CN110779464A - 一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳结构三维表面形貌测量领域，具体为一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统，方法包括获取一系列的采样干涉条纹图像，分别提取像素点所对应的原始扫描信号；对该扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，通过调制度极大值点确定靠近零光程差点的采样点位置，可作为中心点并提取一段相对于中心点对称的扫描信号；将对称扫描信号进行空间频域分析，利用频谱相位信息确定零光程差点的相对位置；结合调制度极大值点位置和零光程差点的相对位置，联合求解得到每个像素点的表面形貌高度，确定被测物体三维表面形貌。本发明采取逐像素的方式求取被测微纳结构的表面形貌高度，其理论测量精度可达亚纳米量级。

Description

一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统

技术领域

本发明是一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统，属于微纳结构三维表面形貌测量领域。

背景技术

目前，基于微纳结构的多功能器件在多个领域得到广泛应用，如微光学器件、人工超材料、太赫兹器件以及MEMS传感器等等。值得注意的是，微纳结构的功能特性往往与其表面形貌特征密切相关。因此，针对微纳结构的三维表面形貌特征进行精密测量是指导微纳结构加工的重要手段，也是保证微纳结构性能的重要加工测试环节。

光学干涉测量作为一种高效、非接触的测量方法，既能保护样品在测量过程中免受划伤，又能实现较高测量精度，因此被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。传统的相移干涉方法虽然能够进行亚纳米量级精度的测量，但是作为一种单色光相干测量，其有效量程不能超过λ/4，应用领域受到一定限制。在此基础之上，研究人员又开发了基于宽光谱的相干测量方法，由于其相干长度较短，测量范围通常可以达到数百微米，能够满足大多数微纳结构表面形貌测量需求，因此该方法在微纳结构测量领域被广泛应用。

通过宽光谱相干进行微纳结构表面形貌测量的算法主要分为两类：基于时域分析的调制度算法和基于空间频域分析的相位解析算法。其中，时域调制度算法主要通过干涉信号强度信息来提取调制度变化曲线，并通过寻找调制度极大值点位置恢复样品表面形貌。该方法虽然计算简单，但是易受背景噪声干扰，而且需要提供光源中心波长等信息。相比之下，空间频域算法主要通过分析不同频谱成分之间的相位信息来获得被测结构表面形貌信息，该方法不仅对于外界噪声具备一定的抗干扰作用，同时不需要知道光源中心波长等信息，因此具备极大应用价值。

然而，在实际测量过程中，空间频域算法却面临着相位偏移的问题。由于被测样品表面形貌的起伏变化，不同像素点的采样信号的光强极大值点位置也会出现差异。当采样信号关于零光程差位置呈现非对称分布时，通过空间频域算法所得的相位信息便会出现一定偏移，最终导致实际测量结果出现误差。该现象在倾斜或者弯曲的被测表面上表现十分明显。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明考虑到研究基于时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，消除由被测表面倾斜或者弯曲引起的相位偏移误差，提升宽光谱相干测量方法的精度和稳定性，是一件非常有意义的事情。

本发明提供了一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统，可以结合时域调制度信息以及频域相位信息恢复微纳结构表面三维形貌，同时能够有效抑制外界背景光强对于调制度计算的干扰以及传统空间频域算法中存在的相位偏移误差，从而提高测量的精度和可靠性。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案包括：

一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，包括来自宽光谱光源的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；通过控制系统驱动微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；采用时域频域联合分析方法，基于干涉条纹图像求解得到每个像素点的表面形貌高度，从而测量出被测物体三维表面形貌；

所述时域频域联合分析方法包括以下步骤：

S1、对被测微纳结构进行纵向扫描采样，获取一系列宽光谱干涉条纹图像，并针对图像中每个像素点提取其对应的纵向扫描光强信号；

S2、对每个像素点的扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，并通过调制度极大值点确定出靠近零光程差的采样点位置；

S3、以靠近零光程差的采样点位置为中心点，从原始扫描信号中提取一段相对于中心点对称的扫描信号，确定该对称扫描信号的扫描起始点位置；

S4、对提取出的对称扫描信号进行空间频域分析，并利用频谱相位信息确定零光程差点的相对位置，即确定零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离；

S5、结合原始信号中调制度极大值点的位置以及对称信号中零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离，联合求解得到每个像素点的表面形貌高度。

另外，本发明还提出了一种时域频域联合分析宽光谱相干测量系统，所述系统包括宽光谱光源、聚光镜、分束器、PZT微动台、显微镜、CCD相机、计算机；所述宽光谱光源发出的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；所述计算机通过控制系统驱动PZT微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；所述测量系统还包括数据处理模块；所述数据处理模块包括时域单元、频域单元以及加法器；所述时域单元用于确定出靠近零光程差的中心点采样位置、提取一段相对于中心点对称的扫描信号以及确定对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离；所述频域单元用于根据时域单元提取出的对称扫描信号确定零光程差点位置相对于对称信号扫描起始点的偏移距离；所述加法器用于将对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离与零光程差点位置相对于对称信号扫描起始点的偏移距离相加。

进一步的，宽光谱干涉测量装置纵向扫描由控制系统驱动压电陶瓷(PiezoMaterial Lead Zirconate Titanate，简称PZT)微动台完成，采样间距保持恒定，每个采样点的干涉条纹图像由电荷耦合器件(charge coupled device，简称CCD)相机采集并记录。

更进一步的，所述的时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，需要对干涉图像中每一个像素点的扫描信号进行独立分析，计算扫描信号中零光程差的位置，从而确定该像素点所对应的表面形貌高度，最终重构整个被测物体的三维表面形貌。

更进一步的，时域调制度分析目的在于提取出原始扫描信号的调制度曲线，并通过调制度极大值点确定靠近零光程差点的采样点位置。

可选的，本发明可以选择任意一个靠近零光程差的采样点位置作为中心点，其中，靠近零光程差的采样点为距离零光程差最近的两个采样点。

更进一步的，本发明选择最靠近零光程差的采样点位置，以最靠近零光程差的采样点位置作为中心点；根据宽光谱干涉测量原理，当中心点最靠近零光程差时，该中心点最不容易引入相位偏移误差。

更进一步的，原始扫描信号的调制度曲线将通过傅里叶滤波方式进行提取，该方式能够有效滤除背景光强对于调制度曲线的计算干扰，有助于提升算法的准确性和可靠性。

更进一步的，以时域调制度分析中所确定的调制度极大值点为中心点，从原始信号中提取一段相对于该中心点对称的扫描信号，以便进行后续的空间频域分析。

更进一步的，空间频域分析之所以要求扫描信号关于零光程差位置对称，目的在于尽量避免信号非对称引入的相位偏移误差；通过分析对称扫描信号的频谱相位信息，可以求取零光程差点相对于对称扫描信号起始点的偏移距离。

更进一步的，时域调制度分析所求得的调制度极大值点位置信息结合空间频域分析所求得的零光程差偏移位置信息，即可求得相应像素点的表面形貌高度，其理论测量精度可达亚纳米量级。

本发明的有益效果：

(1)本发明中采用傅里叶滤波方式进行时域调制度分析，能够有效抑制背景光强变化对于调制度计算造成的影响，提高了调制度极大值采样点的定位精度；

(2)本发明在时域调制度分析的基础上，通过提取关于调制度极大值点对称的扫描信号进行空间频域分析，能够有效抑制扫描信号非对称所引起的相位偏移误差，从而提高测量的精度和稳定性。

(3)本发明时域调制度分析所求得的调制度极大值点位置信息结合空间频域分析所求得的零光程差偏移位置信息，即可求得相应像素点的表面形貌高度，其理论测量精度可达亚纳米量级。

附图说明

图1为本发明中时域频域联合分析方法的一种优选实施例；

图2为本发明实施例的时域频域联合分析宽光谱相干测量系统的测量装置示意图；

图3为本发明实施例的单个像素点扫描采样信号及时域调制度分析示意图；

图4为本发明实施例的单个像素点原始扫描信号的傅里叶滤波示意图；

图5为本发明实施例的空间频域分析示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下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，显然，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。

本实施例给出了一种时域频域联合分析方法的优选实施方式，如图1所示，包括

S1、对被测微纳结构进行纵向扫描采样，获取一系列宽光谱干涉条纹图像，并针对图像中每个像素点提取其对应的纵向扫描光强信号；

S2、对每个像素点的扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，并通过调制度极大值点确定出靠近零光程差的采样点位置；

S3、对每个像素点的扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，并通过调制度极大值点确定出靠近零光程差的采样点位置；

S4、对提取出的对称扫描信号进行空间频域分析，并利用频谱相位信息确定零光程差点的相对位置，即确定零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离；

S5、结合原始信号中调制度极大值点的位置以及对称信号中零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离，联合求解得到每个像素点的表面形貌高度。

在一个优选实施例中，基于上述实施例，本发明通过将来自宽光谱光源的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；通过控制系统驱动微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；采用时域频域联合分析方法，基于干涉条纹图像求解得到每个像素点的表面形貌高度，从而测量出被测物体三维表面形貌；

图2所示为本发明实施例的装置示意图，其中，来自宽光谱光源的光经过透镜组后产生平行入射光，经过分束器后会产生一束测量光和一束参考光，两束光相互干涉后，会在CCD上形成干涉条纹图像；当PZT驱动被测物体做纵向扫描时，由于测量光束与参考光束之间的光程差变化，CCD上的干涉条纹图像将会发生相应改变；通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，即可完成整个被测样品的干涉图像采样。

针对CCD相机中每一个像素点，提取其对应的纵向扫描信号，如图3所示。根据宽光谱相干原理，只有当测量光束与参考光束之间的光程差在相干长度范围内，才能观察到明显的干涉信号，而且在零光程差位置处的干涉光强将达到最大值。因此，通过确定每个像素点扫描信号极大值光强点位置，即可获得被测结构的三维表面形貌。

为了确定极大值光强点位置，需要对扫描信号进行两步分析，首先进行时域调制度分析，提取扫描信号的时域调制度曲线，并确定扫描信号的调制度极大值所对应的采样点位置N_max。

作为一种可实现方式，以N_max为中心点，提取一段包含128个采样点的对称扫描信号进行空间频域分析，其中，中心点可以是第64个采样点也可以是第65个采样点；对称信号相对起始点定义为N_start，结束点定义为N_end，起始点的初始距离定义为h_start，如图3所示。

进一步的，图3中的原始扫描信号的调制度曲线需要通过傅里叶滤波进行提取。根据宽光谱相干原理，干涉光强的理论公式可以表示为：

式中，I_background代表背景光强，I_M代表干涉信号光强调制度，Δ代表测量光束与参考光束之间的光程差，λ₀代表中心波长。通过傅里叶滤波提取公式(1)中的正频旁瓣成分并进行傅里叶逆变换，如图4所示，可得如下表达式：

式中，M的幅值的2倍即代表图3中的调制度曲线，也即是F＝2|M|＝I_M。由此便实现了原始扫描信号的时域调制度分析。

进一步的，图5中(a)中的对称信号对应于图3中采样点N_start至N_end间的信号，对其进行傅里叶变换，获取其相应频谱相位信息，如图5中(b)所示。提取频谱幅值极大值点附近5个点的频谱相位信息，并进行最小二乘法拟合，即可求得相位与频谱之间的线性关系。然后以此为根据，计算名义上中心波数所对应的相位信息

即可获得对称扫描信号中，零光程差位置相对于起始点N_start的相对偏移距离：

进一步的，根据图3中由时域调制度极大值点所确定的对称信号起始点位置h_start以及由图5中空间频域分析所确定的零光程差相对于对称扫描信号起始点之间的相对偏移距离h_r，即可获得该扫描信号所对应的像素点的高度值：h＝h_start+h_r。

当然，在另外一种可实现方式中，也可选择提取频谱幅值极大值点附近3个或7个点的频谱相位信息，并进行最小二乘法拟合。

通过上述步骤的分析，时域频域联合分析宽光谱相干测量方法既能抑制外界背景噪声对调制度计算的干扰，同时又能避免传统空间频域分析中，因扫描信号非对称引起的相位偏移误差，从而极大提升了算法的稳定性和可靠性，并能够实现高精度的微纳结构三维表面形貌特征测量。

另外，本实施例给出了一种时域频域联合分析宽光谱相干测量系统的实现方式，所述系统包括宽光谱光源、聚光镜、分束器、PZT微动台、显微镜、CCD相机、计算机；所述宽光谱光源发出的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；所述计算机通过控制系统驱动PZT微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；

所述测量系统还包括数据处理模块；

所述数据处理模块包括时域单元、频域单元以及加法器；

所述时域单元用于确定出靠近零光程差的中心点采样位置、提取一段相对于中心点对称的扫描信号以及确定对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离；

所述频域单元用于根据时域单元提取出的对称扫描信号确定零光程点位置相对于对称信号扫描起始点的偏移距离；

所述加法器用于将对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离与零光程差点位置相对于对称信号扫描起始点的偏移距离相加。

在一个优选实施例中，还包括指定单元，所述指定单元，用于将调制度极大值点指定为最靠近零光程差的中心点。

在一个优选实施例中，所述时域单元、频域单元均内嵌有傅里叶变换的程序。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，包括来自宽光谱光源的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；通过控制系统驱动微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；采用时域频域联合分析方法，基于干涉条纹图像求解得到每个像素点的表面形貌高度，从而测量出被测物体三维表面形貌；

其特征在于，所述时域频域联合分析方法包括以下步骤：

S1、对被测微纳结构进行纵向扫描采样，获取一系列宽光谱干涉条纹图像，并针对图像中每个像素点提取其对应的纵向扫描光强信号；

S2、对每个像素点的扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，并通过调制度极大值点确定出靠近零光程差的采样点位置；

S3、以靠近零光程差的采样点位置为中心点，从原始扫描信号中提取一段相对于中心点对称的扫描信号，确定该对称扫描信号的扫描起始点位置；

S4、对提取出的对称扫描信号进行空间频域分析，并利用频谱相位信息确定零光程差点的相对位置，即确定零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离；

S5、结合原始信号中调制度极大值点的位置以及对称信号中零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离，联合求解得到每个像素点的表面形貌高度。

2.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括对光强分布I(x，y，z)进行傅里叶变换，通过滤波窗口提取正频旁瓣信息并进行傅里叶逆变换，进而得到信号的包络函数，包络函数的极大值点也就是调制度极大值点的采样点位置。

3.根据权利要求2所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述光强分布I(x，y，z)表示为：

式中，I_background代表背景光强，I_M代表干涉信号光强调制度，Δ代表测量光束与参考光束之间的光程差，λ₀代表中心波长。

4.根据权利要求2所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述调制度曲线的表达公式包括：

其中，F代表调制度曲线，M代表干涉信号正频旁瓣信息。

5.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述中心点位置为距离零光程差点最近的采样点位置，即调制度I_M的极大值点位置。

6.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括对相对于中心点对称的扫描信号进行傅里叶变换，获取其相应频谱相位信息，提取频谱幅值极大值点附近3个或5个点的频谱相位信息，并进行最小二乘法拟合，即可求得相位与频谱之间的线性关系；根据该线性关系，计算中心波数所对应的相位信息

即可获得对称扫描信号中，零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离。

7.根据权利要求6所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离表示为：

其中，h_r表示零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离；λ₀代表中心波长。

8.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述像素点的表面形貌高度的计算公式表示为：

h＝h_start+h_r

其中，h_start表示对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离，可根据调制度I_M的极大值点位置确定；h_r表示零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离。

9.一种时域频域联合分析宽光谱相干测量系统，所述系统包括宽光谱光源、聚光镜、分束器、PZT微动台、显微镜、CCD相机、计算机；所述宽光谱光源发出的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；所述计算机通过控制系统驱动PZT微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；

其特征在于，所述测量系统还包括数据处理模块；

所述数据处理模块包括时域单元、频域单元以及加法器；

所述时域单元用于确定出靠近零光程差的中心点采样位置、提取一段相对于中心点对称的扫描信号以及确定对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离；

所述频域单元用于根据时域单元提取出的对称扫描信号确定零光程差点位置相对于对称信号扫描起始点的偏移距离；

所述加法器用于将对称信号扫描起始点到原扫描信号起始点的距离与零光程差点位置相对于对称信号扫描起始点的偏移距离相加。

10.根据权利要求9所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量系统，所述时域单元、频域单元均内嵌有傅里叶变换的程序。

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