CN113074665B - 一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法 - Google Patents

一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，包括以下步骤：步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1‑2，获取线轮廓的干涉光谱；步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。本发明能够通过对输入光脉冲进行整形和频率扫描，克服光谱分辨干涉技术中方向模糊和死区的不足，而且在消除方向模糊和死区问题的同时，能够实现单次线轮廓测量。

Description

一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法
技术领域
本发明涉及光学精密测量领域，尤其涉及一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法。
背景技术
光谱分辨干涉测距是一种高精度绝对距离测量技术，在测量过程中无需扫描，即可直接获取一定深度内每一点处的被测距离值，被广泛应用于高端制造、半导体测试等领域。传统光谱分辨干涉测距技术本身存在方向模糊、死区和单点测量的限制问题：1)传统光谱分辨干涉测距的方向模糊问题导致该方法无法辨别参考镜与被测物体的相对位置，缩减了距离测量范围；2)受限于光源的光谱宽度，当被测物体与参考镜间的光程差接近零时，传统光谱分辨干涉测距方法无法从干涉光谱中解调出被测距离，这段无法测量的距离称为死区(-Lmin～+Lmin)，死区的存在限制了该方法的空间分辨力；3)传统光谱分辨干涉测距系统中的光谱仪仅能捕捉单点的干涉光谱，无法应用于被测样品的单次线轮廓测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，通过对输入光脉冲进行整形和频率扫描，克服光谱分辨干涉技术中方向模糊和死区的不足。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；
步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。
进一步地，所述步骤1具体为：
步骤1.1利用第一光路和设有单模长光纤的第二光路构建不等臂长马赫-曾德尔光纤结构；
步骤1.2将光脉冲被分束成参考光和测量光后分别进入第一光路和第二光路，利用单模长光纤引入色散，使经过单模长光纤的测量光的脉冲展宽；
步骤1.3将展宽后的测量光与经过第一光路的参考光合束后输出。
进一步地，所述步骤2具体为：
步骤2.1利用准直透镜、分束棱镜、参考镜、待测样品、成像透镜、成像光谱仪构建空间光干涉结构；
步骤2.2利用准直透镜将参考光和展宽的测量光扩束；
步骤2.3扩束后的参考光经过分束棱镜被参考镜反射，又经分束棱镜、成像透镜入射到成像光谱仪；
步骤2.4扩束后的测量光经过分束棱镜被待测样品反射，又经分束棱镜、成像透镜入射到成像光谱仪；
步骤2.5成像光谱仪同时捕捉一条线上多个点的干涉光谱，通过对每个点解调，即可获取线轮廓的干涉光谱。
进一步地，所述光脉冲的光源采用锁模激光器。
进一步地，所述锁模激光器包括激光振荡器、铷原子钟、射频信号发生器、光电探测器和频率计，射频信号发生器的输入端连接铷原子钟，射频信号发生器的输出端连接激光振荡器，光电探测器的输入端连接激光振荡器的输出端，光电探测器的输出端连接频率计；铷原子钟和射频信号发生器用于产生高精度参考信号，对激光振荡器的重复频率进行控制，使激光震荡器输出特定重复频率的光脉冲，光脉冲输出时，部分光脉冲输入光电探测器，并在频率计显示光脉冲的重复频率。
本发明的有益效果是：
(1)本发明能够通过对输入光脉冲进行整形和频率扫描，克服光谱分辨干涉技术中方向模糊和死区的不足，结构简单，且无需改变空间干涉系统，此外，利用波分复用技术，还可以扩展应用于多通道检测。
(2)本发明在消除方向模糊和死区问题的同时，干涉模块中采用成像光谱仪，可实现单次线轮廓测量。
附图说明
图1为一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量装置的结构示意图；
图2为脉冲展宽光谱分辨干涉辨向的分析与仿真示意图；
图3为单点死区填补的实验结果图。
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。
本实施例提供一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，包括以下步骤：
步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；
步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。
在上述方法的基础上，本实施还提供一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量装置，包括锁模激光器1、不等臂长马赫-曾德尔光纤结构7和空间光干涉结构15，如图1所示。
本实施例中，所述锁模激光器1包括激光振荡器4、铷原子钟2、射频信号发生器3、光电探测器5和频率计6，射频信号发生器3的输入端连接铷原子钟2，射频信号发生器3的输出端连接激光振荡器4，光电探测器5的输入端连接激光振荡器4的输出端，光电探测器5的输出端连接频率计6，铷原子钟2和射频信号发生器3用于产生高精度参考信号，对激光振荡器4的重复频率进行控制，使激光震荡器4输出特定重复频率的光脉冲，光脉冲输出时，部分光脉冲输入光电探测器5，并在频率计6显示光脉冲的重复频率。
本实施例中，利用该锁模激光器可以精确调节并选择光脉冲源的重复频率，引入脉冲间光程差的改变，对不同重频下测量值进行错位拼接，能够解决测量过程中的死区问题。
本实施例中，所述不等臂长马赫-曾德尔光纤结构7包括分束器、第一光路7-1、设置有单模长光纤8的第二光路7-2和合束器，分束器用于将光脉冲被分束成参考光和测量光，并将参考光和测量光分别输入第一光路7-1和第二光路7-2，利用单模长光纤8引入色散，使经过单模长光纤8的测量光的脉冲展宽，展宽后的测量光与经过第一光路7-1的参考光在合束器合束后输出。
本实施例中，不等臂长马赫-曾德尔光纤结构引入不同的色散，脉冲啁啾生成两展宽不同的脉冲，利用从参考镜反射回来的窄脉冲作为参考光，从测量镜反射回来的宽脉冲作为测量光，通过解调干涉条纹确定参考脉冲和测量脉冲的相对位置，从而确定参考镜和测量镜的相对位置，能够消除方向模糊。
本实施例中，所述空间光干涉结构15包括准直透镜9、分束棱镜10、参考镜11、待测样品12、成像透镜13和成像光谱仪14，准直透镜9用于将参考光和展宽的测量光扩束，扩束后的参考光经过分束棱镜10被参考镜11反射，又经分束棱镜10、成像透镜13入射到成像光谱仪14，扩束后的测量光经过分束棱镜10被待测样品12反射，又经分束棱镜10、成像透镜13入射到成像光谱仪14，成像光谱仪14同时捕捉一条线上多个点的干涉光谱，通过对每个点解调，即可获取线轮廓的干涉光谱。
本实施例中，利用成像光谱仪，同时捕捉被测样品线轮廓上数点的干涉光谱，用于单次线轮廓测量。
为了进一步证明本发明能够消除方向模糊和死区问题，通过以下实验和数据进行说明。
图2是脉冲展宽光谱分辨干涉辨向的分析与仿真示意图。当窄脉冲(参考光)位于宽脉冲(测量光)后面时，假设窄脉冲是一理想脉冲，那么，这一理想脉冲与宽脉冲不同频率处的光信号的时间延迟不一样，如图2(a)所示。在相应的仿真图2(b)中可以看出，随着频率增大，其被测距离也在不断增大，呈上升趋势。同理，图2(c)与图2(d)则为参考光脉冲位于测量脉冲前方时的示意图及仿真图，随着频率增大，呈下降趋势。因此，距离随频率变化的趋势可以用于判别方向。
不等臂光纤结构不仅引入色散进行方向辨别，此外，两不等长光纤引入的光学延迟可以实现飞秒激光不同脉冲间的干涉。同时，因为飞秒激光脉冲间的距离Lpp＝c/nfr，是与重复频率fr相关的函数，因此，改变fr，不等臂光纤结构中两脉冲间的光学延迟亦发生改变。当空间干涉系统不变时，改变飞秒激光的重复频率，两光程差满足：ΔL1＝ΔL2+i(Lpp2-Lpp1)。其中，ΔL1，ΔL2和Lpp1，Lpp2分别是重复频率为fr1，fr2时系统中的光学延迟和脉冲间距离。那么，针对死区问题，可采用填补法进行消除，本研究在不等臂光纤结构的基础上，结合飞秒激光器的重复频率扫描模块，改变飞秒激光的重复频率并由光电探测器和频率计数器实时检测，在已知fr1&fr2&ΔL2的情况下，ΔL1可以被直接计算得出。
图3为单点的死区填补实验结果图，设置电机的步进为0.1mm，使得测量镜从负方向向正方向移动。经过方向辨别后，fr1为99.9857MHz时的结果中有一段距离无法测量，如图3(a)所示。为消除这段死区，利用飞秒激光扫频模块，改变重复频率fr2至99.9410MHz，这时，可以利用fr2处的数据填补fr1时的死区部分，如图3(b)所示，获取从负方向到正方向的一段完整被测距离。
另外，干涉光经成像透镜13聚焦后，由成像光谱仪14捕获被测样品线轮廓上的干涉光谱，在消除方向模糊和死区问题的同时，可实现单次线轮廓测量。
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)

1.一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；
步骤1.1利用第一光路和设有单模长光纤的第二光路构建不等臂长马赫-曾德尔光纤结构；
步骤1.2将光脉冲被分束成参考光和测量光后分别进入第一光路和第二光路，利用单模长光纤引入色散，使经过单模长光纤的测量光的脉冲展宽；
步骤1.3将展宽后的测量光与经过第一光路的参考光合束后输出；
步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。
2.如权利要求1所述的一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1利用准直透镜、分束棱镜、参考镜、待测样品、成像透镜、成像光谱仪构建空间光干涉结构；
步骤2.2利用准直透镜将参考光和展宽的测量光扩束；
步骤2.3扩束后的参考光经过分束棱镜被参考镜反射，又经分束棱镜、成像透镜入射到成像光谱仪；
步骤2.4扩束后的测量光经过分束棱镜被待测样品反射，又经分束棱镜、成像透镜入射到成像光谱仪；
步骤2.5成像光谱仪同时捕捉一条线上多个点的干涉光谱，通过对每个点解调，即可获取线轮廓的干涉光谱。
3.如权利要求1所述的一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，所述光脉冲的光源采用锁模激光器。
4.如权利要求3所述的一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，所述锁模激光器包括激光振荡器、铷原子钟、射频信号发生器、光电探测器和频率计，射频信号发生器的输入端连接铷原子钟，射频信号发生器的输出端连接激光振荡器，光电探测器的输入端连接激光振荡器的输出端，光电探测器的输出端连接频率计；铷原子钟和射频信号发生器用于产生高精度参考信号，对激光振荡器的重复频率进行控制，使激光震荡器输出特定重复频率的光脉冲，光脉冲输出时，部分光脉冲输入光电探测器，并在频率计显示光脉冲的重复频率。
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