CN113739708B - 一种双路白光干涉差动测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双路白光干涉差动测量装置及方法，包括宽谱光源模块、第一光程调制与解调模块和双路差动光强检测与记录模块；宽谱光源模块提供输入光信号；第一光程调制与解调模块接收输入光信号，利用白光干涉原理及双路差动探测原理，采用构建光程差的方法提供两路白光干涉信号并转换为电信号；双路差动光强检测与记录模块接收两路电信号，经差动探测后得到差动响应信号，根据差动响应信号得到绝对参考位置和测量位置。本发明定位精度高、灵敏度高、信号解调便捷，可广泛应用于微纳器件厚度及表面形貌等信息的定量测量。
Description
技术领域
本发明设计属于光学测量技术领域，具体涉及到一种双路白光干涉差动测量装置与方法。
背景技术
在光学领域中，对样品厚度的测量是观察样品表面三维形貌的重要手段，在精密制造，测试计量等领域中都有着重要的应用。按照测量装置与样品的接触方式一般分为接触测量与非接触测量两种，接触测量的测量装置与待测样品直接接触，直接磨损待测样品表面，对其造成不可逆的损伤，影响测量精度，具有一定的局限性。非接触测量法可分为磁法、电容法、超声波法、光学法。
近年来，光学法由于其成本低、精度高的优点被广泛使用。常见的光学测量方法有光吸收法、椭圆偏振法、干涉法等。其中基于干涉原理的光学测量系统具有高精度及高分辨率的优点，常用于物理量的精确测量。传统的光学干涉法主要根据干涉条纹的移动与待测物理量实现联系。采用低相干光源的干涉测量方法通常被称作白光干涉法，在零光程差位置处，干涉条纹对比度最好，白光干涉信号光强达到最大。利用白光干涉的这种特性，可以实现待测光程的绝对测量。
由于白光干涉信号曲线的主极大值与零光程差位置具有对应关系，因此通过定位白光干涉信号的主极大位置即可确认零光程差位置。目前已有的定位算法包括：条纹重心法、包络提取法、空间频域法、傅里叶变换法等等。2008年，美国ZYGO公司的De Groot等人公开了“Scanning interferometry for thin film thickness and surfacemeasurements”(US 10974466)，该方法基于傅里叶变化法对干涉信号的峰值进行识别，可以精确的识别两界面之间的距离，可以用来测量薄膜厚度或者待测样品表面形貌信息。2014年，山东大学的贾传武等人公开了一种宽谱光干涉法测量薄膜厚度的系统(中国专利申请号：201410290494.1)，该方法基于法布里波罗干涉仪进行测量，结构简单，测量精度高，但容易对薄膜表面造成磨损。2017年，哈尔滨工程大学的杨军等人提出一种共光路自校准薄膜厚度测量装置及测量方法(中国专利申请号：201710277954.0)，该方法无需标定样品即可直接对待测样品进行测量，扩展测量动态范围，并且可溯源，提高测量精度及稳定度。
白光干涉信号中心条纹位置处对应斜率为零，理论灵敏度最差，其定位精度容易受到噪声的影响。例如：包络提取法通过获得幅值包络的顶点来确定中心条纹的位置，容易受到色散及噪声的影响。1997年，台湾大学的C-H.Lee等人提出非干涉差分共焦显微技术理论(Optics Comm.1997,35:233-237)，该技术利用所得响应曲线斜边线性数据段实现纳米级检测。2005年，哈尔滨工业大学的赵维谦等人公开了具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(中国专利申请号：200410006359.6)，该方法基于差动共焦及差动探测技术，将两探测器得到的探测信号差动相减得到差动共焦显微成像系统的轴向响应，所得差动共焦显微成像系统轴向响应曲线的过零点位置与焦点位置精确对应，由于过零点附近数据段线性最好，斜率最大，实现高精度，高灵敏度地定位聚焦光斑，实现对物体表面形貌信息的非接触光学检测。由此可见，通过差动探测技术将待测信号斜率为零处的位置识别转换为斜率最大、过零点处的位置识别，可以提高定位精度，提高灵敏度。
发明内容
针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种定位精度高、灵敏度高、信号解调便捷的双路白光干涉差动测量装置及方法，可广泛应用于微纳器件厚度及表面形貌等信息的定量测量。
为解决上述技术问题，本发明的一种双路白光干涉差动测量装置，包括宽谱光源模块1、第一光程调制与解调模块2和双路差动光强检测与记录模块3；宽谱光源模块1提供输入光信号；第一光程调制与解调模块2接收输入光信号，利用白光干涉原理及双路差动探测原理，采用构建光程差的方法提供两路白光干涉信号并转换为电信号；双路差动光强检测与记录模块3接收两路电信号，经差动探测后得到差动响应信号，根据差动响应信号得到绝对参考位置和测量位置。
本发明还包括：
1.第一光程调制与解调模块2包括光程扫描模块21、第一干涉仪22、第二干涉仪23、光程调制模块24、第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235；
第一干涉仪22接收宽谱光源模块1提供的部分输入光信号，所述信号经过光程扫描模块21后再输入至第一干涉仪22，得到一路白光干涉信号I4；I4由第一差分探测器224、225接收并转换为电信号I4d；
第二干涉仪23接收宽谱光源模块1提供的另一部分输入光信号，所述信号经过光程调制模块24后再输入至第二干涉仪23，得到另一路白光干涉信号I3，I3由第二差分探测器234、235接收并转换为电信号I3d。
2.第一干涉仪22包括第一光纤环形器221、第二2×2光纤耦合器222、第三2×2光纤耦合器223和双路差动光程调节模块228；
第二干涉仪23包括第二光纤环形器231、第四2×2光纤耦合器232、第五2×2光纤耦合器233；
第一光纤环形器221接收宽谱光源模块1提供的部分输入光信号并传输至光程扫描模块21，光程扫描模块21输出光信号输入至第二2×2光纤耦合器222，其中一部分信号输出至第二2×2光纤耦合器222的第一输出端226，经过双路差动光程调节模块228引入光程差后作为参考信号输出至第三2×2光纤耦合器223；另外一部分信号输出至第二2×2光纤耦合器222的第二输出端236，作为参考信号输出至第五2×2光纤耦合器233；
第二光纤环形器231接收宽谱光源模块1提供的另一部分输入光信号并传输至光程调制模块24，光程调制模块24输出光信号输入至第四2×2光纤耦合器232，其中一部分信号输出至第四2×2光纤耦合器232的第一输出端227，作为测量信号输出至第三2×2光纤耦合器223，另一部分信号输出至第四2×2光纤耦合器232的第二输出端237，作为测量信号输出至第五2×2光纤耦合器233；
第五2×2光纤耦合器233输出白光干涉信号I3，第三2×2光纤耦合器223输出白光干涉信号I4。
3.光程扫描模块21包括第一光纤准直透镜211和轴向扫描镜212；第一光纤准直透镜211接收的输入光信号经由轴向扫描镜212反射后经由第一光纤准直透镜211输出。
4.光程调制模块24包括第二光纤准直透镜241和横向二维扫描台242，第二光纤准直透镜241接收的输入光信号经由横向二维扫描台242反射后经由第二光纤准直透镜241输出。
5.双路差动光强检测与记录模块3包括信号采集与处理单元31和计算机32；信号采集与处理单元31接收两路电信号并传输至计算机32，计算机32利用双路差动算法得到绝对参考位置和测量位置。
6.宽谱光源模块1包括宽谱光源11和第一2×2光纤耦合器12，宽谱光源11提供输入光信号通过第一2×2光纤耦合器12后分为两部分。
一种双路白光干涉差动测量方法，包括以下步骤：
步骤1：宽谱光源11提供输入光信号，通过第一2×2光纤耦合器12后，一部分光注入第一干涉仪22，另外一部分光注入第二干涉仪23；
步骤2：注入第一干涉仪22的输入光信号经过光程扫描模块21进行一维扫描，匹配光程使扫描过程中出现完整白光干涉信号；
步骤3：第一干涉仪22、第二干涉仪23输出的两路白光干涉信号分别由第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235探测接收，并将光信号转换为电信号，其中第一干涉仪22的参考臂信号经双路差动光程调节模块228后引入特定大小的光程差；
步骤4：双路差动光强检测与记录模块3的信号采集与处理单元31对第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235输出的两路电信号进行采集与记录后，信号传输至计算机32；
步骤5：计算机32利用双路差动算法得到差动响应信号，定位差动响应信号的过零点位置；
步骤6：光程调制模块24中横向二维扫描台242对待测样品进行面内平移，利用双路差动算法得到差动响应信号，定位新的差动响应信号的过零点位置；
步骤7：通过计算两个过零点位置之间对应的光程差:获取两不同位置处的高度差，横向二维扫描台242二维扫描完成后即可获取待测样品的厚度及表面形貌信息。
双路差动算法具体为：对第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235输出的两路白光干涉信号依次进行包络提取、归一化、差动相减的操作，得到差动响应信号。
本发明的有益效果：传统白光干涉技术通过定位零光程差位置获取参考位置，本发明采用构建光程差的方法得到两路白光干涉信号，经差动探测后得到差动响应信号，定位差动响应信号的过零点位置获取参考位置，从而实现待测尺寸的测量。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.继承了白光干涉技术与差动探测技术的优点，通过定位差动响应信号曲线过零点的位置即可获得一个绝对位置进行参考，降低定位难度，提高定位精度，使测量效果达到最佳。
2.差动响应信号曲线过零点附近数据段线性最好，斜率最大，具有高灵敏度。
3.第一干涉仪22与第二干涉仪23共用同一光程扫描器，降低了系统构建成本，提高了测试速度，减小了通道之间的测量不一致性；
4.采用差分探测的方法，排除白光干涉信号直流项的影响，提高装置信噪比；
5.采用光纤光路，具有体积小、受气流与环境光的影响几乎为零等优点。
附图说明
图1是基于Mach-Zehnder干涉仪的测量装置原理图；
图2是双路白光干涉差动测量装置原理图；
图3是双路白光干涉差动测量装置调试方法流程图；
图4(a)表示两个白光干涉信号包络提取并归一化的过程；
图4(b)表示差动探测后的定位过程
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
本发明使用光纤光路结构，基于白光干涉原理及双路差动探测原理，采用构建光程差的方法得到两路白光干涉信号，经差动探测后得到差动响应信号，定位差动响应信号的过零点位置作为绝对参考位置，从而实现待测尺寸的测量。该方法具有定位精度高、灵敏度高、信号解调便捷的优点，可广泛应用于微纳器件厚度及表面形貌等信息的定量测量。
本发明的一种双路白光干涉差动测量方法，具体包括：
1.宽谱光源11提供输入光信号，通过第一2×2光纤耦合器12后，一部分光注入第一干涉仪22，另外一部分光注入第二干涉仪23；
2.第一干涉仪22与第二干涉仪23的测量臂信号分别来自第四2×2光纤耦合器232的第一输出端227与第二输出端237，参考臂信号分别来自第二2×2光纤耦合器222的第一输出端226与第二输出端236，其中第一干涉仪22的参考臂信号经双路差动光程调节模块228后引入特定大小的光程差；
3.轴向扫描镜212进行一维扫描，匹配光程使扫描过程中出现完整白光干涉信号；
4.第一干涉仪22、第二干涉仪23输出的两路白光干涉信号由第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235探测得到；
5.双路差动光强检测与记录模块3同时连接第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235，信号采集与处理单元31对第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235输出的两路白光干涉信号同时进行处理与记录，信号通过数据传输线34进入计算机32；
6.计算机32利用内置的双路差动算法得到差动响应信号，定位差动响应信号的过零点位置；
7.横向二维扫描台242对待测样品进行面内平移，定位新的差动响应信号的过零点位置；
8.通过计算两个过零点位置之间对应的光程差，即可获取两不同位置处的高度差，横向二维扫描台242二维扫描完成后即可获取待测样品的表面形貌等信息。
其中双路差动算法，具体为：
1.双路差动算法对第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235输出的两路白光干涉信号依次进行包络提取、归一化、差动相减的操作；
2.双路差动算法可以对第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235输出的两路白光干涉信号实现存储与显示，并对所得差动响应信号实现存储与显示。
一种双路白光干涉差动测量装置，具体包括：
1.双路白光干涉差动测量装置包括宽谱光源模块1、第一光程调制与解调模块2、双路差动光强检测与记录模块3；
2.使用双路白光干涉差动测量装置之前需要按照要求进行调试。
宽谱光源模块1，具体为：宽谱光源模块1由宽谱光源11、第一2×2光纤耦合器12组成。
第一光程调制与解调模块2，具体为：
1.第一光程调制与解调模块2由光程扫描模块21、第一干涉仪22、第二干涉仪23、光程调制模块24、第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235组成。
2.第一干涉仪22与第二干涉仪23共用同一个光程扫描模块21；
3.第一干涉仪22与第二干涉仪23共用同一个光程调制模块24。
光程扫描模块21：光程扫描模块21由第一光纤准直透镜211、轴向扫描镜212组成。
第一干涉仪22，具体为：
1.第一干涉仪22由第一光纤环形器221、第二2×2光纤耦合器222、第三2×2光纤耦合器223、双路差动光程调节模块228组成；
2.第一干涉仪22测量臂信号来自第四2×2光纤耦合器232的第一输出端227，参考臂信号来自第二2×2光纤耦合器222的第一输出端226，其中参考臂信号经双路差动光程调节模块228后引入特定大小的光程差。
第二干涉仪23，具体为：
1.第二干涉仪23由第二光纤环形器231、第四2×2光纤耦合器232、第五2×2光纤耦合器233组成；
2.第二干涉仪23的测量臂信号来自第四2×2光纤耦合器232的第二输出端237，参考臂信号来自第二2×2光纤耦合器222的第二输出端236。
光程调制模块24，具体为：光程调制模块24由第二光纤准直透镜241、横向二维扫描台242组成。
双路差动光强检测与记录模块3，具体为：双路差动光强检测与记录模块3由信号采集与处理单元31、计算机32、电导线33、数据传输线34组成。
宽谱光源模块1、第一光程调制与解调模块2、双路差动光强检测与记录模块3的连接关系，具体为：
1.宽谱光源11通过第一2×2光纤耦合器12的第一输出端13连接于第一光纤环形器221，通过第二输出端14连接于第二光纤环形器231；
2.第一光程调制与解调模块2与双路差动光强检测与记录模块3通过电导线33相连接。
现有技术中，基于Mach-Zehnder干涉仪的测量装置原理图如附图1所示。
1.基于Mach-Zehnder干涉仪的测量装置由宽谱光源11、第一2×2光纤耦合器12、第一光纤环形器221、第一光纤准直透镜211、轴向扫描镜212、第二光纤环形器231、第二光纤准直透镜241、横向二维扫描台242、第六2×2光纤耦合器253、第三差分探测器254、255、信号采集与处理单元31、计算机32、电导线33、数据传输线34组成。
2.宽谱光源11提供输入光信号通过第一2×2光纤耦合器12后，一部分输入光信号经过第一2×2光纤耦合器12的第一输出端13进入第一光纤环形器221中，输入光信号通过第一光纤准直透镜211，经由轴向扫描镜212反射后由第一光纤准直透镜211接收输入至第六2×2光纤耦合器253的第一输入端251进入干涉仪参考臂中作为参考信号。
3.另外一部分输入光信号经过第一2×2光纤耦合器12的第二输出端14进入第二光纤环形器231中，输入光信号通过第二光纤准直透镜241，经由横向二维扫描台242反射后由第二光纤准直透镜241接收输入至第六2×2光纤耦合器253的第二输入端252进入干涉仪测量臂中作为测量信号。
4.轴向扫描镜212进行一维扫描，匹配光程使扫描过程中出现完整白光干涉信号。若I0为宽谱光源强度，γ(x)为干涉信号的包络函数，与光源光谱分布函数有关，x0为白光干涉信号峰值对应的光程位置，λ为宽谱光源中心波长。通过第六2×2光纤耦合器253后形成白光干涉信号I1，其表达形式为：
白光干涉信号I1由第三差分探测器254、255接收并将光信号转换为电信号，得到I1d，其表达式为：
此信号经由信号采集与处理单元31处理后，通过数据传输线34进入计算机32，利用内置的光强识别与处理算法，对I1d进行包络提取并归一化后得到白光干涉信号的归一化包络函数，即：I1de＝γ(x-x0)。通过定位I1de的主极大值即可获得零光程差位置，得到一个绝对位置进行参考，即为参考位置。
5.横向二维扫描台242对待测样品进行面内平移，若两不同位置处的高度差为h，经过第六2×2光纤耦合器253后形成白光干涉信号I2，其表达形式为：
以相同的方式得到位置改变后的白光干涉信号的归一化包络函数，即：I2de＝γ(x-x0-2h)。
通过定位I2de的主极大值即可获得零光程差位置，即为测量位置。通过计算两个零光程差位置之间对应的光程差即可获取两不同位置处的高度差，横向二维扫描台242二维扫描完成后即可获取待测样品的表面形貌等信息。
本发明的双路白光干涉差动测量装置原理图如附图2所示。
1.宽谱光源11提供输入光信号通过第一2×2光纤耦合器12后，一部分输入光信号经过第一2×2光纤耦合器12的第一输出端13进入第一光纤环形器221中，输入光信号通过第一光纤准直透镜211，经由轴向扫描镜212反射后由第一光纤准直透镜211接收输入至第二2×2光纤耦合器222，一部分反射信号输出至第二2×2光纤耦合器222的第一输出端226，经过双路差动光程调节模块228后实现光程调节，使第二2×2光纤耦合器222的第一输出端226与第二输出端236光程差为l，另外一部分反射信号输出至第二输出端236，分别进入参考臂中作为参考信号。
2.另外一部分输入光信号经过第一2×2光纤耦合器12的第二输出端14进入第二光纤环形器231中，输入光信号通过第二光纤准直透镜241，经由轴向扫描镜242反射后由第二光纤准直透镜241接收输入至第四2×2光纤耦合器232，一部分反射信号输出至第四2×2光纤耦合器232的第一输出端227，另外一部分反射信号输出至第二输出端237，分别进入测量臂中作为测量信号。
3.轴向扫描镜212进行一维扫描，匹配光程使扫描过程中出现完整白光干涉信号。第二2×2光纤耦合器222的第二输出端236与第四2×2光纤耦合器232的第二输出端237经过第五2×2光纤耦合器233后形成的白光干涉信号记为I3。白光干涉信号I3由第二差分探测器234、235接收并将光信号转换为电信号，记为I3d。
4.第二2×2光纤耦合器222的第一输出端226与第四2×2光纤耦合器232的第一输出端227经过第三2×2光纤耦合器223后形成的白光干涉信号记为I4。白光干涉信号I4由第一差分探测器224、225接收并将光信号转换为电信号，记为I4d。
I3d及I4d经由信号采集与处理单元31处理后，通过数据传输线34进入计算机32。
5.计算机32利用内置的双路差动算法，对I3d及I4d进行包络提取并归一化后得到两个白光干涉信号的归一化包络函数，即：I3de＝γ(x-x0)及I4de＝γ(x-x0-l)，对I3de及I4de进行差动相减，得到差动响应信号Ide1，其表达式为：
Ide1＝I3de-I4de＝γ(x-x0)-γ(x-x0-l) 4
通过定位差动响应信号Ide1的过零点位置即可获得一个绝对位置进行参考，即为参考位置。
6.横向二维扫描台242对待测样品进行面内平移，若两不同位置处的高度差为h，则经过第五2×2光纤耦合器233后形成的白光干涉信号记为I5。白光干涉信号I5由第二差分探测器234、235接收并将光信号转换为电信号，记为I5d。
经过第三2×2光纤耦合器223后形成的白光干涉信号记为I6。白光干涉信号I6由第一差分探测器224、225接收并将光信号转换为电信号，记为I6d。
7.以相同的方式得到两个白光干涉信号的归一化包络函数，即：I5de及I6de。对I5de及I6de进行差动相减，得到差动响应信号Ide2，其表达式为：
Ide2＝I5de-I6de＝γ(x-x0-2h)-γ(x-x0-2h-l) 5
通过定位差动响应信号Ide2的过零点位置即可获得一个测量位置。双路白光干涉差动测量装置测量过程示意图如附图4(a)和图4(b)所示，其中图4(a)表示两个白光干涉信号经包络提取并归一化的过程，图4(b)表示经差动探测后的定位过程。通过计算两个过零点位置之间对应的光程差即可获取两不同位置处的高度差，横向二维扫描台242二维扫描完成后即可获取待测样品的表面形貌等信息。
在使用双路白光干涉差动测量装置之前需要进行调试，调试流程如附图3所示。
根据步骤401可知，选取器件，尽量选取损耗一致的环形器和耦合器，目的是避免耦合器输出两臂损耗不一致对调试与测量过程产生影响。
根据步骤402可知，按照附图2的光路设计正确连接相应器件。
根据步骤403可知，开始调试，调节双路差动光程调节模块228，获取第一差分探测器224、225及第二差分探测器234、235得到的白光干涉信号。
根据步骤404可知，利用计算机内置算法对两白光干涉信号进行包络提取并归一化，获取两白光干涉信号的归一化包络信号。
根据步骤405可知，利用计算机对两归一化包络信号进行差动相减，获取差动响应信号。
根据步骤406可知，利用计算机计算差动响应信号过零点附近线性区域斜率。
根据步骤407可知，多次测量，比较差动响应信号过零点附近线性区域斜率是否为最大值，目的是对过零点位置进行最优定位以获取最高的定位灵敏度。如果不是最大值则进入步骤408，如果是最大值则进入步骤409。
根据步骤408可知，如果步骤407得出的差动响应信号过零点附近线性区域斜率不是最大值，则重新调节双路差动光程调节模块228，直至差动响应信号过零点附近线性区域斜率为最大值。
根据步骤409可知，固定双路差动光程调节模块228状态，完成调试，可以进行双路白光干涉差动测量。
下面结合具体参数给出具体实施例：
一种双路白光干涉差动测量装置如附图2所示，各机械结构件的设计尺寸，以及各元器件的参数选择如下：
宽谱光源11的中心波长为1550nm，谱宽为50nm的宽谱光源。
第一光纤耦合器12、第二光纤耦合器222、第三光纤耦合器223、第四光纤耦合器232、第五光纤耦合器233均选用分光比为50:50，工作波长为1550nm的单模耦合器。
第一光纤环形器221、第二光纤环形器231均选用工作波长为1550nm的三口环形器，其工作方式为环形器1口注入的光会从环形器2口输出，环形器2口注入的光会从环形器3口输出。
双路差动光程调节模块228工作波长为1550nm，所用的光纤采用单模光纤。
第一探测器224、第二探测器225、第三探测器234、第四探测器235的工作波长都为1550nm，第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235选用基本的PBC电路板实现，信号采集与处理单元31可选用一般的8bit的A/D转换电路。
第一光纤准直透镜211、轴向扫描镜212组成光程扫描模块21，其扫描范围为100mm。
第二光纤准直透镜241、横向二维扫描台242组成光程调制模块24。其扫描范围为100mm。
第一干涉仪22、第二干涉仪23所用的光纤均采用单模光纤，双路差动光强检测与记录模块3使用的电线均采用普通的铜芯电线。
测试需在温度为(23±2)℃，相对湿度为(50±5)％，气压为86～106kPa的条件下进行。测试前，需将双路白光干涉差动测量装置放置在测试环境下至少12小时，进行预处理。
双路白光干涉差动测量装置其工作方式为首先由宽谱光源11注入一束1550nm的宽谱光作为输入光。输入光通过第一光纤耦合器12后，50％的输入光信号经过第一光纤耦合器12的第一输出端13进入第一光纤环形器221中，输入光信号通过第一光纤准直透镜211，经由轴向扫描镜212反射后由第一光纤准直透镜211接收输入至第二光纤耦合器222，其中50％的反射信号输出至第二光纤耦合器222的第一输出端226，经过双路差动光程调节模块228后实现光程调节，使第二光纤耦合器222的第一输出端226与第二输出端236存在光程差，另外50％的反射信号输出至第二输出端236，分别进入参考臂中作为参考信号。
另外50％的输入光信号经过第一光纤耦合器12的第二输出端14进入第二光纤环形器231中，输入光信号通过第二光纤准直透镜241，经由轴向扫描镜242反射后由第二光纤准直透镜241接收输入至第四光纤耦合器232，其中50％的反射信号输出至第四光纤耦合器232的第一输出端227，另外50％的反射信号输出至第二输出端237，分别进入测量臂中作为测量信号。
轴向扫描镜212进行一维扫描，匹配光程使扫描过程中出现完整白光干涉信号。第一干涉仪22与第二干涉仪23得到的白光干涉信号分别由第一差分探测器224、225、第二差分探测器234、235接收并将光信号转换为电信号，经由信号采集与处理单元31处理后，通过数据传输线34进入计算机32。
计算机32利用内置的双路差动算法，对两路白光干涉信号进行包络提取并归一化后再进行差动相减，得到差动响应信号。通过定位差动响应信号的过零点位置即可获得一个绝对位置进行参考，即为参考位置。
横向二维扫描台242对待测样品进行面内平移，以相同的方式，得到差动响应信号。通过定位差动响应信号的过零点位置得到测量位置。通过计算两个过零点位置之间对应的光程差即可获取两不同位置处的高度差，横向二维扫描台242二维扫描完成后即可获取待测样品的表面形貌等信息。
Claims (6)
1.一种双路白光干涉差动测量装置，其特征在于：包括宽谱光源模块(1)、第一光程调制与解调模块(2)和双路差动光强检测与记录模块(3)；宽谱光源模块(1)提供输入光信号；第一光程调制与解调模块(2)接收输入光信号，利用白光干涉原理及双路差动探测原理，采用构建光程差的方法提供两路白光干涉信号并转换为电信号；双路差动光强检测与记录模块(3)接收两路电信号，经差动探测后得到差动响应信号，根据差动响应信号得到绝对参考位置和测量位置；
所述第一光程调制与解调模块(2)包括光程扫描模块(21)、第一干涉仪(22)、第二干涉仪(23)、光程调制模块(24)、第一差分探测器(224、225)、第二差分探测器(234、235)；
第一干涉仪(22)接收宽谱光源模块(1)提供的部分输入光信号，所述信号经过光程扫描模块(21)后再输入至第一干涉仪(22)，得到一路白光干涉信号I4；I4由第一差分探测器(224、225)接收并转换为电信号I4d；
第二干涉仪(23)接收宽谱光源模块(1)提供的另一部分输入光信号，所述信号经过光程调制模块(24)后再输入至第二干涉仪(23)，得到另一路白光干涉信号I3，I3由第二差分探测器(234、235)接收并转换为电信号I3d；
第一干涉仪(22)包括第一光纤环形器(221)、第二2×2光纤耦合器(222)、第三2×2光纤耦合器(223)和双路差动光程调节模块(228)；
第二干涉仪(23)包括第二光纤环形器(231)、第四2×2光纤耦合器(232)、第五2×2光纤耦合器(233)；
第一光纤环形器(221)接收宽谱光源模块(1)提供的部分输入光信号并传输至光程扫描模块(21)，光程扫描模块(21)输出光信号输入至第二2×2光纤耦合器(222)，其中一部分信号输出至第二2×2光纤耦合器(222)的第一输出端(226)，经过双路差动光程调节模块(228)引入光程差后作为参考信号输出至第三2×2光纤耦合器(223)；另外一部分信号输出至第二2×2光纤耦合器(222)的第二输出端(236)，作为参考信号输出至第五2×2光纤耦合器(233)；
第二光纤环形器(231)接收宽谱光源模块(1)提供的另一部分输入光信号并传输至光程调制模块(24)，光程调制模块(24)输出光信号输入至第四2×2光纤耦合器(232)，其中一部分信号输出至第四2×2光纤耦合器(232)的第一输出端(227)，作为测量信号输出至第三2×2光纤耦合器(223)，另一部分信号输出至第四2×2光纤耦合器(232)的第二输出端(237)，作为测量信号输出至第五2×2光纤耦合器(233)；
第五2×2光纤耦合器(233)输出白光干涉信号I3，第三2×2光纤耦合器(223)输出白光干涉信号I4；
所述光程扫描模块(21)包括第一光纤准直透镜(211)和轴向扫描镜(212)；第一光纤准直透镜(211)接收的输入光信号经由轴向扫描镜(212)反射后经由第一光纤准直透镜(211)输出。
2.根据权利要求1所述的一种双路白光干涉差动测量装置，其特征在于：
所述光程调制模块(24)包括第二光纤准直透镜(241)和横向二维扫描台(242)，第二光纤准直透镜(241)接收的输入光信号经由横向二维扫描台(242)反射后经由第二光纤准直透镜(241)输出。
3.根据权利要求1所述的一种双路白光干涉差动测量装置，其特征在于：双路差动光强检测与记录模块(3)包括信号采集与处理单元(31)和计算机(32)；信号采集与处理单元(31)接收两路电信号并传输至计算机(32)，计算机(32)利用双路差动算法得到绝对参考位置和测量位置。
4.根据权利要求1所述的一种双路白光干涉差动测量装置，其特征在于：宽谱光源模块(1)包括宽谱光源(11)和第一2×2光纤耦合器(12)，宽谱光源(11)提供输入光信号通过第一2×2光纤耦合器(12)后分为两部分。
5.一种双路白光干涉差动测量方法，其特征在于，基于权利要求1-4任意一项所述的双路白光干涉差动测量装置，包括以下步骤：
步骤1：宽谱光源(11)提供输入光信号，通过第一2×2光纤耦合器(12)后，一部分光注入第一干涉仪(22)，另外一部分光注入第二干涉仪(23)；
步骤2：注入第一干涉仪(22)的输入光信号经过光程扫描模块(21)进行一维扫描，匹配光程使扫描过程中出现完整白光干涉信号；
步骤3：第一干涉仪(22)、第二干涉仪(23)输出的两路白光干涉信号分别由第一差分探测器(224、225)、第二差分探测器(234、235)探测接收，并将光信号转换为电信号，其中第一干涉仪(22)的参考臂信号经双路差动光程调节模块(228)后引入特定大小的光程差；
步骤4：双路差动光强检测与记录模块(3)的信号采集与处理单元(31)对第一差分探测器(224、225)、第二差分探测器(234、235)输出的两路电信号进行采集与记录后，信号传输至计算机(32)；
步骤5：计算机(32)利用双路差动算法得到差动响应信号，定位差动响应信号的过零点位置；
步骤6：光程调制模块(24)中横向二维扫描台(242)对待测样品进行面内平移，利用双路差动算法得到差动响应信号，定位新的差动响应信号的过零点位置；
步骤7：通过计算两个过零点位置之间对应的光程差:获取两不同位置处的高度差，横向二维扫描台(242)二维扫描完成后即可获取待测样品的厚度及表面形貌信息。
6.根据权利要求5所述的一种双路白光干涉差动测量方法，其特征在于：所述双路差动算法具体为：对第一差分探测器(224、225)、第二差分探测器(234、235)输出的两路白光干涉信号依次进行包络提取、归一化、差动相减的操作，得到差动响应信号。
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