CN100491902C - 合成波干涉纳米表面三维在线测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

利用光线扫描的合成波干涉纳米表面三维在线测量方法及系统，量程决定于合成波长，共路干涉结构。光栅将谱宽40nm光束色散成波长在空间连续均匀分布的扇形光片，经准直及两平行表面反射成两个横向错位并部分重叠的平行光片，重叠部分形成合成波。合成波平行光片纤过平面镀半透半反膜的平柱聚焦透镜，一半光强被反射作为参考光，另一半光强被聚焦成光线，由不同被测点反射，与参考光干涉后由线阵CCD探测。测出CCD每个像素干涉信号相位变化量，即测出对应被测点纵向变化值。一次定位完成表面二维测量；光线横向扫描完成表面三维测量。测量速度高，成本低。量程600～1000μm，分辨率优于5nm，适用于具有凸台和深槽的纳米表面测量。

Description

合成波干涉纳米表面三维在线测量方法及系统

技术领域

本发明涉及利用光线扫描的一种合成波干涉纳米表面三维在线测量方法及系统，特别是涉及一种适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量方法及系统，属于光学测量技术领域。

背景技术

[1]D.P.Hand，T.A.Carolan，J.S.Barton，and J.D.C.Jones，光学快报(OpticsLetters)，1993年，第18卷，第16期，1361-1363页。现有技术文献[1]的工作原理如图1所示，半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤50:50耦合器后，到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪，一部分光被光纤端面反射作为参考光，另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器D1探测，干涉信号的相位决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于入射光波频率不同，四个干涉信号的位相就不同，调节驱动电流，使相邻两个干涉信号的相位差π/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单点的测量：

$D=\frac{c}{4\mathrm{\πv}}{\tan }^{-1}\left(\frac{I_4-I_2}{I_1-I_3}\right)$

I_n(n＝1，2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，v是入射光频率。

步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量。

[2]Dejiao Lin，Xiangqian Jiang，Fang Xie，Wei Zhang，Lin Zhang and IanBennion，光学特快(Optics Express)，2004年，第12卷，第23期，5729-5734页。现有技术文献[2]的工作原理如图2所示，由半导体激光器发出波长为λ₀的光经过两个3dB-耦合器后被分为两路，一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过回旋器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过回旋器，然后被PIN探测器探测，此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为π/2)，从而实现稳定该干涉仪的目的。

可调谐激光器发出的波长λ_m可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两路，一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过回旋器及光纤光栅后，被PIN探测器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。

上述两个现有技术存在的问题和不足是：

1、都是点扫描测量方式，测量速度慢，对于表面三维测量需要二维扫描，扫描机构复杂，仪器成本高；

2、对测量环境振动和温度漂移等干扰敏感，不适合于在线测量；

3、测量量程受入射光波波长λ的限制，测量量程小于λ/2，无法对具有凸台和深槽结构的纳米表面进行测量。

本发明的目的就是针对现有技术存在的问题和不足而提出一种利用光线扫描的合成波干涉纳米表面三维在线测量方法及系统。

发明内容

本发明的目的是通过如下技术方案实现的：

利用由系列并行的合成波组成的平行光片扫描被测器件表面进行线扫描测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉系统，该系统是由超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、光栅G、准直透镜L1、两面镀了反射膜的平行玻璃平板P、分光镜BS、平面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜L2、纵向微动工作台M1、横向微动工作台M2、高速线阵CCD、相位测量、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出、驱动控制组成；利用一个中心波长为850nm谱宽40nm的超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、光栅G、平行玻璃平板P、分光镜BS、平面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜L2构成一个共路干涉仪，使环境振动和温度漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量；超辐射发光二极管SLD发出谱宽为40nm的光经过光纤自准直透镜Z后被准直成平行光束，光栅G将平行光束色散成波长在空间连续均匀分布的扇形光片，准直透镜L1将扇形光片准直成波长在空间连续均匀分布的平行光片，此平行光片经过平行玻璃平板P的两个表面(上表面镀部分反射膜，下表面镀全反射膜)反射，形成两个彼此平行、横向错位并部分重叠的平行光片，这两个平行光片在空间重叠的部分形成由一系列并行的合成波组成的平行光片。此合成波平行光片透过分光镜BS后垂直入射到平柱透镜聚焦L2上，平柱聚焦透镜L2的平面镀有半透半反膜，合成波平行光片一半的光强被反射，沿原路返回，此部分光作为参考光；另一半的光强透射，被聚焦成一条宽度小于1μm的光线，此光线扫描被测器件表面，由被测表面反射回系统中与参考光相遇并干涉，合成波干涉信号经过分光镜BS反射后由高速线阵CCD探测，CCD不同的像素探测到被测表面不同被测点反射回的光与参考光相遇产生的干涉信号，被测表面的纵向(垂直于被测表面)信息载于干涉信号的相位变化中。解调出CCD每个像素干涉信号的相位变化量，即测量出被测表面上对应被测点的纵向变化量，实现表面二维测量；横向微动工作台M2带动被测器件横向移动，光线扫描被测器件表面，再对CCD的每个像素探测到的干涉信号作相同的处理，即实现表面三维测量。

为了解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出周期性的幅值一定的锯齿波电压经过驱动控制驱动纵向微动工作台M1调节测量光路的光程，如果被测表面是理想平面，那么，干涉信号与锯齿波信号同频率且同相位；如果被测表面是具有凸台和深槽结构的表面，存在Δh的纵向变化，那么干涉信号与锯齿波信号之间存在相位差为

其中λ_s为合成波长，比较干涉信号的相位与锯齿波信号的相位，相位测量测出其相位差

经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，即测量出对应被测点的纵向变化值Δh，对线阵CCD的每个像素输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量；驱动控制驱动横向工作台M2横向运动，光线横向扫描被测表面，再逐个对线阵CCD每个像素输出的信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量；测量量程为λ_s/2，合成波长 ${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2},$ 远远大于光波波长λ₁和λ₂；可以通过调节平行玻璃平板P的厚度以及平行光片在平行玻璃平板上反射时的入射角来得到不同的光波波长λ₁和λ₂从而得到不同大小的合成波长来调节测量量程的大小，使本系统适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。

本发明的有益效果是：

1、光线扫描纳米表面进行三维测量。一系列并行的合成波组成的平行光片扫描被测表面进行线扫描测量，测量过程一次定位，完成表面二维测量；光线横向扫描被测表面，完成表面三维测量。本发明测量速度快，扫描机构简单，系统成本低，测量精度高。

2、本发明利用光源、光纤自准直透镜Z、光栅G、准直透镜L1、平行玻璃平板P、分光镜BS、平柱聚集透镜构成共路干涉系统，使环境振动和温度漂移等干扰对测量系统的影响得到共模抑制，从而使系统适用于在线测量。

3、用合成波干涉的方法扩大干涉测量量程。测量量程为λ_s/2，合成波长 ${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2},$ 远远大于光波波长λ₁和λ₂，且可通过调节光波波长λ₁和λ₂得到不同大小的合成波长来得到不同大小的测量量程，测量量程可达600～1000μm，本发明适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。

附图说明

图1是现有技术文献[1]的工作原理图；

图2是现有技术文献12]的工作原理图；

图3是本发明的工作原理图。

图中标注：Z—光纤自准直透镜，G—光栅，L1—准直透镜，P—平行玻璃平板，BS—分光镜，L2—平柱聚焦透镜，M1—纵向微动工作台，M2—横向微动工作台。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步描述。

如图3所示，中心波长850nm的超辐射二极管SLD发出的谱宽40nm的光经过光纤自准直透镜Z后被准直成为平行光束，这束平行光束经光栅G色散成为波长在空间连续均匀分布的扇形光片，此扇形光片经过准直透镜L1后准直成为波长在空间连续均匀分布的平行光片，平行光片斜入射到两面镀膜的厚度为d的平行玻璃平板P上，平行玻璃平板P的上表面镀部分反射膜，下表面镀反射率100％的反射膜，经上下两表面反射得到的两个平行光片彼此平行、横向错位、且在空间有重叠部分，两个光片光强接近相等。两个平行光片重叠部分的横向方向上不同点对应的两个平行光片的波长λ₁和λ₂不同，两个不同的波长相遇后形成合成波。所以分别经平行玻璃平板两表面反射再相遇后形成的平行光片是由一系列并行的合成波组成，合成波的合成波长 ${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2},$ 远远大于光波波长λ₁和λ₂。此合成波平行光片透过分光镜BS，垂直入射到平柱聚焦透镜L2上，平柱聚焦透镜L2的平面镀有半透半反膜，合成波平行光片一半的光强被反射，沿原路返回，这部分光作为参考光，另一半光强透射，被聚焦成一条宽度小于1μm的光线，此光线投射到被测器件表面上，由被测表面反射回系统，与参考光相遇并发生合成波干涉，合成波干涉信号经过分光镜BS反射，由高速线阵CCD探测。线阵CCD不同像素探测到被测表面不同的被测点的反射光与参考光形成的干涉信号，干涉信号的相位变化量

体现了被测点的纵向变化值Δh。

和Δh的关系为合成波长λ_s决定于平行光片在平行玻璃平板P的入射角和平行玻璃板的厚度d，它远远大于光波波长λ₁和λ₂。本系统的量程为λ_s/2，远远大于传统的干涉测量的量程λ/2(λ为光波波长)，实现了大量程干涉测量的目的，使本系统适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。

为了解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出锯齿波信号通过驱动控制驱动纵向微动工作台M1匀速纵向扫描实现对测量光路光程的调节。调节工作台的初始位置以及锯齿波信号幅值，使光程扫描过程中锯齿波信号与CCD某一个像素的干涉信号同频率同相位地变化。如果被测表面是理想平面，CCD的其它像素的干涉信号也与锯齿波信号同频率同相位；如果被测表面是具有凸台和深槽结构的表面，CCD的其它像素的干涉信号与锯齿波信号的相位就不相同，相位测量测出二者之间的相位差

经过计算机数据处理后即得到对应被测点的纵向变化值Δh；对CCD的每一个像素的干涉信号都作这样的处理，即完成被测表面的二维测量；驱动控制驱动横向微动工作台M2横向移动，光线扫描被测表面，再对CCD的每个像素的干涉信号作以上处理，即完成表面的三维测量。

为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。

Claims (3)

1、一种合成波干涉纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：利用超辐射发光二极管(SLD)发出谱宽为40nm的光经过光纤自准直透镜(Z)后被准直成平行光束，光栅(G)将此平行光束色散成波长在空间连续均匀分布的扇形光片，准直透镜(L1)将此扇形光片准直成为波长在空间连续均匀分布的平行光片，平行玻璃平板(P)的两个表面一面镀有部分反射膜，另一面镀有反射率为100％的全反射膜，此平行光片经过平行玻璃平板(P)的两个表面反射得到两个彼此平行、横向错位且部分重叠的平行光片，这两个平行光片在空间重叠的部分形成由一系列并行的合成波组成的平行光片；此合成波平行光片透过分光镜(BS)后垂直入射到平柱聚焦透镜(L2)上，平柱聚焦透镜(L2)的平面镀有半透半反膜，合成波平行光片一半的光强被反射，沿原路返回，此部分光作为参考光；另一半的光强透射，被聚焦成一条宽度小于1μm的光线，此光线扫描被测器件表面，由被测表面反射回系统中并与参考光相遇发生干涉，合成波干涉信号经过分光镜(BS)反射由高速线阵CCD探测，高速线阵CCD不同的像素探测到被测表面不同被测点反射回的光与参考光相遇产生的干涉信号；被测表面在垂直于被测表面方向的信息载于干涉信号的相位变化中，解调出高速线阵CCD每个像素干涉信号的相位变化量，即测量出被测表面上对应被测点在垂直于被测表面方向的变化量；为解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出的锯齿波信号经驱动控制环节驱动纵向微动工作台(M1)匀速纵向扫描实现对测量光路光程的调节，调节纵向微动工作台(M1)的初始位置以及锯齿波信号幅值，使纵向微动工作台(M1)扫描过程中锯齿波信号与高速线阵CCD的某一个像素的干涉信号同频率同相位地变化；如果被测表面是理想平面，高速线阵CCD的其它像素的干涉信号也与锯齿波信号同频率同相位；如果被测表面是具有凸台和深槽结构的表面，在垂直于被测表面方向存在Δh的变化，那么干涉信号与锯齿波信号的相位差为

其中合成波长 ${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2},$ λ₁和λ₂是所述的两个彼此平行的平行光片重叠区域的横向方向上某一点的两个光波波长；相位测量环节测出其相位差

经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，测量出对应被测点在垂直于被测表面方向的纵向变化值Δh，对高速线阵CCD的每个像素输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量；驱动控制环节驱动横向微动工作台(M2)，实现光线横向扫描被测表面，再逐个对高速线阵CCD每个像素输出的干涉信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量。

2、根据权利要求1所述的一种合成波干涉纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：利用合成波干涉的方法扩大量程，使所述测量方法的测量量程突破了光波波长的限制，测量量程决定于合成波长λ_s，所述测量方法的测量量程为λ_s/2，调节平行玻璃平板(P)的厚度以及平行光片在平行玻璃平板(P)反射时的入射角，调节合成波长λ_s的大小，以得到不同大小的测量量程；测量量程达600～1000μm，分辨率优于5nm，适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。

3、一种实现权利要求1或2所述测量方法的合成波干涉纳米表面三维在线测量系统，其特征在于：利用一系列并行的合成波组成的平行光片扫描被测器件表面进行线扫描测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉仪；该系统是由超辐射发光二极管(SLD)、光纤自准直透镜(Z)、光栅(G)、准直透镜(L1)、两面镀了反射膜的平行玻璃平板(P)、分光镜(BS)、平面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜(L2)、纵向微动工作台(M1)、横向微动工作台(M2)、高速线阵CCD、相位测量环节、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出环节、驱动控制环节组成；利用一个中心波长为850nm谱宽40nm的超辐射发光二极管(SLD)、光纤自准直透镜(Z)、光栅(G)、准直透镜(L1)、两面镀了反射膜的平行玻璃平板(P)、分光镜(BS)、平面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜(L2)构成一个所述共路干涉仪，使环境振动和温度漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量。

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