CN114485429A - 一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置及方法，包括干涉测量系统和控制处理模块；干涉测量系统包括光纤激光器、单模保偏光纤、双胶合透镜、起偏器、偏振分光棱镜、四分之一波片、平面反射镜、压电陶瓷、检偏器、显微物镜、成像镜和相机；所述的控制处理模块包括移相控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块；移相控制模块与压电陶瓷相连，通过控制加载电压实现固定步长的微小位移，从而引入移相量；图像采集模块与相机相连，每次移相之后采集一张待测薄膜生长干涉图，在获取一组移相干涉图后，将数据传输至干涉图数据分析处理模块进行分析。利用本发明，可以有效且高精度的对稀有气体结晶薄膜的生长高度进行实时计算。

Description

一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置及方法

技术领域

本发明属于光学精密检测技术领域，尤其是涉及一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置及方法。

背景技术

自1936年在观察宇宙射线过程中发现缪子以来，缪子科学取得了长足的发展。近年来，利用能量在零到几十keV之间的低能缪子(LE-u⁺)开辟了缪子基础与应用学科研究的新领域。例如，通过使用LE-u⁺作为显微探针，可以研究薄膜、多层结构或者表面中的局部磁场，并且通过改变其能量，可以实现不同深度的探测。

在产生LE-u⁺的各种方法中，最有效简单且有效的方法是对高能缪子束进行慢化。当中子源产生的高能缪子束经过有冷基底箔跟冷凝范德华气体(稀有气体或氮气)薄膜组成的慢化层后，将有10^-5-10^-4的入射粒子能量降低为10eV，可作为LE-u⁺的来源。为了提高慢化的效率，对冷凝气体层的厚度分布精准控制尤为重要，因此需要高精度冷凝薄膜测量技术，实时测量气体结晶厚度分布。

待测稀有气体形成的结晶薄膜尺寸约1mm甚至更小，对其高度进行非接触和高精度测量的常见手段为移相干涉显微镜，在进行干涉检测过程中，系统获得的原始数据是各生长时间对应的干涉图，要实现实时高度监控，必须要选用高效的干涉图处理算法。通常，对于单一时刻获取的干涉图相位连续化处理算法复杂度最高，主要分为路径跟踪算法和路径无关算法两大类，前者计算时间较短，但是容易出现跳变，影响测量精度；后者计算时间较长，测量精度较高。除此之外，无论选用哪种相位连续化处理算法，计算结果都是相对相位值，在进行高度换算时，需要结合相应的系统特征和其他辅助算法进行校准。综上，所有算法步骤相互配合，可以得到单一时刻的高度计算结果，再综合分析相邻两时刻的高度数据，即可得到高度监控结果。但是此过程无法分析薄膜生长边缘存在跳变引起的高度测试不准确这种情况。

如公开号为CN112577433A的中国专利文献公开了一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法，可以有效的对氢同位素结晶生长高度进行实时计算，但是其只对氢同位素具有较好的测量效果，对于其他稀有气体(如氦气)并不能做到高精度的实时测量。

因此，需要对现有的装置进行一定的改进，从而得到更加有效且高精度的装置，并配合相应的算法实现气体结晶薄膜生长高度的实时计算与准确测量。

发明内容

本发明提供了一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置及方法，可以有效且高精度的对稀有气体结晶薄膜的生长高度进行实时计算。

一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置，包括干涉测量系统和控制处理模块；

所述的干涉测量系统安装在铝合金底板上，包括光纤激光器、单模保偏光纤、双胶合透镜、起偏器、偏振分光棱镜、四分之一波片、平面反射镜、压电陶瓷、检偏器、显微物镜、成像镜、相机；

光纤激光器产生的激光经过单模保偏光纤出射，发散高斯光束经双胶合透镜后变为汇聚光波，经过起偏器传输至偏振分光棱镜，通过偏振分光棱镜分成参考路和检测路两路光线；

其中，参考路的垂直偏振光反射经过四分之一波片，再由显微物镜准直为平行光，之后经过平面反射镜反射后，沿原路返回，再次经过四分之一波片至偏振分光棱镜，此时已转变为水平偏振光，将直接透射经过偏振分光棱镜，作为参考光；另一路水平偏振光透射经过偏振分光棱镜与四分之一波片，再经过同型号显微物镜准直为平行光，之后经过照射到待测的薄膜表面，透射经过薄膜在基底表面反射，沿原路返回，再次经过四分之一波片至偏振分光棱镜，此时已转变为垂直偏振光，被偏振分光棱镜反射，作为检测光；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检偏器后发生干涉，最后由成像镜成像于相机处；所述的平面反射镜设置在压电陶瓷上；

所述的控制处理模块包括移相控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块；移相控制模块与压电陶瓷相连，通过控制加载电压实现固定步长的微小位移，从而引入移相量；图像采集模块与相机相连，每次移相之后采集一张待测薄膜生长干涉图，在获取一组移相干涉图后，将数据传输至干涉图数据分析处理模块进行分析。

进一步地，所述的光纤激光器采用633nm短相干光。

一种气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，使用上述气体结晶薄膜生长高度实时测量装置，包括以下步骤：

步骤1，在开始生长高度监控之前，选择薄膜初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量；

步骤2，在监控时间节点，使用四步移相干涉测量方法，在较短的时间间隔内获得等间隔相位差的四个薄膜表面干涉图；

步骤3，通过实时处理，结合基底背景光强信息，实时精确地计算出该时刻监控点的相位ΔΦ(t)及监控点绝对高度H(x,y)。

进一步地，步骤1中，监控时间间隔设置在1-10s之间。

进一步地，步骤2中，使用四步移相干涉测量方法时，四步移相时间间隔控制在50ms以内。

优选地，步骤2中，等间隔相位差的四个薄膜表面干涉图为：相位差为0，π/2，π，3π/2的薄膜表面干涉图。

步骤3的具体过程如下：

(3-1)解调相位计算高度分布：采用透射式测量，根据两路光程差关系计算得到薄膜表面高度分布h(x,y)与干涉图相位

的对应关系，如下：

式中，λ为光纤激光器的检测光波长，为633nm，n为检测目标稀有气体氩气结晶折射率，为1.29；

(3-2)去除基准面形：在进行薄膜高度测量时，对基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，作为基准面形在薄膜生长高度测量结果中去除；

(3-3)时序监控记录单点相位变化：监控薄膜生长最高点位置(x₀,y₀)，以远小于生长速度的时间间隔获取两组四步移相干涉图，可计算点(x₀,y₀)与其N×N邻域内各点(x_i,y_i)的相位变化均值

具体表达式为：

式中，ΔI_ab(t,x_i,y_i)＝I_a(t,x_i,y_i)-I_b(t,x_i,y_i)，下标a，b代表干涉系统四步移相得到的四幅干涉图；

(3-4)被动抗振：应用被动抗振算法统计相邻两帧之间背景基底区域像素光强均值的波动情况，计算得到每一帧因系统振动引起的相位变化ΔΦ_V(t)，具体计算表达式如下：

式中，I_ia为背景区域第i个像素的光强值，角标a代表四步移相得到的四幅干涉图；去除振动后的相位变化值为ΔΦ(t)，具体表达式如下：

(3-5)监控点绝对高度计算：记0时刻监控点的相位为Φ(0)，则监控点T时刻的绝对高度H_T根据公式(1)～(4)得到：

(3-6)基底背景与薄膜区域分割：在监控T时刻手动选择基底背景中的一个像素点(x_r,y_r)，计算该点的高度值h(x_r,y_r)，并用四步移相计算得到的高度分布减去h(x_r,y_r)，得到修正后的高度分布，此时背景高度应该在零值附近；

区域分割方法采用双阈值判定法，根据薄膜高度分布特征设置合适的梯度阈值δ₁和绝对阈值δ₂，构造二值矩阵，数值为1代表薄膜生长区域，数值为0代表背景区域；具体阈值条件如下：

(3-7)薄膜高度计算结果：在T时刻应用式(1)处理干涉图得到监控点(x₀,y₀)的高度，记为h_T，则薄膜生长区域的高度修正量为H_T-h_T；结合前述步骤可得薄膜的绝对高度分布。

步骤(3-7)中，薄膜的绝对高度分布如下：

式中，h(x,y)代表T时刻应用公式(1)计算得到的结晶高度分布，h(x_r,y_r)代表所选基底背景中像素点(x_r,y_r)的高度值。

本发明的装置及方法，可实现对稀有气体结晶薄膜生长高度非接触式实时监控，消除生长基底强反射光及结晶生长过程相位跳变等对常见干涉显微系统的影响，实现高精度实时干涉测量气体结晶薄膜生长高度。

附图说明

图1为本发明一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置示意图；

图2为本发明方法应用于测量水滴蒸发实验的结果图。

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，一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置，包括干涉测量系统和控制处理模块。

干涉测量系统中，光纤激光器1作为光源，选用633nm短相干光，以测量过程中多个光学表面引入杂散条纹的影响；光源发出的激光经单模保偏光纤2入射到整个干涉系统，为发散高斯光束，经双胶合透镜3后变为汇聚光波，经过起偏器4传输至偏振分光棱镜5。其中，垂直偏振光将反射经过四分之一波片6，再由显微物镜7准直为平行光，之后经过平面反射镜8反射后，沿原路返回，再次经过四分之一波片6至偏振分光棱镜5，此时已转变为水平偏振光，将直接透射经过棱镜，作为参考光；另一路水平偏振光透射经过偏振分光棱镜5与四分之一波片6，再经过同型号的显微物镜7准直为平行光，之后经过照射到薄膜14表面，其生长于平面基底15上，透射经过待测薄膜14在基底15表面反射，沿原路返回，再次经过四分之一波片6至偏振分光棱镜5，此时已转变为垂直偏振光，将被棱镜反射，作为检测光。两路光波再次通过偏振分光棱镜5和检偏器10后，发生干涉，并经过成像镜11成像在相机12上。整个干涉测量系统均安装在铝合金底板13上。

控制处理模块包括移相控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块；移相控制模块与压电陶瓷9相连，通过控制加载电压实现固定步长的微小位移，从而引入移相量；图像采集模块与相机相连，每次移相之后采集一张待测薄膜生长干涉图，在获取了一组移相干涉图后，将数据传输至干涉图数据分析处理模块进行分析。

利用上述装置进行气体结晶薄膜生长高度实时测量的方法如下：

步骤1，在开始生长高度监控之前，选择薄膜初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量。

步骤2，在监控时间节点，使用四步移相干涉测量方法，在较短的时间间隔内获得相位差为0，π/2，π，3π/2的薄膜干涉图。

为体现实时性，此步骤中监控时间间隔设置在1-10s之间，四步移相时间间隔控制在50ms以内。由于气体结晶薄膜初期生长极其缓慢，步骤1和2操作速度较快，在这段时间内薄膜边缘不会出现跳变，由此引入的误差可忽略不计。

步骤3，通过实时处理，结合基底背景光强信息，实时精确地计算出该时刻监控点的相位ΔΦ(t)及监控点绝对高度H(x,y)。

该方法结合了四步移相、被动抗振、时序监控以及波面相位连续化处理等算法，最终可根据公式(1)-(7)计算得到该时刻的ΔΦ(t)及监控点绝对高度H(x,y)。

图2展示了本发明方法应用于测量水滴蒸发实验的结果，其中左图是水滴原始干涉图，右图是本发明方法处理得到的三维高度图，选用的实验数据是干涉测量系统拍摄记录的水滴蒸发过程干涉图，其逆过程与薄膜生长过程类似，同样也会出现边缘跳变情况。实际处理结果和与直接读取条纹信息估算的水滴高度相符，可以证明本发明方法具备所述功能。

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。

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 (8)

1.一种气体结晶薄膜生长高度实时测量装置，其特征在于，包括干涉测量系统和控制处理模块；

所述的干涉测量系统安装在铝合金底板(13)上，包括光纤激光器(1)、单模保偏光纤(2)、双胶合透镜(3)、起偏器(4)、偏振分光棱镜(5)、四分之一波片(6)、平面反射镜(8)、压电陶瓷(9)、检偏器(10)、显微物镜(7)、成像镜(11)、相机(12)；

光纤激光器(1)产生的激光经过单模保偏光纤(2)出射，发散高斯光束经双胶合透镜(3)后变为汇聚光波，经过起偏器(4)传输至偏振分光棱镜(5)，通过偏振分光棱镜(5)分成参考路和检测路两路光线；

其中，参考路的垂直偏振光反射经过四分之一波片(6)，再由显微物镜(7)准直为平行光，之后经过平面反射镜(8)反射后，沿原路返回，再次经过四分之一波片(6)至偏振分光棱镜(5)，此时已转变为水平偏振光，将直接透射经过偏振分光棱镜(5)，作为参考光；另一路水平偏振光透射经过偏振分光棱镜(5)与四分之一波片(6)，再经过同型号显微物镜(7)准直为平行光，之后经过照射到待测的薄膜(14)表面，透射经过薄膜(14)在基底(15)表面反射，沿原路返回，再次经过四分之一波片(6)至偏振分光棱镜(5)，此时已转变为垂直偏振光，被偏振分光棱镜(5)反射，作为检测光；两束光波两次通过四分之一波片(6)后偏振态转换，再依次通过偏振分光棱镜(5)和检偏器(10)后发生干涉，最后由成像镜(11)成像于相机(12)处；所述的平面反射镜(8)设置在压电陶瓷(9)上；

所述的控制处理模块包括移相控制模块、图像采集模块、干涉图数据分析处理模块；移相控制模块与压电陶瓷(9)相连，通过控制加载电压实现固定步长的微小位移，从而引入移相量；图像采集模块与相机(12)相连，每次移相之后采集一张待测薄膜生长干涉图，在获取一组移相干涉图后，将数据传输至干涉图数据分析处理模块进行分析。

2.根据权利要求1所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量装置，其特征在于，所述的光纤激光器采用633nm短相干光。

3.一种气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，其特征在于，使用权利要求1或2所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量装置，包括以下步骤：

步骤1，在开始生长高度监控之前，选择薄膜初始位置背景上一点作为参考点，用于区域分割的基准，设定好监控时间间隔后，开始进行测量；

步骤2，在监控时间节点，使用四步移相干涉测量方法，在较短的时间间隔内获得等间隔相位差的四个薄膜表面干涉图；

步骤3，通过实时处理，结合基底背景光强信息，实时精确地计算出该时刻监控点的相位ΔΦ(t)及监控点绝对高度H(x,y)。

4.根据权利要求3所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，其特征在于，步骤1中，监控时间间隔设置在1-10s之间。

5.根据权利要求3所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，其特征在于，步骤2中，使用四步移相干涉测量方法时，四步移相时间间隔控制在50ms以内。

6.根据权利要求3所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，其特征在于，步骤2中，等间隔相位差的四个薄膜表面干涉图为：相位差为0，π/2，π，3π/2的薄膜表面干涉图。

7.根据权利要求3所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，其特征在于，步骤3的具体过程如下：

(3-1)解调相位计算高度分布：采用透射式测量，根据两路光程差关系计算得到薄膜表面高度分布h(x,y)与干涉图相位

的对应关系，如下：

式中，λ为光纤激光器的检测光波长，为633nm，n为检测目标稀有气体氩气结晶折射率，为1.29；

(3-2)去除基准面形：在进行薄膜高度测量时，对基底干涉条纹对应的相位进行分析，拟合出其倾斜系数，作为基准面形在薄膜生长高度测量结果中去除；

(3-3)时序监控记录单点相位变化：监控薄膜生长最高点位置(x₀,y₀)，以远小于生长速度的时间间隔获取两组四步移相干涉图，可计算点(x₀,y₀)与其N×N邻域内各点(x_i,y_i)的相位变化均值

具体表达式为：

式中，ΔI_ab(t,x_i,y_i)＝I_a(t,x_i,y_i)-I_b(t,x_i,y_i)，下标a，b代表干涉系统四步移相得到的四幅干涉图；

(3-4)被动抗振：应用被动抗振算法统计相邻两帧之间背景基底区域像素光强均值的波动情况，计算得到每一帧因系统振动引起的相位变化ΔΦ_V(t)，具体计算表达式如下：

式中，I_ia为背景区域第i个像素的光强值，角标a代表四步移相得到的四幅干涉图；去除振动后的相位变化值为ΔΦ(t)，具体表达式如下：

(3-5)监控点绝对高度计算：记0时刻监控点的相位为Φ(0)，则监控点T时刻的绝对高度H_T根据公式(1)～(4)得到：

(3-6)基底背景与薄膜区域分割：在监控T时刻手动选择基底背景中的一个像素点(x_r,y_r)，计算该点的高度值h(x_r,y_r)，并用四步移相计算得到的高度分布减去h(x_r,y_r)，得到修正后的高度分布，此时背景高度应该在零值附近；

区域分割方法采用双阈值判定法，根据薄膜高度分布特征设置合适的梯度阈值δ₁和绝对阈值δ₂，构造二值矩阵，数值为1代表薄膜生长区域，数值为0代表背景区域；具体阈值条件如下：

(3-7)薄膜高度计算结果：在T时刻应用式(1)处理干涉图得到监控点(x₀,y₀)的高度，记为h_T，则薄膜生长区域的高度修正量为H_T-h_T；结合前述步骤可得薄膜的绝对高度分布。

8.根据权利要求7所述的气体结晶薄膜生长高度实时测量方法，其特征在于，步骤(3-7)中，薄膜的绝对高度分布如下：

式中，h(x,y)代表T时刻应用公式(1)计算得到的结晶高度分布，h(x_r,y_r)代表所选基底背景中像素点(x_r,y_r)的高度值。

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