CN101324422A - 白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法及装置。其方法是将一束白光分别投射到样品和参考镜表面，两表面反射光再合成一束光投射在CCD相机感光面形成干涉条纹；通过改变样品和物镜的间距，在感光面上形成多幅干涉图像，输入计算机后得到振幅调制信号与光源的光谱分布相关的余弦函数的分布，通过非等间隔时间采样方法采得若干振幅调制信号的离散值，进而求得样品表面的相对高度。测量装置由光源、半反半透分光镜、CCD相机、干涉显微物镜和样品台等组成，分光镜将光源光束分为反射和透射两束光，CCD相机和干涉显微物镜分别设在其透射和反射光轴方向上，CCD相机与计算机控制连接，干涉显微物镜可由计算机控制做上下移动。

Description

白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法及其装置
技术领域
本发明内容属于光学精细测量技术领域，涉及一种光学非接触测量的方法及其装置，特别是一种利用白光干涉原理测量样品表面形状精细分布的测量方法及其装置。
背景技术
近年来，随着精密制造技术的进步与发展，利用光干涉方法及其装置检测物体表面形状特别是精密光学平面物体表面形状的技术已得到日益广泛的应用。目前本领域已为使用者公知的光干涉测量方法主要有利用单波干涉仪和多波干涉仪两种类型干涉仪测量法，但它们在用于对具有光学平面的试验物体或样品表面形状分布进行非常高精度的测量时，相应还存在有数据采样时间较长、仪器本身的抗干扰能力较差以及测量精度和工作稳定性不高等问题。
发明内容
本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种测量方式简单易行、测量数据准确可靠的白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法，并根据该方法提供一种结构设计合理、使用方便、数据采样时间短、仪器抗干扰能力强、测量精度高和工作稳定性能好的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置。
为实现上述第一项发明目的而提出的白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法所包含工作过程的要点是：将一束白光分别投射到试验样品和干涉显微物镜的参考镜表面，从这两个表面反射的两束光再合成一束光投射至成像系统，在成像系统的CCD相机感光面形成两个叠加像的干涉条纹；通过改变样品和干涉显微物镜之间的距离，在CCD相机感光面形成多幅干涉图像，输入计算机后得到一系列白光干涉条纹信号，进而得到振幅调制信号与光源的光谱分布相关的余弦函数的包罗线分布，通过非等间隔时间采样方法采集到若干个振幅调制信号的离散值，根据采集到的振幅调制信号的离散值利用插值算法确定包罗线的中心位置，进而解析出试验样品表面的相对高度。
根据上述测量方法而设计的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置具有一个由白光光源、透镜和半反半透分光镜组成的照明光源系统、一个由CCD相机和透镜组成的光学成像系统和一个由干涉显微物镜和样品放置台组成的垂直扫描系统，半反半透分光镜以45°倾角设置在照明光源系统的光轴方向上，将光源照明光束分为下行反射光和上行或平行透射光两束光，光学成像系统的透镜和CCD相机同轴依次设置在其透射光的光轴方向上，干涉显微物镜包括显微透镜、半反半透参考镜和分光镜，它们依次同轴设置在半反半透分光镜反射光轴的下方，样品放置台设置在干涉显微物镜的下方。控制结构上，该装置CCD相机的信号输出端与一台配备了图像采集卡和相关图像采集软件的计算机的信号输入端连接，计算机的输出工作端可以通过机械传动控制机构驱动干涉显微物镜做上下移动，使干涉显微物镜和试验样品之间形成不同的测量间距。
工作中，由半反半透分光镜反射的光束分别投射到样品和干涉显微物镜的参考镜表面，从这两个表面反射的两束光(参考光和物体光)再次通过半反半透分光镜后合成一束光，并由成像系统在CCD相机感光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在CCD相机感光面会观察到明暗相间的干涉条纹。实际测量时，通过计算机自动控制，垂直扫描系统精密驱动干涉显微物镜从上往下移动，对样品表面进行扫描，使两束光光程差的大小发生改变。CCD相机通过图像采集卡与计算机连接，在扫描过程中的每一个抽样位置，CCD相机都拍摄一幅干涉图像，并将拍摄的图像实时传送给计算机。计算机将这些干涉图像依次整理，形成一系列干涉图像。
本发明所述测量装置所使用的光源为白光光源，包括连续分布单色光。各个单色光自己相干，形成各自独立的干涉条纹，各个单色光的干涉条纹在CCD相机感光面上线性叠加，形成白光干涉条纹。白光干涉条纹的强度与参考光和物体光两束光的光程差密切相关，当两束光的光程差相同时，各单色光干涉条纹具有相同的位相，最终合成的白光干涉条纹强度最大；随着干涉显微物镜与样品间距的变化，两束光的光程差出现了差别，各单色光的位相也相应出现差别，导致白光干涉条纹降低，直至最后消失，最终合成的白光干涉条纹信号具有振幅受到调制信号的余弦函数的分布。振幅调制信号与光源的光谱分布相关，一般具有高斯函数或近似高斯函数分布。高斯函数分布也可以称做余弦函数的包罗线分布，它所出现的位置由样品的高度来决定，所以根据高斯函数分布中心即包罗线分布中心就可以唯一确定样品的高度。
在对测量数据的处理方面，本发明所述测量装置直接采集白光干涉条纹包罗线信息。由于包罗线的周期远远大于干涉条纹自身的周期，根据Nyquist采样原理，可使用较大的采样间隔，这样不仅大幅度降低了数据采集时间，而且有效抑制了高频噪声混入有用信号，提高了采样数据的信噪比，增强了装置本身的抗干扰能力。在采用大间隔采样的同时，本发明设计者还根据干涉条纹的周期性特点，引入了非等间隔采样算法，该采样算法经实验验证，在很大程度上提高了采样数据的信噪比。此外，在信号处理阶段，本发明不仅利用干涉条纹的强弱信息，还利用了干涉条纹的位相信息，使装置的测量精度以及工作稳定性都得到了极大的改善。
附图说明
图1为本发明所述测量装置的一个具体实施例的结构示意图。
图2为白光干涉条纹信号波形以及利用插值算法确定包罗线中心位置的数据采点图。
具体实施方式
参见附图，本发明所述的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置由白光光源4、透镜3、半反半透分光镜11、CCD相机1、透镜2、干涉显微物镜I、样品放置台9和闭环压电陶瓷驱动器10等组成。白光光源4、透镜3和半反半透分光镜11构成测量装置的照明光源系统，由其发出的照明光束经按45°倾角设置的半反半透分光镜11后分为下行反射光和上行透射光两束光。CCD相机1和透镜2构成装置的光学成像系统，设置在半反半透分光镜11透射光的光轴方向上，其中CCD相机1的信号输出端与计算机12的信号输入端连接。干涉显微物镜I的结构如图1中的虚线方框所示，自上而下由同光轴设置的常规显微透镜5、半反半透参考镜6以及分光镜7组成，干涉显微物镜I和用于放置样品8的样品放置台9依次同轴设置在半反半透分光镜11反射光轴的下方，构成装置的垂直扫描系统。闭环压电陶瓷驱动器10受控于计算机工作，其作用是带动干涉显微物镜I沿上下移动，对样品8表面进行扫描。采用闭环压电陶瓷驱动器可以保证干涉显微物镜0.1nm的移动精度。
测量样品表面形状时，闭环压电陶瓷驱动器10带动干涉显微物镜I从上往下运动，对样品8进行扫描，在扫描过程中，样品8保持不动。扫描时，照明光束经半反半透分光镜11后分成两束光，分别投射到样品8的表面和参考镜6的表面，从这两个表面反射的两束光再次通过半反半透分光镜11后合成一束光，并由成像系统在CCD相机感光面上形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉的作用，在CCD相机感光面可观察到明暗相间的干涉条纹。白光干涉条纹可以被认为是各个单色光所形成的干涉条纹的线性叠加，最终形成的干涉条纹强度由下式决定：
IWLI＝∫I(λ)S(λ)dλ
其中I(λ)代表单色光的干涉条纹强度分布，用公式表示为
I = I 1 + I 2 + 2 I 1 I 2 cos ( 2 π λ ΔZ )
公式中ΔZ表示参与干涉两束光的光程差，其大小可以通过改变干涉显微物镜和样品之间的位置加以改变。当两束光ΔZ相同时，各单色光干涉条纹具有相同的位相，最终合成的白光干涉条纹强度最大。随着两束光的光程出现差别时，各单色光的位相也相应出现差别，导致白光干涉条纹降低，直至最后消失。据此可得到图2所示的典型的白光干涉条纹强度分布形式，即余弦函数的包罗线分布(高斯函数分布)。采样间隔是指从连续变化的模拟信号中依次采集两组离散分布数字信号的间隔，本发明所提出的非等间隔时间采样方法是直接从干涉条纹信号采集振幅调制信号。由于白光干涉条纹信号所包含的调制信号(高斯分布函数)是固定的，而且余弦函数的周期也是已知的。所以通过合理设定数据采样间隔，可以直接采集到高斯分布函数信号，也就是振幅调制信号。图2给出一组采样示范点(以*表示)，本发明提出的非等间隔采样序列为，{0，T1，T1+T2，2T1+T2，2T1+2T2，...，}。相邻两点的抽样间隔依次为T1及T2，并且T1＜T2。由于直接采集调制信号(图2中的上波峰包连线所示)，T1和T2都远大于余弦函数周期，图2上各采样点的绝对值和包罗线基本重合，证明该采样原理的合理性。最后，利用插值算法确定包罗线的中心位置，进而解析出试验样品表面形状的精细分布。

Claims (5)

1、一种白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法，其特征在于：将一束白光分别投射到试验样品和干涉显微物镜的参考镜表面，从这两个表面反射的两束光再合成一束光投射至成像系统，在成像系统的CCD相机感光面形成两个叠加像的干涉条纹；通过改变样品和干涉显微物镜之间的距离，在CCD相机感光面形成多幅干涉图像，输入计算机后得到一系列白光干涉条纹信号，进而得到振幅调制信号与光源的光谱分布相关的余弦函数的包罗线分布，通过非等间隔时间采样方法采集到若干个振幅调制信号的离散值，根据采集到的振幅调制信号的离散值利用插值算法确定包罗线的中心位置，进而解析出试验样品表面的相对高度。
2、根据权利要求1所述的白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法，其特征在于：通过非等间隔时间采样方法采集振幅调制信号的离散值的采样间隔远大于余弦函数周期。
3、一种白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置，其特征在于具有一个由白光光源(4)、透镜(3)和半反半透分光镜(11)组成的照明光源系统、一个由CCD相机(1)和透镜(2)组成的光学成像系统和一个由干涉显微物镜(I)和样品放置台(9)组成的垂直扫描系统，半反半透分光镜(11)以45°倾角设置在照明光源系统的光轴方向上，将光源照明光束分为下行反射光和上行或平行透射光两束光，光学成像系统的透镜(2)和CCD相机(1)同轴依次设置在其透射光的光轴方向上，干涉显微物镜(I)包括显微透镜(5)、半反半透参考镜(6)和分光镜(7)，它们依次同轴设置在半反半透分光镜(11)反射光轴的下方，样品放置台(9)设置在干涉显微物镜的下方。
4、根据权利要求3所述的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置，其特征在于CCD相机(1)的信号输出端与一台配备了图像采集卡和相关图像采集软件的计算机(12)的信号输入端连接，干涉显微物镜(I)设置在一个由计算机(12)控制驱动做上下移动的闭环压电陶瓷驱动器(10)上。
5、根据权利要求3所述的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置，其特征在于样品放置台(9)为一个由计算机(12)控制驱动并可在二维平面内任意自动移动的电动式放置台。
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