CN110260811B - 一种基于飞秒脉冲的多目标3d表面形貌测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于精密制造测量领域，公开一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，包括如下步骤，1），构建飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号模块；其特征在于，2），使用单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块，提高目标表面扫描速度；3），同光源波段转换及多目标表面形貌测量，采用不同光波段，使用干涉系统（是否为干涉仪），实现多目标表面不同脉冲的低相干干涉并采集干涉图；4）通过图像采集装置进行数据处理，实现多个目标的3D表面形貌轮廓重构。具有测量精度高、测量速度快、测量范围大的优点。

Description

一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法
技术领域
本发明属于精密制造测量领域，尤其涉及一种基于飞秒激光的多目标3D表面形貌测量方法。
背景技术
在全球智能芯片及装备批量精密加工快速发展的大背景下，对超精密在线检测技术提出了新的要求，特别是在近代航空航天、硅晶片加工、芯片制造等技术中，快速、精确的3D表面形貌测量是精密制造的质量保证。传统的光学干涉表面形貌测量主要是基于相移干涉和低相干干涉技术。但相移干涉表面形貌测量技术量程只能达到二分之一测量光波长的距离，同时引入噪声，形成寄生条纹，限制测量精度，而低相干表面轮廓测量技术，测量长度有限，且视场范围只能达到几个平方毫米。受限于光源的特性和光路结构，目前的光学干涉表面形貌测量技术无法同时实现多目标高速、高精度、大量程、大视场的表面形貌测量。
发明内容
本发明的目的是为了解决这一问题，基于飞秒脉冲特性，在被测表面上实现脉冲与脉冲之间的低相干干涉，并根据被测目标，搭建多干涉系统,提供一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，该方法具有测量精度高、测量速度快、测量范围大的优点，可以同时实现多个目标表面形貌非接触式测量的特点。
为实现上述发明目的，本发明的技术方案是：
一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，包括如下步骤，1)，构建飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号模块；其特征在于，
2)，使用单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块，提高目标表面扫描速度；
3)，同光源波段转换及多目标表面形貌测量，采用不同光波段，使用干涉系统，实现多目标表面不同脉冲的低相干干涉并采集干涉图；
4)通过图像采集装置进行数据处理，实现多个目标的3D表面形貌轮廓重构。
优选地，飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，包括重复频率溯源扫描模块1、单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块9、可见近红外光干涉模块10和红外光干涉模块11，由光纤分束器将飞秒激光发出的脉冲光束分离，分别作为测量目标的脉冲光源；以每个测量目标为一个子部分，每个子部分以迈克尔逊干涉仪作为基础进行改进，光程差通过增加光纤来控制；分别采用红外CCD相机和可见光相机捕获干涉图像，光源通过光纤分束器照射到待测物体上并反射，与参考镜反射光束进行不等臂干涉。
优选地，重复频率溯源扫描模块，包括GPS参考频率器、信号发生器、重复频率同步器和飞秒激光振荡器，利用GPS参考频率器作信号发生器的频率参考，输出可调谐10MHz的正弦波，重复率同步器将信号发生器的输出信号倍频到100MHz作为飞秒激光振荡器的重复频率，使用信号发生器的频率调谐功能实现重复频率的溯源扫描。
优选地，不等臂光纤干涉，在迈克尔逊干涉仪测量臂和参考臂之间使用单模长光纤和色散补偿光纤引入m倍谐振腔长的光程差，实现不等臂干涉；
优选地，步骤4，所述图像采集装置，包括可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机、计算机、图像采集卡、视频线缆，通过可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机获得飞秒光频梳扫频低相干干涉条纹后，对捕获到的大量的干涉条纹进行信息处理，实现3D表面轮廓重构。
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
本发明该方法具有测量精度高、测量速度快、测量范围大的优点，基于飞秒脉冲特性，在被测表面上实现脉冲与脉冲之间的低相干干涉，并针对不同的测量要求，利用同光源波段转换技术，可以同时实现多个目标表面形貌非接触式测量的特点，在硅晶片生产、芯片制造以及发动机表面形貌高精度在线检测方面有着广阔的应用前景。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的结构图。
图2为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的溯源重复频率扫描测量结果图。
图3为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的另一溯源重复频率扫描测量结果图。
图4为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的又一溯源重复频率扫描测量结果图。
图5为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的光纤色散补偿干涉图。
图6为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的无色散补偿干涉图。
图7为本发明基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法的有色散补偿干涉图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，基于飞秒激光扫频干涉的多目标3D表面形貌测量系统，包括重复频率溯源扫频模块1，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号，经过光纤分束器2后分为两束飞秒激光，分别到达由单模长光纤3，色散补偿光纤4和偏振控制器5组成的不等臂光纤干涉及色散补偿模块9，既引入了光程差又解决了脉冲色散展宽问题。
经过不等臂光纤干涉及色散补偿模块后，测量对横向分辨率要求高的芯片16，设计可见-近红外光干涉模块10，而对可见光无法穿透的硅晶片22，设计红外光干涉模块11。可见-近红外光干涉模块10中，倍频晶体12将1550nm波段的飞秒激光倍频至780nm，经过透镜13扩束后经过反射镜14到达光纤分束器15后分为两束，一束经过被测物芯片16，一束经过参考镜17，两束光反射回来在光纤分束器15处发生干涉，并由可见光相机18捕捉干涉条纹。红外光干涉模块11中，1550nm波段的飞秒激光经过透镜19扩束后经过反射镜20到达光纤分束器21后分为两束，一束经过被测物硅晶片6，一束经过参考镜7，两束光反射回来再光纤分束器21处发生干涉，由红外相机8捕捉干涉条纹。之后对捕获到的大量干涉条纹进行信息处理，进而实现3D表面轮廓重构。
如图1-7所示，一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，包括如下步骤，首先，构建飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号模块；
该飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，包括重复频率溯源扫描模块1、单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块9、可见近红外光干涉模块10和红外光干涉模块11，由光纤分束器将飞秒激光发出的脉冲光束分离，分别作为测量目标的脉冲光源；以每个测量目标为一个子部分，每个子部分以迈克尔逊干涉仪作为基础进行改进，光程差通过增加光纤来控制；分别采用红外CCD相机和可见光相机捕获干涉图像，光源通过光纤分束器照射到待测物体上并反射，与参考镜反射光束进行不等臂干涉。
其次，引入不等臂光纤干涉及色散补偿模块组合使用，提高表面扫描速度并解决脉冲干涉色散补偿问题；
然后，同光源波段转换及多目标表面形貌测量，针对不同测量对象和要求，采用不同光波段，使用干涉系统，实现多目标表面不同脉冲的低相干干涉并采集干涉图；
最后，通过图像采集装置进行数据采集处理，来实现多个目标的3D表面形貌轮廓重构。
优选地，重复频率溯源扫描模块，包括GPS参考频率器、信号发生器、重复频率同步器和飞秒激光振荡器，利用GPS参考频率器作信号发生器的频率参考，输出可调谐10MHz的正弦波，重复率同步器将信号发生器的输出信号倍频到100MHz作为飞秒激光振荡器的重复频率，使用信号发生器的频率调谐功能实现重复频率的溯源扫描。
优选地，重复频率的扫描精度溯源至GPS参考频率器，而GPS参考信号1秒内的相对精度为4x10-12，因此可以计算出脉冲重复频率为100MHz时的扫描精度为25mHz，从而相对干涉扫描精度为0.03nm。
优选地，控制脉冲重复频率：利用飞秒激光的高空间相干性，实现脉冲间的干涉，解调干涉条纹得到被测物的3D表面形貌。为了脉冲之间更好的实现干涉，需要严格的高精度控制激光脉冲的重复输出频率，因此，将飞秒激光振荡器重复频率的扫描精度溯源到GPS信号源和射频信号发生器组成的可扫频参考信号模块，从而利用GPS信号源对脉冲重复频率进行控制，重复频率的相对精度可达到10-11以下(1s内)。
优选地，不等臂光纤干涉：在迈克尔逊干涉仪测量臂和参考臂之间使用单模长光纤和色散补偿光纤引入m倍谐振腔长的光程差：
Figure BDA0002041634970000051
实现不等臂干涉；
当第n个脉冲和第n+m个脉冲发生干涉时，可以计算出扫频干涉长度Δdn：
Figure BDA0002041634970000052
其中，OPD是光纤引入的光程差，Lc为激光其谐振腔长，c为光速，fr为重复频率,fr,a为初始重复频率，fr,b为最终重复频率。单模长光纤在引入光程差时，会因为色散导致脉冲展宽，降低干涉条纹对比度，从而降低测量精度。可以从图3光纤色散补偿示意图中看出，利用色散补偿光纤是一种负色散系数的光纤，接入一段合适长度的色散补偿光纤，去消除长光纤的正色散，实现零色散。
如图5所示，飞秒激光光源发出的超短脉冲光经过单模长光纤后，由于色散导致脉冲展宽，接入一段合适长度的色散补偿光纤后，可消除单模长光纤的正色散，实现零色散。
光纤色散补偿技术：由于系统中每个子部分的两路光需要通过增加单模长光纤和色散补偿光纤引入迈克尔逊干涉仪测量臂和参考臂之间光程差mLc，实现第n个脉冲和第n+m个脉冲不等臂干涉。但光束在光纤的传播过程中，由于色散会导致脉冲展宽，单模长光纤的引入势必造成不等臂干涉中的精度损失，因此，色散补偿在不等臂光纤干涉系统中具有决定性意义。
色散的补偿方法一般有光纤色散补偿、啁啾光栅、非线性光学效应等方法，但由于光纤色散补偿技术设备简单，插入损耗小，可靠性好，不需要复杂的法布里-泊罗标准具、外调试器及光源的预啁啾技术等，所以本系统中使用色散补偿光纤来解决这一问题。
不等臂光纤及色散补偿模块采用单模光纤和色散补偿光纤组合的方法，既实现了光程差引入又消除了脉冲色散展宽的影响，是一种较为理想的补偿不等臂光纤干涉系统中由于色散导致的精度损失的方法。利用色散补偿光纤是一种负色散系数的光纤，接入一段合适长度的色散补偿光纤，去消除长光纤的正色散，实现零色散，即：
D总＝DlSMFLlSMF+DDCFLDCF＝0
式中，DSMF和DDFC分别单模长光纤和色散补偿光纤在某一波长处的色散系数，LSMF和LDCF分别为两种光纤的长度。因此，为进行色散补偿需要加入的色散补偿光纤长度为：
Figure BDA0002041634970000061
同光源波段转换：本系统使用的光源是飞秒激光器，输出波长为1560nm，由于涉及多个目标的测量，测量不同目标所适合的光源频段不一样，所以需要针对不同的测量目标对光源进行相应的转换。以硅晶片和电子芯片两个目标为例，采用1560nm波段原始光和红外相机实现硅晶片的厚度及形貌测量；而对横向分辨率要求更高的电子芯片的测量，则利用非线性晶体对原光源进行倍频，得到780nm的飞秒脉冲光，采用高速高分辨率可见光相机拍摄干涉条纹。利用同光源波段转换技术，可针对不同的测量要求，分别采用1550nm红外光路和780nm可见-近红外光路系统，从而实现单光源多目标表面形貌同时测量。
数据采集及表面形貌重构：所述图像采集装置，包括可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机、计算机、图像采集卡、视频线缆，通过CCD摄像机获得飞秒光频梳扫频低相干干涉条纹后，对捕获到的大量的干涉条纹进行信息处理，实现3D表面轮廓重构。
以上所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (4)

1.一种基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，包括如下步骤，1)，构建飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，将飞秒激光振荡器的重复频率锁定到可扫频参考信号模块；其特征在于，
2)，使用单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块，提高目标表面扫描速度；
3)，同光源波段转换及多目标表面形貌测量，采用不同光波段，使用干涉系统，实现多目标表面不同脉冲的低相干干涉并采集干涉图；
4)通过图像采集装置进行数据处理，实现多个目标的3D表面形貌轮廓重构；
所述飞秒激光扫频干涉多目标3D表面形貌测量装置，包括重复频率溯源扫描模块(1)、单模长光纤和色散补偿光纤的不等臂组合模块(9)、可见近红外光干涉模块(10)和红外光干涉模块(11)，由光纤分束器将飞秒激光发出的脉冲光束分离，分别作为测量目标的脉冲光源；以每个测量目标为一个子部分，每个子部分以迈克尔逊干涉仪作为基础进行改进，光程差通过增加光纤来控制；分别采用红外CCD相机和可见光相机捕获干涉图像，光源通过光纤分束器照射到待测物体上并反射，与参考镜反射光束进行不等臂干涉。
2.根据权利要求1所述基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，其特征在于：重复频率溯源扫描模块，包括GPS参考频率器、信号发生器、重复频率同步器和飞秒激光振荡器，利用GPS参考频率器作信号发生器的频率参考，输出可调谐10MHz的正弦波，重复率同步器将信号发生器的输出信号倍频到100MHz作为飞秒激光振荡器的重复频率，使用信号发生器的频率调谐功能实现重复频率的溯源扫描。
3.根据权利要求1所述基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，其特征在于：不等臂光纤干涉，每个子部分的两路光通过增加单模长光纤引入光程差，实现不等臂干涉。
4.根据权利要求1所述基于飞秒脉冲的多目标3D表面形貌测量方法，其特征在于：所述图像采集装置，包括可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机、计算机、图像采集卡、视频线缆，通过可见光CCD摄像机、红外光CCD摄像机获得飞秒光频梳扫频低相干干涉条纹后，对捕获到的大量的干涉条纹进行信息处理，实现3D表面轮廓重构。
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