CN112325765B - 一种面阵点扫描分光白光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种面阵点扫描分光白光干涉仪，SLD光源发射宽带光谱，光依次通过隔离器、光纤耦合器，光纤端出射光经过准直器进行准直，被准直光入射到分光棱镜，一束光反射经过第三透镜聚焦到反射镜作为参考臂，一束光入射到XY扫描振镜，由扫描振镜反射出具备一定视场角的光线入射到第四透镜，由第四透镜聚焦到样品实现面阵扫描。其中XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置，使得第四透镜聚焦光线为像方远心光路；其可以高速、简洁、高精度实现面阵扫描。

Description

一种面阵点扫描分光白光干涉仪

技术领域

本发明涉及光学仪器，具体涉及一种用于非接触式测量的光学仪器，更涉及一种面阵点扫描分光白光干涉仪。

背景技术

白光扫描干涉技术利用白光做光源，其相干长度短，干涉条纹只出现在很小的范围内，当光程差为零时，干涉信号出现最大值，该点就代表对应点的高度信息，能够还原被测样品的整体形貌。分光白光干涉仪作为白光干涉的一个重要方向，该技术主要利用光谱仪进行采集，将白光分光成不同波长，通过分析光谱信号确定表面形貌，相比传统白光干涉技术不需要景深方向扫描，测量速度得到极大提升。该技术可以测量绝对距离、薄膜特性等。

传统分光白光干涉仪每次只能测量一个点，需要高精度平台的移动测量样品表面全貌，高精度移动平台价格昂贵且移动速度慢。而且现有技术分光部分采用45度柱形反射镜，该反射镜的使用对样品臂产生一定的遮挡，容易导致样品臂物镜成像对比度下降；该反射镜不易于机械结构装调，结构调整架也会对样品臂有一定遮挡，尤其当样品表面反光较弱的情况下，很难产生有效的干涉条纹。而且现有技术中样品物镜和聚焦透镜均是采用普通消色差物镜。当样品反射光为镜面反射时，样品物镜不能接收到离轴视野下足够多的反射光线，达不到探测效果；聚焦透镜将光栅分光后光线聚焦到探测器，容易造成能量不均匀，对检测结果误判。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种高速、简洁、高精度实现面阵扫描方案，具体提供了一种面阵点扫描分光白光干涉仪。

本发明提供一种面阵点扫描分光白光干涉仪。超辐射LED光源(SLD)发射宽带光谱，光依次通过隔离器(防止光反射回SLD光源造成光源受到损害)、光纤耦合器，光纤端出射光经过准直器进行准直，被准直光入射到分光棱镜，一束光反射经过第三透镜聚焦到反射镜作为参考臂，一束光入射到XY扫描振镜，由扫描振镜反射出具备一定视场角的光线入射到第四透镜，由第四透镜聚焦到样品实现面阵扫描。其中XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置，使得第四透镜聚焦光线为像方远心光路。红光LD可以辅助用户观测样品台实际扫描范围。

具体地，本发明提供了一种面阵点扫描分光白光干涉仪，包括光源部分、隔离器、耦合器组件、接收端、准直器、分光棱镜、参考臂和样品臂；光源部分包括SLD光源，所述SLD光源出口端与隔离器入口端连接，所述隔离器出口端与所述耦合器组件连接，所述耦合器组件与接收端连接，所述耦合器组件与所述准直器连接，所述准直器与所述分光棱镜连接，所述分光棱镜一端与所述参考臂连接，另一端与所述样品臂连接；所述参考臂包括第三透镜和反射镜，所述样品臂包括XY扫描振镜、第四透镜和样品台，所述样品台上放置有样品；

所述SLD光源发射宽带光谱，宽带光谱依次通过隔离器、耦合器组件，耦合器组件出口端出射光经过准直器进行准直，被准直光入射到分光棱镜，一部分光束反射经过第三透镜聚焦到反射镜作为参考臂，另一部分光束入射到XY扫描振镜，由扫描振镜反射出的光线入射到第四透镜，由第四透镜聚焦到样品实现面阵扫描。

优选地，所述接收端包括第一透镜、光栅、第二透镜、相机和计算机，所述耦合器组件与所述第一透镜连接，所述第一透镜出口端与所述光栅连接，所述光栅与所述第二透镜入口端连接，所述第二透镜与所述相机连接，所述相机与所述计算机连接，所述耦合器组件出口端出射光经过第一透镜，经过第一透镜的光入射至光栅，经过光栅分光后，入射至第二透镜，第二透镜采用远心光路设计，经过第二透镜的光汇聚到相机收集，所述相机将收集到的光传输至计算机。

优选地，第一透镜和第二透镜包括透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4和透镜L5；透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4和透镜L5依次排列；

其中，透镜L1为具有正光焦度的透镜，用于消除球差；透镜L2为具有负光焦度的第二透镜，用于消除球差、彗差和色差；透镜L3为具有正光焦度的透镜，用于消除倍率色差；透镜L4和透镜L5为具有正光焦度的透镜，透镜L4和透镜L5用于消除畸变和场曲。

优选地，所述耦合器组件包括第一耦合器和第二耦合器，所述隔离器出口端与第一耦合器连接，所述第一耦合器与所述第二耦合器连接，所述第二耦合器出口端与准直器连接，经过第一耦合器耦合的光入射至第一透镜。

优选地，所述第一耦合器和第二耦合器为X型单模光纤耦合器，光纤数值孔径0.13，芯径为5um，分光比为50：50。

优选地，第四透镜包括L41透镜、L42透镜、L43透镜，L41透镜、L42透镜、L43透镜依次排列设置，其中L41透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差、彗差；L42透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差和色差；L43透镜L3为具有正光焦度的透镜，用于消除畸变。

优选地，所述XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置。

优选地，所述光源部分包括红光LD，用于辅助用户观测样品台实际扫描范围，红光LD通过耦合器组件，发散光束经过准直器准直，透过分光棱镜，由XY扫描振镜扫描经过第四透镜聚焦于样品。

优选地，所述第三透镜为焦距50mm的消色差透镜；反射镜镀近红外高反射膜，反射率>99.5％，所述第四透镜的视场角为28度，焦距为82.3mm，入瞳直径为5mm，扫描视野范围为面阵28.2*28.2mm，景深为1mm。

另一方面，本发明提供了一种面阵点扫描分光白光干涉方法，使用上述所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，包括如下步骤：

S1：SLD光源发出高亮度宽带光源，经过耦合器传播；

S2：耦合器出射端为发散光束，经过准直器准直；

S3：准直器准直光束传播至分光棱镜；

S4：被分光棱镜反射的一部分光束经过第三透镜聚焦到反射镜，作为参考臂；

S5：被分光棱镜透射的另一部分光束经过XY扫描振镜，经过第四透镜聚焦到样品表面；

S6：经参考臂和样品臂反射回来的光，传回至透镜第一透镜；

S7：第一透镜将返回光准直入射至光栅，经光栅分光后，由第二透镜聚焦。

与现有技术相比，本发明所产生的有益效果是：

采用SLD光源，具有宽光谱带宽、能量稳定、相干长度短、高功率的优点，更适合应用于白光干涉；第三透镜和第四透镜可以是两个不同焦距的镜头，不需要参考臂和样品臂满足等光程条件；XY扫描振镜可以高速扫描一个面阵检测区域，不需要使用XY平移台；样品臂采用像方远心光路，具有避免死角、高定位精度、高能量均匀性优点；具有分光能力的光谱仪作为采集端，光栅将白光分光成窄带光，最后汇聚到相机收集，相比传统白光干涉仪有更长的相干长度，即有更大的检测景深范围，不需要Z向高精度平台扫描；其余模块不变，通过更换不同规格的第四透镜可以达到不同扫描范围、不同景深的目的。

本发明采用分光棱镜，没有遮挡，即不会影响样品臂对比度；并且依据样品反光情况，可以自由选择不同分光比的分光棱镜，容易产生对比度好的干涉条纹。

本发明专利样品物镜和聚焦透镜，不仅具备消色差特点，还经过了远心设计。样品物镜经过远心设计，可以有效接收漫反射、镜面反射光线；聚焦透镜经过远心设计，使入射到探测器的能量均匀性好，不会对检测结果误判。

本发明专利加入了可见光红光LD，便于在扫描过程中用户实时观测扫描范围(实际参与干涉波长人眼不可见)。

附图说明

图1为面阵点扫描分光白光干涉仪原理图；

图2为消色差准直器光路图；

图3为参考臂消色差第三透镜光路图；

图4为接收端光谱仪光路图；

图5为光谱仪在波长810nm的MTF曲线图；

图6为光谱仪在波长840nm的MTF曲线图；

图7为光谱仪在波长870nm的MTF曲线图；

图8为实施例1样品臂第四透镜光路图；

图9为实施例1样品臂第四透镜MTF曲线图；

图10为实施例2样品臂第四透镜光路图；

图11为实施例2第四透镜MTF曲线图；

图12为实施例3样品臂第四透镜光路图；

图13为实施例3样品臂第四透镜MTF曲线图。

附图标记如下：

1：隔离器；2：光源部分；21：SLD光源；22：红光LD；3：耦合器组件：31：第一耦合器；32：第二耦合器；4：准直器；5：分光棱镜；6：第一透镜；7：光栅；8：第二透镜；9：相机；10：计算机；11：参考臂；111：第三透镜；112：反射镜；12：样品臂：121：XY扫描振镜；122：第四透镜；123：样品台；124：样品；125：单模光纤。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明提供了一种面阵点扫描分光白光干涉仪，包括光源部分2、隔离器1、耦合器组件3、接收端、准直器4、分光棱镜5、参考臂11和样品臂12；光源部分2包括SLD光源21，所述SLD光源21出口端与隔离器1入口端连接，所述隔离器1出口端与所述耦合器组件3连接，所述耦合器组件3与接收端连接，所述耦合器组件3与所述准直器4连接，所述准直器4与所述分光棱镜5连接，所述分光棱镜5一端与所述参考臂11连接，另一端与所述样品臂12连接；所述参考臂11包括第三透镜111和反射镜112，所述样品臂12包括XY扫描振镜121、第四透镜122和样品台123，所述样品台123上放置有样品124；其中，所述XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置。

所述SLD光源21发射宽带光谱，宽带光谱依次通过隔离器1、耦合器组件3，耦合器组件3出口端出射光经过准直器4进行准直，被准直光入射到分光棱镜5，一部分光束反射经过第三透镜111聚焦到反射镜112作为参考臂11，另一部分光束入射到XY扫描振镜121，由XY扫描振镜反射出的光线入射到第四透镜122，由第四透镜122聚焦到样品124实现面阵扫描。

具体地，本发明提供的接收端包括第一透镜6、光栅7、第二透镜8、相机9和计算机10，所述耦合器组件3与所述第一透镜6连接，所述第一透镜6出口端与所述光栅7连接，所述光栅7与所述第二透镜8入口端连接，所述第二透镜8与所述相机9连接，所述相机9与所述计算机10连接，所述耦合器组件3出口端出射光经过第一透镜6，经过第一透镜6的光入射至光栅7，经过光栅7分光后，入射至第二透镜8，经过第二透镜8的光汇聚到相机9收集，所述相机9将收集到的光传输至计算机10。

其中，本发明提供的第一透镜6和第二透镜7包括均透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4和透镜L5；透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4和透镜L5依次排列；

其中，透镜L1为具有正光焦度的透镜，用于消除球差；透镜L2为具有负光焦度的第二透镜，用于消除球差、彗差和色差；透镜L3为具有正光焦度的透镜，用于消除倍率色差；透镜L4和透镜L5为具有正光焦度的透镜，透镜L4和透镜L5用于消除畸变和场曲。

具体地，所述耦合器组件包括第一耦合器31和第二耦合器32，所述隔离器出口端通过单模光纤125与第一耦合器31连接，所述第一耦合器31通过单模光纤125与所述第二耦合器32连接，所述第二耦合器32出口端通过单模光纤125与准直器4连接，经过第一耦合器31耦合的光入射至第一透镜6。

其中，本发明提供的所述第一耦合器和第二耦合器为X型单模光纤耦合器，光纤数值孔径0.13，芯径为5um，分光比为50：50。

第四透镜122包括L41透镜、L42透镜、L43透镜，L41透镜、L42透镜、L43透镜依次排列设置，其中L41透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差、彗差；L42透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差和色差；L43透镜L3为具有正光焦度的透镜，用于消除畸变。

作为优选实施方式，本发明提供的光源部分包括红光LD 22，用于辅助用户观测样品台实际扫描范围，红光LD 22通过耦合器组件3，发散光束经过准直器4准直，透过分光棱镜5，由XY扫描振镜121扫描经过第四透镜122聚焦于样品。

具体地，本发明提供的第三透镜为焦距50mm的消色差透镜；反射镜镀近红外高反射膜，反射率>99.5％，所述第四透镜的视场角为28度，焦距为82.3mm，入瞳直径为5mm，扫描视野范围为面阵28.2*28.2mm，景深为1mm。

另一方面，本发明提供了一种面阵点扫描分光白光干涉方法，使用上述所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，包括如下步骤：

S1：SLD光源发出高亮度宽带光源，经过耦合器传播；

S2：耦合器出射端为发散光束，经过准直器准直；

S3：准直器准直光束传播至分光棱镜；

S4：被分光棱镜反射的一部分光束经过第三透镜聚焦到反射镜，作为参考臂；

S5：被分光棱镜透射的另一部分光束经过XY扫描振镜，经过第四透镜聚焦到样品表面；

S6：经参考臂和样品臂反射回来的光，传回至透镜第一透镜；

S7：第一透镜将返回光准直入射至光栅，经光栅分光后，由第二透镜聚焦。

实施例1

如图1-4所示，SLD光源采用功率25mw，波长810-870nm的近红外宽带光源；隔离器采用850nm宽带隔离器；耦合器为X型单模光纤耦合器，光纤数值孔径0.13，芯径5um，分光比50：50；准直器采用衍射极消色差透镜，焦距18.45mm；分光棱镜分光比50：50；第三透镜为焦距50mm的消色差透镜；反射镜镀近红外高反射膜，反射率>99.5％；XY扫描振镜有效入射光斑直径7mm，最大扫描角度5度；光栅为1800lp透射光栅，闪耀角49.2度@840nm；第一透镜和第二透镜采用相同消色差远心镜头，视场角10度，焦距83.9mm；线阵相机像元尺寸7um，像元个数2048；光谱仪光谱分辨率达到0.02nm；第四透镜为视场角28度，焦距82.3mm，入瞳直径5mm，扫描视野范围为面阵28.2*28.2mm，景深1mm。

如图5-7所示，其中图5-7为光谱仪分别在波长810nm、840nm、870nm MTF曲线图，其均达到衍射极限水平。

实施例2

如图10所示，与实施例1相比，其余模块不变，仅仅更换第四透镜，实现不同扫描范围、不同景深。第四透镜为视场角28度，焦距70mm，入瞳直径5mm，扫描视野范围为面阵24.4*24.4mm，景深0.67mm。

如图11所示，图11为本实施例第四透镜的MTF曲线，其基本达到衍射极限水平，具有高分辨率。

实施例3

如图12所示，与实施例1相比，其余模块不变，更换第四透镜，实现不同扫描范围、不同景深。第四透镜为视场角28度，焦距100mm，入瞳直径5mm，扫描视野范围为面阵34.9*34.9mm，景深1.36mm。

如图13所示，图13为实施例3第四透镜的MTF曲线，其基本达到衍射极限水平，具有高分辨率。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面阵点扫描分光白光干涉仪，其特征在于，包括光源部分、隔离器、耦合器组件、接收端、准直器、分光棱镜、参考臂和样品臂；光源部分包括SLD光源，所述SLD光源出口端与隔离器入口端连接，所述隔离器出口端与所述耦合器组件连接，所述耦合器组件与接收端连接，所述耦合器组件与所述准直器连接，所述准直器与所述分光棱镜连接，所述分光棱镜一端与所述参考臂连接，另一端与所述样品臂连接；所述参考臂包括第三透镜和反射镜，所述样品臂包括XY扫描振镜、第四透镜和样品台，所述样品台上放置有样品，所述XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置，使得第四透镜聚焦光线为像方远心光路；

所述SLD光源发射宽带光谱，宽带光谱依次通过隔离器、耦合器组件，耦合器组件出口端出射光经过准直器进行准直，被准直光入射到分光棱镜，一部分光束反射经过第三透镜聚焦到反射镜作为参考臂，另一部分光束入射到XY扫描振镜，由XY扫描振镜反射出的光线入射到第四透镜，由第四透镜聚焦到样品实现面阵扫描；

所述接收端包括第一透镜、光栅、第二透镜、相机和计算机，所述耦合器组件与所述第一透镜连接，所述第一透镜出口端与所述光栅连接，所述光栅与所述第二透镜入口端连接，所述第二透镜与所述相机连接，所述相机与所述计算机连接，所述耦合器组件出口端出射光经过第一透镜，经过第一透镜的光入射至光栅，经过光栅分光后，入射至第二透镜，第二透镜采用远心光路设计，经过第二透镜的光均匀汇聚到相机收集，所述相机将收集到的光传输至计算机；

第一透镜和第二透镜包括透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4和透镜L5；透镜L1、透镜L2、透镜L3、透镜L4和透镜L5依次排列；其中，透镜L1为具有正光焦度的透镜，用于消除球差；透镜L2为具有负光焦度的第二透镜，用于消除球差、彗差和色差；透镜L3为具有正光焦度的透镜，用于消除倍率色差；透镜L4和透镜L5为具有正光焦度的透镜，透镜L4和透镜L5用于消除畸变和场曲；

第四透镜包括L41透镜、L42透镜、L43透镜，L41透镜、L42透镜、L43透镜依次排列设置，其中L41透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差、彗差；L42透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差和色差；L43透镜L3为具有正光焦度的透镜，用于消除畸变。

2.如权利要求1所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述耦合器组件包括第一耦合器和第二耦合器，所述隔离器出口端与第一耦合器连接，所述第一耦合器与所述第二耦合器连接，所述第二耦合器出口端与准直器连接，经过第一耦合器耦合的光入射至第一透镜。

3.如权利要求2所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述第一耦合器和第二耦合器为X型单模光纤耦合器，光纤数值孔径0.13，芯径为5um，分光比为50：50。

4.如权利要求1所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述光源部分包括红光LD，用于辅助用户观测样品台实际扫描范围，红光LD通过耦合器组件，发散光束经过准直器准直，透过分光棱镜，由XY扫描振镜扫描经过第四透镜聚焦于样品。

5.如权利要求1所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述第三透镜为焦距50mm的消色差透镜；反射镜镀近红外高反射膜，反射率>99.5％，所述第四透镜的视场角为28度，焦距为82.3mm，入瞳直径为5mm，扫描视野范围为面阵28.2*28.2mm，景深为1mm。

6.一种面阵点扫描分光白光干涉方法，使用如权利要求1-5任一项所述的面阵点扫描分光白光干涉仪，包括如下步骤：

S1：SLD光源发出高亮度宽带光源，经过耦合器传播；

S2：耦合器出射端为发散光束，经过准直器准直；

S3：准直器准直光束传播至分光棱镜；

S4：被分光棱镜反射的一部分光束经过参考臂，具体为经过第三透镜聚焦到反射镜；

S5：被分光棱镜透射的另一部分光束经过XY扫描振镜，经过第四透镜聚焦到样品表面；

S6：经参考臂和样品臂反射回来的光，传回至第一透镜；

S7：第一透镜将返回光准直入射至光栅，经光栅分光后，由第二透镜聚焦。

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