光学干涉测量法作为一种重要的非接触表面三维形貌测量手段，具有无损伤、高效率的特点，长期以来始终是国内外高精度测量领域的研究热点。便携式光学表面三维形貌在线检测仪就是基于光学干涉测量法设计的超光滑表面三维形貌检测仪器，以解决机械、微电子、光学等领域超精密加工元件的高精度在线快速批量检测问题，例如超大集成电路晶元、led蓝宝石衬底等元件的生产检测，可应用在芯片、led、微机械、微光学、航空航天用光学陀螺、强激光、天文望远镜等生产与科研领域。 由于通用的光学表面三维形貌检测仪体积较大，其光路系统和三维调整载物台是分开的，依靠悬臂结构将二者连接起来。这种结构可获得较大纵向测量范围，但仪器受振动和气流影响很大，稳定性不足，需要配以抗振平台或采用其他复杂的抗振措施，这就大大增加了仪器研发成本。加之采用传统的测量台结构设计，被测件置于仪器的干涉测量物镜和载物台之间，限制了被测件的横向尺寸，无法实现对大口径光学元件表面的检测。综合以上因素，此类仪器只能用于实验室检测，无法满足工业生产中在线测量的要求。 本作品采用光路、机械、电路和软件算法的一体化和集成化技术，提高了系统稳定性和抗干扰能力；采用背测式技术，打破了被测件尺寸限制；采用重叠平均移相干涉测量技术，保证了测试精度。本作品实用性强，适用范围广，具有打破国外技术垄断，实现技术创新的特点。 本作品主要研究内容及成果包括：使用短相干led干涉成像技术，提高成像质量；依据干涉条纹对比度变化选定采样区间，减小了系统误差；优化了光机系统结构和电路控制，提高了系统的便携性和稳定性；使用背测式结构，载物台位于物镜和被测面之间，从而对被测面口径无尺寸限制；使用了重叠平均移相干涉测量技术，将干涉测量精度提高到亚纳米量级；开发了一套集pzt移相、ccd采集和面形计算分析于一体的软件，将检测时间压缩到10秒钟以内。具体研究成果体现在以下几个方面： (1)    短相干光干涉条纹的定位技术 led短相干光与激光相比具有较短的干涉波列长度，消除了干涉显微系统中难以避免的激光散斑干扰，提高了成像质量。但干涉波列长度的减短导致获取干涉条纹遇到困难，要求被测表面的定位精度必须接近1微米。本作品在优化光路结构基础上，采用高精度的调整平台来解决这一问题，其调节精度达到亚微米量级，有效调节被测件的三维倾斜和轴向位移，为干涉成像提供保证。 (2)    干涉条纹定域区间优选和移相精度校准 由于干涉波列长度的减小，不仅使成像面干涉条纹数减少，还使干涉条纹对比度随光程差增大而迅速衰减，这就给从干涉条纹变化中解调相位信息带来了困难。本作品一方面通过精确设计干涉滤光片带宽，兼顾相干长度对短相干光源与干涉条纹对比度的要求，使得干涉条纹的定域区间得到优化；另一方面通过软件严格判定pzt移相起始位置和条纹图像采样范围，使条纹采样集中在干涉零位左右两个波长范围内，从而有效解决了对比度变化导致的系统误差。 (3)    光路系统和机械系统集成优化设计 在通用光学表面三维形貌检测仪中，光路系统、干涉测量单元精密位移系统和被测件机械调整平台由不同的模块组成，在空间上相互独立。这种结构不仅增大了系统的体积，还会减弱系统的稳定性。本作品将光路系统嵌入机械系统内部，使上述三个分立模块融为一体，采用光机电算集成化技术，实现了仪器的高度集成。从而使得仪器的体积减小、稳定性增加，有效抑制了振动和气流等环境因素的影响。 (4)    背测式载物台设计和两种测量模式的开发 在应用光机电算集成化技术的基础上，本作品的载物台采用背测式结构，即载物台位于被测表面与物镜之间，物镜通过载物台通光孔检测样品表面形貌信息。同类仪器采用试件非工作面定位测量方式，这种方式存在重复性差、稳定性低的难题。本作品不仅克服了以上难题，而且打破了对被测样品横向尺寸的限制。采用正置测量模式时，完成小口径元件的检测；采用倒置模式时，完成大口径元件的检测。 (5)移相算法的优化和软件系统的开发 本作品采用重叠平均移相干涉算法，保证了亚纳米量级的测量精度；采用自主开发的软件，完成对pzt相移系统和ccd采集系统的控制，以及检测数据的分析处理；优化软件控制系统，使每次检测时间压缩到10秒钟以内，同时完善的数据评价系统为用户评价产品面形质量提供了方便。