CN100464153C - 物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置及其测量方法，本发明采用滤波法解相位的干涉测量方法，本发明的实时干涉测量装置主要是增加了相位探测电路和实时相位数据处理电路，对光源的实行正弦调制驱动。本发明能对物体表面形貌进行纳米精度的实时干涉测量，测量范围扩展到毫米量级。
Description
技术领域
本发明涉及到物体表面形貌的测量，特别是一种物体表面形貌变化范围在毫米内的纳米精度的实时干涉测量装置及其测量方法。
背景技术
在光学精密干涉测量中，正弦相位调制干涉测量是一种高精度的干涉测量方法，很容易实现干涉信号的相位调制，从而实现位移、距离、面形等参数较高精度的测量。在面形测量中，根据解相方法不同分为锁相法、傅里叶分析法、积分法。用傅里叶分析法解相位，面形测量可以达到零点几个纳米精度，但是现代工业中很多生产场合要求实时测量，为了解决这个问题，日本新泻大学的铃木孝昌(T.Suzuki)等人于1989年提出锁相法解相位，该方法实现了实时测量表面形貌(在先技术[1]，T.Suzuki，O.Sasaki，T.Maruyama，“Phase locked laser diode interferometryfor surface profile measurement，”Appl.Opt.，28(20)：4407-4410，1989)。
在先技术[1]中，先用光电探测元件得到干涉信号的交流分量：
s(t)＝s0 cos[z cos ωct+α(x)]， (1)
式中：s0为干涉信号交流分量的振幅。ωc为正弦相位调制的频率，z为正弦相位调制的调制深度，待测量振动物体的相位α(x)＝4πD(x)/λ0，其中D(x)为被测物体的位移：
D(x)＝(D0/λ0)βIc(x)。 (2)
式中β为波长的调制系数，2D0为被测物体静止时干涉仪两臂的光程差。上式表明，通过反馈控制电流Ic(t)，能测量物体的表面形貌D(x)。由反馈控制半导体激光器的注入电流实现锁相。将(1)式展开，将一阶频谱分量的振幅作为反馈信号U(x)，可表达为：
U(x)＝-2J1(z)sinα(x)。 (3)
利用反馈信号U(x)控制半导体激光器的注入电流Ic(t)，使反馈信号U(x)保持一个常量，不受外界干扰，从而可得相位α(x)，即表面形貌。
从(3)式知，在先技术[1]的测量范围小于半个波长；反馈电路积分电容不能突变，导致测量速度低、测量区域为几十个测量点、测量时间较长；若增加测量点数，测量时间更长。
铃木孝昌(T.Suzuki)等人于1994年提出积分法解相位，该方法实现了实时测量二维表面形貌(在先技术[2]，Takamasa Suzuki，OsamiSasaki，Jinsaku Kaneda，Takeo Maruyama，“Real time two-dimensionalsurface profile measurement in a sinusoidal phase modulating laser diodeinterferometer，”Opt.Eng.，1994，33(8)，2754-2759)。
在先技术[2]中，每次测量至少需要4幅干涉图，测量时间为22ms，测量精度14nm，测量范围小于半个波长。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述在先技术中的不足，提供一种物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置及其测量方法，实现实时干涉测量，纳米精度，面形测量范围在毫米内。
本发明的物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量方法是采用滤波法解相位的干涉测量方法。
本发明的技术解决方案如下：
一种物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置，包括一光源，沿该光源输出光束的前进方向依次是准直扩束镜、分束器和被测量物体，在所述的分束器的反射光束方向有一参考镜，在所述的参考镜4的反射光束穿过所述的分束器的透射光束方向是一光电探测元件，其特征在于还有：
由第一放大器、第二放大器和计算电路构成的相位探测电路，该第一放大器和第二放大器的输出端同时接计算电路的输入端；
由实时解相电路、相位修正电路和表面形貌值计算电路依次连接构成的实时相位数据处理电路；
由直流电源输出的电压和交流信号源输出的正弦调制信号经半导体电流调制器对所述光源进行驱动和调制；
所述的光电探测元件的输出端接所述的第一放大器的输入端，所述的交流信号源的输出端同时接所述的第二放大器的输入端，所述的计算电路的输出端接所述的实时解相电路的输入端，所述的表面形貌值计算电路的输出端接一计算机。
所述的所述的光源是一半导体激光器。
所述的光电探测元件是CCD或CMOS CCD光电探测器。
所述的所述的分束器是一分光棱镜，或一面镀析光膜的平行平板。
所述的实时相位检测电路由具有相应的处理软件的单片机构成。
利用上述的实时干涉测量装置进行物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量方法，特征在于包括下列步骤：
①由直流电源和交流信号源通过半导体电流调制器驱动光源，光源发出的波长被交流信号源输出的正弦信号调制，光源发出的光束经准直扩束镜扩束与准直后照射在分束器上，该分束器将一束光分成反射和透射两束光：反射光束照射到参考镜上，另一透射光束照射到被测量物体上；由参考镜和被测量物体的反射光束相干涉产生干涉信号，该干涉信号由光电探测元件探测并转换成电信号；
②该干涉信号的电信号经第一放大器放大，所述的交流信号源调制信号由第二放大器放大，然后二者同时输入计算电路作相乘和低通滤波运算得探测信号P(x，y)：
P(x，y)＝Ks sin α(x，y)，Ks是系统转换系数；
③将该探测信号P(x，y)导入实时解相电路得到被测量物体的表面相位α′(x，y)，
α′(x，y)＝arcsin[P(x，y)/Ks]；
④将该表面相位α′(x，y)导入所述的相位修正电路求得被测量物体表面的真实相位α(x，y)；
⑤由表面形貌值计算电路计算被测量物体的表面形貌r(x，y)＝λ0α(x，y)/(4π)，并输入计算机显示或存储。
所述的第④步的相位修正是根据sinα(x，y)值对相位α′(x，y)进行的修正，采用相邻两个采样点的相位差绝对值小于或等于π的修正方法对其进行修正：设相邻两点相位为α1和α2，如果α2′-α1<-nπ(n为奇数)，则有α2＝α1+(n+1)π；如果α2′-α1>nπ，则有α2＝α1-(n+1)π；据此得到n，则相位修正公式为α＝2nπ+α′(t)。
所述的第③④⑤步也可由具有相应程序的单片机或计算机完成。
本发明的优点有：
1)、由于干涉信号通过简单的运算电路、滤波器、单片机处理得到被测量的表面形貌值，使整个系统能高精度实时采集、处理、显示。
2)、本发明方法测量时间短，只需要一幅干涉图就可得到被测量物体的表面形貌，测量时间提高了两个数量级。
3)、本发明克服了在先技术中纵向测量范围不大于半个波长的缺陷，将纵向测量范围扩大到几千个波长，同时，测量精度保持纳米量级。
附图说明
图1为本发明物体表面形貌的纳米精度测量装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
先请参阅图1，图1为本发明物体表面形貌的纳米精度测量装置的结构示意图。由图可见，本发明物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置，包括一光源1，沿该光源1输出光束的前进方向依次是准直扩束镜2、分束器3和被测量物体5，在所述的分束器3的反射光束方向有一参考镜4，在所述的参考镜4的反射光束穿过所述的分束器3的透射光束方向是一光电探测元件6，其特点是还有：
由第一放大器7、第二放大器8和计算电路9构成的相位探测电路17，该第一放大器7和第二放大器8的输出端同时接计算电路9的输入端；
由实时解相电路10、相位修正电路11和表面形貌值计算电路12依次连接构成的实时相位数据处理电路18；
由直流电源14输出的电压和交流信号源16输出的正弦调制信号经半导体电流调制器15对所述光源1进行驱动和调制；
所述的光电探测元件6的输出端接所述的第一放大器7的输入端，所述的交流信号源16的输出端同时接所述的第二放大器8的输入端，所述的计算电路9的输出端接所述的实时解相电路10的输入端，所述的表面形貌值计算电路12的输出端接一计算机13。
图1也是本发明一个具体实施例的结构框图，本实施例中：
所述的光源1是一半导体激光器。所述的光电探测元件6是CCD光电探测器。所述的分束器3是一分光棱镜。
利用上述的实时干涉测量装置进行物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量方法，特征在于包括下列步骤：
①由直流电源(14)和交流信号源(16)通过半导体电流调制器(15)驱动光源(1)，光源(1)发出的波长被交流信号源(16)输出的正弦信号调制，光源(1)发出的光束经准直扩束镜(2)扩束与准直后照射在分束器(3)上，该分束器(3)将一束光分成反射和透射两束光：反射光束照射到参考镜(4)上，另一透射光束照射到被测量物体(5)上；由参考镜(4)和被测量物体(5)的反射光束相干涉产生干涉信号，该干涉信号由光电探测元件(6)探测并转换成电信号；
②该干涉信号的电信号经第一放大器(7)放大，所述的交流信号源(16)调制信号由第二放大器(8)放大，然后二者同时输入计算电路(9)作相乘和低通滤波运算得探测信号P(x，y)：
P(x，y)＝Ks sin α(x，y)，Ks是系统转换系数；
③将该探测信号P(x，y)导入实时解相电路(10)得到被测量物体(5)的表面相位α′(x，y)，
α′(x，y)＝arcsin[P(x，y)/Ks]；
④将该表面相位α′(x，y)导入所述的相位修正电路(11)求得被测量物体(5)表面的真实相位α(x，y)；
⑤由表面形貌值计算电路(12)计算被测量物体(5)的表面形貌r(x，y)＝λ0α(x，y)/(4π)，并输入计算机(13)显示或存储。
更详细地说，本发明的实时测量方法是：
光源1由一直流电源14和一交流信号源16通过半导体电流调制器(LM)15驱动，光源1的波长被交流信号源16输出的正弦信号调制。光源1发出的光经准直扩束镜2扩束与准直后照射到分束器3上，一束光分成两束光；一束反射光照射到参考镜4上，另一束透射光照射到被测量物体5上；参考镜4和被测量物体5的反射光束相干涉产生干涉信号。该干涉信号由光电探测元件6转换成电信号为：
S(x，y，t)＝S0(x，y)+S1(x，y)cos[zcos(ω0t+θ)+α0+α(x，y)]， (4)
式中： α0＝4πD0/λ0， (5)
α(x，y)＝4πr(x，y)/λ0。 (6)
2D0是两干涉臂之间的光程差，r(x，y)表示待测量的表面形貌值。S0是干涉信号的直流分量，S1是干涉信号的交流分量的振幅。λ0为用作光源的半导体激光器的中心波长，α0是被测量物体5静止时干涉信号的相位。将(4)式中的干涉信号导入相位探测电路17作计算与滤波运算后得探测信号：
P(x，y)＝Ks sin α(x，y)， (7)
式中Ks是系统转换系数。
探测信号经过实时相位检测电路18中的实时解相电路10作解相运算后，得到被测量物体5表面相位信号为：
α′(x，y)＝arcsin[P(x，y)/Ks]。 (8)
将物体表面相位信号导入相位修正电路11，经相位修正电路11修正得到被测量物体5表面实际相位α(x，y)后，再导入表面形貌值计算电路12得到被测量物体形貌值为：
r(x，y)＝λ0α(x，y)/(4π)。 (9)
测量结果用计算机13来显示被测量物体5的表面形貌。
本发明的解相过程是：
1)、波长为λ0的光源1出射光束是被正弦相位调制的激光束，激光束导入如图1所示的干涉仪；该光束经过被测量物体5表面反射的物光束与参考镜4反射的参考光束产生干涉信号；
2)、用光电探测元件6将干涉信号转换成干涉电信号S(x，y，t)；
3)、利用相位探测电路17，所述的干涉电信号S(x，y，t)经第一放大器7放大(放大系数K1)，另一方面调制信号V(t)经第二放大器8放大(放大系数K2)，同时进入计算电路9(放大系数Kc)相乘与低通滤波(放大系数KL)后，可得到探测信号P(x，y)。其中Ks＝K1K2KcKLS0AJ1(z)，A为交流信号源16输出的正弦相位调制电压信号的振幅，J1(z)是Bessel函数。
4)、利用实时解相电路10从探测信号中得出被测量物体5表面的相位α′(x，y)。实时相位检测电路18的解相方法是：在ROM中存放正弦的相位，将每一个相位的正弦函数值作为其地址；ROM中的内容如表1所示，其中的数据0和1023分别对应于相位-π/2和+π/2，测量的相位分辨率为π/1024。每一个相位值占用2Bytes存储空间，共占用ROM 2kBytes。用A/D转换器将信号P(x，y)转换为数字信号，数字化的P(x，y)作为只读存储器ROM的地址，该地址存储的数据就是被测量物体表面形貌上某一点的相位α(x，y)，并转存于RAM中。已知参数Ks，由式(8)和(9)可得出物体表面形貌r(x，y)。
表1
| P(x，y) | ROM地址 | α’(x，y) |
| -1 | 0 | -π/2 |
| ... | ... | ... |
| 0 | 511 | 0 |
| ... | ... | ... |
| +1 | 1023 | +π/2 |
5)、根据sinα(x，y)值对相位α′(x，y)进行修正，采用相邻两个采样点的相位差绝对值小于等于π的修正方法对其进行修正，由相位修正电路11求得修正后的相位α(x，y)；设相邻两点相位为α1和α2，如果α2′-α1<-nπ(n为奇数)，则有α2＝α1+(n+1)π。相反，如果α2′-α1>nπ，则有α2＝α1-(n+1)π；据此得到n，则相位修正公式为α＝2nπ+α′(t)；
6)、利用修正后的相位α(x，y)，根据式r(x，y)＝λ0α(x，y)/(4π)可由表面形貌值计算电路12计算出被测量物体5的表面形貌。其中λ0为正弦相位调制的中心波长。
本发明的物体表面形貌纳米精度实时测量方法，其测量范围受数据采集速率的限制，其最大测量范围为：ftλ0/4(数据采集速率f与时间t的乘积为数据量)，设CCD的数据采集量为8000，光源波长为785nm，则可测量的最大范围为1.57mm。
本实施例中，所用参考镜4是一镀银平面镜，所用被测量物体5是一楔形光学平板，所用交流信号源16是一信号发生器。
半导体激光器的波长为785nm，波长调制系数为0.156nm/mA，半导体激光调制器的转换系数为0.001mA/mV。CCD的有效像素设置为80×80，帧频为800帧/秒。干涉仪两干涉臂之间的初始光程差约为6cm。相位探测电路17中放大器7的增益K1为60.2；放大器8的增益K2为88.6；计算电路9的系数Kc为5×10-5/mV，选用一个四阶低通滤波器，增益KL为100。实测系数Ks为1.077。单片机为ADuc812。在此条件，一般实验环境下测量精度可达几个纳米，测量范围可达毫米量级。
如仅采用在先技术中的测量方法，精度为十几纳米，测量范围不超过180nm。本发明的测量方法在保持纳米精度实时测量的前提下，扩大了面形的测量范围。
经试用表明：本发明的表面形貌纳米精度实时测量方法能实现表面形貌的实时测量。
Claims (8)
1.一种物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量装置，包括一光源(1)，沿该光源(1)输出光束的前进方向依次是准直扩束镜(2)、分束器(3)和被测量物体(5)，在所述的分束器(3)的反射光束方向有一参考镜(4)，在所述的参考镜(4)的反射光束穿过所述的分束器(3)的透射光束方向是一光电探测元件(6)，其特征在于还有：
由第一放大器(7)、第二放大器(8)和计算电路(9)构成的相位探测电路(17)，该第一放大器(7)和第二放大器(8)的输出端同时接计算电路(9)的输入端；
由实时解相电路(10)、相位修正电路(11)和表面形貌值计算电路(12)依次连接构成的实时相位数据处理电路(18)；
由直流电源(14)输出的电压和交流信号源(16)输出的正弦调制信号经半导体电流调制器(15)对所述光源(1)进行驱动和调制；
所述的光电探测元件(6)的输出端接所述的第一放大器(7)的输入端，所述的交流信号源(16)的输出端同时接所述的第二放大器(8)的输入端，所述的计算电路(9)的输出端接所述的实时解相电路(10)的输入端，所述的表面形貌值计算电路(12)的输出端接一计算机(13)。
2.根据权利要求1所述的实时干涉测量装置，其特征在于所述的光源(1)是一半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的实时干涉测量装置，其特征在于所述的光电探测元件(6)是CCD光电探测器。
4.根据权利要求1所述的实时干涉测量装置，其特征在于所述的分束器(3)是一分光棱镜，或一面镀析光膜的平行平板。
5.根据权利要求1所述的实时干涉测量装置，其特征在于所述的实时相位数据处理电路(18)由具有相应的处理软件的单片机构成。
6.利用权利要求1所述的实时干涉测量装置进行物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量方法，特征在于包括下列步骤：
①由直流电源(14)和交流信号源(16)通过半导体电流调制器(15)驱动光源(1)，光源(1)发出光束的波长被交流信号源(16)输出的正弦信号调制，光源(1)发出的光束经准直扩束镜(2)扩束与准直后照射在分束器(3)上，该分束器(3)将一束光分成反射和透射两束光：反射光束照射到参考镜(4)上，另一透射光束照射到被测量物体(5)上；由参考镜(4)和被测量物体(5)的反射光束相干涉产生干涉信号，该干涉信号由光电探测元件(6)探测并转换成电信号；
②该干涉信号的电信号经第一放大器(7)放大，所述的交流信号源(16)调制信号由第二放大器(8)放大，然后二者同时输入计算电路(9)作相乘和低通滤波运算得探测信号P(x，y)：
P(x，y)＝Kssinα(x，y)，Ks是系统转换系数；
③将该探测信号P(x，y)导入实时解相电路(10)得到被测量物体(5)的表面相位α′(x，y)，
α′(x，y)＝arcsin[P(x，y)/Ks]；
④将该表面相位α′(x，y)导入所述的相位修正电路(11)求得被测量物体(5)表面的真实相位α(x，y)；
⑤由表面形貌值计算电路(12)计算被测量物体(5)的表面形貌r(x，y)＝λ0α(x，y)/(4π)，并输入计算机(13)显示或存储，式中λ0为正弦相位调制的中心波长。
7.根据权利要求6所述的物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量方法，其特征在于所述的第④步的相位修正是根据sinα(x，y)值对表面相位α′(x，y)进行的修正，采用相邻两个采样点的相位差绝对值小于或等于π的修正方法对其进行修正：设相邻两点相位为α1和α2，当α2′-α1<-nπ，n为奇数，则有α2＝α1+(n+1)π；当α2′-α1>nπ，n为奇数，则有α2＝α1-(n+1)π；据此得到n，则相位修正公式为α＝2nπ+α′(t)。
8.根据权利要求6所述的物体表面形貌纳米精度的实时干涉测量方法，特征在于所述的第③④⑤步由具有相应程序的单片机或计算机完成。
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