CN102679907B - 基于led光源高精度的微分干涉测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，采用LED弱相干光作为照明光源，由于其相干长度短，光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉，从而避免了相干噪声或散斑噪声的产生，进而提高了系统的测量精度。LED光源作为照明光源减小了整体系统的封装尺寸，使系统的结构更加紧凑。激光器作为照明光源时，其价格在整个系统中占了相当的比重，而使用廉价的LED作为光源大大的降低了光学测量系统的成本，可实现批量生产。

Description

基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种微分干涉测量系统及方法，尤其涉及一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法。

背景技术

激光器自问世以来，基于其光束的方向性好和相干性强等优质特性被广泛应用于光学测量中作为照明光源。但随着产品性能的不断提高，对表面的平整度要求也越来越严格，在测量高平滑的表面时，激光器就会显现出一些弊端，当光束在系统中传播时，被各光学元件中的杂质、缺陷、甚至空气中的尘埃散射的杂散光在接收屏上也会发生干涉，形成相干噪声或散斑噪声，这些噪声通过算法处理很难消除，而且严重的影响了测量结果，尤其对高平滑表面进行测量时，甚至会吞没表面的形貌信息，难以实现测量的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，克服现有技术激光光束在系统传播容易发生干涉，形成相干噪声或散斑噪声的技术问题。

本发明的技术方案是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器，所述采集单元通过所述CCD图像探测传感器采集光强图，所述重构单元根据所述采集单元采集的光强图重构待测样品的表面。

本发明的进一步技术方案是：采用LED弱相干光作为照明光源，有效地抑制了相干噪声及散斑噪声的产生，提高了测量结果的信噪比，使系统的测量结果可以更真实的反应被测表面形貌信息，而且系统的可重复测量的能力得到增强。

本发明的技术方案是：提供一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤：

形成线偏振光：所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光；

干涉成像：所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器；

采集图像：依次采集至少三幅相位延迟π/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位；

重构：采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。

本发明的进一步技术方案是：在采集图像步骤中，将干涉光强图谱宽内所有波长光相干叠加：

式中，λ₀为中心波长，i_s，i_r为两束相干光的光功率密度，为被测表面的相位信息，为每次引入的相位延迟。

本发明的进一步技术方案是：在采集图像步骤中，提取出相位为：

其中：Δλ为干涉光的谱宽，为被测表面的相位信息。

本发明的进一步技术方案是：在重构步骤中，将被测信息沿X方向量化了，采用数值积分算法重构被测表面高度信息为：

$H(x_i,y)=H(x_{i-1},y)+\frac{\mathrm{\Δl}}{2}[S_x(x_{i-1},y)+S_x(x_i,y)]$

H(x₀,y)=0    i＝1,2,…n

式中，λ₀为中心波长，Δλ为干涉光的谱宽，H(x_i,y)为被测表面的高度，x、y表示被测量点的位置坐标，x_i表示沿X方向量化的离散点的位置坐标，S_x(x，y)为被测面高度信息沿X方向的斜率：

$S_x(x,y)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π\ΔX}}\arctan \frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}/2}^{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{\Δ\λ}/2}\sin \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}H(x,y)\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}/2}^{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{\Δ\λ}/2}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}H(x,y)\right)\mathrm{d\λ}}$

本发明的技术效果是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，采用LED弱相干光作为照明光源，通过弱相干光信息处理算法，重构被测表面形貌信息，由于LED相干长度短，光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉，从而避免了相干噪声或散斑噪声的产生，进而提高了系统的测量精度。而且LED作为照明光源减小了整体系统的封装尺寸，使系统的结构更加紧凑。激光器作为照明光源时，其价格在整个系统中占了相当的比重，而使用廉价的LED作为光源大大的降低了光学测量系统的成本，可实现批量生产。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1所示，本发明具体实施方式是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，包括LED光源1、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、CCD图像探测传感器14、采集干涉光强图的采集单元15、重构待测样品表面的重构单元16，所述LED光源1、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7依次设置在第一光轴上，所述待测样品10、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、CCD图像探测传感器14依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜8垂直连接，所述LED光源1发出的光依次经过所述聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器7后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜8反射进入所述单轴晶体9后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品10表面上，待测样品10表面的反射光经所述单轴晶体9合成一束光经分光棱镜8、1/4波片11和检偏器12后由所述成像透镜13在所述CCD图像探测传感器14，所述采集单元15通过所述CCD图像探测传感器14采集光强图，所述重构单元16根据所述采集单元15采集的光强图重构待测样品10的表面。

如图1所示，本发明的优选实施方式是：所述LED光源为发光二级管(LED)。所述LED光源出射光的发散角为120°，该出射光被所述聚焦透镜2会聚在准直透镜5的焦平面上，在准直透镜5的物方焦平面上放置所述的针孔滤波器4，对所述LED光源1的像进行空间滤波，随后经所述的准直透镜5，出射平行于第一光轴的平行光束，再经干涉滤光片6，改善光束的时间相干性，从而获得一束具有一定相干性且光波能量均匀分布的平行光束。所述的可调光阑3通过调节光阑孔径的大小可以改变照在所述的被测表面上的光斑的大小，同时有去除杂散光的作用。所述滤波器4为针孔滤波器，所述的自制的针孔滤波器的针孔直径为480m，改善了光束的空间相干性，同时保证了所述的弱相干光透过的光通量。

如图1所示，本发明的优选实施例中：所述的干涉滤光片6的中心透射波长为532.5nm，透射谱宽为9.7nm，峰值透射率为62.4%，改善了光束的时间相干性，同时较高的峰值透射率保证了所述的弱相干光透过的光通量。所述分光棱镜8为消偏振分光棱镜。所述单轴晶体9为单轴平晶。

如图1、图2所示，本发明具体实施方式是：提供一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，包括LED光源1、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、CCD图像探测传感器14、采集干涉光强图的采集单元15、重构待测样品表面的重构单元16，所述LED光源1、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7依次设置在第一光轴上，所述待测样品10、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、CCD图像探测传感器14依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜8垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤：

步骤1：形成线偏振光，即：所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光。

如图1所示，具体实施过程如下：所述LED光源1发出的光依次经过所述聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器7后形成线偏振光。

步骤2：干涉成像，即：所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器；

如图1所示，具体实施过程如下：所述线偏振光经所述分光棱镜8反射进入所述单轴晶体9后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品10表面上，待测样品10表面的反射光经所述单轴晶体9合成一束光，经分光棱镜8、1/4波片11和检偏器12后由所述成像透镜13在所述CCD图像探测传感器14上形成干涉图像。CCD图像探测传感器14每采集完一幅图之后，通过旋转检偏器12引入π/2的相位延迟，然后CCD图像探测传感器14再采集下一幅图，如此操作，完成至少三幅干涉光强图的采集,本实施例以五幅为例进行说明。

步骤3：采集图像，即：依次采集至少三幅相位延迟π/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位。本实施例以五幅为例进行说明。

步骤4：重构，即：采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。

采集图像和重构的具体过程如下：由于弱相干光具有一定的频谱宽度Δλ，实际干涉光强图是谱宽内所有波长光的相干叠加。此时，CCD记录的光强应该用一个对波长积分的式子表示：

式中，λ₀为中心波长，i_s，i_r为两束相干光的光功率密度，为被测表面的相位信息，为每次引入的相位延迟。

假设Δλ范围内各波长光功率密度相等，则(1)式可简写为：

在本弱相干光移相干涉系统中，移相器由1/4波片和检偏器构成，相移量仅由1/4波片的光轴和检偏器之间的夹角决定，与波长没有关系。因此含有φ的表达式可以从积分号里提出来。

式中，a₀(x,y)，a₁(x,y)，a₂(x,y)分别为：

$a_0(x,y)=\frac{i_s+i_r}{2}\mathrm{\Δ\λ}$

与单色光情况的五步移相法类似，将φ_i=-π，-π/2，0，π/2，π带入(2)式，得到相应的干涉光强I_i，即：

I₁=a₀(x,y)-a₁(x,y)

I₂=a₀(x,y)-a₂(x,y)

I₃=a₀(x,y)+a₁(x,y)

I₄=a₀(x,y)+a₂(x,y)

I₅=a₀(x,y)-a₁(x,y)

解得

在采集图像步骤中，提取出相位为：

其中：Δλ为干涉光的谱宽，为被测表面的相位信息。

得到被测表面相位信息的三维图像。

假设被测表面高度信息为H(x,y)，微分剪切量为ΔX，则H(x,y)在(x,x+ΔX)微小区间里的高度变化ΔH(x,y)所导致的相位延迟为：

${\mathrm{\φ}}_s(x,y)=\frac{4\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_0}\mathrm{\Δ}{H}_x(x,y)---\left(4\right)$

式中，λ₀为光波的中心波长，ΔH_x(x,y)=H(x+ΔX,y)-H(x,y)即为表面高度信息的变化。

由式(4)，得到表面高度信息沿X方向的变化为：

$\mathrm{\Δ}{H}_x(x,y)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\φ}}_s(x,y)---\left(5\right)$

将(5)式用泰勒级数展开为：

$\mathrm{\Δ}{H}_x(x,y)=\frac{\∂H(x,y)}{\∂x}\mathrm{\ΔX}+\frac{1}{2}\frac{{\∂}^{2}H(x,y)}{{\∂x}^2}\mathrm{\Δ}{X}^2+\·\·\·---\left(6\right)$

忽略ΔX二阶以上的无穷小量，表面高度信息的差商可写为：

$\frac{\mathrm{\ΔH}(x,y)}{\mathrm{\ΔX}}=\frac{\∂H(x,y)}{\∂x}+\frac{1}{2}\frac{{\∂}^{2}H(x,y)}{\∂x^2}\mathrm{\ΔX}---\left(7\right)$

对于高平滑的被测面，H(x,y)对x的一阶微商很小，所以就赋予了二阶微商曲率的意义，用R(x,y)来表示，则(4-7)式可改写为：

$\frac{\mathrm{\ΔH}(x,y)}{\mathrm{\ΔX}}=\frac{\∂H(x,y)}{\∂x}+\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\ΔX}}{R(x,y)}---\left(8\right)$

又因为高平滑表面的曲率半径和ΔX比为无穷大，因此，可以用差商来近似表示微分，即：

因此，被测面高度信息沿X方向的斜率S_x(x,y)可表示为：

由于系统采用了数字图像探测器CCD来记录干涉光强图，所以，Sx(x,y)沿X方向被量化了，需要采用数值积分法才能重构出被测面形貌信息。设积分区间为l，采样点数为n，则采样间隔为Δl=1/n，采样点为xi=iΔl，i=0,1,2…n，再采用复化梯形积分法即可算出被测面的高度信息。

复化积分算法简化为：

$H(x_i,y)=H(x_{i-1},y)+\frac{\mathrm{\Δl}}{2}[S_x(x_{i-1},y)+S_x(x_i,y)]$

H(x₀,y)=0    i＝1,2,…n

式中，H(x_i,y)为被测表面的高度，x、y表示被测量点的位置坐标，x_i表示沿X方向量化的离散点的位置坐标，S_x(x，y)为被测面高度信息沿X方向的斜率：

$S_x(x,y)=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π\ΔX}}\arctan \frac{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}/2}^{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{\Δ\λ}/2}\sin \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}H(x,y)\right)\mathrm{d\λ}}{{\∫}_{{\mathrm{\λ}}_0-\mathrm{\Δ\λ}/2}^{{\mathrm{\λ}}_0+\mathrm{\Δ\λ}/2}\cos \left(\frac{4\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}H(x,y)\right)\mathrm{d\λ}}$

本发明的技术效果是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，采用LED弱相干光作为照明光源，由于其相干长度短，光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉，从而避免了相干噪声或散斑噪声的产生，进而提高了系统的测量精度。LED光源作为照明光源减小了整体系统的封装尺寸，使系统的结构更加紧凑。激光器作为照明光源时，其价格在整个系统中占了相当的比重，而使用廉价的LED作为光源大大的降低了光学测量系统的成本，可实现批量生产。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，其特征在于，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器，所述采集单元通过所述CCD图像探测传感器采集光强图，所述重构单元根据所述采集单元采集的光强图重构待测样品的表面。 

2.一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤： 

形成线偏振光：所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光； 

干涉成像：所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所 述成像透镜在所述CCD图像探测传感器； 

采集图像：依次采集至少三幅相位延迟π/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位； 

重构：采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。 

3.根据权利要求2所述基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，在采集图像步骤中，将干涉光强图谱宽内所有波长光相干叠加： 

式中，λ₀为中心波长，i_s、i_r为两束相干光的光功率密度，为被测表面的相位信息，为每次引入的相位延迟。 

4.根据权利要求2所述基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，在采集图像步骤中，提取出相位为： 

其中：λ₀为中心波长，Δλ为干涉光的谱宽，为被测表面的相位信息。 

5.根据权利要求2所述基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，在重构步骤中，将被测信息沿X方向量化了，采用数值积分算法重构被测表面高度信息为： 

H(x₀，y)＝0    i＝1，2，…n 

式中，λ₀为中心波长，Δλ为干涉光的谱宽，H(x_i，y)为被测表面的高度，x、y表示被测量点的位置坐标，x_i表示沿X方向量化的离散点的位置坐标，S_x(x，y)为被测面高度信息沿X方向的斜率： 

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