CN111043973A - 一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置及方法，其中，装置包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块；方法包括：在显微观测模式下，操控位移系统扫描拍摄整个结晶生长面，并进行图像拼接，得到全部区域图像，确认需要监控的精确位置；将测量系统观察视场对准监控区域，切换到干涉测量模式，利用干涉图条纹相位测量技术实现对待测区域生长高度及生长最终状态表面粗糙度测量。利用本发明的装置及方法，可实现对氢同位素低温结晶生长高度及表面粗糙度的非接触式测量，消除真空室玻璃、生长基底强反射光及生长过程边界断裂等对常见干涉显微系统的影响，实现高精度测量。

Description

一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，尤其是涉及一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置及方法。

背景技术

惯性约束核聚变采用高能激光束或离子束打在直径为毫米级的燃料靶丸上，通过靶丸表面的消融、聚爆等物理过程，最终使靶丸中的燃料发生聚变而释放能量。燃料靶丸由外部球形壳层、内部的固态氘氚燃料层及中心的气态氘氚层组成，其中固体氘氚燃料层表面粗糙度是影响核聚变效果的重要因素之一。为获得表面光滑的固体燃料层，目前国内外研究机构均在平面基底开展氢同位素的结晶生长实验，研究热流、结晶种类等因素对燃料层生长过程及生长最终状态表面粗糙度的影响。

氢同位素低温结晶颗粒大小约1mm甚至更小，对其高度及表面粗糙度测量的常见手段为白光干涉仪或移相干涉显微镜。使用白光干涉仪进行测量，需借助待测物表面反射光。氢同位素结晶为固体后折射率约为1.16，表面反射率较低。这将导致测量使用的干涉条纹对比度较差，难以实现高精度测量。

此外，透射经过晶体被平面基底的反射光也会对测量造成极大干扰。使用移相干涉显微镜对其进行测量，上述问题也难以避免，并且当显微物镜数值孔径增加时，干涉显微镜的测量精度会受到影响。

另一方面，氢同位素结晶需要超低温真空环境，故对其测量需要通过光学窗口进行，窗口玻璃也会对上述设备正常使用造成影响，无法实现高精度测量。

因此，需要更加有效且高精度的手段实现氢同位素结晶高度及表面粗糙度的测量。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种针对低温真空靶室内的氢同位素结晶高度及表面粗糙度的干涉测量装置及方法。

一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块；

所述的干涉测量系统包括安装在安装板上的光纤激光器、单模保偏光纤、双胶合透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、线偏振片、无穷远矫正长工作距显微物镜、显微镜套筒透镜、移动光阑、平面反射镜、压电陶瓷位移台和探测器；光纤激光器产生的短相干线偏振光经过单模保偏光纤出射，发散球面波经双胶合透镜转变为汇聚球面波被偏振分光棱镜分光，分成参考路和测量路两路光线；其中参考路的垂直偏振光被偏振分光棱镜反射后经过四分之一波片，被无穷远矫正长工作距显微物镜准直为平行光，后经过移动光阑后被平面反射镜反射后原路返回作为参考光；测量路的水平偏振光透射偏振分光棱镜后经过四分之一波片，被相同型号显微物镜准直为平行光，经观察窗口入射至低温真空靶室的待测氢同位素结晶生长面，反射后原路返回作为测量光；

两束光波两次通过四分之一波片后偏振态转换，再依次通过偏振分光棱镜和线偏振片后发生干涉，最后经套筒透镜被成像于探测器处；所述的平面反射镜安装在压电陶瓷位移台上，用于使用移相法解调干涉条纹相位；

所述的位移系统包括龙门架以及安装在龙门架上的电动五维调整架，所述干涉测量系统的安装板固定在电动五维调整架上；

所述的计算机处理模块包括调整架控制单元、图像采集单元、数据分析处理单元；图像采集单元与探测器相连，在得到待测结晶生长显微图像及干涉图图像后，将数据传输至数据分析处理单元进行分析，并通过调整架控制单元微调干涉系统位置，获得精确的结晶高度及表面粗糙度信息。

所述干涉测量系统，其测量路光轴为Z方向，参考路光轴为Y方向。干涉测量系统安装于位移系统的电动五维调整架上，实现X、Y、Z三轴平移及X、Y方向角度调节。通过龙门架将干涉系统及电动五维调整架固定在低温真空靶室之上，测量光可沿Z方向垂直入射测量。

所述的电动五维调整架通过X、Y、Z三个方向的移动实现干涉测量系统对观测区域扫描及调焦，通过X、Y两个角度的调整，得到符合相位解调要求的干涉条纹。

所述的线偏振片及四分之一波片可进行旋转，用于调节干涉条纹对比度。

所述的干涉测量系统拥有将移动光阑设置在参考路中的显微观测模式以及将移动光阑移出参考路的干涉测量模式。移动光阑可实现显微观测及干涉测量功能切换，干涉结构参考路中移动光阑遮挡光线时，在探测器得到观察区域的显微图像；当光阑移动出参考路，在探测器上获取的为干涉图案。

所述的光纤激光器使用短相干光源，在参考路使用额外空气光程补偿测量路中低温真空靶室的观察窗口引入的光程。

本发明还提供了一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，使用上述氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，包括以下步骤：

(1)在氢同位素结晶生长最初阶段，控制移动光阑遮挡参考路，进入显微观测模式；操控电动五维调整架使干涉测量系统对焦并扫描拍摄整个结晶生长面，然后进行图像拼接得到全部区域图像，确认需要监测区域的精确位置后将干涉测量系统的观察视场对准监测区域并进行精准对焦；

(2)将移动光阑移出参考路，切换到干涉测量模式，使用电动五维调整架调整干涉测量系统相对待测表面倾斜，得到符合测量要求干涉条纹；

(3)使用线偏振片调节干涉图对比度，得到当前结晶生长基底条件下最优的干涉图；测量过程中，根据结晶生长高度不断进行干涉测量系统Z方向调焦，利用干涉图条纹相位测量技术实现对待测区域生长高度及生长最终状态表面粗糙度测量。

在显微观测模式和干涉测量模式，均要时刻保持探测器光敏面与结晶体最高位置分别位于显微镜像面与物面。显微观测模式下，利用Tenengrad算子计算监测区域锐度，控制电动五维调整架实现干涉测量系统在Z方向自动调焦对准；干涉测量模式下，根据计算得到的结晶生长高度，实时控制干涉测量系统Z方向运动，保证对焦位置(显微镜物面)在结晶表面最高位置。

所述干涉图条纹相位测量技术是移相法、傅里叶分析法中的一种。使用移相法进行测量，需要干涉条纹较为稀疏为宜；对于傅里叶分析法，则需要待测区域内没有闭合条纹。

步骤(3)中，待测区域生长高度及生长最终状态表面粗糙度测量的具体方法如下：

所述测量所用干涉图其测量光透过生长结晶被生长基底反射后，再次通过生长结晶，返回测量系统。则干涉图相位φ(x,y)对应的结晶表面高度分布h(x,y)关系为

式中，λ为所用测量光波长，n为氢同位素固态情况下折射率，常规情况下为1.16。

所述粗糙度测量主要应用于结晶生长最终阶段，此时结晶表面接近于平面，用干涉图获取相位分布φ(x,y)，再求得高度分布h(x,y)，即为表面粗糙度分布。

所述结晶高度测量，晶体边缘会发生与基底不连续情况，干涉法无法测量大于π的相位差，需要连续进行监控。选择晶体生长中心位置某点，用极短的采样间隔持续监控每一时刻该点与基远离结晶生长位置处相位差Φ(t)，使用两个参考点相位差可以减少振动对监控生长结果的影响。则该时刻结晶高度增加导致的相位增加量ΔΦ(t)为

式中，T为设定阈值，用于防止因噪声及振动而出现生长相位误判。因晶体生长过程不可逆，故监控点相位差可认为一直增加。考虑到结晶生长边缘相位不连续以及干涉图解调过程中出现包裹相位的情况，需要用2π进行相位值修正。晶体生长过程较为缓慢，而选择监控的时间间隔短，不会出现相位变化超过一个周期的情况。监控点时刻T的绝对高度根据式(5)可得

将该时刻的晶体表面高度相对分布h(x,y)的零点调整至监控点，即可得到该时刻的绝对高度分布

H(x,y)＝h₀+h(x,y). (8)

所述高度分布及粗糙度分布测量时，需要对基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，在晶体测量结果中去除。

本发明的装置可实现对氢同位素低温结晶生长高度及表面粗糙度的非接触式测量，消除真空室玻璃、生长基底强反射光及生长过程边界断裂等对常见干涉显微系统的影响，测量方法简单、快速、精度高。

附图说明

图1为本发明一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置的整体结构示意图；

图2为本发明实施例中氢同位素结晶高度测量仿真结果图；

图3为本发明实施例中氢同位素结晶表面粗糙度测量仿真结果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1所示，一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块。整个装置固定于大理石平台20上。

干涉测量系统由光纤激光器1产生的短相干线偏振光经过单模保偏光纤2出射，发散球面波经双胶合透镜3转变为汇聚球面波被偏振分光棱镜4分光。其中垂直偏振光被偏振分光棱镜4反射经过四分之一波片5，后被无穷远矫正长工作距显微物镜6准直为平行光，后经过移动光阑7后被平面反射镜8反射后原路返回作为参考光；另一路水平偏振光透射偏振分光棱镜4后经过四分之一5波片，被相同型号的无穷远矫正长工作距显微物镜6准直为平行光，经过观察窗口17进入低温真空靶室19，透过待测氢同位素结晶入射至生长基底18，反射后原路返回作为测量光。两束光波因两次通过四分之一波片5，偏振态转换，再次通过偏振分光棱镜4后，经过线偏振片10发生干涉，并经套筒透镜11与反射镜12被成像于探测器13处。平面反射镜8安装在压电陶瓷位移台9上，用于移相。干涉测量系统，均安装在安装板14上。

位移系统包括电动五维调整架15及龙门架16。干涉测量系统安装于位移系统的电动五维调整架15上，实现X、Y、Z三轴平移及X、Y方向角度调节。通过龙门架16将干涉测量系统及电动五维调整架15固定在低温真空靶室19之上，测量光可沿Z方向垂直入射测量。

计算机处理模块包括调整架控制单元、图像采集单元、数据分析处理单元。图像采集单元与探测器13相连，获取待测区域显微图像及干涉图图像，将数据传输至数据分析处理单元，并通过调整架控制单元微调干涉测量系统位置，获得精确的结晶高度及表面粗糙度信息。

氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法主要包括以下部分：

S1,在氢同位素结晶生长最初阶段，控制移动光阑7遮挡参考路，进入显微观测模式。进行Z方向调节完成对焦，并控制电动调整架在XY平面内拍摄整个结晶生长面，并进行图像拼接，得到全部生长面的显微图像。选择需要连续观察及测量的结晶体。

S2,将干涉测量系统移动至需观察结晶体正上方，再次微调干涉测量系统Z轴位置，准确对焦至结晶上表面。并使移动光阑7移出参考路，进入干涉测量模式。利用电动五维调整架15调整测量系统角度，得到合适的干涉条纹，并调节线偏振片10角度，得到对比度合适的干涉图像。选择结晶体初始位置中间点以及基底远离结晶部分位置作为绝对高度参考测量点，开始进行测量。测量监控时间间隔应较短，在1-5s之间。由于氢同位素结晶体初期变化极其缓慢，步骤S1-S2操作速度较快，这段时间内结晶边缘不会出现断裂，误差可忽略不计。

S3,在监控时间节点，可使用移相法、傅里叶分析法中的任意一种获取干涉图对应的晶体监控点与基底的相位差Φ(t)。在计算相位差时，对生长基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，在监控点与基底相位差的测量结果中去除。根据公式(6)-(7)计算得到该时刻的ΔΦ(t)及监控点绝对高度h₀。测量过程中，需要根据监控点绝对高度变化，使用15调整测量系统高度，保证系统成像位置对准结晶表面最高位置。

S4,在需要获取高度分布时间节点，可使用移相法、傅里叶分析法中的任意一种获取干涉图对应的相位分布φ(x,y)，并结合公式(5)-(8)计算得到绝对高度H(x,y)，同样需要除去基底倾斜造成的测量误差。需要注意的是，使用傅里叶法进行测量时，需要使用电动调整架调节系统X、Y方向角度，确保结晶区域没有闭合条纹。而使用移相法方法进行测量，则应调节干涉图，保证除结晶部分外，其他位置干涉条纹尽量少。

S5,在结晶生长最终阶段，晶体表面接近平面，需要对表面粗糙度进行测量。使用干涉条纹分析技术获取此时干涉条纹对应的相位分布φ(x,y)，去除基底倾斜影响后根据式(5)得到高度分布h(x,y)即为表面粗糙度。

为体现本发明的效果，现使用本发明的装置与方法对氢同位素结晶高度和表面粗糙度进行仿真测量。

首先对氢同位素结晶生长进行监控，选取了生长过程三个时期进行测量，测量结果如图2所示，生长过程中表面高度以及其面积都在不断增长。测量结果与不同阶段实际高度设定值如表1所示。

表1

可知在200μm测量范围内，高度测量绝对误差小于0.3μm，相对误差优于0.3％。在晶体生长最终阶段，晶体表面逐渐接近平面，这时进行表面测量，测量结果即是表面粗糙度。

以2mm直径晶体结晶表面为例，两种不同形貌的表面粗糙度测量结果及其对比真实值的测量误差分布如图3所示。表2所示为粗糙度测量结果与仿真设定值对比，测量绝对精度优于4nm，峰谷值相对误差优于2％。而且误差分布较大的位置主要在边缘位置，故可以达到很高的纵向分辨率。

表2

综上所述，在长工作距，并且受到真空腔窗口像差、基底反射光以及生长边缘断裂影响下，仍然可以实现高精度测量。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，其特征在于，包括干涉测量系统、位移系统和计算机处理模块；

所述的干涉测量系统包括安装在安装板上的光纤激光器、单模保偏光纤、双胶合透镜、偏振分光棱镜、四分之一波片、线偏振片、无穷远矫正长工作距显微物镜、显微镜套筒透镜、移动光阑、平面反射镜、压电陶瓷位移台和探测器；光纤激光器产生的短相干线偏振光经过单模保偏光纤出射，发散球面波经双胶合透镜转变为汇聚球面波被偏振分光棱镜分光，分成参考路和测量路两路光线；其中参考路的垂直偏振光被偏振分光棱镜反射后经过四分之一波片，被无穷远矫正长工作距显微物镜准直为平行光，后经过移动光阑后被平面反射镜反射后原路返回作为参考光；测量路的水平偏振光透射偏振分光棱镜后经过四分之一波片，被相同型号显微物镜准直为平行光，经观察窗口入射至低温真空靶室的待测氢同位素结晶生长面，反射后原路返回作为测量光；

两束光波两次通过四分之一波片后偏振态转换，再依次通过偏振分光棱镜和线偏振片后发生干涉，最后经套筒透镜被成像于探测器处；所述的平面反射镜安装在压电陶瓷位移台上，用于使用移相法解调干涉条纹相位；

所述的位移系统包括龙门架以及安装在龙门架上的电动五维调整架，所述干涉测量系统的安装板固定在电动五维调整架上；

所述的计算机处理模块包括调整架控制单元、图像采集单元、数据分析处理单元；图像采集单元与探测器相连，在得到待测结晶生长显微图像及干涉图图像后，将数据传输至数据分析处理单元进行分析，并通过调整架控制单元微调干涉系统位置，获得精确的结晶高度及表面粗糙度信息。

2.根据权利要求1所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，其特征在于，所述的电动五维调整架通过X、Y、Z三个方向的移动实现干涉测量系统对观测区域扫描及调焦，通过X、Y两个角度的调整，得到符合相位解调要求的干涉条纹。

3.根据权利要求1所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，其特征在于，所述的干涉测量系统拥有将移动光阑设置在参考路中的显微观测模式以及将移动光阑移出参考路的干涉测量模式。

4.根据权利要求1所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，其特征在于，所述的光纤激光器使用短相干光源，在参考路使用额外空气光程补偿测量路中低温真空靶室的观察窗口引入的光程。

5.一种氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，其特征在于，使用权利要求1～4任一所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量装置，包括以下步骤：

(1)在氢同位素结晶生长最初阶段，控制移动光阑遮挡参考路，进入显微观测模式；操控电动五维调整架使干涉测量系统对焦并扫描拍摄整个结晶生长面，然后进行图像拼接得到全部区域图像，确认需要监测区域的精确位置后将干涉测量系统的观察视场对准监测区域并进行精准对焦；

(2)将移动光阑移出参考路，切换到干涉测量模式，使用电动五维调整架调整干涉测量系统相对待测表面倾斜，得到符合测量要求干涉条纹；

(3)使用线偏振片调节干涉图对比度，得到当前结晶生长基底条件下最优的干涉图；测量过程中，根据结晶生长高度不断进行干涉测量系统Z方向调焦，利用干涉图条纹相位测量技术实现对待测区域生长高度及生长最终状态表面粗糙度测量。

6.根据权利要求5所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，其特征在于，在显微观测模式和干涉测量模式，均要时刻保持探测器光敏面与结晶体最高位置分别位于显微镜像面与物面。

7.根据权利要求5所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，其特征在于，显微观测模式下，利用Tenengrad算子计算监测区域锐度，控制电动五维调整架实现干涉测量系统在Z方向自动调焦对准；干涉测量模式下，根据计算得到的结晶生长高度，实时控制干涉测量系统Z方向运动，保证对焦位置在结晶表面最高位置。

8.根据权利要求5所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，其特征在于，步骤(3)中，所述干涉图条纹相位测量技术是移相法、傅里叶分析法中的一种。

9.根据权利要求5所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，其特征在于，步骤(3)中，待测区域生长高度及生长最终状态表面粗糙度测量的具体方法如下：

测量所用干涉图中，其测量光透过生长结晶被生长基底反射后，再次通过生长结晶，返回探测器，则干涉图相位φ(x,y)对应的结晶表面高度分布h(x,y)关系为

式中，λ为所用测量光波长，n为氢同位素固态情况下折射率；

结晶生长最终阶段时，结晶表面接近于平面，用干涉图获取相位分布φ(x,y)，再求得高度分布h(x,y)，即为表面粗糙度分布；

对于生长高度测量，选择晶体生长中心位置某点，用极短的采样间隔持续监控每一时刻该点与远离结晶生长位置处的相位差Φ(t)，则该时刻结晶高度增加导致的相位增加量ΔΦ(t)为

式中，T为设定阈值，用于防止因噪声及振动而出现生长相位误判，对于结晶生长边缘相位不连续以及干涉图解调过程中出现包裹相位的情况，采用2π进行相位值修正；监控点时刻T的绝对高度根据式(1)可得

将该时刻的晶体表面高度相对分布h(x,y)的零点调整至监控点，即可得到该时刻的绝对高度分布

H(x,y)＝h₀+h(x,y). (4)

10.根据权利要求9所述的氢同位素结晶高度及表面粗糙度干涉测量方法，其特征在于，在进行高度及表面粗糙度测量时，需要对基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，在晶体测量结果中去除。

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