CN107036552A - 一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法，装置包括计算机、光强可控式白光光源、第一透镜、滤光片旋转盘、分光棱镜、第二透镜、第三透镜、CCD相机、空间光调制器SLM、第四透镜；本发明利用纯相位调制式液晶空间光调制器实现精确的光学相移，应用光强可调的白光光源和四个带通滤波片得到四种光强分布一致的单色光，并利用多波长干涉的原理，通过合理尺寸衔接实现测量范围的拓展。在重复光学相移中，以轮换滤光片方式获取不同波长的干涉图像序列，并运用优化的四步相移法进行逐点逐帧相位运算，得到大尺度范围内形貌点高度。本发明既能满足跨尺度的测量范围要求，又能保持单波长干涉的纳米精度，具有重要的应用价值。

Description

一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法

技术领域

本发明属于微形貌测量应用领域，涉及一种微纳米形貌测量的装置及方法，具体涉及一种基于光学相移与多波长的跨尺度微形貌测量装置及方法。

背景技术

表面形貌是评价物体性能的重要指标之一，随着技术的发展和应用的需求，仪器和设备的小型化、微型化，所应用的元器件许多都是微纳米尺寸。微纳米形貌测量的需求越来越广泛，如光学元件加工质量检测、微机电器件的结构特征，材料表面的亲、疏水性等。表面微形貌测量的常用测量方法有：机械接触测量和光学非接触测量。而光学接触法应用最多的是基于光学干涉原理，这类方法主要有单色光相移干涉法，白光垂直扫描干涉和多波长干涉等几种。但是这些方法都会产生较大的误差，不能保证很好的精度。例如常用的光学相移法PZT相移和偏振相移。PZT相移法由于施加的电压和陶瓷的伸缩量并不能严格保持线性关系。并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后，将产生相移误差。PZT移相改变了参考镜与显微镜的相对位置，使每次相移的参考波事实上发生变化，从而引入测量误差。偏振相移法通过改变检偏角实现干涉条纹的移动,其优点是偏振器的偏振角可精确控制，移相精度高；适用于干涉系统中光程难以改变的场合。但是需要大口径，高质量的偏振器件。单色光相移干涉法测量精度高，但是能精准测量范围的范围不超过半个波长。G.S.Kino等人在1990在垂直扫描白光干涉显微原理基础上，研制出参考光和测量光束共光路的Mirau显微镜，其采用的是PZT驱动，驱动范围大，达到微米至毫米量级，但是总是存在驱动误差，且存在一些弊端。

J.C.Wyant最先提出双波长测量方法，该方法不但能扩大深度测量范围，而且利用双波长测量结果结果校正单波长的测量结果可以减小由于测量范围扩大导致的放大的测量误差。但是随着被测表面越来越深，等效波长很大时，由于误差放大效应，用双波长测量结果校正单波长的测量结果将变得越来越困难。虽然可以采用三波长或者多波长测量方法解决这个问题，但是三个独立光源出射的光强分布不一致，导致光源上每点对周围的强度影响不一致，从而使得干涉图像灰度值分布规律不确定，造成较大的误差。采用白光作为测量光源干涉方法，不需要光源的切换，应用多个PIN光电管进行同步采集获得不同的干涉信号。但是白光光源中各波长的光强权重不一致，影响测量精度，而且利用多个PIN光电管只能接受某一截面处的深度信号，不能进行区域测量。利用声光可调滤光器频率对白光光源滤光后得到准单色光源，连续改变射频驱动器频率，使得滤光后的干涉波长连续变化，导致在光程差不变的情况下改变相对相位差，从而实现在超越2π范围内求相位变化与波长变化之比。但是目前所采用的AOTF得到的准单色光波长的谱线较宽，相干长度小，干涉条纹随光程差的增加衰减的很快，测量范围不可能很大；测量中无法判断样品在参考镜虚平面的前后位置，难以判断表面形貌的高度方向。而且所需专用的波长调制元件(AOTF)造价过高。

目前已有的微表面形貌测量方法和前沿技术都有自己的优势、也存在一些缺点：例如PZT相移法由于施加的电压和陶瓷的伸缩量并不能严格保持线性关系。并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后，将产生相移误差。单色光相移干涉法，测量范围的范围不超过半个波长。总之，由于目前采用的多波长测量方法，在多波长的实现方法、干涉条纹的接受及处理方法、相位识别精度等方面仍存在许多需要进一步研究的问题：例如白光光源与多种单色滤光片的组合保证了各单色光空间光强分布的一致性，但由于白光光源在各波长的光强不一致，需要进行反馈控制，使得各波长进入到干涉光路的光强一致。如何对一组序列干涉图的信噪比进行分析，得到其信噪比，从而得到其相位计算的准确性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于光学相移与多波长的跨尺度微形貌测量装置及方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：包括计算机、光强可控式白光光源、第一透镜、滤光片旋转盘、分光棱镜、第二透镜、第三透镜、CCD相机、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM、第四透镜；

所述计算机控制所述光强可控式白光光源发出的白光经过所述第一透镜和滤光片旋转盘上的滤光片后变为单色光，单色光经过所述分光棱镜后分成两束；一束经过所述第二透镜后射向被测对象，另一束经过所述第三透镜、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM及所述纯相位调制式液晶空间光调制器SLM反射后与由被测对象反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜成像到所述CCD相机。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算机控制输入到纯相位调制式液晶空间光调制器SLM中的灰度值；

步骤2：所述计算机控制滤光片旋转盘角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，然后采集干涉图像；

其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：所述计算机首先选用一种窄带滤光片，所述光强可控式白光光源发出的白光经过所述第一透镜和滤光片旋转盘上的滤光片后变为单色光λ₁，单色光λ₁经过所述分光棱镜后分成两束；一束经过所述第二透镜后射向被测对象，另一束经过所述第三透镜、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM及所述纯相位调制式液晶空间光调制器SLM反射后与由被测对象反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜成像到所述CCD相机，获得λ₁的干涉图像；

步骤2.2：所述计算机控制滤光片旋转盘选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₂，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₂的干涉图像；

步骤2.3：所述计算机控制滤光片旋转盘选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₃，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₃的干涉图像；

步骤2.4：所述计算机控制滤光片旋转盘选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₄，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₄的干涉图像；

步骤3：采集完四种不同波长(λ₁、λ₂、λ₃、λ₄)的干涉图像后，再利用图像处理算法计算出每点的高度信息，从而得到被测对象的表面形貌。

与现有技术相比，本发明方法具有以下优点：

(1)利用液晶空间光调制器实现的光学相移方式，不但避免了机械运动、定位误差和振动的影响，而且能够实现精准的相移步距，简化了相位识别难度，提高了条数信号的处理速度，从而为测量精度提供了保障：

(2)应用白光光源和四个带通滤光片通过光强反馈控制得到四种光强大小和分布一致的单色光，避免了多个独立光源出射光强不一致导致同一被测对象在不同波长下干涉图样分布不一致的情况；

(3)利用四种不同的单色光，通过大小尺寸结合算法实现表面形貌的高精度绝对测量，一方面突破了单波长测量精度高，但无法超越半波长测量范围这个致命缺陷的瓶颈，既保留有单波长的纳米级测量精度，也拓宽了整体的测量范围

(4)提出一种高精度、快速的相位识别方法，利用最小二乘法对四步相移法进行优化和改进，在保证测量方差最小时，选用最小的干涉图样进行相位快速识别。

附图说明

图1是本发明实施例的装置原理图；

其中：1是计算机、2是光强可控式白光光源、3是第一透镜、4是滤光片旋转盘、5是分光棱镜、6是第二透镜、7是被测对象是、8第三透镜、9是CCD相机、10是空间光调制器的驱动器、11是纯相位调制式液晶空间光调制器、12是第四透镜。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，包括：一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：机1、光强可控式白光光源2、第一透镜3、滤光片旋转盘4、分光棱镜5、第二透镜6、第三透镜8、CCD相机9、空间光调制器SLM的驱动器10、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM11、第四透镜12；

计算机1控制光强可控式白光光源2发出的白光经过第一透镜3和滤光片旋转盘4上的滤光片后变为单色光，单色光经过分光棱镜5后分成两束；一束经过第二透镜6后射向被测对象7，另一束经过第三透镜8、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM11及纯相位调制式液晶空间光调制器SLM11反射后与由被测对象7反射回的光进行干涉，干涉图经过第四透镜12成像到CCD相机9，CCD相机9采集的图像输入计算机1。

本实施例的滤光片旋转盘4上设置有若干滤光片；计算机1控制滤光片旋转盘4角度选择不同滤光片，并控制光强可控式白光光源2光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，采集干涉条纹图像并进行相位求解得到出被测对象。

本发明提供的一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，包括以下步骤：

步骤1：计算机1控制输入到纯相位调制式液晶空间光调制器SLM11中的灰度值；

步骤2：计算机1控制滤光片旋转盘4角度选择不同滤光片，并控制光强可控式白光光源2光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，然后采集干涉图像；

其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：计算机1首先选用一种窄带滤光片，光强可控式白光光源2发出的白光经过第一透镜3和滤光片旋转盘4上的滤光片后变为单色光λ₁，单色光λ₁经过分光棱镜5后分成两束；一束经过第二透镜6后射向被测对象7，另一束经过第三透镜8、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM11及纯相位调制式液晶空间光调制器SLM11反射后与由被测对象7反射回的光进行干涉，干涉图经过第四透镜12成像到CCD相机9，获得λ₁的干涉图像；

步骤2.2：计算机1控制滤光片旋转盘4选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₂，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₂的干涉图像；

步骤2.3：计算机1控制滤光片旋转盘4选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₃，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₃的干涉图像；

步骤2.4：计算机1控制滤光片旋转盘4选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₄，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₄的干涉图像；

步骤3：采集完四种不同波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的干涉图像后，再利用图像处理算法计算出每点的高度信息，从而得到被测对象的表面形貌。

其中利用图像处理算法计算出每点的高度信息，具体实现过程是：

步骤3.1：利用单色光λ_i测量，该点的高度h为：

其中，n_i为干涉级次，φ_i为干涉相位，在(-π,π)之间，i＝1、2、3、4；

步骤3.2：首先选择波长相差较小的两波长(λ₁、λ₂)，保证同一点，两波长具有相同干涉两级(n₁＝n₂)。此时两种波长下的高度h具有以下关系。

经计算，消除级次n后有

考虑满足相位差φ₁-φ₂±2π∈(-π,π)，因此双波长的测量范围为

两近波长(λ₁、λ₂)虽能确定范围，但受相位识别精度的影响，测量误差较大，只能确定高度的粗结果。

步骤3.3：为了更精确测量，再选另两种波长差梯度变化的两种单色波(λ₃、λ₄)。利用近波长(λ₁、λ₂)确定大致高度，再用中波长(λ₁、λ₃)和远波长(λ₁、λ₄)在小尺度内进一步提高精度。

步骤3.4：最后利用单波长相位计算最后测量结果。最后通过单波长相位计算作为最终测量结果。

本实施例基于液晶空间光调制器的光学相移方法实现，装置拟采用液晶空间光调制器进行相移驱动。液晶的双折射特性，在液晶两端施加电场，使得液晶分子发生偏转，从而导致液晶的双折射系数n_e(异常折射率)和n_o(寻常折射率)发生变化或者液晶的分子长轴和电场之间会有不同的夹角。液晶有效双折射率的变化就会改变光通过液晶的光程，实现相位调制。商业化的液晶空间光调制器已经将器件的驱动电压映射成二维图像的灰度值，所以改变图像的灰度值使经过的光速产生不同的相位延迟，最后找到不同波长产生相同相移对应的灰度图像，实现不同波长产生相同的相移。

本实施例的液晶空间光调制器施加不同灰度的图像，将使得经过她内部的光束产生一个波长量级的光程变化。使CCD接受的干涉场产生变化的干涉条纹，采集多幅位相移变化的干涉图的光强分布解算出初始相位，取相移分别为θ₁＝0、θ₂＝90°、θ₃＝180°、θ₄＝270°，得到四幅干涉图，用四步相移法进行初始相位求解，知道初始相位就可以得到该点的高度。用同样的方法，可由多幅干涉条纹图像求出区域内每点的高度，从而得到形貌。

本实施例基于最小二乘法的高精度相位识别算法研究。使CCD接受的干涉场产生变化的干涉条纹，利用干涉图的光强信息得到初始相位，用四步相移法进行初始相位求解，知道初始相位就可以得到该点的高度。

本实施例对光源的光强进行反馈控制，使经过不同滤光片后的光强相同。根据所选的四组滤光片的中心波长，在所用的白光光源光谱图中找到这些波长对应的权重，根据光源驱动电流跟光强的关系，切换不同的波长时采用不同的电流，进行光强一致的初步控制。然后根据CCD采集的图像进行精细控制，对采集的图像进行信息容量评价。

本实施例利用Labview编写测量软件，实现多波长自动切换、用于光学相移的多福灰度图自动切换，干涉条纹初相位自动识别和区域表面形貌显示功能。

本发明在深入分析微形貌光学干涉测量技术实质的基础上，充分利用液晶空间光调制器精确相位调制特性和多波长干涉的优点，提出一种基于光学相移方式的多波长干涉微表面形貌干涉测量方法，本发明从测量范围和测量精度方面综合已有方法的优点，避免其中存在的不足与缺陷，完成跨尺度表面形貌高精度的测量。

本发明既能满足跨尺度的测量范围要求，又能保持单波长干涉的纳米精度，为微表面形貌测量提高了一种新的思路，具有重要的应用价值。

尽管本说明书较多地使用了计算机1、光强可控式白光光源2、第一透镜3、滤光片旋转盘4、分光棱镜5、第二透镜6、被测对象7、第三透镜8、CCD相机9、空间光调制器SLM的驱动器10、纯相位调制式液晶空间光调制器(SLM)11、第四透镜12等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：包括计算机(1)、光强可控式白光光源(2)、第一透镜(3)、滤光片旋转盘(4)、分光棱镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(8)、CCD相机(9)、空间光调制器SLM(11)、第四透镜(12)；

所述计算机(1)控制所述光强可控式白光光源(2)发出的白光经过所述第一透镜(3)和滤光片旋转盘(4)上的滤光片后变为单色光，单色光经过所述分光棱镜(5)后分成两束；一束经过所述第二透镜(6)后射向被测对象(7)，另一束经过所述第三透镜(8)、空间光调制器SLM(11)及所述空间光调制器SLM(11)反射后与由被测对象(7)反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜(12)成像到所述CCD相机(9)。

2.根据权利要求1所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：所述空间光调制器SLM(11)为纯相位调制式液晶空间光调制器SLM(11)，配置有由所述计算机(1)控制的空间光调制器SLM的驱动器(10)。

3.根据权利要求1所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：所述CCD相机(9)采集的图像输入所述计算机(1)中。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：所述滤光片旋转盘(4)上设置有若干滤光片；所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源(2)光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，采集干涉条纹图像并进行相位求解得到出被测对象。

5.一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：计算机(1)控制输入到纯相位调制式液晶空间光调制器SLM(11)中的灰度值；

步骤2：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源(2)光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，然后采集干涉图像；

其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：所述计算机(1)首先选用一种窄带滤光片，所述光强可控式白光光源(2)发出的白光经过所述第一透镜(3)和滤光片旋转盘(4)上的滤光片后变为单色光λ₁，单色光λ₁经过所述分光棱镜(5)后分成两束；一束经过所述第二透镜(6)后射向被测对象(7)，另一束经过所述第三透镜(8)、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM(11)及所述纯相位调制式液晶空间光调制器SLM(11)反射后与由被测对象(7)反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜(12)成像到所述CCD相机(9)，获得λ₁的干涉图像；

步骤2.2：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₂，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₂的干涉图像；

步骤2.3：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₃，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₃的干涉图像；

步骤2.4：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₄，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₄的干涉图像；

步骤3：采集完四种不同波长(λ₁、λ₂、λ₃、λ₄)的干涉图像后，再利用图像处理算法计算出被测对象(7)每点的高度信息，从而得到被测对象的表面形貌。

6.根据权利要求5所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，其特征在于，步骤3中所述利用图像处理算法计算出被测对象(7)每点的高度信息，其具体实现过程是：

步骤3.1：利用单色光λ_i测量，该点的高度h为：

其中，n_i为干涉级次，φ_i为干涉相位，在(-π,π)之间，i＝1、2、3、4；

步骤3.2：首先选择波长相差较小的两波长λ₁、λ₂，保证同一点，两波长具有相同干涉两级，即n₁＝n₂；

此时两种波长下的高度h具有以下关系：

经计算，消除级次n后有

考虑满足相位差φ₁-φ₂±2π∈(-π,π)，因此双波长的测量范围为

步骤3.3：再选另两种波长差梯度变化的两种单色波(λ₃、λ₄)；利用近波长(λ₁、λ₂)确定大致高度，再用中波长(λ₁、λ₃)和远波长(λ₁、λ₄)在小尺度内进一步提高精度；

步骤3.4：最后利用单波长相位计算最后测量结果，最后通过单波长相位计算作为最终测量结果。