CN109781633A - 一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统及方法，属于精密测量领域，包括宽光谱光源、第一分束器、第一显微物镜、第二分束器、第二显微物镜、第一CCD探测器和光谱探测模块；光源发出的光经分束器分成反射光与透射光，分别经过参考光路与测试光路后，在分束器上干涉后被CCD探测器接收，获得待测平面的表面微观形貌；在测试光路中加入分束器，将包含待测平面光谱信息的反射光学信号引入光谱探测模块，获得干涉图样经由PC终端傅里叶变换计算，获得光谱信息。本发明的思想新颖，将表面形貌检测原理与傅里叶变换光谱分析原理相结合，可以同时获得样本的表面立体形貌及其光谱信息，实现物体的多元测量，节省实验步骤与时间。

Description

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统及方法，属于精密测量技术领域。

背景技术

随着信息时代的不断发展及超精密制造技术的不断更新进步，微纳技术已经成为现代科技最重要的发展方向之一，是尖端科技的代表。各种微纳器件在极端装备制造、生物医学、航空航天、量子通信等众多领域具有重要的应用。

表面微观形貌测量方法很多，接触式测量方法作为传统的测量方式，容易对表面产生划伤，对于精度要求很高的表面往往不适合，非接触测量方法可以避免该问题的产生，因此成为表面微观形貌测量的主要选用方法。非接触测量方法可以分为：非光学测量法，包括扫描电子显微镜和扫描探针显微镜等；光学测量法，包括散射法、光切法、偏振光法、散斑法等传统检测方法以及显微干涉测量方法等。

相较于其他测量方法，白光干涉测量法具有测量范围大、精度高、非接触等优点。在大范围、在线检测过程中逐渐体现出它的优势，在以非接触方法测量微器件的阶梯、沟槽等不连续表面结构尺寸和表面微观形貌测量方面，白光干涉法在现代测量方法中具有广阔发展前景和竞争优势。

对于材料性质的测量，由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可以根据光谱来鉴别物质和确定它的化学组成。现代光谱仪是以傅里叶变换为基础算法的仪器。该类仪器不用棱镜或者光栅分光，而是用迈克尔逊干涉结构的到干涉图，采用傅里叶变换将以时间为变量的干涉图变换为以频率为变量的光谱图。傅里叶光谱仪的产生是一次革命性的飞跃。与传统的分光光谱仪相比，傅里叶光谱仪有以下优势：(1)扫描速度快；(2)具有很高的分辨率；(3)有较高的精度与灵敏度；(4)光谱范围宽。

表面微观形貌测量与光谱测量领域都有精度较高的测量系统，但在现有的测量系统中，无法做到同时获得被测样品光谱信息和表面微观形貌。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统及方法，可以同时获得样本的表面立体形貌及其材料光谱信息，实现物体的多元测量，节省实验步骤与时间。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，包括宽光谱光源、第一分束器、第一显微物镜、第二分束器、第二显微物镜、第一CCD探测器和光谱探测模块；

所述宽光谱光源经一准直透镜准直成平行光后垂直入射到第一分束器上，分成透射光T1与反射光F1，反射光F1经第一显微物镜聚焦在参考平面上，再经参考平面反射后得到参考光，参考光沿光轴方向经第一显微物镜照射在第一分束器上，透射光T1经过第二分束器分成透射光T2和反射光F2，透射光T2经第二显微物镜聚焦于待测平面上，由待测平面反射得到测试光，测试光沿光轴方向照射在第一分束器上，在所述第一分束器上参考光与测试光干涉生成干涉光经第一聚焦透镜，被所述第一CCD探测器接收，通过解调干涉图得到待测平面的表面微观形貌；

反射光F2入射到光谱探测模块。

优选的，所述光谱探测模块包括第三分束器、动镜、定镜、第二CCD探测器和PC终端；

所述反射光F2经第三分束器，分成透射光T3与反射光F3，透射光T3经过定镜反射，反射光F3经过动镜反射，两束光在第三分束器上干涉产生干涉光，经第二聚焦透镜被第二CCD探测器接收，再经PC终端处理与记录。光谱探测模块中的第二CCD探测器连接到PC终端，第二CCD探测器探测的得到干涉图样先经过A/D转换器，转换成数字信号在计算机中进行傅里叶变换处理，再经过D/A转换器转换成光谱图。

优选的，所述第二分束器的反射面与由待测平面反射回来的测试光的方向成顺时针45°夹角，将包含样本平面信息的测试光引入光谱测量模块，进行光谱信号的探测。

优选的，所述第一分束器和第三分束器的反射面与各自入射光的方向均成逆时针45°夹角，将入射光束分成透射光及反射光。

优选的，所述第一分束器上需进行特别镀膜，使镀膜后反射率与透射率之比为1:2，实现参考光与测试光的光强匹配，获得衬比度较高的干涉条纹。

优选的，所述第二分束器与第三分束器普通镀膜，使镀膜后反射率与透过率之比为1：1；

本发明中，第一分束器、第二分束器与第三分束器均可以镀镍铬合金的金属膜，实现对本发明所采用宽光谱光束的分光作用。

优选的，所述待测平面置于PZT移相器上，使用PZT移相器驱动待测平面，通过前后移动待测平面在光轴的位置改变光程差，实现对干涉条纹相位调制，用于待测平面的微观形貌的测量。

值得注意的是，本发明所用的器件，如准直透镜、分束器、显微物镜、CCD探测器、PZT移相器等，均可采用现有技术的型号，可根据实际需要灵活选择，均不影响本发明的实施。

另一方面，本发明还提供一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，包括选择宽光谱光源、分束器、显微物镜、CCD探测器和光谱探测模块，组装成测量系统；

光源发出的光经分束器分成反射光与透射光，分别经过参考光路与测试光路后，在分束器上干涉，干涉条纹被探测器接收，获得待测平面的表面微观形貌；

在测试光路中加入分束器，将包含待测平面光谱信息的反射光学信号引入光谱探测模块，根据迈克尔逊干涉结构获得干涉图样经由PC终端傅里叶变换计算，获得待测样本的光谱信息。

优选的，获得待测平面的表面微观形貌的具体步骤为：

宽光谱光源经准直透镜准直成平行光后垂直入射到第一分束器上，分成透射光T1与反射光F1，反射光F1经第一显微物镜聚焦在参考平面上，再经参考平面反射后得到参考光，参考光沿光轴方向照射在第一分束器上，透射光T1经过第二分束器分成透射光T2和反射光F2，透射光F2经第二显微物镜聚焦于待测平面上，由待测平面反射得到测试光，测试光沿光轴方向照射在第一分束器上，在所述第一分束器上参考光与测试光干涉生成干涉条纹经第一聚焦透镜，被所述第一CCD探测器接收；

优选的，获得样品光谱信息的具体步骤为：

所述反射光F2经第三分束器，分成透射光T3与反射光F3，透射光T3经过定镜反射，反射光F3经过动镜反射，两束光在第三分束器上干涉产生干涉光，经第二聚焦透镜被第二CCD探测器接收，再经PC终端处理与记录，得到光谱图。PC终端的处理过称为：光谱探测模块中的第二CCD探测器连接到PC终端，第二CCD探测器探测的得到干涉图样先经过A/D转换器，转换成数字信号在计算机中进行傅里叶变换处理，再经过D/A转换器转换成光谱图。

优选的，宽光谱光源发出的光经第一分束器分成反射光与透射光，分别经过参考光路与测试光路后，在第一分束器上干涉，干涉条纹被第一CCD探测器接收，由第一CCD探测器探测到的干涉条纹的各个像素点的光强分布I(x,y,z)为：

其中，x,y表示干涉图像中每个像素点对应的坐标值，I₀是干涉背景光强，a(x,y)由待测结构表面和参考镜的反射率决定，b(x,y,z)是宽光谱干涉条纹的包络函数，l为待测物体的扫描高度，h(x,y)是待测物体的表面高度值，λ₀为宽光谱光源的中心波长，c(x,y)为初始相位差；

然后对上述光强分布I(x,y,z)作Fourier变换，通过滤波窗口提起旁瓣信息并移动至频谱中心，在将提取的基频信息作逆Fourier变换，最后求取其绝对值，进而得到信号的包络函数，包络函数的极值点也就是零光程差位置，根据参考光路的长度得到探测点的相对高度，再通过PZT移相器移动待测平面，最终获得其平面微观形貌。

优选的，由待测平面反射回的测试光经第二分束器后，反射光射入光谱探测模块，在光谱探测模块中经第三分束器分成透射光T3与反射光F3，透射光T3与反射光F3分别经动镜与定镜反射后，在第三分束器上干涉，产生的干涉条纹被第二CCD探测器接收，其干涉条纹的随光程差变化的光强为

式(2)中，v为单色光频率，入射的准直光束光强随波数的光谱分布函数B(v)为：

由式(3)可得，利用傅里叶变换，可将干涉图函数转换成目标源的光谱分布函数，即B(v)，从而获得其光谱信息。

本发明的有益效果为：

1)本发明从可测量表面微观形貌的白光显微干涉系统出发，在获得待测平面的表面微观形貌的同时，在其测试光路中加入分束器，将包含待测样品光谱信息的反射光学信号引入光谱探测模块，对探测器上获得干涉信号进行傅里叶变换处理，获得样品光谱信息。

2)本发明的思想新颖，将表面形貌检测原理与傅里叶变换光谱分析原理相结合，可以同时获得样本的表面立体形貌及其材料光谱信息，实现物体的多元测量，节省实验步骤与时间。

3)本发明结构设计简单巧妙，比较容易实现，结构紧凑。

附图说明

图1为本发明的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的一种结构示意图；

图2为本发明的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的光谱测量模块的结构示意图；

其中，1-宽光谱光源，2-准直透镜，3-第一分束器，4-第一显微物镜，5-参考平面，61-第一聚焦透镜，62-第二聚焦透镜，7-第一CCD探测器，8-第二分束器，9-第二显微物镜，10-待测平面，11-PZT移相器，12-光谱探测模块，13-PC终端，14-第三分束器，15-动镜，16-定镜，17-第二CCD探测器。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，如图1所示，包括宽光谱光源1、第一分束器3、第一显微物镜4、第二分束器8、第二显微物镜9、第一CCD探测器7和光谱探测模块12；

宽光谱光源1经一准直透镜2准直成平行光后垂直入射到第一分束器3上，分成透射光T1与反射光F1，反射光F1经第一显微物镜4聚焦在参考平面5上，再经参考平面5反射后得到参考光，参考光沿光轴方向经第一显微物镜4照射在第一分束器3上，透射光T1经过第二分束器8分成透射光T2和反射光F2，透射光T2经第二显微物镜9聚焦于待测平面10上，由待测平面10反射得到测试光，测试光沿光轴方向照射在第一分束器3上，在第一分束器3上参考光与测试光干涉生成干涉光经第一聚焦透镜61，被第一CCD探测器7接收，通过解调干涉图得到待测平面的表面微观形貌；

反射光F2入射到光谱探测模块12。

实施例2：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其结构如实施例1所示，所不同的是，光谱探测模块12包括第三分束器14、动镜15、定镜16、第二CCD探测器17和PC终端13；

反射光F2经第三分束器14，分成透射光T3与反射光F3，透射光T3经过定镜16反射，反射光F3经过动镜15反射，两束光在第三分束器14上干涉产生干涉光，经第二聚焦透镜62被第二CCD探测器17接收，再经PC终端13处理与记录。光谱探测模块12中的第二CCD探测器17连接到PC终端13，第二CCD探测器17探测的得到干涉图样先经过A/D转换器，转换成数字信号在计算机中进行傅里叶变换处理，再经过D/A转换器转换成光谱图。

实施例3：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其结构如实施例1所示，所不同的是，第二分束器8的反射面与由待测平面10反射回来的测试光的方向成顺时针45°夹角，将包含样本平面信息的测试光引入光谱测量模块，进行光谱信号的探测；

第一分束器3和第三分束器14的反射面与各自入射光的方向均成逆时针45°夹角，将入射光束分成透射光及反射光。

实施例4：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其结构如实施例1所示，所不同的是，第一分束器3上镀有镀镍铬合金的金属膜，使镀膜后反射率与透射率之比为1:2，实现参考光与测试光的光强匹配，获得衬比度较高的干涉条纹；

第二分束器8和第三分束器14也镀有镀镍铬合金的金属膜，使镀膜后反射率与透射率之比为1:1，实现分光作用。

实施例5：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其结构如实施例1所示，所不同的是，待测平面10置于PZT移相器11上，使用PZT移相器11驱动待测平面，通过前后移动待测平面10在光轴的位置改变光程差，实现对干涉条纹相位调制，用于待测平面的微观形貌的测量。

实施例6：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，包括选择宽光谱光源、分束器、显微物镜、CCD探测器和光谱探测模块，组装成测量系统；

光源发出的光经分束器分成反射光与透射光，分别经过参考光路与测试光路后，在分束器上干涉，干涉条纹被探测器接收，获得待测平面的表面微观形貌；

在测试光路中加入分束器，将包含待测平面光谱信息的反射光学信号引入光谱探测模块，根据迈克尔逊干涉结构获得干涉图样经由PC终端傅里叶变换计算，获得待测样本的光谱信息。

实施例7：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，其方法如实施例6所示，所不同的是，获得待测平面的表面微观形貌的具体步骤为：

宽光谱光源1经准直透镜2准直成平行光后垂直入射到第一分束器3上，分成透射光T1与反射光F1，反射光F1经第一显微物4镜聚焦在参考平面5上，再经参考平面5反射后得到参考光，参考光沿光轴方向照射在第一分束器3上，透射光T1经过第二分束器8分成透射光T2和反射光F2，透射光F2经第二显微物镜9聚焦于待测平面10上，由待测平面10反射得到测试光，测试光沿光轴方向照射在第一分束器3上，在第一分束器3上参考光与测试光干涉生成干涉条纹经第一聚焦透镜61，被第一CCD探测器7接收。

实施例8：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，其方法如实施例6所示，所不同的是，获得样品光谱信息的具体步骤为：

反射光F2经第三分束器14，分成透射光T3与反射光F3，透射光T3经过定镜16反射，反射光F3经过动镜15反射，两束反射光在第三分束器14上干涉产生干涉光，经第二聚焦透镜62被第二CCD探测器17接收，再经PC终端13处理与记录，得到光谱图。PC终端13的处理过称为：光谱探测模块中的第二CCD探测器17连接到PC终端13，第二CCD探测器17探测的得到干涉图样先经过A/D转换器，转换成数字信号在计算机中进行傅里叶变换处理，再经过D/A转换器转换成光谱图。

实施例9：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，其方法如实施例6所示，所不同的是，宽光谱光源1发出的光经第一分束器3分成反射光与透射光，分别经过参考光路与测试光路后，在第一分束器3上干涉，干涉条纹被第一CCD探测器7接收，由第一CCD探测器7探测到的干涉条纹的各个像素点的光强分布I(x,y,z)为：

其中，x,y表示干涉图像中每个像素点对应的坐标值，I₀是干涉背景光强，a(x,y)由待测结构表面和参考镜的反射率决定，b(x,y,z)是宽光谱干涉条纹的包络函数，l为待测物体的扫描高度，h(x,y)是待测物体的表面高度值，λ₀为宽光谱光源的中心波长，c(x,y)为初始相位差；

然后对上述光强分布I(x,y,z)作Fourier变换，通过滤波窗口提起旁瓣信息并移动至频谱中心，在将提取的基频信息作逆Fourier变换，最后求取其绝对值，进而得到信号的包络函数，包络函数的极值点也就是零光程差位置，根据参考光路的长度得到探测点的相对高度，再通过PZT移相器移动待测平面，最终获得其平面微观形貌。

实施例10：

一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，其方法如实施例6所示，所不同的是，由待测平面10反射回的测试光经第二分束器8后，反射光射入光谱探测模块12，在光谱探测模块中经第三分束器14分成透射光T3与反射光F3，透射光T3与反射光F3分别经动镜15与定镜16反射后，在第三分束器14上干涉，产生的干涉条纹被第二CCD探测器17接收，其干涉条纹的随光程差变化的光强为

式(2)中，v为单色光频率，入射的准直光束光强随波数的光谱分布函数B(v)为：

由式(3)可得，利用傅里叶变换，可将干涉图函数转换成目标源的光谱分布函数，即B(v)，从而获得其光谱信息。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其特征在于，包括宽光谱光源、第一分束器、第一显微物镜、第二分束器、第二显微物镜、第一CCD探测器和光谱探测模块；

所述宽光谱光源经一准直透镜准直成平行光后垂直入射到第一分束器上，分成透射光T1与反射光F1，反射光F1经第一显微物镜聚焦在参考平面上，再经参考平面反射后得到参考光，参考光沿光轴方向照射在第一分束器上，透射光T1经过第二分束器分成透射光T2和反射光F2，透射光T2经第二显微物镜聚焦于待测平面上，由待测平面反射得到测试光，测试光沿光轴方向照射在第一分束器上，在所述第一分束器上参考光与测试光干涉生成干涉光经第一聚焦透镜，被所述第一CCD探测器接收；

反射光F2入射到光谱探测模块。

2.根据权利要求1所述的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其特征在于，所述光谱探测模块包括第三分束器、动镜、定镜、第二CCD探测器和PC终端；

所述反射光F2经第三分束器，分成透射光T3与反射光F3，透射光T3经过定镜反射，反射光F3经过动镜反射，两束光在第三分束器上干涉产生干涉光，经第二聚焦透镜被第二CCD探测器接收，再经PC终端处理与记录。

3.根据权利要求2所述的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其特征在于，所述第二分束器的反射面与由待测平面反射回来的测试光的方向成顺时针45°夹角；

所述第一分束器和第三分束器的反射面与各自入射光的方向均成逆时针45°夹角。

4.根据权利要求2所述的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其特征在于，所述第一分束器上镀有镀镍铬合金的金属膜，使镀膜后反射率与透射率之比为1:2；

所述第二分束器和第三分束器均镀有镀镍铬合金的金属膜，使镀膜后反射率与透射率之比为1:1。

5.根据权利要求3所述的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统，其特征在于，所述待测平面置于PZT移相器上，用于待测平面的微观形貌的测量。

6.一种权利要求1所述的可获得光谱信息的白光显微干涉测量系统的测量方法，其特征在于，包括选择宽光谱光源、分束器、显微物镜、CCD探测器和光谱探测模块，组装成测量系统；

光源发出的光经分束器分成反射光与透射光，分别经过参考光路与测试光路后，在分束器上干涉，干涉条纹被探测器接收，获得待测平面的表面微观形貌；

在测试光路中加入分束器，将包含待测平面光谱信息的反射光学信号引入光谱探测模块，根据迈克尔逊干涉结构获得干涉图样经由PC终端傅里叶变换计算，获得待测样本的光谱信息。

7.根据权利要求6所述的测量方法，其特征在于，获得待测平面的表面微观形貌的具体步骤为：

宽光谱光源经准直透镜准直成平行光后垂直入射到第一分束器上，分成透射光T1与反射光F1，反射光F1经第一显微物镜聚焦在参考平面上，再经参考平面反射后得到参考光，参考光沿光轴方向照射在第一分束器上，透射光T1经过第二分束器分成透射光T2和反射光F2，透射光F2经第二显微物镜聚焦于待测平面上，由待测平面反射得到测试光，测试光沿光轴方向照射在第一分束器上，在所述第一分束器上参考光与测试光干涉生成干涉条纹经第一聚焦透镜，被所述第一CCD探测器接收。

8.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，获得样品光谱信息的具体步骤为：

所述反射光F2经第三分束器，分成透射光T3与反射光F3，透射光T3经过定镜反射，反射光F3经过动镜反射，两束光在第三分束器上干涉产生干涉光，经第二聚焦透镜被第二CCD探测器接收，再经PC终端处理与记录，得到光谱图。

9.根据权利要求7所述的测量方法，其特征在于，由第一CCD探测器探测到的干涉条纹的各个像素点的光强分布I(x,y,z)为：

其中，x,y表示干涉图像中每个像素点对应的坐标值，I₀是干涉背景光强，a(x,y)由待测结构表面和参考镜的反射率决定，b(x,y,z)是宽光谱干涉条纹的包络函数，l为待测物体的扫描高度，h(x,y)是待测物体的表面高度值，λ₀为宽光谱光源的中心波长，c(x,y)为初始相位差；

然后对上述光强分布I(x,y,z)作Fourier变换，通过滤波窗口提起旁瓣信息并移动至频谱中心，在将提取的基频信息作逆Fourier变换，最后求取其绝对值，进而得到信号的包络函数，包络函数的极值点也就是零光程差位置，根据参考光路的长度得到探测点的相对高度，再通过PZT移相器移动待测平面，最终获得其平面微观形貌。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，由待测平面反射回的测试光经第二分束器后，反射光射入光谱探测模块，在光谱探测模块中经第三分束器分成透射光T3与反射光F3，透射光T3与反射光F3分别经动镜与定镜反射后，在第三分束器上干涉，产生的干涉条纹被第二CCD探测器接收，其干涉条纹的随光程差变化的光强为

式(2)中，v为单色光频率，入射的准直光束光强随波数的光谱分布函数B(v)为：

由式(3)可得，利用傅里叶变换，可将干涉图函数转换成目标源的光谱分布函数，即B(v)，从而获得其光谱信息。