CN113267142A - 一种表面轮廓成像装置及成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表面轮廓成像装置及方法，涉及光学干涉检测技术，低相干光源发出的光束进入耦合器再进入扫描模块，经过扫描模块后的光束进入3D成像模块；3D成像模块中的分光棱镜将光束分成样品光和参考光，参考光进入参考光模块；由样品和参考光模块反射的光束经原路返回至耦合器，返回至耦合器的光束从耦合器的另一端进入光谱仪形成干涉光谱；由计算机处理形成样品表面的3D轮廓分布；2D成像模块采集样品表面2D图像并将信号传至计算机。本发明使用相对较窄的低相干光源，实现大测量范围高分辨率测量及成像，且成本低；2D成像和3D成像结果融合，实现3D结构和2D彩色双模式成像。

Description

一种表面轮廓成像装置及成像方法

技术领域

本发明涉及光学干涉检测技术，尤其是涉及一种表面轮廓成像装置及成像方法。

背景技术

表面轮廓成像在工业产品检测、机械制造、半导体电子工业等领域均有非常重要的应用，是保证和提高机械、电子及光学系统性能、质量和寿命的关键因素之一。光学干涉技术具有非接触及分辨率高的优点，可以达到纳米及亚纳米的分辨率，但是其纵向测量范围(以下简称为测量范围)受到限制，如相移干涉法，只适合于表面高度变化较小的情况。

光学相干层析(optical coherence tomography,OCT)利用相干长度较短的低相干光源，具有深度分辨能力。OCT可分为时域OCT(TDOCT)和谱域OCT(SDOCT)。SDOCT虽然具有深度分辨能力，但是存在测量范围和分辨率之间的矛盾，利用频率可以实现较大测量范围(毫米数量级)，但是精度较低(十几微米)；使用相位，分辨率达到纳米及亚纳米，但是测量范围较小(几十微米)。目前，基于TDOCT的垂直扫描干涉技术已经是一种成熟的表面轮廓成像方法，但是垂直扫描干涉技术需要进行探测臂或参考臂的深度扫描，限制了成像速度，为应用带来不便。SDOCT不需要进行深度扫描，可以实现高速检测及成像。传统SDOCT的解调方法是傅里叶变换(FFT)，频率和深度成正比，FFT的理论分辨率由光谱仪带宽决定，等于，为光谱仪所对应的波数宽度，需要超宽带低相干光源才能实现微米分辨率，无法实现纳米级分辨率，而且超宽带低相干光源价格昂贵。在SDOCT，也可以利用相位信息，通过相位去卷绕，提高测量范围，但这种方法需要进行多次迭代运算，速度较慢。另外，在去卷绕方法中，由于探测光的波长较短(亚微米)，测量范围超过半波长，即产生相位卷绕，因此在大范围测量中(毫米数量级)，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，因此误差较大。

中国专利CN109297595B公开了一种光学相干层析相位解卷绕的方法及装置，其成像范围为2π/Δk，一般为几微米到几十微米，成像范围比较小；而且这种方法需要进行多次迭代运算，速度较慢；同时该发明利用相位去卷绕增加测量范围的方法，但是由于非卷绕范围为二分之一波长，为几百个纳米，因此在大范围测量中，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，误差较大。

中国专利CN106580258B公开了一种宽谱高分辨率光学相干层析成像系统，该发明使用的是时域方法，在进行每一点检测时，需要参考臂深度扫描，限制了成像速度，为应用带来不便；同时，该方法通过使用超宽带光源提高分辨率，超宽带光源价格昂贵，限制了其在表面轮廓成像的应用。

综上所述，仍存在以上技术问题。

发明内容

为了解决在大范围测量中(毫米数量级)，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，误差较大的问题，本发明提供了一种表面轮廓成像装置及解调方法。

为了实现使用相对较窄的低相干光源，实现大测量范围(毫米数量级)高分辨率(纳米数量级)测量及成像的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种表面轮廓成像装置，包括低相干光源，耦合器，扫描模块，3D成像模块，参考光模块，样品，光谱仪，计算机，2D成像模块；

所述低相干光源、耦合器、扫描模块、3D成像模块和样品依次设置，其中，所述低相干光源与耦合器光纤连接；所述耦合器与扫描模块光纤连接；

所述参考光模块设置在3D成像模块的一侧，所述2D成像模块设置在3D成像模块的另一侧；

所述2D成像模块、计算机、光谱仪依次设置，其中，所述2D成像模块与计算机为电连接；所述计算机与光谱仪电连接；

所述光谱仪和低相干光源设置在耦合器的同一端，且光谱仪与耦合器为光纤连接。

进一步地，所述扫描模块包括第一透镜，X扫描振镜，第二透镜，第三透镜和Y扫描振镜；所述第一透镜的一端与所述耦合器一输出端连接，所述第一透镜、X扫描振镜，第二透镜，第三透镜和Y扫描振镜依次设置。

进一步地，所述第一透镜将光纤输出的光束变成平行光束。

进一步地，所述X扫描振镜位于第一透镜的焦面，且X扫描振镜也位于第二透镜的焦面；所述第二透镜和第三透镜的焦距之和作为第二透镜和第三透镜之间的距离；所述Y扫描振镜位于第三透镜的焦面。

进一步地，所述3D成像模块包括分光棱镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第六透镜和Y扫描振镜之间依次设置有第四透镜、第五透镜和分光棱镜；且所述Y扫描振镜设置在所述第四透镜的焦面。

进一步地，所述第四透镜和第五透镜的焦距之和作为第四透镜和第五透镜之间的距离；所述第五透镜和第六透镜的焦距之和作为第五透镜和第六透镜之间的距离。

进一步地，所述参考光模块包括第七透镜和反射镜，所述反射镜位于第七透镜的焦面。

进一步地，所述2D成像模块包括面阵相机和第八透镜。

一种表面轮廓成像装置的成像方法，步骤包括：

步骤S1：设定(x，y)点的干涉光谱为I(x，y；Ki)，Ki表示面阵相机第i个像素代表的波数；将干涉光谱I(x，y；Ki)经过滤波器滤波，滤波后的干涉光谱经傅里叶变换，得到干涉光谱I(x，y；K_i)的幅度谱，设定幅度谱极大值点横坐标序数M(x，y)；

步骤S2：将干涉光谱I(x，y；K_i)均分成两部分，假定两部分光谱的中心波数分别为K_C1和K_C2，并对这两部分干涉光谱分别进行傅里叶变换，得到两部分干涉光谱的相位θ₁(x，y)和θ₂(x，y)，计算

步骤s3：A(x，y)的卷绕间隔为2π/(K_c1-K_c2)，由M(x，y)确定A(x，y)的卷绕次数，得到表面轮廓分布：

Round()表示四舍五入取整运算；

步骤S4：比较R(x，y)和2π(M(x，y)+1)/Δk的大小，对R(x，y)进行修正。

进一步地，当所述R(x，y)大于2π(M(x，y)+1)/Δk时，R(x，y)减去2π/(K_c1-K_c2)；当所述R(x，y)小于等于2π(M(x，y)+1)/Δk时，不对R(x，y)进行修正。

进一步地，在对3D成像结果和2D成像结果进行融合时，以3D成像结果为基础，用2D图像对其表面进行颜色渲染，可以同时显示样品的3D结构和颜色信息。

与现有技术相比，本发明的有益效果具体体现在：

(1)本申请使用相对较窄的低相干光源，实现大测量范围(毫米数量级)高分辨率(纳米数量级)测量及成像。

(2)本申请采用的是谱域方法，参考臂静止，使用光谱仪记录干涉光谱。

(3)在本申请中，非卷绕范围为2π/(K_c1-K_c2)，为几十微米，抗噪能力较强，同时，结合FFT的结果，FFT分辨率为非卷绕范围2π/(K_c1-K_c2)的二分之一，可以很容易判断去卷绕是否出错。

(4)本申请可以进行大测量范围高分辨率3D成像和2D彩色成像，实现3D结构和2D彩色双模式成像，同时显示样品的3D结构和2D颜色信息。

附图说明

图1为本装置的结构示意图；

图2为本实施例的待测量样品沿X方向一条线上的轮廓分布图；

图3为图2中其中一点(x0，y0)的经过幅度归一化的干涉光谱；

图4为本实施例中图3的幅度谱；

图5为M(x,y0)、A(x,y0)和未修正R(x,y0)的示意图；

图6为待测量的线轮廓与修正后R(x,y0)的示意图；

附图标记：1.低相干光源；2.耦合器；3.扫描模块；31.第一透镜；32.X扫描振镜；33.第二透镜；34.第三透镜；35.Y扫描振镜；4.3D成像模块；41.第四透镜；42.第五透镜；43.分光棱镜；44.第六透镜；5.参考光模块；51.第七透镜；52.反射镜；6.样品；7.光谱仪；8.计算机；9.2D成像模块；91.面阵相机；92.第八透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的和技术方案更加清楚，下面将结合实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

根据图1所示的一种表面轮廓成像装置，包括低相干光源1，耦合器2，扫描模块3，3D成像模块4，参考光模块5，样品6，光谱仪7，计算机8，2D成像模块9；所述低相干光源1发出的光束经过光纤进入耦合器2，从耦合器2的一端输出的光束经光纤进入扫描模块3，经过扫描模块3后的光束进入3D成像模块4。

所述扫描模块3包括第一透镜31，X扫描振镜32，第二透镜33，第三透镜34和Y扫描振镜35；所述第一透镜31与所述耦合器2一输出端连接，经耦合器2输出的光束依次经过第一透镜31，X扫描振镜32，第二透镜33，第三透镜34和Y扫描振镜35。所述第一透镜31将光纤输出的光束变成平行光束；X扫描振镜32位于第一透镜31的焦面，且X扫描振镜32也位于第二透镜33的焦面；所述第二透镜33和第三透镜34的焦距之和作为第二透镜33和第三透镜34之间的距离；所述Y扫描振镜35位于第三透镜34的焦面，这样的光路布局，可以使扫描模块3有较好的远心性。

所述3D成像模块4包括分光棱镜43、第四透镜41、第五透镜42和第六透镜44；经所述Y扫描振镜35输出的光束依次经过第四透镜41、第五透镜42、分光棱镜43和第六透镜44。所述第四透镜41的焦面设有Y扫描振镜35；所述第四透镜41和第五透镜42的焦距之和作为第四透镜41和第五透镜42之间的距离；所述第五透镜42和第六透镜44的焦距之和作为第五透镜42和第六透镜44之间的距离。这样的光路布局，可以使扫描模块3有较好的远心性。

所述分光棱镜43将进入的光束分成样品光和参考光，同时把3D成像和2D成像合在一起，同时实现3D成像和2D成像，所述参考光进入参考光模块5，所述样品6用于成像；由样品6和参考光模块5反射的光束经原路返回至耦合器2，返回至耦合器2的光束从耦合器2的另一端进入光谱仪7形成干涉光谱；所述光谱仪7与计算机8电连接，形成的干涉光谱传输至计算机8内并由计算机8处理形成样品6表面的3D轮廓分布；

所述参考光模块5包括第七透镜51和反射镜52，经分光棱镜43的光束进入第七透镜51，所述反射镜52位于第七透镜51的焦面；

所述2D成像模块9包括面阵相机91和第八透镜92，经所述分光棱镜43的光束进入第八透镜92，所述面阵相机91与计算机8电连接，且2D成像模块9采集样品6表面2D图像并将信号传至计算机8，2D成像模块9周围设有为2D成像模块提供照明的光源。低相干光源1和耦合器2、耦合器2和光谱仪7、耦合器2和扫描模块3均为光纤连接。所述2D成像模块9采集样品6表面2D图像并将信号传至计算机8，设置2D成像模块是利用2D成像确定3D成像区域，同时2D成像和3D成像融合，可以实现双模式成像。

根据图1-6所示的一种表面轮廓成像方法，步骤包括：

步骤S1：设定(x，y)点的干涉光谱为I(x，y；K_i)，K_i表示面阵相机第i个像素代表的波数；将干涉光谱I(x，y；K_i)经过滤波器滤波，滤波后的干涉光谱经傅里叶变换，得到干涉光谱I(x，y；K_i)的幅度谱，设定幅度谱极大值点横坐标序数M(x，y)；

步骤S2：将干涉光谱I(x，y；K_i)均分成两部分，假定两部分光谱的中心波数分别为K_C1和K_C2，并对这两部分干涉光谱分别进行傅里叶变换，得到两部分干涉光谱的相位θ₁(x，y)和θ₂(x，y)，计算

步骤S3：A(x，y)的卷绕间隔为2π/(K_c1-K_c2)，FFT的频率分辨率为2π/Δk，为光谱仪所对应的波数宽度Δk，等于2(K_c1-K_c2)，因此频率分辨率正好为A(x，y)卷绕间隔的一半，

因此当M(x，y)每增加2，则产生一次卷绕，由M(x，y)确定A(x，y)的卷绕次数，得到表面轮廓分布：

Round()表示四舍五入取整运算；

步骤4：比较R(x，y)和2π(M(x，y)+1)/Δk的大小，对R(x，y)进行修正。

当所述R(x，y)大于2π(M(x，y)+1)/Δk时，R(x，y)减去2π/(K_c1-K_c2)，Δk为光谱仪所对应的波数宽度。

具体的，在对3D成像结果和2D成像结果进行融合时，以3D成像结果为基础，用2D图像对其表面进行颜色渲染，可以同时显示样品的3D结构和颜色信息。

如图2-6所示面轮廓上的一条线的线轮廓情况分析，其光源中心波长为840nm，带宽为32纳米，图2为需要测量的线轮廓分布，其高度沿X方向线性增加，y为定值y0，图3表示其中一点(x0，y0)的经过幅度归一化的代表性的干涉光谱，对其进行FFT后，幅度谱如图4所示，求出图4中极大值点对应的坐标，对所有点的干涉光谱进行同样计算，得到M(x0，y0)。把每个干涉光谱，均分成两部分，用FFT计算两个干涉光谱的相位，按照公式

计算得到的结果A(x0，y0)。经步骤S3计算R(x0，y0)。经过步骤S4，对R(x0，y0)进行修正，比较R(x0，y0)和2π(M(x0，y0)+1)/Δk的大小，当R(x0，y0)大于2π(M(x0，y0)+1)/Δk时，2π(M(x0，y0)+1)/Δk减去2π/(K_c1-K_c2)。

对图2所示线轮廓上的所有点进行同样的操作，得到M(x，y0)，A(x，y0)未修正的R(x，y0)，如图5所示。经过修正后的R(x，y0)，结果如图6中“o”线所示，实线表示实际的线轮廓，两者吻合。

由图5所示可知，本发明使用的A(x，y)的非卷绕范围为4π/Δk，等于22微米，对于现有的去卷绕方法，非卷绕范围为半波长，等于0.42微米。本发明中的非卷绕范围远大于现有去卷绕方法的非卷绕范围。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种表面轮廓成像装置，其特征在于，包括低相干光源，耦合器，扫描模块，3D成像模块，参考光模块，样品，光谱仪，计算机，2D成像模块；

所述低相干光源、耦合器、扫描模块、3D成像模块和样品依次设置，其中，所述低相干光源与耦合器光纤连接；所述耦合器与扫描模块光纤连接；

所述参考光模块设置在3D成像模块的一侧，所述2D成像模块设置在3D成像模块的另一侧；

所述2D成像模块、计算机、光谱仪依次设置，其中，所述2D成像模块与计算机为电连接；所述计算机与光谱仪电连接；

所述光谱仪和低相干光源设置在耦合器的同一端，且光谱仪与耦合器为光纤连接。

2.根据权利要求1所述的一种表面轮廓成像装置，其特征在于，所述扫描模块包括第一透镜，X扫描振镜，第二透镜，第三透镜和Y扫描振镜；所述第一透镜的一端与所述耦合器一输出端连接，所述第一透镜、X扫描振镜，第二透镜，第三透镜和Y扫描振镜依次设置。

3.根据权利要求2所述的一种表面轮廓成像装置，其特征在于，所述X扫描振镜位于第一透镜的焦面，且X扫描振镜也位于第二透镜的焦面；所述第二透镜和第三透镜的焦距之和作为第二透镜和第三透镜之间的距离；所述Y扫描振镜位于第三透镜的焦面。

4.根据权利要求2所述的一种表面轮廓成像装置，其特征在于，所述3D成像模块包括分光棱镜、第四透镜、第五透镜和第六透镜；所述第六透镜和Y扫描振镜之间依次设置有第四透镜、第五透镜和分光棱镜；且所述Y扫描振镜设置在所述第四透镜的焦面。

5.根据权利要求4所述的一种表面轮廓成像装置，其特征在于，所述第四透镜和第五透镜的焦距之和作为第四透镜和第五透镜之间的距离；所述第五透镜和第六透镜的焦距之和作为第五透镜和第六透镜之间的距离。

6.根据权利要求1所述的一种表面轮廓成像装置，其特征在于，所述参考光模块包括第七透镜和反射镜，所述反射镜位于第七透镜的焦面。

7.根据权利要求1所述的一种表面轮廓成像装置，其特征在于，所述2D成像模块包括面阵相机和第八透镜。

8.根据权利要求1至7中任一所述的表面轮廓成像装置的成像方法，其特征在于，步骤包括：

步骤S1：设定(x，y)点的干涉光谱为I(x，y；K_i)，K_i表示面阵相机第i个像素代表的波数；将干涉光谱I(x，y；K_i)经过滤波器滤波，滤波后的干涉光谱经傅里叶变换，得到干涉光谱I(x，y；K_i)的幅度谱，设定幅度谱极大值点横坐标序数M(x，y)；

步骤S2：将干涉光谱I(x，y；K_i)均分成两部分，假定两部分光谱的中心波数分别为K_C1和K_C2，并对这两部分干涉光谱分别进行傅里叶变换，得到两部分干涉光谱的相位θ₁(x,y)和θ₂(x,y)，计算

步骤S3：A(x，y)的卷绕间隔为2π/(Kc1-Kc2)，由M(x，y)确定A(x，y)的卷绕次数，得到表面轮廓分布：

Round()表示四舍五入取整运算；

步骤S4：比较R(x,y)和2π(M(x，y)+1)/Δk的大小，对R(x,y)进行修正。

9.根据权利要求8所述的表面轮廓成像装置的成像方法，其特征在于，在步骤S4中，当所述R(x,y)大于2π(M(x，y)+1)/Δk时，对R(x,y)进行修正，即R(x,y)减去2π/(Kc1-Kc2)；当所述R(x,y)小于等于2π(M(x，y)+1)/Δk时，不对R(x,y)进行修正。

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