CN115839672A - 一种光学移相干涉检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光学移相干涉检测装置及方法，涉及光学检测技术领域。本发明光学移相干涉检测装置包括一个移相干涉系统和一个谱域干涉系统，使用移动平台使参考镜或样品产生微小随机位移，给参考光和样品光引入随机变化的相移量，同时使用谱域干涉系统检测移相干涉系统中参考镜或样品的整体振动及随机相移量，使用获取的相移量计算样品表面的光程差，得到样品的表面形貌。

Description

一种光学移相干涉检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种光学移相干涉检测装置及方法。

背景技术

相移干涉技术(Phase-shifting interferometry,PSI)基本原理是通过相移器，使样品光和参考光之间产生相移，然后利用相机采集多帧干涉图，利用一定的数学模型得到相位信息，其中压电陶瓷(PZT)为常用的移相设备。对于相移干涉技术而言，相移量精确性是决定测量精度的主要因素，在基于PZT的相移干涉测量过程中，在测量前移相器需要经过严格的标定以保证每次移动的相移量的精确性，对于较大口径样品，常常需使用多个PZT相移器，而且当驱动的参考镜或样品较大时，PZT的相移误差较大；另外，在相移过程中，容易导致产生相移的参考镜或样品振动或者倾斜，这些因素都导致相移量误差较大，影响测量精度；由于需要准确控制相移量，因此产生相移的速度较慢，易受环境干扰影响。采用随机相移算法虽然原理上可以消除对相移器的依赖，但是由于需要从整个干涉图像中计算相移量，计算量较大，而且计算出的相移量的准确性受到CCD探测器的非线性、相位符号翻转、振动造成的相移面倾斜及空气扰动导致的相移量非均匀性等影响，从而降低测量精度。

专利“基于白光干涉光谱的同步相移测量系统与方法”(CN201910395069.1)使用偏振方法引入空间相移，对具有90°相位差的两帧光谱干涉信号进行分析，实现对表面形貌的测量，由于该专利中每一时刻光谱仪只能采集样品表面一个点的干涉光谱，所以需要平移样品，获得样品表面的形貌分布，速度较慢。专利“一种相移干涉测量系统及其波片相移方法”(CN201710533969.9)公开了一种通过调节波片的旋转角度，实现任意相移的相移干涉检测系统，但会因为角度测量的不够精准引入相移误差降低检测精度，同时该专利无法用于不透明样品。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种光学移相干涉检测装置及方法。

一方面，一种光学移相干涉检测装置，由相移干涉系统和谱域干涉系统两部分组成；

所述相移干涉系统包括：激光光源1、准直镜2、分束镜3、参考平晶4、样品5、透镜6、面阵相机7，计算机19以及移动平台20，相移干涉系统探测光24；

所述激光光源1发射激光，经过准直镜2准直变为平行光束，经过分束镜3反射光形成相移干涉系统探测光24，相移干涉系统探测光24透过参考平晶4光照射在样品5表面，移动平台20驱动样品5产生上下微小位移，经样品5的下表面反射的样品光和经参考平晶4上表面反射的参考光穿过分束镜3、透镜6，在面阵相机7形成干涉图像，经面阵相机7采集，将干涉图像传给计算机19处理显示；

所述谱域干涉系统包括：低相干光源8、光纤环形器9、1×3耦合器10、准直器11、准直器12、准直器13、透镜14、透镜15、透镜16、参考物17、光谱仪18，谱域干涉系统探测光束21、22、23；

所述低相干光光源8发射光，光进入光纤环形器9后，再进入1×3耦合器10，被分为三束光，三束光分别经过准直镜11、准直镜12、准直镜13后变为平行光，再分别通过透镜14、透镜15、透镜16，继续透过参考物17，形成谱域干涉系统探测光束21、22、23，光束21、22、23聚焦在样品5上，由样品5的上表面与参考物17下表面反射的光，经原光路回到光纤环形器9中，最后进入到光谱仪18中，由光谱仪18采集干涉光谱，传给计算机19进行解调，计算样品5的相移量；谱域干涉系统和相移干涉系统发出的光照射在样品5表面；

相移干涉系统探测光24为相移干涉系统发出的光照射在样品5表面的位置，谱域干涉系统发出的三束光谱域干涉系统探测光束21、22、23位于24的外围，位于三个对角位置。

另一方面，一种光学移相干涉检测方法，基于前述一种光学移相干涉检测装置实现，具体包括以下步骤：

步骤1：相移干涉系统采集干涉图像：

激光光源1发射激光，经过准直镜2准直变为平行光束，经过分束镜3反射后，形成相移干涉系统探测光24，相移干涉系统探测光24透过参考平晶4后，照射在样品5表面，移动平台20驱动样品5产生微小振动，经样品5的下表面反射的样品光和经参考平晶4上表面反射的参考光穿过分束镜3、透镜6，在面阵相机7形成干涉图像，经面阵相机7采集，将干涉图像传给计算机19处理显示；

步骤2：谱域干涉系统采集干涉光谱：

低相干光光源8发射光，光进入光纤环形器9后，再进入1×3耦合器10，被分为三束光，三束光分别经过准直镜11、准直镜12、准直镜13后变为平行光，再分别通过透镜14、透镜15、透镜16，继续透过参考物17，形成谱域干涉系统探测光束21、22、23，三束光21、22、23聚焦在样品5上，由样品5的上表面与参考物17下表面反射的光，经原光路回到光纤环形器9中，最后进入到光谱仪18中，由光谱仪18采集干涉光谱，传给计算机19进行解调，计算样品5的相移量；

所述步骤1中的面阵相机7和步骤2中的光谱仪18由计算机19同步触发，同步采集相移干涉系统的干涉图像和谱域干涉系统的干涉光谱；

步骤3：设S1、S2和S3表示谱域干涉系统采集的21、22、23三束光在样品5和参考物17表面反射形成的干涉光谱，S1、S2和S3在频域可分，结合干涉光谱的频率和相位，计算出S1、S2和S3的光程差L₁(x₁,y₁,t)、L₂(x₂,y₂,t)、L₃(x₃,y₃,t)，其中(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)表示三个光斑的坐标，t表示t时刻采集的数据；由L₁(x₁,y₁,t)、L₂(x₂,y₂,t)、L₃(x₃,y₃,t)通过平面拟合，得到样品5相对于参考平晶4的相移P(x,y；t)：

P(x,y；t)＝K_c(A(t)x+B(t)y+C(t))/2 (1)

其中，K_c为低相干光源8的中心波数，(x,y)表示样品表面坐标，A(t)，B(t)，C(t)由下式得到：

步骤4：相移干涉系统采集的干涉图像表示为：

其中，I(x,y；t_i)表示t_i时刻采集的干涉图像在(x,y)点的强度，I₀(x,y)表示(x,y)点的背景光强，I'(x,y)表示(x,y)点的调制度数，

表示样品表面在(x,y)点的相位，设置参数a(x,y)＝I₀(x,y)，/>

并省略(x,y)的表述，则有：

I(t_i)＝a+b cos(P(t_i))+c sin(P(t_i)) (4)

则a(x,y)，b(x,y)和c(x,y)由下式得到，M表示一共采集M个移相干涉图像和M个干涉光谱：

由公式5，计算出b(x,y)和c(x,y)，则样品表面轮廓由下式得到，其中unwrap()表示去卷绕函数：

k表示激光光源1的波数。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

本发明提供一种光学移相干涉检测装置及方法，具备以下有益效果：

1、本申请使用谱域干涉系统实时检测相移干涉系统参考平晶和样品之间的相移，不需要使用定量移相器，可以精确获得参考平晶和样品之间的实时相移量，不需要严格控制相移干涉系统的相移，采集速度快，不受环境干扰影响。

2、本申请采用三点检测法，通过平面拟合，计算出参考平晶和样品之间每一点相移，不受参考平晶或样品因振动而产生的倾斜影响。

3、由于可以获得参考平晶和样品之间实时相移量，因此可以避免CCD探测器的非线性、相位符号翻转问题、及空气扰动导致的相移量非均匀性等影响。

附图说明

图1为本发明实施例中一种光学移相干涉检测装置总体图；

其中，1-激光光源，2-准直镜，3-分束镜，4-参考平晶，5-样品，6-透镜，7-相机，8-低相干光光源，9-光纤环形器，10-1×3耦合器，11、12、13-准直器，14、15、16-透镜，17-参考物，18-光谱仪，19-计算机，20-移动平台，21、22、23-谱域干涉系统探测光，24-相移干涉系统探测光。

图2为本发明实施例光斑示意图；

其中5-样品表面，21、22、23-谱域干涉光斑，24-相移干涉光斑。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

一方面，一种光学移相干涉检测装置，如图1所示，由相移干涉系统和谱域干涉系统两部分组成；

所述相移干涉系统包括：激光光源1、准直镜2、分束镜3、参考平晶4、样品5、透镜6、面阵相机7，计算机19以及移动平台20，相移干涉系统探测光24；

如图1所示，激光光源1发射激光，经过准直镜2准直变为平行光束，经过分束镜3反射光形成相移干涉系统探测光24，相移干涉系统探测光24透过参考平晶4光照射在样品5表面，移动平台20驱动样品5产生上下微小位移，经样品5的下表面反射的样品光和经参考平晶4上表面反射的参考光穿过分束镜3、透镜6，在面阵相机7形成干涉图像，经面阵相机7采集，将干涉图像传给计算机19处理显示；

所述谱域干涉系统包括：低相干光源8、光纤环形器9、1×3耦合器10、准直器11、准直器12、准直器13、透镜14、透镜15、透镜16、参考物17、光谱仪18，谱域干涉系统探测光束21、22、23；

如图1所示，低相干光光源8发射光，光进入光纤环形器9后，再进入1×3耦合器10，被分为三束光，三束光分别经过准直镜11、准直镜12、准直镜13后变为平行光，再分别通过透镜14、透镜15、透镜16，继续透过参考物17，形成谱域干涉系统探测光束21、22、23，光束21、22、23聚焦在样品5上，由样品5的上表面与参考物17下表面反射的光，经原光路回到光纤环形器9中，最后进入到光谱仪18中，由光谱仪18采集干涉光谱，传给计算机19进行解调，计算样品5的相移量；光斑位置如图2，谱域干涉系统和相移干涉系统发出的光照射在样品5表面，24为相移干涉系统发出的光照射在样品5表面的位置，谱域干涉系统发出的三束光21、22、23位于24的周边，位于三个对角位置。另一方面，一种光学移相干涉检测方法，基于前述一种光学移相干涉检测装置实现，具体包括以下步骤：

步骤1：相移干涉系统采集干涉图像：

如图1所示，激光光源1发射激光，经过准直镜2准直变为平行光束，经过分束镜3反射后，形成相移干涉系统探测光24，相移干涉系统探测光24透过参考平晶4后，照射在样品5表面，移动平台20驱动样品5产生微小振动，经样品5的下表面反射的样品光和经参考平晶4上表面反射的参考光穿过分束镜3、透镜6，在面阵相机7形成干涉图像，经面阵相机7采集，将干涉图像传给计算机19处理显示；

步骤2：谱域干涉系统采集干涉光谱：

如图1所示，低相干光光源8发射光，光进入光纤环形器9后，再进入1×3耦合器10，被分为三束光，三束光分别经过准直镜11、准直镜12、准直镜13后变为平行光，再分别通过透镜14、透镜15、透镜16，继续透过参考物17，形成谱域干涉系统探测光束21、22、23，三束光21、22、23聚焦在样品5上，由样品5的上表面与参考物17下表面反射的光，经原光路回到光纤环形器9中，最后进入到光谱仪18中，由光谱仪18采集干涉光谱，传给计算机19进行解调，计算样品5的相移量；

所述步骤1中的面阵相机7和步骤2中的光谱仪18由计算机19同步触发，同步采集相移干涉系统的干涉图像和谱域干涉系统的干涉光谱；

步骤3：设S1、S2和S3表示谱域干涉系统采集的21、22、23三束光在样品5和参考物17表面反射形成的干涉光谱，S1、S2和S3在频域可分，结合干涉光谱的频率和相位，计算出S1、S2和S3的光程差L₁(x₁,y₁,t)、L₂(x₂,y₂,t)、L₃(x₃,y₃,t)，其中(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)表示三个光斑的坐标，t表示t时刻采集的数据；由L₁(x₁,y₁,t)、L₂(x₂,y₂,t)、L₃(x₃,y₃,t)通过平面拟合，得到样品5相对于参考平晶4的相移P(x,y；t)：

P(x,y；t)＝K_c(A(t)x+B(t)y+C(t))/2 (1)

其中，K_c为低相干光源8的中心波数，(x,y)表示样品表面坐标，A(t)，B(t)，C(t)由下式得到：

步骤4：相移干涉系统采集的干涉图像表示为：

其中，I(x,y；t_i)表示t_i时刻采集的干涉图像在(x,y)点的强度，I₀(x,y)表示(x,y)点的背景光强，I'(x,y)表示(x,y)点的调制度数，

表示样品表面在(x,y)点的相位，设置参数a(x,y)＝I₀(x,y)，/>

并省略(x,y)的表述，则有：

I(t_i)＝a+b cos(P(t_i))+c sin(P(t_i)) (4)

则a(x,y)，b(x,y)和c(x,y)由下式得到，M表示一共采集M个移相干涉图像和M个干涉光谱：

由公式5，计算出b(x,y)和c(x,y)，则样品表面轮廓由下式得到，其中unwrap()表示去卷绕函数：

k表示激光光源1的波数；

本申请可以获取任意幅干涉图，应用以上算法就可以实现对三维轮廓的检测。

以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本公开的实施例中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离上述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开的实施例中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (3)

1.一种光学移相干涉检测装置，其特征在于，包括相移干涉系统和谱域干涉系统；

所述相移干涉系统包括：激光光源1、准直镜2、分束镜3、参考平晶4、样品5、透镜6、面阵相机7，计算机19以及移动平台20，相移干涉系统探测光24；

所述激光光源1发射激光，经过准直镜2准直变为平行光束，经过分束镜3反射光形成相移干涉系统探测光24，相移干涉系统探测光24透过参考平晶4光照射在样品5表面，移动平台20驱动样品5产生上下微小位移，经样品5的下表面反射的样品光和经参考平晶4上表面反射的参考光穿过分束镜3、透镜6，在面阵相机7形成干涉图像，经面阵相机7采集，将干涉图像传给计算机19处理显示；

所述谱域干涉系统包括：低相干光源8、光纤环形器9、1×3耦合器10、准直器11、准直器12、准直器13、透镜14、透镜15、透镜16、参考物17、光谱仪18，谱域干涉系统探测光束21、22、23；

所述低相干光光源8发射光，光进入光纤环形器9后，再进入1×3耦合器10，被分为三束光，三束光分别经过准直镜11、准直镜12、准直镜13后变为平行光，再分别通过透镜14、透镜15、透镜16，继续透过参考物17，形成谱域干涉系统探测光束21、22、23，光束21、22、23聚焦在样品5上，由样品5的上表面与参考物17下表面反射的光，经原光路回到光纤环形器9中，最后进入到光谱仪18中，由光谱仪18采集干涉光谱，传给计算机19进行解调，计算样品5的相移量；谱域干涉系统和相移干涉系统发出的光照射在样品5表面。

2.根据权利要求1所述的一种光学移相干涉检测装置，其特征在于，所述相移干涉系统探测光24为相移干涉系统发出的光照射在样品5表面的位置，谱域干涉系统发出的三束光谱域干涉系统探测光束21、22、23位于24的外围，位于三个对角位置。

3.一种光学移相干涉检测方法，基于权利要求1所述的一种光学移相干涉检测装置实现，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：相移干涉系统采集干涉图像：

激光光源1发射激光，经过准直镜2准直变为平行光束，经过分束镜3反射后，形成相移干涉系统探测光24，相移干涉系统探测光24透过参考平晶4后，照射在样品5表面，移动平台20驱动样品5产生微小振动，经样品5的下表面反射的样品光和经参考平晶4上表面反射的参考光穿过分束镜3、透镜6，在面阵相机7形成干涉图像，经面阵相机7采集，将干涉图像传给计算机19处理显示；

步骤2：谱域干涉系统采集干涉光谱：

低相干光光源8发射光，光进入光纤环形器9后，再进入1×3耦合器10，被分为三束光，三束光分别经过准直镜11、准直镜12、准直镜13后变为平行光，再分别通过透镜14、透镜15、透镜16，继续透过参考物17，形成谱域干涉系统探测光束2l、22、23，三束光谱域干涉系统探测光束2l、22、23聚焦在样品5上，由样品5的上表面与参考物17下表面反射的光，经原光路回到光纤环形器9中，最后进入到光谱仪18中，由光谱仪18采集干涉光谱，传给计算机19进行解调，计算样品5的相移量；

所述步骤1中的面阵相机7和步骤2中的光谱仪18由计算机19同步触发，同步采集相移干涉系统的干涉图像和谱域干涉系统的干涉光谱；

步骤3：设Sl、S2和S3表示谱域干涉系统采集的谱域干涉系统探测光束2l、22、23三束光在样品5和参考物17表面反射形成的干涉光谱，S1、S2和S3在频域可分，结合干涉光谱的频率和相位，计算出S1、S2和S3的光程差L₁(x₁，y₁，t)、L₂(x₂,y₂，t)、L₃(x₃,y₃，t)，其中(x₁,y₁)、(x₂,y₂)、(x₃,y₃)表示三个光斑的坐标，t表示t时刻采集的数据；由L₁(x₁，y₁，t)、L₂(x₂,y₂,t)、L₃(x₃,y₃,t)通过平面拟合，得到样品5相对于参考平晶4的相移P(x，y；t)：

P(x，y；t)＝K_c(A(t)x+B(t)y+C(t))/2 (1)

其中，K_c为低相干光源8的中心波数，(x，y)表示样品表面坐标，A(t)，B(t)，C(t)由下式得到：

步骤4：相移干涉系统采集的干涉图像表示为：

其中，I(x，y；t_i)表示t_i时刻采集的干涉图像在(x，y)点的强度，I₀(x，y)表示(x，y)点的背景光强，I′(x，y)表示(x,y)点的调制度数，

表示样品表面在(x,y)点的相位，设置参数a(x，y)＝I₀(x，y)，

并省略(x，y)的表述，则有：

I(t_i)＝a+b cos(P(t_i))+c sin(P(t_i)) (4)

则a(x，y)，b(x，y)和c(x，y)由下式得到，M表示一共采集M个移相干涉图像和M个干涉光谱：

由公式5，计算出b(x，y)和c(x，y)，则样品表面轮廓由下式得到，其中unwrap()表示去卷绕函数：

k表示激光光源1的波数。

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