CN110274551B - 一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其包括白光光源(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(5)、参考镜(6)、被测物(7)、闭环PZT(8)、反射镜(9)、第三分光镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、频谱分析仪(13)和计算机(14)。本发明结构简单，利用白光光谱很宽，相干长度短的特点，且干涉零级条纹具有较好的对比度，其光强值也明显大于其它条纹。一次干涉后是暗条纹或亮条纹，斜率为零。经过二次干涉(零差探测)，斜率达到最大，以此来提高灵敏度。其中使用的闭环PZT可起到反馈的作用，减小外界的干扰，具有重要的应用价值。
Description
技术领域
本发明属于超精密干涉测量技术领域，更具体地说，本发明涉及一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统。
背景技术
随着当今机械加工精度的提高和零件的小型化，光学技术的发展对元件表面的要求达到纳米级精度，微电子技术也迫切需要用于硅器件的超精密表面测量方法。然而传统的接触式表面形貌测量方法自身具有无法避免的缺点:触针与表面接触可能会划伤表面，逐点扫描使得测量三维表面需要花费很长时间等等，这些缺点使得接触式测量方法无法满足光学元件和微器件的超精密测量要求。基于光学干涉原理的非接触测量方法由于较高的测量精度，同时又不对被测表面造成伤害，是表面形貌的主要测量方法。
其中白光干涉技术应用很早，1881年，Michelson首次研制了Michleson白光干涉仪，灵敏度很高，此后白光干涉仪逐渐得到应用。1951年联邦德国奥普托厂生产出测量表面粗糙度的干涉显微镜，1958年苏联生产出性能良好的MNN-4型干涉显微镜，1968年我国上海光学仪器厂生产出6J型干涉显微镜。但是初期的白光干涉显微镜测量表面主要是采用人工操作、读数、计算，测量评定某个参数，效率很低。1987年Davidson在Michelson干涉仪上采用Linnik显微结构研制出可测量表面微观形貌的白光干涉显微测量系统。该系统采用白炽灯或氮弧灯作光源，光线被分光镜分成两束，分别到达反光镜和被测表面，反射后按原路返回到分光镜，并到达CCD检测阵列。
1990年美国斯坦福大学的GS.Kino等人研制出基于垂直扫描白光干涉显微原理，自动测量表面微观形貌的Mirau干涉显微镜，该仪器通过压电驱动器改变参考光路和测量光路的光程差，利用干涉条纹完成对整个表面的扫描，能够实现表面形貌的高精度高分辨率测量。此后国外很多公司都在研究基于垂直扫描白光干涉原理的仪器，目前已有商业化产品应用于科研生产。与Linnik干涉显微镜相比，这种Mirau干涉显微镜减少了一个显微物镜，简化了结构，减小体积和重量，从而减轻了振动问题，但是因将参考镜放入物镜中，增加了物镜的制作难度，并且Mirau物镜的放大倍数和数值孔径有限，在使用范围有所限制。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量技术方案，本发明应用白光光源，由于白光的光谱很宽，相干长度短，白光干涉零级条纹具有较好的对比度，其光强值也明显大于其它条纹。
本发明所采用的技术方案是一种基于白光零差干涉的高灵敏性测量系统，包括白光光源1、第一透镜2、第二透镜3、第一分光镜4、第二分光镜5、参考镜6、被测物7、闭环PZT8、反射镜9、第三分光镜10、第一光电探测器11、第二光电探测器12、频谱分析仪13和计算机14；
所述白光光源1产生的白光经过第一透镜2和第二透镜3产生平行光，通过第一分光镜4，一路反射出去，另一路按原路透射，透射光经过第二分光镜5，一路反射到闭环PZT8，一路透射到参考镜6，经过闭环PZT7和参考镜6的两束光经过反射后按原路返回，两路反射光在第二分光镜5产生一次干涉；一次干涉的两路干涉分别经过第一分光镜4和反射镜9之后到第三分光镜10，产生二次干涉；二次干涉的两路干涉信号分别通过第一光电探测器11、第二光电探测器器12进行检测，所得两路干涉信号采集结果相减后送入分析仪13；计算机14分别连接闭环PZT8、白光光源1和分析仪13。
而且，测量过程包括以下步骤：
步骤1，固定白光光源1，将所有的光学器件的中心高度调至与光源高度一致；由计算机14控制白光光源1，发出白光；
步骤2，利用第一透镜2和第二透镜3将白光调出平行光
步骤3，平行光通过第二分光镜5，调整光程差使由参考镜6和被测物7反射回第二分光镜形成一级干涉，设l1和l2分别表示第二分光镜到反射镜和被测物的路程的两倍，调整l1和l2的距离，使一级干涉的两路干涉信号一路为亮条纹，一路为暗条纹，在零时刻光强差斜率为零；
步骤4，在步骤3形成一级干涉的基础上加上第一分光镜4、反射镜9、第三分光镜10，通过计算机14控制闭环PZT8来驱动被测物移动，形成二级干涉，实现零差探测，提高灵敏度；
步骤5，将二级干涉的两路干涉信号通过第一光电探测器11、第二光电探测器12进行探测，产生的输出信号经过差分放大电器电路输出信号到分析仪13，之后通过计算机14进行数据处理。
而且，所述PZT为闭环PZT8，配置有由计算机14控制的闭环PZT控制器。
而且，所述第一透镜2和第二透镜3的焦距分别为50mm和100mm。
而且，所述第一分光镜4、第二分光镜5和第三分光镜10均为半透半返。
而且，所述第一光电探测器11和第二光电探测器12参数完全相同。
而且，被测物7和闭环PZT8固定，通过控制闭环PZT的移动，能够带动被测物移动来产生光程差。
与现有的技术相比，本发明系统具有以下优点：
(1)本发明使用的闭环PZT可起到反馈的作用，减小外界的干扰
(2)本发明应用白光干涉，由于白光的光谱很宽，相干长度短，要求等光程。白光干涉零级条纹具有较好的对比度，其光强值也明显大于其它条纹。一次干涉后是暗条纹或亮条纹，斜率为零。经过二次干涉(零差探测)，斜率达到最大，以此来提高灵敏度。
(3)本发明结构简单，成本较低。
附图说明
图1为本发明实施例的装置结构图；
图2为本发明实施例的一次干涉光强差示意图；
图3为本发明实施例的二次干涉光强差示意图；
其中：1是白光光源、2是第一透镜、3是第二透镜、4是第一分光镜、5是第二分光镜、6是参考镜、7是被测物、8是闭环PZT、9是反射镜、10是第三分光镜、11是第一光电探测器、12是第二光电探测器、13是频谱分析仪、14是计算机。
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。
现有技术中为激光测量微振动，通过两路探测器探测信号后，利用最小二乘法把两路信号校正为正交信号，再利用相应的处理方法求解振动信号。为了充分利用白光光源的特点，本发明提出设置了相应的测量装置。
参见图1，本发明实施例提供的一种基于白光零差干涉的高灵敏性测量系统，包括白光光源1、第一透镜2、第二透镜3、第一分光镜4、第二分光镜5、参考镜6、闭环PZT8、反射镜9、第三分光镜10、第一光电探测器11、第二光电探测器12；所述白光光源由计算机14控制产生白光经过第一透镜2和第二透镜3产生平行光，通过第一分光镜4，一路反射出去，另一路按原路透射，透射光经过第二分光镜5，一路反射到闭环PZT8，一路透射到参考镜6，经过闭环PZT8和参考镜6的两束光经过反射后按原路返回，两路反射光在第二分光镜5产生一次干涉，一次干涉的两路干涉分别经过第一分光镜4和反射镜9之后到第三分光镜10，产生二次干涉，二次干涉的两路干涉信号分别通过第一光电探测器11、第二光电探测器检测器12进行检测，第一光电探测器11和第二光电探测器检测器12所得两路干涉信号采集结果相减(可采用差分放大电路实现)后送入分析仪13处理数据。计算机14分别连接闭环PZT8、白光光源1和分析仪13。
进一步地，本发明提出：
所述闭环PZT8，配置有由所述计算机14控制的闭环PZT控制器。PZT表示压电陶瓷。
所述第一分光镜4、第二分光镜5和第三分光镜10均为半透半返。
所述第一光电探测器11、第二光电探测器12参数完全相同。
被测物7和闭环PZT8是固定在一起的，通过控制闭环PZT的移动，能够带动被测物移动来产生光程差。
优选地，各部件建议使用的型号如下：
白光光源选择大恒光电GCI-0604LED光源，型号为GCI-060411，功率为1W；
第一透镜和第二透镜的型号分别为GCL-010137和GCL-010140，焦距分别为50mm,100mm；
第一、第二、第三分光镜的各参数相同，采用50:50非偏振分束立方体，400－700nm，大小10mm*10mm*10mm；
闭环PZT控制器选择BPC303型号，3通道150伏台式压电控制器，待USB接口；
PZT型号选择PK4DMP2，9.2μm自由行程位移，2.5mm x 2.5mm x 10.0mm，两个平面端帽；
频谱分析仪选择SSA3000X/X-E系列频谱分析仪，测量频率范围涵盖9kHz～3.2GHz；
示波器选择MSOX4104A数字存储示波器、1GHz，4+16通道。
本实施例由计算机14控制闭环PZT的驱动产生位移，使两路的干涉信号的光程差产生变化来产生干涉条纹，通过二次干涉(零差探测)来提高测量的灵敏度。
本发明实施例基于以上系统实现的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：固定白光光源，将所有的光学器件的中心高度调至与光源高度一致；所有的光学器件，是指第一透镜2、第二透镜3、第一分光镜4、第二分光镜5、参考镜6、反射镜9和第三分光镜10。由计算机14控制白光光源1，发出白光。计算机14分别连接闭环PZT8、白光光源1
步骤2：利用第一透镜2和第二透镜3将白光调出平行光。第一透镜和第二透镜的焦距分别为50mm和100mm，调整两个透镜的位置约为150mm，使进入第一透镜和从第二透镜发出的光斑大小一致即为产生平行光。
步骤3：设l1和l2分别表示第二分光镜到反射镜和被测物的路程的两倍，平行光经过第二分光镜5后分为两束光，分别经过参考镜6和被测物7，均被反射回第二分光镜5，形成一级干涉；调整l1和l2的距离，产生零级干涉条纹，使条纹具有较好的对比度。
调整l1和l2的距离，可使一级干涉的两路干涉信号一路为亮条纹，一路为暗条纹，在零时刻光强差斜率为零。
步骤3中所形成的干涉为产生零级干涉条纹(调整使第二分光镜到参考镜和被测物的距离一样)，条纹具有较好的对比度。
设原矢量波设为E0，经过第二分光镜5得到透射后的矢量波E1和反射后的矢量波E2
其中，i表示复数的虚部。
E1和E2分别经过参考镜和被测物反射后，E1经过参考镜反射后第二分光镜反射的波与E2经过被测物反射后第二分光镜透射之后波的叠加记为Ea，E1经过参考镜反射后第二分光镜透射的波与E2经过被测物反射后第二分光镜反射之后波的叠加记为Eb，Ea和Eb求取如下，
式中
(波矢，表示在2π长度范围内所具有的完整波的数目)，λ表示波长，e表示数学常数。
两路干涉信号Ea和Eb的光强差可以表示如下：
其中，
表示Ea和Eb的共轭复数，Ia和Ib分别是Ea和Eb的光强。
由于等光强，在零时刻的斜率为零，见图2中一次干涉光强差，其中横坐标为l1-l2，纵坐标为Ia-Ib。
步骤4：在步骤3形成一级干涉的基础上加上第一分光镜4、反射镜9、第三分光镜10，形成二级干涉，通过计算机14控制闭环PZT8驱动来产生光程差，从而生成干涉条纹。本实施例采用的闭环PZT由三通道控制器驱动，型号为BPC303。PZT型号为PK4DMP2
步骤4中在第一次的干涉基础上形成二次干涉(零差探测)，斜率达到最大，以此来提高灵敏度。
步骤5：Ea经过第三分光镜反射和Eb通过第三分光镜的透射叠加之后的矢量波记为Ec，Ea经过第三分光镜透射和Eb通过第三分光镜反射叠加之后的矢量波记为Ed，将二级干涉的两路干涉信号Ec和Ed通过第一光电探测器11、第二光电探测器12收集信号，将收集的信号输入分析仪13进行数据分析。计算机14可以进行后续数据处理。
其中调整光路使
其中，Ia和Ib分别是Ec和Ed的光强，l3表示第二分光镜经由反射镜到第三分光镜的路程，l4表示第二分光镜经由第一分光镜到达第三分光镜的路程。
通过二级干涉(零差探测)斜率达到最大(见图3中二次干涉光强差，其中横坐标为l1-l2，纵坐标为Ic-Id)，来提高测量的灵敏度。
两路干涉信号通过第一光电探测器11、第二光电探测器12进行探测，两路干涉信号通过探测器形成电信号，两路信号再经过差分放大电路输出电压信号，电压信号随后输入针对频谱的分析仪13进行信号的处理与分析。具体实施时，也可以采用示波器显示电压信号。
尽管本说明书较多地使用了白光光源1、第一透镜2、第二透镜3、第一分光镜4、第二分光镜5、参考镜6、被测物7、闭环PZT8、反射镜9、第三分光镜10、第一光电探测器11、第二光电探测器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 (7)
1.一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：包括白光光源(1)、第一透镜(2)、第二透镜(3)、第一分光镜(4)、第二分光镜(5)、参考镜(6)、被测物(7)、闭环PZT(8)、反射镜(9)、第三分光镜(10)、第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)、频谱分析仪(13)和计算机(14)；
所述白光光源(1)产生的白光经过第一透镜(2)和第二透镜(3)产生平行光，通过第一分光镜(4)，一路反射出去，另一路按原路透射，透射光经过第二分光镜(5)，一路反射到被测物(7)，一路透射到参考镜(6)，经过被测物(7)和参考镜(6)的两束光经过反射后按原路返回，两路反射光在第二分光镜(5)产生一次干涉；一次干涉的两路干涉分别经过第一分光镜(4)和反射镜(9)之后到第三分光镜(10)，产生二次干涉；二次干涉的两路干涉信号分别通过第一光电探测器(11)、第二光电探测器器(12)进行检测，所得两路干涉信号采集结果相减后送入频谱分析仪(13)；计算机(14)分别连接闭环PZT(8)、白光光源(1)和频谱分析仪(13)。
2.根据权利要求1所述的一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：测量过程包括以下步骤：
步骤1，固定白光光源(1)，将所有的光学器件的中心高度调至与光源高度一致；由计算机(14)控制白光光源(1)，发出白光；
步骤2，利用第一透镜(2)和第二透镜(3)将白光调出平行光
步骤3，平行光通过第二分光镜(5)，调整光程差使由参考镜(6)和被测物(7)反射回第二分光镜形成一级干涉，设l1和l2分别表示第二分光镜到参考镜(6)和被测物(7)的路程的两倍，调整l1和l2的距离，使一级干涉的两路干涉信号一路为亮条纹，一路为暗条纹，在零时刻光强差斜率为零；
步骤4，在步骤3形成一级干涉的基础上加上第一分光镜(4)、反射镜(9)、第三分光镜(10)，通过计算机(14)控制闭环PZT(8)来驱动被测物移动，形成二级干涉，实现零差探测，提高灵敏度；
步骤5，将二级干涉的两路干涉信号通过第一光电探测器(11)、第二光电探测器(12)进行探测，产生的输出信号经过差分放大电器电路输出信号到频谱分析仪(13)，之后通过计算机(14)进行数据处理。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：所述闭环PZT(8)配置有由计算机(14)控制的闭环PZT控制器。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：所述第一透镜(2)和第二透镜(3)的焦距分别为50mm和100mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：所述第一分光镜(4)、第二分光镜(5)和第三分光镜(10)均为半透半返。
6.根据权利要求1或2所述的一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：所述第一光电探测器(11)和第二光电探测器(12)参数相同。
7.根据权利要求1或2所述的一种基于白光零差干涉的高灵敏表面形貌测量系统，其特征在于：被测物(7)和闭环PZT(8)固定连接，通过控制闭环PZT的移动，能够带动被测物移动来产生光程差。
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