CN108645335B - 一种激光白光复合干涉测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光白光复合干涉测量装置及方法，可以将单色光相移干涉与白光扫描干涉相结合，提高系统的测量性能。该测量装置包括白光LED光源、准直透镜、滤光片、光学显微干涉模块和图像采集装置。测量方法是首先对被测样品进行白光扫描干涉测量。然后进行单色光相移干涉测量，只需在分光镜前放置滤光片即可，其它部分与白光扫描干涉相同。将白光扫描干涉测量结果与单色光相移干涉测量结果相结合，可以解决单色光相移干涉中存在的相位模糊问题；相对于白光扫描干涉，复合干涉测量结果具有更高的精度。另外，本发明复合干涉测量系统采用Michelson干涉结构，其横向测量范围远大于商业白光干涉Mirau结构的测量范围，对于大尺寸零件表面检测具有更大优势。

Description

一种激光白光复合干涉测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学、精密检测、显微摄像和信号处理算法多学科交叉的前沿研究领域，具体涉及一种激光白光复合干涉测量系统及方法。

背景技术

进入二十一世纪，核能、大规模集成电路和航天等领域飞速发展，结构零部件不断向复杂化、精密化和小型化方向发展，对超精密加工技术提出了新的要求与挑战，同时也对超精密加工零件的表面质量提出了更加严格的要求。由于超精密加工零件进入微观尺度，许多传统的检测技术已经失效，迫切需要发展与之对应的超精密检测技术对零件表面进行检测，及时定位加工过程中出现的问题，从而改进加工方法改善零件性能。

目前超精密检测方法较多，按照测量过程中仪器与样品的接触关系可以将这些方法分为两类：接触式测量和非接触式测量。其中接触式测量方法首先被开发和应用，但是这种方法的测量效率较低且会对样品表面造成不可修复的损伤。后来，随着光学技术逐渐成熟，结合光电传感技术和计算机图像处理技术，超精密光学检测方法成为了研究热点。光学检测方法具有速度快、精度高和非接触等优点，逐渐取代了传统接触式检测方法。

光学显微干涉术是结合光学干涉技术和现代显微成像技术，形成的一套完整的超精密表面形貌测量方法。在光学干涉中，干涉条纹对样品表面的高度信息具有极高的敏感性。因此，光学显微干涉术可以实现纳米级纵向分辨率。此外，与其它超精密检测方法不同，光学显微干涉术借助CCD光电探测器，通过一次扫描便可以实现全视场表面形貌测量，具有较高的效率

按照光源的不同进行分类，光学显微干涉术可以分为单色光相移干涉术和白光扫描干涉术。其中，对单色光相移干涉术的研究起步较早。1966年，Carré首先提出了时间相移法，介绍了相移法的概念和基本原理，为单色光相移干涉术的发展奠定了基础。1974年，Burning首次尝试将单色光相移干涉术应用于光学器件检测中，受限于当时探测器和计算机技术水平的限制，测量效率极低。自上世纪八十年代以来，随着计算机处理速度的不断提高，加之CCD探测技术的进步，单色光相移干涉术逐渐成熟并成为了研究热点。单色光相移干涉术只需要采集几幅图像便可以获得全视场内的形貌信息，测量效率较高，且测量精度可以达到1/1000光源波长。然而，由于相位模糊问题的影响，单色光相移干涉术只能用于测量光滑连续表面。所以目前基于单色光相移干涉术的测量仪器多用于实验室研究，成熟的商用仪器罕见。对白光扫描干涉术的研究起步较晚，二十世纪五六十年代，国内外相继出现了一些简易的白光干涉仪，它们需要人工操作、计算等，自动化水平较低，测量效率受到了极大限制。20世纪80年代， Davidson研制出Linnik结构白光干涉系统，由于Linnik系统结构较为复杂，需要专业人士就行调节，因此该系统不能大范围普及使用。进入20世纪90年代， Linnik显微结构逐渐被Mirau结构所代替，新的白光干涉系统提高了稳定性和抗干扰能力，推动了商业白光干涉仪的发展。目前，商业白光干涉仪主要依赖于进口，价格昂贵，中小型企业还不能普遍使用。

综上所述，目前光学显微干涉超精密检测方法主要存在以下几个问题：(1) 单色光相移干涉术存在相位模糊问题，其动态测量范围受到了限制，只能用于测量光滑连续表面。(2)白光扫描干涉术受到光学衍射的影响，测量结果中存在“蝠翼现象”；相对于单色光干涉，白光扫描干涉的测量精度较低。(3)目前白光干涉仪主要依赖于进口，价格十分昂贵，中小型企业中还不能普遍使用。(4) 目前商业白光干涉仪大多基于Mirau干涉结构，横向测量范围较小，一般小于 1mm×1mm，对于大尺寸超精密加工零件测量不便。因此，研制大范围高精度光学显微干涉系统具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于针对目前光学显微干涉系统存在的问题，提供了一种激光白光复合干涉测量系统及方法，用于提高系统的测量精度，扩大应用范围。

本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种激光白光复合干涉测量系统，包括白光LED光源、准直透镜、光学显微干涉模块和图像采集装置，光学显微干涉模块包括分光镜、参考镜、显微物镜以及由压电陶瓷位移台和控制器组成的闭环微位移系统，图像采集装置包括 CCD光电探测器和计算机；其中，

在进行白光扫描干涉测量时，由白光LED光源发出的光经过准直透镜之后变为平行光，再经过分光镜之后变为两束相互垂直的平行光束，两束光分别投射到参考镜和待测样品上，由参考镜反射的参考光与由待测样品表面反射的测量光相遇，形成干涉条纹；干涉条纹经过显微物镜后投射到CCD光电探测器上；参考镜固定在压电陶瓷位移台上，用于实现轴向移动完成相移和扫描过程；在测量过程中，CCD光电探测器通过上位机程序控制，压电陶瓷位移台每移动一个位置，CCD光电探测器拍摄一次，之后CCD光电探测器将采集到的干涉信息传输到计算机中用于后续处理。

本发明进一步的改进在于，还包括滤光片，其设置在准直透镜和分光镜之间，在进行单色光相移干涉测量时，滤光片用于从白光中滤出单频激光。

本发明进一步的改进在于，利用相位提取算法和解包裹算法得到待测样品表面三维形貌信息。

一种激光白光复合干涉测量方法，其特征在于，该基于上述一种激光白光复合干涉测量系统，包括：

对于同一待测样品，分别使用两种干涉测量方法进行测量，假设单色光相移干涉测量和白光扫描干涉测量的测量结果分别为z_p和z_w；在单色光相移干涉测量中，由于相位模糊问题导致的高度偏差应该为1/2光源波长的整数倍，因此，修正公式表示为：

式中，round表示取整运算；λ为单色光波长，Δz即为单色光相移干涉中由于相位模糊问题造成的高度偏差，待测样品的真实三维形貌表示为：

z_n(x,y)＝z_p(x,y)+Δz(x,y) (7)

式中，z_n表示激光白光复合干涉测量结果。

本发明具有如下有益的技术效果：

本发明所述的一种激光白光复合干涉测量系统及方法，将单色光相移干涉结果与白光扫描干涉结果相结合，优势互补。解决了单色光相移干涉术中的相位模糊问题，扩大了系统测量范围；相比于白光扫描干涉术，复合干涉测量测量结果具有更高的精度。另外，在本发明复合干涉系统中，两种干涉测量方法共用光源、干涉模块和图像采集装置，减小了系统体积降低了成本。

本发明激光白光复合干涉测量系统采用Michelson干涉结构代替Mirau干涉结构。目前商用白光干涉仪多采用Mirau干涉结构，由于参考镜集成于光路中遮挡住了部分光线，导致其横向测量范围较小，一般小于1mm×1mm，本系统的最大横向测量范围为4.2mm×4.2mm，对于大尺寸超精密加工零件表面检测具有更大优势。本发明采用高精度闭环压电陶瓷微位移器带动参考镜做轴向移动，改变参考光与测量光的光程差，实现相移和扫描过程。

综上所述，本发明可实现白光激光复合干涉测量，将单色光相移干涉测量结果与白光扫描干涉测量结果相结合，优势互补。相对于单色光相移干涉可以扩大测量范围；相对于白光扫描干涉可以提高测量精度。

附图说明

图1是本发明激光白光复合干涉测量系统的结构图；

图2是利用白光扫描干涉测量的台阶三维形貌图；

图3是利用白光扫描干涉测量的台阶截面轮廓图；

图4是利用本发明复合干涉测量的台阶三维形貌图；

图5是利用本发明复合干涉测量的台阶截面轮廓图；

图6是本发明激光白光复合干涉测量系统与商业白光干涉仪测量结果对比图。

图中：1、白光LED光源，2、准直透镜，3、滤光片，4、分光镜，5、参考镜，6、压电陶瓷位移台，7、控制器，8、显微物镜，9、CCD光电探测器， 10、计算机，11、待测样品。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优势更加清楚明了，下面结合附图对本发明结构、原理、实验过程及结果作进一步说明。

如图1所示，本发明提供的一种激光白光复合干涉测量系统，包括白光LED 光源1、准直透镜2、滤光片3、分光镜4、参考镜5、由压电陶瓷位移台6和控制器7组成的闭环微位移系统、显微物镜8、CCD光电探测器9和计算机10。其中滤光片3能够从白光中滤出单频激光用于单色光相移干涉测量；在进行白光扫描干涉测量时，可以将滤光片去除。

为了实现对超精密加工零件表面三维形貌测量，本发明采用的测量方法为：首先进行白光扫描干涉测量，由白光LED光源1发出的光经过准直透镜2之后变为平行光，再经过分光镜4之后变为两束相互垂直的平行光束，两束光分别投射到参考镜5和待测样品11上，由参考镜5反射的参考光与由待测样品11 表面反射的测量光相遇，形成干涉条纹。干涉条纹经过显微物镜8后投射到CCD 光电探测器9上。参考镜5固定在压电陶瓷位移台6上，用于实现轴向移动完成相移和扫描过程。在测量过程中，CCD光电探测器9通过上位机程序控制，压电陶瓷位移台6每移动一个位置，CCD光电探测器9拍摄一次，CCD光电探测器9将采集到的干涉信息传输到计算机10中用于后续处理。然后，对待测样品11进行单色光相移干涉测量，测量过程与白光扫描干涉的过程基本一致，不同的是要在分光镜4前添加滤光片3得到单频激光，单频激光经过分光镜4后投射到参考镜5和待测样品11表面，反射回的光相遇发生干涉，CCD光电探测器9将采集到的干涉信息传输到计算机10中，利用相位提取算法和解包裹算法得到待测样品11表面三维形貌信息。最后，将白光扫描干涉测量结果与白光扫描干涉测量结果相结合，得到复合干涉测量结果。

本发明的具体原理、实验过程及结果如下。

对于单色光相移干涉，当两束频率相同、相位差恒定、振动方向一致的光在空间相遇时，可以形成明暗相间的条纹，这种现象称为光的干涉现象。干涉场的光强分布函数可以表示为：

I(x,y)＝I_b(x,y)(1+γcos(φ(x,y))) (3)

式中，I_b(x,y)表示背景光强，γ代表干涉调制系数。如果人为地将参考光束或测量光束引入σ的相位变化后，干涉光强分布可以表示为

I(x,y)＝I_b(x,y)(1+γcos(δ(x,y))+σ) (4)

上式中共有三个未知量，分别为I_b(x,y)、γ和δ(x,y)。所以，最少需要三个方程就可以解得干涉场中各点的相位主值，再经过相位解包裹之后就可以获得干涉场中的真实相位分布，从而得到待测样品表面的三维形貌信息。

对于白光扫描干涉，照明光为宽光谱低相干光源，根据干涉理论，白光双光束数学模型可以表示为

式中，I₁和I₂分别表示参考光和测量光，z表示测量光路长度，h₀表示参考光路长度，l_c表示光源的相干长度。由上式可以看出，与单色光干涉不同，白光干涉信号的周期性峰值是变化的，且当光程差为零时，干涉光强达到最大值，命名为相干峰位置。因此，只要找到干涉场中各点的相干峰位置，就可以得到待测样品表面三维形貌信息。

相对于单色光相移干涉测量，白光干涉更易受到衍射、微位移器非线性误差等外界因素影响，测量精度相对较低，且白光干涉在测量高度值较低台阶时会出现“蝠翼现象”。而单色光相移干涉术中的解包裹过程决定了单纯使用单色光干涉只能用来测量光滑连续表面，即相邻两点的高度差须小于1/4光源波长，在测量非连续表面时会产生高度偏差，高度偏差值应该等于半波长的整数倍，即

式中，z_w和z_p分别表示白光干涉测量结果和单色光干涉测量结果。将单色光相移干涉测量结果进行高度偏差修正，就可以得到精确的复合干涉测量结果，即

z_n(x,y)＝z_p(x,y)+Δz(x,y) (7)

为了验证上述理论及系统的可行性，对一个微米级台阶进行表面形貌测量。白光干涉测量结果和本发明复合干涉测量结果分别如图2至图5所示。对比两者测量结果可知，本发明复合干涉测量结果要明显优于白光干涉测量结果。

为了进一步验证本发明系统精度，将本发明测量的台阶高度值与商业白光干涉仪(CCI6000,Taylor Hobson)测量结果相比较，如图6所示。本发明系统和 CCI6000测量的台阶高度平均值分别为1021.26nm和1028.08nm，两者差值小于 1％，实验证明本发明方法及系统具有较高的精度和较高的重复性。

以上结合附图对本发明的具体实施方法作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种激光白光复合干涉测量方法，其特征在于，该基于一种激光白光复合干涉测量系统，包括白光LED光源(1)、准直透镜(2)、光学显微干涉模块和图像采集装置，光学显微干涉模块包括分滤光片(3)、光镜(4)、参考镜(5)、显微物镜(8)以及由压电陶瓷位移台(6)和控制器(7)组成的闭环微位移系统，图像采集装置包括CCD光电探测器(9)和计算机(10)；其中，

滤光片(3)设置在准直透镜(2)和分光镜(4)之间，在进行单色光相移干涉测量时，滤光片(3)用于从白光中滤出单频激光，在进行白光扫描干涉测量时，由白光LED光源(1)发出的光经过准直透镜(2)之后变为平行光，再经过分光镜(4)之后变为两束相互垂直的平行光束，两束光分别投射到参考镜(5)和待测样品(11)上，由参考镜(5)反射的参考光与由待测样品(11)表面反射的测量光相遇，形成干涉条纹；干涉条纹经过显微物镜(8)后投射到CCD光电探测器(9)上；参考镜(5)固定在压电陶瓷位移台(6)上，用于实现轴向移动完成相移和扫描过程；在测量过程中，CCD光电探测器(9)通过上位机程序控制，压电陶瓷位移台(6)每移动一个位置，CCD光电探测器(9)拍摄一次，之后CCD光电探测器(9)将采集到的干涉信息传输到计算机(10)中用于后续处理，利用相位提取算法和解包裹算法得到待测样品(11)表面三维形貌信息；

该方法包括：

对于同一待测样品(11)，分别使用两种干涉测量方法进行测量，假设单色光相移干涉测量和白光扫描干涉测量的测量结果分别为z_p和z_w；在单色光相移干涉测量中，由于相位模糊问题导致的高度偏差应该为1/2光源波长的整数倍，因此，修正公式表示为：

式中，round表示取整运算；λ为单色光波长，Δz即为单色光相移干涉中由于相位模糊问题造成的高度偏差，待测样品的真实三维形貌表示为：

z_n(x,y)＝z_p(x,y)+Δz(x,y) (7)

式中，z_n表示激光白光复合干涉测量结果。

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