CN101033938A - 实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪 - Google Patents

Abstract

一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器，沿该半导体激光器的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组、分束器，在该分束器的透射光束的前进方向上设置被测物体，在分束器的反射光束的前进方向上放置有参考平板；被参考平板反射的光束前进方向上依次放置有第二透镜和探测元件，其特征在于：所述的探测元件的输出端与信号处理单元的第一输入端相连接，信号处理单元的输出端与计算机相连接，直流电源和信号源通过驱动器与半导体激光器相连接，该信号源的第二输出端与所述的信号处理单元的第二输入端相连接。本发明的优点是操作方便，测量范围大，精度高。

Description

实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪

技术领域

本发明涉及表面形貌的实时测量，特别是一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪。

背景技术

由于半导体激光器(以下简称为LD)波长的温度稳定性得到较好的解决，半导体激光干涉仪正在被广泛地研究开发。LD除体积小、用电省、价格低外，一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD的注入电流来实现。通过调制注入电流，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。比如日本新泻大学的T.Suzuki等人提出了一种用于测量表面形貌的正弦相位调制半导体激光干涉仪(在先技术[1]Takamasa Suzuki，Osami Sasaki，JinsakuKaneda，Takeo Maruyama，“Real time two-dimensional surface profilemeasurement in a sinusoidal phase modulating laser diode interferometer，”Opt.Eng.，1994，33(8)，2754-2759)。此干涉仪的调制电流为

             I_m(t)＝acos(ω_ct+θ)。                             (1)

光电探测器CCD探测到的干涉信号可以表示为

           S(x，y，t)＝S_dc+S₀cos[-zcos(ω_ct+θ)+α(x，y)]，     (2)

S_dc是干涉信号的直流分量，它与驱动电流的直流I₀相关。S₀是干涉信号的交流分量振幅，它与电流调制信号I_m(t)相关。a是调制电流的振幅，ω_c是调制电流的角频率，θ是调制电流的初相。z是正弦相位调制深度，α(x，y)是待测量相位。

在先技术[1]中，在调制信号的一个周期内，光电探测器CCD对干涉信号积分四次P_i(x，y)(i＝1～4)，其表达式如下

$P_i(x,y)={\∫}_{(T/4)(i-1)}^{(T/4)i}S(x,y,t)\mathrm{dt},---\left(3\right)$

其中的x和y表示被测物体表面的位置坐标。正弦相位调制信号处理系统对每一个像素进行加减运算得：

            P_c(x，y)＝-P₄+P₁-P₂+P₃＝A_ccosα(x，y)，    (4)

            P_s(x，y)＝-P₄+P₁+P₂-P₃＝A_ssinα(x，y)，    (5)

其中系数：

$A_c=(8/\mathrm{\π})\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[J_{2n}\left(z\right)/2n][1-{(-1)}^n]\sin \left(2\mathrm{n\θ}\right),$

$A_s=(8/\mathrm{\π})\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[J_{2n-1}\left(z\right)/2(n-1)]{(-1)}^n\sin \left[(2n-1)\mathrm{\θ}\right].$

J_n(z)是n阶Bessel函数。

被测物体的表面形貌为

$r(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\mathrm{\α}(x,y)=\frac{\mathrm{\λ}}{4\mathrm{\π}}\arctan (P_s/P_c).---\left(6\right)$

式中r(x，y)是待测量的表面形貌值，λ是激光的波长。

在先技术[1]的测量精度为14nm，测量范围小于λ/4，使用时要校正，操作较困难，原因有三：一是半导体激光器的光强被调制，使得S_dc和S₀随时间变化，这将影响(6)式中的相位值，造成测量误差；二是半导体激光器的波长漂移要影响表面形貌的测量值r(x，y)；三是该方法是在特定条件下得到物体的表面形貌，目前无法精确测量z＝2.45、θ＝56°，它也引入测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述在先技术[1]中所存在的缺点，提供一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪。解决直接调制半导体激光器波长引起的光强度波动与测量范围小和精度低的问题，仪器要求达到操作方便，扩大测量范围，提高测量精度。

本发明的技术解决方案如下：

一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器，沿该半导体激光器的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组、分束器，在该分束器的透射光束的前进方向上设置被测物体，在分束器的反射光束的前进方向上放置有参考平板；被参考平板反射的光束前进方向上依次放置有第二透镜和探测元件，其特点是：所述的探测元件的输出端与信号处理单元的第一输入端相连接，信号处理单元的输出端与计算机相连接，直流电源和信号源通过驱动器与半导体激光器相连接，该信号源的第二输出端与所述的信号处理单元的第二输入端相连接，该信号源向半导体激光器和所述的信号处理单元同时注入一个正弦电流信号。

所述的分束器是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光元件的分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板。

所述的参考平板是一对着分束器一侧的表面上镀有增透膜的平行平板。所述的探测元件是一维或二维光电探测器。

所述的信号处理单元包括实时相位探测电路、实时鉴相电路与同步电路。

所述的实时相位探测电路的内部结构包括第一放大器、第二放大器、计算电路、第一低通滤波器和第二低通滤波器。

所述的实时鉴相电路的内部结构包括第三放大器，第四放大器，除法电路，解相电路，相位补偿电路，所述的相位补偿电路由单片机构成。

本发明的优点：

1)、通过实时相位探测电路与实时鉴相电路来得到被测物体的表面形貌，能够使整个系统高精度实时完成信号的采集、处理和显示。

2)、采用半导体激光器，使整个系统具有体积小，调制简单，调制精度高等优点。

3)、同在先技术[1]相比，本发明的测量精度较高。在先技术[1]中，直接调制半导体激光器的波长时，半导体激光器的输出光强会随时间变化，影响了干涉信号的强度，导致系数A_c与A_s不能一直相等，致使测量的相位有误差。因此光强变化会引入测量误差。本发明含有实时鉴相电路，利用该电路消除了光强变化的影响，避免了该项误差，提高了干涉仪的测量精度。

4)、本发明通过使用相位补偿方法将测量范围扩大到一个波长以上。

5)、在先技术[1]使用查表法得到被测量物体相位，再计算出被测量物体的表面形貌，测量速度慢。本发明采用实时鉴相电路，可以通过电路直接得到被测量物体的表面形貌，测量速度快。

6)、本发明不需要校正z和θ，用户操作简便。

附图说明

图1为本发明实时测量表面形貌的激光干涉仪的结构示意图。

图2为本发明的信号处理流程示意图。

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。

先请参阅图1，图1为本发明实时测量表面形貌的激光干涉仪的结构示意图。由图可见，本发明实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器1，沿该半导体激光器1的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组2、分束器3，在该分束器3的透射光束t1的前进方向上设置被测物体5，在分束器3的反射光束f1的前进方向上放置有参考平板4；光束f1被参考平板4反射后的前进方向上依次放置有第二透镜6和探测元件7，所述的探测元件7的输出端与信号处理单元11的第一输入端8a相连接，信号处理单元11的输出端与计算机12相连接，与半导体激光器1连接的驱动器13分别与直流电源14和信号源15连接，该信号源15的第二输出端与所述的信号处理单元11的第二输入端8b相连接，该信号源15向半导体激光器1和所述的信号处理单元11同时注入一个正弦电流信号。

所述的分束器3是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光元件。如分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板等。

所述的信号处理单元11包括实时相位探测电路8、实时鉴相电路9与同步电路10。信号处理单元11的内部结构如图2所示。

所述的实时相位探测电路8的内部结构包括放大器801、放大器802、计算电路803、低通滤波器804、低通滤波器805。

所述的实时鉴相电路9的内部结构包括放大器901，放大器902，除法电路903，解相电路904，相位补偿电路905。

所述的驱动器13是一半导体激光调制器，它控制半导体激光器的注入电流。

所述的信号源15是向半导体激光调制器13注入调制信号的信号发生器，使得半导体激光器1的波长按正弦变化，从而得到正弦相位调制的干涉信号。

本发明的工作过程是：直流电源14的直流电流i₀和信号源15的正弦电流Δi(t)通过半导体激光调制器(LM)13驱动所述的半导体激光器1，正弦电压调制信号与电流调制信号分别为

             V(t)＝Acosω_ct，           (7)

             Δi(t)＝acosω_ct，         (8)

             a＝K_LMA，                  (9)

其中A表示振幅，ω_c表示角频率，K_LM为半导体激光调制器的转换系数。半导体激光器1输出波长与光强分别为

        λ(t)＝λ₀+Δλ(t)＝λ₀+β₁acosω_ct，                         (10)

        g(t)＝g₀+Δg(t)＝β₂[Δi(t)+acosω_ct]，                       (11)

其中λ₀是半导体激光器1的中心波长，β₁与β₂分别为半导体激光器1的波长调制系数和光强调制系数。考虑光强变化的影响，则探测元件7接收到的干涉信号为

s(x，y，t)＝s₁(x，y，t)+s₀(x，y，t)cos[z(x，y)cosω_ct+α₀+α_r(x，y)]，(12)

式中x，y为被测物体5表面的位置坐标，s₁为干涉信号直流分量，s₀为信号交流分量的振幅。z为正弦相位调制深度，λ为激光波长，它们受光强变化(g(t))影响，其表达式为：

           s₁(x，y，t)＝g(t-τ₀)+g(t-τ_r)，                           (13)

$s_0(x,y,t)=2\sqrt{g(t-{\mathrm{\τ}}_0)g(t-{\mathrm{\τ}}_r)}.---\left(14\right)$

式中τ₀＝1₀/c，τ_r＝1_r/c，1₀和1_r分别为物体光的光程和参考光的光程，c为光速。(12)式中的α₀为参考镜4静止时干涉信号的相位，它由两干涉臂的初始光程差2D₀决定：

${\mathrm{\α}}_0=\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{D}_0.---\left(15\right)$

α_r(x，y)为被测物体5表面形貌引起的干涉信号的相位变化，它由下式计算得出：

             α_r(x，y)＝(4π/λ₀)r(x，y)，                            (16)

其中：r(x，y)为被测物体5表面任一点的形貌值。将(12)式展开并忽略其中的直流分量可得：

      s(x，y，t)＝s₀{cosα(x，y)[J₀(z)-2J₂(z)cos2ω_ct+…]

      -sinα(x，y)[2J₁(z)cosω_ct-2J₃(z)cos3ω_ct+…]}，                (17)

式中α(x，y)＝α₀+α_r(x，y)，J_n(z)是第n阶Bessel函数。

所述的信号源15发出的同步信号经同步电路10的同步输出端口10a输出。在同步信号的控制下，干涉信号从第一放大器801的第一输入端口8a输入，经第一放大器801放大后，再输入计算电路803的第一输入端口803a；所述的信号源15发出的调制信号从第二放大器802的第一输入端口8b输入，经第二放大器802放大后，也输入计算电路的第二输入端口803b。计算电路803进行乘法计算后，分别输入第一低通滤波器804与第二低通滤波器805进行低通滤波后，得到信号

    P₁(x，y，t)＝K₁K₂K_mK_L1s₀AJ₁(z)sinα(x，y)，        (18)

    P₂(x，y，t)＝K₁K₂K_mK_L2s₀AJ₂(z)cosα(x，y)，        (19)

其中K₁为第一放大器801的增益，K₂为第二放大器802的增益，K_m为计算电路803的增益，K_L1为第一低通滤波器804的增益，K_L2为第二低通滤波器805的增益。

P₁(x，y，t)通过第三放大器901的输入端口901a输入第三放大器901进行放大后，经除法电路903的第一输入端口903a输入除法电路903。P₂(x，y，t)通过第四放大器902的输入端口902a输入第四放大器902进行放大后，经除法电路903的第二输入端口903b输入除法电路903。信号P₁(x，y，t)与P₂(x，y，t)在除法电路903中作除法运算，得到信号：

$P(x,y)=\frac{J_1\left(z\right)K_3}{J_2\left(z\right)K_4}\tan \left[\mathrm{\α}(x,y,)\right]=K\tan \left[\mathrm{\α}(x,y)\right],---\left(20\right)$

其中K₃是第三放大器901的增益、K₄是第四放大器902的增益，

$K=\frac{J_1\left(z\right)K_3}{J_2\left(z\right)K_4}.$

P(x，y)信号从解相电路904的第一输入端口904a输入，并由解相电路904解相得到相位

          α(x，y)＝arctan[P(x，y)/K]。                (21)

所以被测物体5的表面形貌为：

         r(x，y)＝α(x，y)λ₀/(4π)。          (22)

由(22)式可知，表面形貌与半导体激光器1的光强无关，说明本发明能消除光强变化对测量结果的影响。

从(21)式可知，相位主值区间在[-π/2，+π/2]，所以表面粗糙度r(x，y)的最大测量范围是λ/4。为了扩大测量范围，将信号P₁(x，y，t)从相位补偿电路905的第一输入端口905a输入相位补偿电路905；将从解相电路904输出的相位α(x，y)经相位补偿电路905的第二输入端口905b输入相位补偿电路905；将信号P₂(x，y，t)从相位补偿电路905的第三输入端口905c输入相位补偿电路905。由相位补偿电路905对sinα(x，y)与cosα(x，y)的值(符号)跳变进行判断，从而得到相位α(x，y)所在象限的相位补偿值，其补偿方法如表1所示。

                   表1相位补偿

cosα(x，y)     sinα(x，y)      相位补偿

                -→+              +π

+               +→-              -π

                -→+              -π

-               +→-              +π

根据表1的相位补偿方法，我们就能将测量范围扩大到一个波长以上。相位α(x，y)的测量精度可达到0.01rad，若采用中心波长λ₀为785nm的半导体激光器1，则被测物体表面纵向测量分辨率为0.62nm。

本实施例采用的装置如图1所示。驱动器13的调制系数为1.56×10^-3nm/mA。直流电源14为半导体激光器1提供50mA的直流电流。信号源15向半导体激光器1注入正弦相位调制信号，改变半导体激光器1的波长，调制干涉信号中的相位。

上面所述的半导体激光器1是采用波长为785nm的半导体激光器。

所述的分束器3是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光棱镜。

所述的参考平板4是一表面镀银的平面镜。

所述的被测物体5是一光楔。

所述的第二透镜6是一焦距为75mm的透镜。

所述的探测元件7是二维CCD光电探测器。

所述的信号处理单元11由实时相位探测电路8、实时鉴相电路9与同步电路10构成。

所述实时相位探测电路8由第一放大器801、第二放大器802、计算电路803、低通滤波器804与805构成。第一放大器801与第二放大器802由芯片LM232构成，计算电路803由芯片AD532完成，低通滤波器由芯片LF356与跟随器BC108构成。

所述的实时鉴相电路9由第三放大器901、第四放大器902、除法电路903、解相电路904、相位补偿电路905构成。第三放大器901、第四放大器902由芯片LM232完成，除法器903由芯片AD538完成。解相电路904与相位补偿电路905由单片机完成。所述的解相电路904与相位补偿电路905是一型号为ADuc812的单片机。

所述的驱动器13是一半导体激光调制器，用于将正弦电压调制信号转换成正弦电流调制信号。

所述的信号源15是一信号发生器，用于产生正弦相位调制所需的正弦电压调制信号。

本发明的工作过程是：作为半导体激光器1的半导体激光器发出的光由一物镜2扩束与准直后照射到分光棱镜3上。通过分光棱镜3的反射光束f1照射到镀银平面镜4上，透过分光棱镜3的透射光束t1照射到光楔5上。镀银平面镜4的反射光束和光楔5的反射光束进行干涉，产生的干涉信号经透镜6成像在二维光电探测器CCD7上。二维光电探测器CCD7将干涉信号转换为电信号s(x，y，t)，

s(x，y，t)＝s₁(x，y，t)+s₀(x，y，t)cos[z(x，y)cos(ω_ct+θ)+α(x，y，t)]，(23)

           其中α(x，y，t)＝α₀+α_r(x，y，t)。                           (24)

在同步信号10a控制下，干涉信号s(x，y，t)从第一放大器801的第一输入端口8a输入第一放大器801，经第一放大器801放大后，再输入计算电路803的第一输入端口803a；调制信号V(t)＝Acosω_ct从第二放大器802的输入端口8b输入第二放大器802，经第二放大器802放大后，输入计算电路803的第二输入端口803b。二者经由计算电路803进行乘法计算，结果分别输入到第一低通滤波器804与第二低通滤波器805中进行低通滤波，得到信号P₁(x，y，t)、P₂(x，y，t)。将P₁(x，y，t)、P₂(x，y，t)分别输入实时鉴相电路9的第一放大器901与第二放大器902进行放大，并由除法电路903作除法运算得信号P(x，y)。除法电路903将信号P(x，y)输入解相电路904，由解相电路904解相得到相位α(x，y)，从而得到光楔的表面形貌为

              r(x，y)＝α(x，y)λ₀/(4π)。                               (25)

测得的光楔表面三维形貌图由计算机12来显示(只使用计算机的显示功能)。信号发生器15产生的正弦电压调制信号输入到半导体激光调制器13中，将正弦电压调制信号转换成电流调制信号，最终将电流调制信号注入LD调制激光的波长。注入半导体激光器1的直流电流为50mA。半导体激光器的中心波长为785nm，调制信号振幅为1.5V，调制频率是100Hz。在此条件下，一般实验环境测得光楔的形貌的重复测量精度为几纳米，测量范围超过一个波长。

整个测量装置的输出信号与半导体激光器光强调制无关，说明实时鉴相电路消除了光强调制对测量精度的影响。

Claims (7)

1、一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器(1)沿该半导体激光器(1)的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组(2)、分束器(3)，在该分束器(3)的透射光束(t1)的前进方向上设置被测物体(5)，在分束器(3)的反射光束(f1)的前进方向上放置有参考平板(4)；光束(f1)被参考平板(4)反射后的前进方向上依次放置有第二透镜(6)和探测元件(7)，其特征在于：所述的探测元件(7)的输出端与信号处理单元(11)的第一输入端(8a)相连接，信号处理单元(11)的输出端与计算机(12)相连接，与半导体激光器(1)连接的驱动器(13)分别与直流电源(14)和信号源(15)连接，该信号源(15)的第二输出端与所述的信号处理单元(11)的第二输入端(8b)相连接。

2、根据权利要求1所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，其特征在于所述的分束器(3)是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光元件的分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板。

3、根据权利要求1所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，其特征在于所述的参考平板(4)是一对着分束器(3)一侧的表面上镀有增透膜的平行平板。

4、根据权利要求1所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，其特征在于所述的探测元件(7)是一维或二维光电探测器。

5、根据权利要求1所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，其特征在于所述的信号处理单元(11)包括实时相位探测电路(8)、实时鉴相电路(9)与同步电路(10)。

6、根据权利要求5所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，其特征在于所述的实时相位探测电路(8)的内部结构包括第一放大器(801)、第二放大器(802)、计算电路(803)、第一低通滤波器(804)、第二低通滤波器(805)。

7、根据权利要求5所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，其特征在于所述的实时鉴相电路(9)的内部结构包括第三放大器(901)，第四放大器(902)，除法电路(903)，解相电路(904)，相位补偿电路(905)，所述的相位补偿电路(905)由单片机构成。

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