nm的光束、透射其它波长的光束；第一反光镜13严格垂直于水平方向；分光镜15的分光比值为1:1、分光镜15设置有边框，并安装在中空的L形角度调节架16上，分光镜15下端边框与角度调节架16铰接，分光镜15的两侧边框与角度调节架16之间设置有拉簧40，角度调节架16的上端螺纹连接有微调旋钮17，分光镜15的上端边框支撑在微调旋钮17上。

[0035] 扩束器12设置在稳频氦氖激光器11的光束输出方向上，分光镜15设置在扩束器12的光线输出方向上，第一反光镜13设置在分光镜15的透射方向上，窄带反射镜14设置在分光镜15反射方向上；稳频氦氖激光器11射出的光束经扩束器12扩束后形成直径约为10cm的准直光束，根据激光的瑞利长度范围公式此光束在本测量系统的工作范围之内被认为是平面波， 10cm的准直光束被分光镜15分成等光强一束水平光线k和一束相对垂直竖线偏转角度为a的第一倾斜光线g，水平光线k经第一反光镜13反射回到分光镜15、再通过分光镜15反射形成一束相对垂直竖线偏转角度为b的一束第二倾斜光光线n，第一倾斜光线g经窄带反射镜14反射形成一束相对垂直竖线偏转角度为c的一束第三倾斜光线m，第三倾斜光线m穿过分光镜15与第二倾斜光线n配合形成图2所示的投射在被测量件45表面的明暗干涉条纹46作为光学测量尺刻度，另外为了确保本测量系统的测量精度，此处应选择市面上能够提供的平面度尽量好的反光镜13、窄带反光镜14和分光镜15。

[0036] 微调旋钮17用于分光镜15的角度微调，旋转微调旋钮17可以调节第三倾斜光线m、第二倾斜光线n之间的夹角e的大小，从而实现光学测量尺刻度大小的调节，具体为：旋转微调旋钮17，调节分光镜15与水平面呈45°夹角的斜线q之间的夹角d的大小，即可用调节a、b、c的大小，最终实现夹角e的大小调节，并由几何关系可以推导出 a=b=c=2d、 e=4d。

[0037] 通过调节夹角e的大小来调节光学测量尺刻度大小，可以保证第三倾斜光线m与第二倾斜光线n之间的角平分线不变，从而使操作人员在调整完刻度后，无需重新校准此角平分线相对于被测量件表面的方向。

[0038] 第三倾斜光线m和第二倾斜光线n形成的干涉条纹的强度分布可以由以下公式表达：

[0039] …………….（1）

[0040] 其中S为空间中某点 的干涉强度，I1和I2分别为第三倾斜光线m和第二倾斜光线n的光强， 和 分为第三倾斜光线m和第二倾斜光线n的波矢量， 为第三倾斜光线m和第二倾斜光线n的相位差。如果两光束光线的光强相等，即I1= I2=I，以上公式可以简化为：

[0041] …………….（1′）

[0042] 根据公式（1），为了方便说明，以图2的坐标体系为基准，此处定义明暗干涉条纹梯度变化方向为X轴方向，干涉条纹排列的方向为Y轴方向，第三倾斜光线m和第二倾斜光线n的角平分线方向为Z轴方向，干涉条纹的周期P为：

[0043] …………….（2）

[0044] 其中，θ为第三倾斜光线m和第二倾斜光线n的夹角，而一般情况下，因为θ<<1 ，所以 ，为了便于理解，公式（2）可以近似为：

[0045] …………….（2′）

[0046] 其中， λ为波长，以θ为1°、光束波长 λ≈632nm为例，干涉条纹的变化周期为：

[0047]

[0048] 由公式(2)可知，在第三倾斜光线m与第二倾斜光线n为平面波的情况下，干涉条纹变化的周期只与波长和两光束之间的夹角相关，与条纹到光源的距离无关，且不受温度波动所引起的热胀冷缩的影响。因此用干涉条纹作为刻度是一个非常理想的选择。

[0049] 光学投射标识模块2包括包括汞灯光源21、短焦距准直凸透镜22、可移动式挡光板20、反射式光栅23、长焦距准直凸透镜24、第二反光镜25。

[0050] 短焦距准直凸透镜22设置在汞灯光源21的输出方向上，反射式光栅23设置在短焦距准直凸透镜22的光线输出方向上，长焦距准直凸透镜24设置在反射式光栅23的光线输出方向上，第二反光镜25设置在长焦距准直凸透镜24的光线输出方向上。

[0051] 汞灯光源21射出的光线经短焦距准直凸透镜22形成窄径的准直光束射向反射式光栅23，反射式光栅23将不同波段光线衍射向不同的角度，并且使整个可见光区间的波段落在长焦距准直凸透镜24内，再经长焦距准直凸透镜24形成的宽径准直标识光束，此时，原宽谱光源中可见光范围内的不同波段占据宽径光束不同位置，宽径准直标识光束通过第二反光镜25反射至被测量件45表面形成谱带标识。

[0052] 可移动式挡光板20通过滑块201滑动安装在滑轨202上、并通过驱动机构203驱动沿滑轨202滑动，驱动机构203可以采用现有技术中常用的气缸、丝杆螺母、电磁等常用驱动方式。可移动式挡光板20设置在短焦距准直凸透镜22和反射式光栅23之间，在移入状态时，沿短焦距准直凸透镜22射出的光线被可移动式挡光板20挡住，移出状态时，沿短焦距准直凸透镜22射出的光线无障碍地射向反射式光栅23。

[0053] 数据采集分析模块3包括电脑31、设置在被测量件上方、并与干涉条纹变化方向（X轴方向）平行的导轨32，导轨32上通过旋转滑动机构5安装有可以沿导轨32行走的光学摄像机33，光学摄像机33的感光传感器芯片为只感应光强的黑白传感器芯片，数据字长应不低于12位，光学摄像机33与电脑31连接，光学摄像机33的的镜头朝下，光学摄像机33的镜头为倍数可调的光学放大镜头。

[0054] 旋转滑动机构5包括滑动安装在导轨32上的滑动平台51，滑动平台51上连接有旋转电机52，旋转电机52的输出端连接有水平设置的转轴53，转轴53的输出端连接有安装架54，光学摄像机33连接在安装架54上，安装架54以及连接在安装架54上的光学摄像机33设置在导轨32的端部外侧。

[0055] 导轨32上通过丝杆座61连接有丝杆62，滑动平台51上连接有与丝杆62螺纹匹配的螺母63，丝杆62的一端连接有驱动电机64。

[0056] 其中光学放大镜头具有三种工作模式，具体为：全像模式，用以采集工件的整体形状以及被测量件上整体的光谱标识；低倍放大，用尽量低的倍数沿被测量件的长度方向依次采集局部的干涉条纹以及相对应的光谱标识；高倍放大，用尽量高的放大倍数精确采集被测量件两端边界位置的干涉条纹的精细变化曲线。

[0057] 如图5所示，数据采集分析模块3数据采集过程如下：1、通过驱动机构203控制可移动式挡光板20从光学投射标识模块2的光路上完全移开，光学摄像机33在全像工作模式下记录工件的整体形状和工件表面的光谱标识（图5中A区间所示）。2、光学摄像机33在光学放大镜头处于低倍放大模式下通过驱动电机64驱动沿被测量件的长度方向依次一段一段地采集干涉条纹以及相对应的光谱标识（图5中B区间所示）；其中干涉条纹是光学摄像机33在可移动式挡光板20处于移入状态、并完全挡住光学投射标识模块2的光路的条件下拍摄得到；光谱标识是在光学摄像机33在可移动式挡光板20从光学投射标识模块2的光路上完全移开的条件下拍摄得到。3、通过驱动机构203控制可移动式挡光板20处于移入状态、并完全挡住光学投射标识模块2的光路，光学摄像机33在放大镜处于高倍放大模式下分别采集被测量件两端边界位置干涉条纹的精细变化曲线（图5中C区间所示）。

[0058] 由数据采集分析模块3采集到的图像数据的分析过程基于以下两点：1）如前所述，每个完整的干涉条纹变化的周期（即干涉周期P）是一个精准确定的数值，可由尺寸精确已知的标准量块或激光干涉仪标定得到；2）每个干涉条纹变化周期之内的干涉条纹的强度变化可根据公式（1）的函数来表达，并且可基于公式（1）拟合出相对应的长度，所以测量到的被测量件的尺寸可以由以下公式计算出:

[0059] 被测量件的尺寸=N •P+XL+XR…………….（3）

[0060] 其中，N为工件表面完整的干涉条纹变化周期的个数

[0061] P为单个干涉条纹变化周期长度

[0062] XL为最左端的不完整干涉条纹变化部分所对应的长度，即干涉条纹的最左端向右至最邻近的π相位干涉条纹所对应的长度。

[0063] XR为最右端的不完整干涉条纹变化部分所对应的长度，即干涉条纹的最右端向左至最邻近的π相位干涉条纹所对应的长度。

[0064] 不完整干涉条纹是从干涉条纹末端到最邻近光强最低点之间的距离，末端即为最左端或最右端；因为cosπ=-1，为最小，所以用π相位处来定义光强上的最低点。

[0065] 因为干涉条纹变化周期本身的精度可达1nm/1cm，甚至更高。所以测量到的被测量件的尺寸精度，取决于工件边界左右两端不完整干涉条纹的测量以及拟合精度。这也是被测量件边界的干涉条纹需要用到高倍放大镜头记录干涉条纹强度精细变化的原因。

[0066] 以下是计算分析算法的具体步骤：

[0067] 1、根据全像图像，得到光谱标识在整个被测量件表面的光谱曲线。

[0068] 2、根据被测量件各段干涉条纹和相对应的光谱标识的低倍放大图像以及汞灯在可见光范围内有非常丰富的谱峰作为指纹特征，拼接出一张覆盖整个被测量工件表面的干涉条纹变化的数据曲线，然后计算出被测量工件表面完整的干涉条纹变化周期的个数N，完整的干涉条纹定义为相邻的两个π相位之间的干涉条纹为单个完整的干涉条纹。

[0069] 3、根据被测量件两端高倍放大的干涉条纹的图像和公式（1），利用下列公式以及拟合过程，拟合出不完整干涉条纹变化所对应的长度，具体的拟合公式基于以下三点：

[0070] （1）对于给定的光学成像系统，这个系统的点扩散函数作为系统的特性，是一个确定的函数，一般可表述为高斯函数的形式，高斯函数的半高宽为光学成像系统的分辨率，所以此处在高倍放大镜头的模式下，可以用PSF 作为确定的函数表示其点扩散函数，含义是几何映射在像平面 处的点光源在像平面 处生成的相对光强。对应到一维的情况，点扩散函数可以表示为PSF（x，x0）。

[0071] （2）对于给定的光学成像系统，例如本实施例中的光学摄像机33的高倍镜头下，图像的单个像素对应的实际在物平面的尺寸也是一个确定的仪器参数， 此处用 表示被测量方向（X方向）上的尺寸。

[0072] （3）根据公式（1），被测量件测量方向（干涉条纹变化方向）上的位置（x）与干涉条纹上的相位 存在线性关系，公式如下：

[0073] …………….（4）

[0074] 其中，P为干涉条纹的周期； 为初始相位，即当x=0时，相位 的值为 ，用相位作为一维点扩散函数的变量点扩散函数可表示为PSF ，光学摄像机33的相素在X方向上的尺寸可表示 。

[0075] 由于工件左右两端的拟合公式存在镜像对称关系，所以此处只列出了工件左端拟合公式的具体形式。图6示出了被测量件45、干涉条纹42、光学摄像机33的像素行列41的位置关系图，定义光学摄像机33的像素行列41中位于被测量件45的左边界左侧的某个像素为起始像素，并制定为1号像素，像素的号码向右依次增加，单个像素的尺寸对应的相位区间是 ；1号像素的左边界在干涉条纹42上对应的相位（位置）为 ，这个是未知量。被测量件45的左边界对到干涉条纹42上的相位 ， 这个是我们需要知道的未知量。

[0076] 对照图6，干涉条纹照射在被测量工件后在高倍放大镜头的像平面上的光强分布可表述为：

[0077] …………….（5）

[0078] 公式（5）中的第一项是由于在被测量件45边界处 ，被测量件45相对锐利的边缘的散/反射特性与被测工件表面的散/反射特性可能会不一样，所以需要独立成项，I1为相对锐利的被测工件左边界散射出的光强。 表示在像平面 处强度为I1的点光源扩散到φ处的光强，为了便于理解，上述公式（5）中假设了光源为非相干光源，在实际拟合过程中，因为测量装置使用的是相干光源，所以公式（5）的积分过程应基于光的场强E，然后转化为光强I，光强与光的场强之间的转化公式为： 。另外，因为在点扩散函数中，有显著扩散光强的地方，相位是一致的，所以在光的场强的积分过程中，可以用E的绝对值 代替E。

[0079] 公式（5）中的第二项为被测工件表面的干涉条纹在像平面的 处形成的光强，这是一个积分过程。 是在 处点光源的光强， 为干涉条纹对应的光强，a为背景光强。 表示在像平面 处强度为 的点光源扩
散到 处的光强。

[0080] 然后根据光强在像平面上的分布 ，第i个像素测量到的光强为：

[0081] …………….（6）

[0082] 为单个像素尺寸的相位表示，b为像素的背景噪声。

[0083] 公式（5）和（6）中I1、I2、a、b、 、 为未知量，根据相应地摄像机像素行列各个像素测得的值，可以通过公式（5）和（6）拟合得出I1、I2、a、b、 、 ，其中 为此处需要的值，并且必然属于某个2π周期区间，所以设 ，n为整数。

[0084] 然后最左端不完整干涉条纹的长度XL为：

[0085] …………….（7）

[0086] 至此，得到最左端不完整干涉条纹的长度XL的拟合结果，再利用最右端拍摄到的数据可以拟合得到最右端不完整干涉条纹的长度XR。

[0087] 这里需要指出的是，以上的拟合过程用到的只是摄像机拍摄到的二维陈列数据中的一个行列的数据，对应的是在干涉条纹排列方向(Y轴方向)上某单一位置。如果被测物在此位置存在局部缺陷，则会造成拟合结果的不准确。但同时，摄像机拍摄出的二维陈列数据中沿Y轴方向可以提取出数量众多的XL拟合值，如果工件本身在整体上本身并没有缺陷，那么这些拟合出的XL值应只受噪声影响，所以值的分布符合高斯随机概率分布，因此：

[0088] …………….（8）

[0089] 此处，P（XL）为概率分布函数，C为归一化因子， 为方差， 为XL的统计平均值。通过拟合得到的统计平均值 代表最终的最左端不完整干涉条纹的长度。拟合前，通过剔除掉那些偏离很远的拟合值，就可以避免掉由于局部的微小缺陷对拟合精度产生的影响。
关于精度，虽然以上过程中最终拟合精度取决于高倍成像镜头的数字孔径值和被测件本身的加工精度，但依据超分辨荧光显微镜的实验结果，以上的拟合过程可以使精度提高10倍以上，因此本发明的测量精度会在200nm左右，甚至更高。

[0090] 另外，这里需要指出的是，光学测量投射模块1、光学投射标识模块2依次设置在被测量工件的正上方，光学投射标识模块2形成的宽径准直标识光束通过第二反光镜25反射、并依次穿过窄带反射镜14、分光镜15在测量件表面形成谱带标识。

[0091] 为避免对光学测量投射模块1、光学投射标识模块2造成遮挡，数据采集分析模块3设置在被测量工件上方的一侧，使数据采集分析模块3与光学测量投射模块1、光学投射标识模块2是竖直方向上交错设置，光学摄像机33可以通过旋转电机52驱动使镜头朝向被测量工件。

[0092] 其次，还需要指出的是，由光学测量投射模块1、光学投射标识模块2和数据采集模块3构成的本发明的测量系统10，如图7所示，在实际使用时，应装配到可实现Y轴和Z轴转动的二维转动平台8上，二维转动平台8包括机架81，机架81上安装有Z轴电机82，Z轴电机82的输出端连接有Y轴电机83，测量系统10连接在Y轴电机83的输出端，测量系统10与Z轴电机82同轴线布置。

[0093] 通过Y轴电机83驱动测量系统绕Y轴转可以使测量系统10中的光学测量投射模块1中的第三倾斜光线m与第二倾斜光线n的角平分线垂直于工件表面，以便最大限度地降低可能存在的环境扰动对测量系统的影响。第三倾斜光线m与第二倾斜光线n的角平分线垂直于工件表面的判断法则是：当第三倾斜光线m与第二倾斜光线n的角平分线与工件表面垂直时，干涉条纹的周期达到最小值。实际操作中，只需绕Y轴转动整个测量系统，当在工件表面的干涉条纹达到最小值时，第三倾斜光线m与第二倾斜光线n的角平分线即于工件垂直。

[0094] 另外，通过Z轴电机82驱动测量系统10绕Z轴转动可使测量系统10与测量工件对齐，具体的方法是：在拟合过程中，沿Y轴方向拟合出的各个XL值应与其在Y方向（工件边界）的具体位置无线性关系，如果存在线性关系，则说明被测量工件与干涉条纹没有严格地平行，此时应该通过Z轴电机82驱动测量系统10绕Z轴转动，直至各个XL值与其在工件边界上的提取位置不存在线性相关关系，这就使操作人员能够很方便地将本测量系统10与被测量工件精准对齐。