CN107063125B - 一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统 - Google Patents

Abstract

一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，包括光频梳参考可调谐光源模块和菲索干涉模块，光频梳参考可调谐光源模块包括：飞秒光学频率梳、波长计、可调谐激光器和拍频探测及锁定反馈模块，飞秒光学频率梳提供可以溯源至原子钟的光学频率参考，实现一套波长可以大范围调谐的，并且具有极高频率稳定度的可调谐光源系统，大大减小了由于光源频率稳定度造成的测量误差，菲索干涉模块引入傅里叶变换相位测量方法，减小了测量时间并且提高了相位测量的精度。本发明可准确测量物体表面的三维形貌，并且对于物体高度起伏没有严格的要求和限制，综合测量精度可达20纳米以内，具有较强的通用性。

Description

一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统

技术领域

本发明属于激光干涉三维形貌测量技术领域，特别涉及一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统。

背景技术

传统干涉测量中，由于仅仅使用单一波长的光源照明，当目标物体的高度超过一个波长时，就会产生测量结果的混淆。这是由于干涉测量技术实质是探测目标物体反射的光和参考光之间的相位差，由于光的相位差是2π折叠的，也就是多个相隔波长整数倍的目标深度对应着同一个相位差，这样如果测量目标的高度差超过一个波长，就难以从物体反射的光和参考光之间的相位差准确确定物体真实对应的高度。如果目标物体形貌是光滑连续的，则可以通过较为复杂的相位解包裹算法恢复真实高度，但如果目标物体存在高度的跳变，譬如台阶型形貌，则需要其他多波长方法来扩展干涉测量中的混淆区间。为此，双波长和多波长的方法被提出。这些方法使用两个或多于两个波长的光源进行照明测量。由于任意两个波长可以合成一个合成波长，并且该合成波长往往大于两个参与合成的波长，从而扩展了干涉测量的混淆区间。但这种多波长的方法需要预先对待测的物体高度有一个大致的判断，之后确定参与合成波长的具体波长值，不具有较好的通用型。并且该合成波长方法通常需要多台激光器，整体测量系统较为复杂，不利于应用推广。波长扫描方法则是一种只借助一台激光器而实现扩展混淆区间的干涉测量方法。其基本原理是使激光光源的输出波长从λ₁连续扫描到λ₂，期间对得到的干涉条纹连续记录。由于波长的变化，相应的干涉条纹会发生明暗的变化，累计条纹的变化推算出对应的相位变化，并结合已知的波长扫描范围就可以算出对应的目标高度。该方法中，目标高度的得出关联于波长的扫描范围和相应的相位变化，没有对于目标高度的限制，即只要能精确记录下相位的变化和精确测量出前后波长的变化范围就能对任意目标高度进行测量。通常较大的目标高度会造成较快的相位变化，就需要较慢的波长扫描速度和较长的测量时间，对此牺牲的只是测量时间。

对于波长扫描干涉测量技术，准确的确定激光器扫描的波长以及准确得测量干涉图样的相位变化对于测量精度十分重要。现有的波长扫描方法借助于单一可调谐光源，常用的如外腔半导体可调谐激光器。这类激光光源容易受到腔内温度，外界震动等影响，其输出波长存在长时间的漂移，并且由于受限激光谐振腔的结构，其输出线宽为几百kHz量级。此外，之前的波长扫描干涉测量借助于波长计等仪器对可调谐激光器的出射波长进行测量，但由于原理限制，目前精度最高的波长计其频率测量精度仍在几十MHz左右。这些传统光源和波长测量技术的低精度大大制约了波长扫描干涉测量的精度。

同时，传统的波长扫描干涉测量技术多借助于相移法测量干涉相位。相移法是借助于压电陶瓷等移相器使得参考光光程依次增加四分之一个波长并记录对应的干涉强度，通过几幅不同相移下的强度信息计算出对应的干涉相位角。这种相移的方法往往需要多次的采集，这增加了测量的时间消耗，并且更长的测量时间使得测量结果受环境影响大大增大。使用一种更有效的相位测量方法对于波长扫描干涉测量十分有意义。

发明内容

为了克服上述传统波长扫描干涉测量技术中的不足，本发明的目的在于提供一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，引入飞秒光学频率梳和傅里叶变换相位测量方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，包括光频梳参考可调谐光源模块和菲索干涉模块，所述光频梳参考可调谐光源模块包括：

飞秒光学频率梳1，输出可溯源至原子钟频率源的一系列高频率稳定性的光学参考频率；

波长计2，其绝对频率分辨率小于飞秒光学频率梳1的梳齿间隔，以确定可调谐激光器3的输出频率所位于的飞秒光学频率梳1的具体梳齿序号；

可调谐激光器3，以所述光学参考频率为频率稳定参考源，

拍频探测及锁定反馈模块4，通过高灵敏度的雪崩二极管探测器测量飞秒光学频率梳1和可调谐激光器3输出光经耦合之后的拍频信号，并通过锁相环电路反馈到可调谐激光器3的电流调制端口，将该拍频稳定于原子钟提供的标准频率，从而实现飞秒光学频率梳1的频率稳定向可调谐激光器3的传递。

所述波长计2绝对频率分辨率为60MHz，所述飞秒光学频率梳1的梳齿间隔为250MHz。

所述拍频探测及锁定反馈模块4拍频测量出可调谐激光器3出射光与最邻近的光频梳梳齿间的拍频，并通过一个鉴频鉴相器与铷原子钟提供的20MHz频率标准进行鉴频鉴相，将得到的误差信号送入比例积分控制器，该控制器的输出信号反馈给可调谐激光器3的电流调制端口。

所述菲索干涉模块包括针孔滤波器5、参考平面6、成像透镜组7以及CCD8，所述可调谐激光器3输出至菲索干涉模块的光先经过光纤准直器准直，后经过针孔滤波器5进行滤波与扩束，再经过一个分束立方使得光转向参考平面6和待测物体，经过参考平面6的光有一部分被参考平面6的后表面反射回，透射过参考表面6的光照射到待测物体后反射，两路反射光均经过成像透镜组7最终到达CCD8的接受面。

所述参考平面6的反射面的平面度为20分之1个波长，表面质量为10-5划痕-麻点；所述参考平面6的前表面为楔形，且镀有增透膜，使得反射光在经过成像透镜组7汇聚后在成像透镜组7后焦面上被滤去。

所述成像透镜组7的焦面上设置有一个光澜，以滤去参考平面6前表面反射回的光，同时设置一个由单个偏振片和四分之一波片组成隔离器，以减少由于CCD8表面反射光返回干涉光路而造成的额外干涉噪声信号。

所述参考平面6、成像透镜组7以及CCD8采用共路的排列方式，使用高平面度的光学平面参考以及参考臂与测量臂尽量共路的排列方式保证了测量光路较小的误差和抵抗环境干扰性。

本发明可使用傅里叶变换方法测量干涉相位信息。具体地，使用倾斜的参考光，使物光复振幅信息在频谱域与零级项和共轭项分离，仅依靠单次图像采集，并通过频域滤波获得完整的干涉相位信息。具有测量快速，精度高的特点。

在使用光频梳参考的可调谐激光在连续扫描一个波长范围的同时，干涉光路的记录装置即CCD8连续记录下相应的干涉条纹变化，根据条纹的变化周期和波长扫描的范围即可计算出待测物体高度分布，从而得到物体的三维形貌。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、使用波长扫描干涉技术，对待测目标高度无严格限制。而现有的使用双波长或多波长光源的合成波长干涉测量方法均存在一个最大的高度测量范围，测量高度有限。

2、引入飞秒光学频率梳作为参考，并设计了一套高稳定度可调谐光源。该光源系统的频率稳定度可达0.6kHz，较传统的自由运转的可调谐激光光源的频率稳定度提升了3个数量级。这样的频率稳定度也将由光源频率不稳造成的测量误差大大降低。

3、在相位探测部分使用了傅里叶变换的测量方法。该方法仅需单次采集即可得到相位结果。而传统的相移测量方法需要多次采集，相对测量速度慢，时间长，较易受环境震动的影响。

附图说明

图1是本发明的测量系统框图

图2是本发明测量时单像素点的相位随波长变化图。

图3是本发明对于量块样品的测量结果图

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明测量系统包括基于光频梳参考的可调谐激光光源系统和干涉测量光路系统。具体包括飞秒光学频率梳1、高精度的波长计2、外腔半导体型可调谐激光器3、拍频探测及锁定反馈模块4、针孔滤波器5、参考平面6、成像透镜组7以及CCD 8。

飞秒光学频率梳1是一种完全稳定的飞秒脉冲锁模激光器。该激光器在频域上对应一系列等间隔排列的频率，因其形貌类似于梳子，故又称为光频梳。每一个梳齿对应的频率由重复频率、偏置频率和梳齿序号决定。通过反馈机制，可以将重频和偏频锁定到成熟稳定的射频频率基准，比如高稳定度的原子钟，这样飞秒激光器输出的每一个频率梳齿都是溯源至原子钟的高频率稳定度的光学频率，成为了一种高稳定的光学频率参考。借助于光拍频测量和锁相环反馈机制，利用光频梳的频率参考提高了传统可调谐激光器的频率稳定度。由于光频梳的输出梳齿众多，且间隔较小，当一台可调谐激光器和光频梳输出的光进行合束时，可调谐激光器的输出光与光频梳的一系列梳齿之间会产生光学拍频，且与间隔最近的梳齿之间的拍频可以被现有的高速光探测器所捕获。同样利用原子钟作为参考，将该拍频通过锁相环机制锁定至一个稳定的射频参考，即实现了可调谐激光器和光频梳之间的频率锁定，也即将光频梳的频率稳定度传递给了可调谐激光器。对于本系统中使用的外腔半导体型可调谐激光器3，选择将锁相环反馈给可调谐激光器3的泵浦电流调制端口。通常泵浦电流的调制带宽较高，可达1MHz，可以实现较好的锁定效果。此外，由于光频梳输出为一系列梳齿，为了确定可调谐激光器3与飞秒光学频率梳1拍频锁定的具体梳齿序列，引入一个高精度的波长计2作为参考。该波长计2的测量不确定度小于一个梳齿间隔，可以分辨出拍频对应的具体的梳齿序列号。至此，通过结合飞秒光频梳1、波长计2、可调谐激光器3和拍频探测及锁定反馈模块4就组成了一套可以溯源至原子钟的高频率稳定度的可调谐激光光源系统。

为了测量出物光和参考光的干涉相位差，本系统使用了一种傅里叶变换的相位测量方法。区别于传统的相移干涉测量方法，傅里叶变换相位测量方法中参考平面被略微倾斜，使得参考光为一个倾斜的平面波。这种倾斜的平面波入射到记录平面即CCD8的接受面时，其相位分布并非均一值，而是沿着倾斜方向的一次递增函数。这相当于在频域产生一种载波调制。通常参考光与物光的干涉图样在频域上可以看作三项的合成，分别称作零级项，物项和共轭项。由于倾斜平面波引入的载波调制对此三项由不同的调制效果，使得三者可以在频域上分离。这样就使得物项可以被直接分离出来。物项实际上是一个复振幅，其幅角即是物光和参考光的相位角。一般干涉记录中，平面波的参考光作用下，物项和共轭项是重合的，而该两者实部相同，虚部共轭，所以合成以后只能求得实部信息。而实部的强度是一个正弦函数，因此需要通过多步不同的相移得到不同相位角下的实部正弦函数的强度从而反推出相位角。而本发明采用的傅里叶方法因为实现了物项共轭项的分离，仅需单幅图像就能获得当前波长下的相位角。单步记录同时也避免了多步求相位时容易发生的光源强度波动和环境震动对相位测量结果造成误差的情况。

该测量系统的核心原理是波长扫描干涉测量，干涉光路采用菲索型干涉光路，参考光于物光尽量实现共路。整套系统通过一个完善的LabView程序实现测量过程的自动控制。该系统对于测量目标无高度限制，综合评估不确定度小于20纳米。

具体地，可调谐激光器3的输出光被光纤分束器分为三个部分，其中百分之四十五的强度和飞秒光频梳1的光进行合束并进入拍频探测及锁定反馈模块4。拍频测量出可调谐激光器3出射光与最邻近的光频梳梳齿间的拍频，并通过一个鉴频鉴相器与铷原子钟提供的20MHz频率标准进行鉴频鉴相，将得到的误差信号送入比例积分控制器，该控制器的输出信号反馈给可调谐激光器3的电流调制端口。同时百分之十的强度送入精度为60MHz的波长计2。由于所用的光频梳梳齿间隔为250MHz，故该波长计2所测得的结果可以精确确定所锁定的梳齿序列。剩余百分之四十五的强度送入干涉测量部分。该光频梳参考可调谐激光光源部分最终可以实现的频率稳定度为0.6kHz，波长可以调谐的范围为776.2至786.5纳米，频率上可调谐范围超过5THz。

干涉测量部分中由可调谐激光器3送入的光先经过光纤准直器准直，后经过针孔滤波器5进行滤波与扩束，已得到较为纯净的高斯基模光束。扩束后光斑半径约为15mm。后经过一个分束立方使得光转向参考平面和待测物体。光束先经过参考平面6，约有百分之四的光经参考平面6的后表面反射回，该反射面的平面度为20分之1个波长，表面质量为10-5划痕-麻点。同时参考平面6的前表面为楔形，且镀有增透膜，由于楔角的存在，反射光可以在后面经过透镜汇聚后在透镜后焦面上被滤去。透射过参考表面6的光照射到待测物体后反射回CCD8的表面。其中待测物体与参考平面6之间间距为2mm左右，这样使得在波长扫描时干涉相位差变化速度适中，适合CCD8记录的速度。

经过参考平面6和物体反射的光经过一个成像透镜组7成像在CCD8的接受面上，在该成像透镜组7的焦面上放置了一个光澜，以便滤去参考平面6前表面反射回的光。同时引入了一个偏振片和四分之一波片，该两者组成一个隔离器以减少由于CCD8表面反射光返回干涉光路而造成的额外干涉噪声信号。

实际测量时，可调谐激光器3在光频梳的参考下波长由776nm连续调谐至786nm处，相应的频域上扫过5.1THz。同时CCD8连续记录下干涉信号的变化，共计180帧信号，耗时10秒。之后通过计算机对每一副干涉图样进行的二维快速傅里叶变换、频域滤波、二维快速傅里叶逆变换以及求解复振幅相位幅角最终得到每一副干涉图样对应的波长下的物光与参考光之间的相位差。对每一个像素点的相位差的变化进行累加，求得每一点的相位总变化值。再由公式(1)即可求得每一个像素点对应的物体与参考平面之间的距离，进而可以算得物体表面的三维形貌。其中，c是光速，代表该点的相位变化，Δν代表光源扫描过的频率范围。

图2和3展示了使用本发明对一个由三个高度分别为1.05mm，0.5mm和1.0mm的0级量块构建的高度样品的测量结果。其中，图2为CCD一个像素点在测量过程中的相位随光源频率的变化图。图3展示了取该样品一行像素测量点的结果。可以看到测量结果与量块的名义值相近。其偏差符合0级量块的偏差范围。表1是相应的不确定度估计数据，说明了量块测量的不确定度分析。主要的误差来源为使用光学仪器引入的波前误差，以及量块的安装误差。综合得到的最后误差为17.1纳米。

测量中多个环境因素譬如温度、湿度、二氧化碳浓度以及大气压都有相应的测量设备监控，以便于对折射率的实时补偿修正。经过综合评估，该系统在测量由量块组成的台阶样品时，得到的结果的不确定度为17纳米。

Claims (10)

1.一种光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，包括光频梳参考可调谐光源模块和菲索干涉模块，其特征在于，所述光频梳参考可调谐光源模块包括：

飞秒光学频率梳(1)，输出可溯源至原子钟频率源的一系列高频率稳定性的光学频率参考；

波长计(2)，其绝对频率分辨率小于飞秒光学频率梳(1)的梳齿间隔，以确定可调谐激光器(3)的输出频率所位于的飞秒光学频率梳(1)的具体梳齿序号；

可调谐激光器(3)，以所述光学频率参考为频率稳定参考源，其输出光被光纤分束器分为三个部分，一部分与飞秒光学频率梳(1)进行合束并进入拍频探测及锁定反馈模块(4)，一部分送入波长计(2)确定所锁定的梳齿序列，剩余部分送入菲索干涉模块进行干涉测量；

拍频探测及锁定反馈模块(4)，通过雪崩二极管探测器测量飞秒光学频率梳(1)和可调谐激光器(3)输出光经耦合之后的拍频信号，并通过锁相环电路反馈到可调谐激光器(3)的电流调制端口，将该拍频稳定于原子钟提供的标准频率，从而实现飞秒光学频率梳(1)的频率稳定向可调谐激光器(3)的传递。

2.根据权利要求1所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，所述波长计(2)绝对频率分辨率为60MHz，所述飞秒光学频率梳(1)的梳齿间隔为250MHz。

3.根据权利要求1所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，所述拍频探测及锁定反馈模块(4)拍频测量出可调谐激光器(3)出射光与最邻近的光频梳梳齿间的拍频，并通过一个鉴频鉴相器与铷原子钟提供的20MHz频率标准进行鉴频鉴相，将得到的误差信号送入比例积分控制器，该控制器的输出信号反馈给可调谐激光器(3)的电流调制端口。

4.根据权利要求1所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，所述菲索干涉模块包括针孔滤波器(5)、参考平面(6)、成像透镜组(7)以及CCD(8)，所述可调谐激光器(3)输出至菲索干涉模块的光先经过光纤准直器准直，后经过针孔滤波器(5)进行滤波与扩束，再经过一个分束立方使得光转向参考平面(6)和待测物体，经过参考平面(6)的光有一部分被参考平面(6)的后表面反射回，透射过参考表面(6)的光照射到待测物体后反射，两路反射光均经过成像透镜组(7)最终到达CCD(8)的接受面。

5.根据权利要求4所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，所述参考平面(6)的反射面的平面度为20分之1个波长，表面质量为10-5划痕-麻点；所述参考平面(6)的前表面为楔形，且镀有增透膜，使得反射光在经过成像透镜组(7)汇聚后在成像透镜组(7)后焦面上被滤去。

6.根据权利要求4所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，所述成像透镜组(7)的焦面上设置有一个光澜，以滤去参考平面(6)前表面反射回的光，同时设置一个由单个偏振片和四分之一波片组成隔离器，以减少由于CCD(8)表面反射光返回干涉光路而造成的额外干涉噪声信号。

7.根据权利要求1所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，所述参考平面(6)、成像透镜组(7)以及CCD(8)采用共路的排列方式，以降低测量光误差，抵抗环境干扰。

8.根据权利要求1所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，使用傅里叶变换方法测量干涉相位信息。

9.根据权利要求8所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，使用倾斜的参考光，使物光复振幅信息在频谱域与零级项和共轭项分离，仅依靠单次图像采集，并通过频域滤波获得完整的干涉相位信息。

10.根据权利要求8所述光频梳参考的波长扫描三维形貌测量系统，其特征在于，使用光频梳参考的可调谐激光在连续扫描一个波长范围的同时，干涉光路的记录装置即CCD(8)连续记录下相应的干涉条纹变化，根据条纹的变化周期和波长扫描的范围即可计算出待测物体高度分布，从而得到物体的三维形貌。