CN116399244A - 基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置 - Google Patents
基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116399244A CN116399244A CN202310509623.0A CN202310509623A CN116399244A CN 116399244 A CN116399244 A CN 116399244A CN 202310509623 A CN202310509623 A CN 202310509623A CN 116399244 A CN116399244 A CN 116399244A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spectrum
- lambda
- positioning
- dark spot
- distribution
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 50
- 238000004441 surface measurement Methods 0.000 title claims abstract description 15
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 89
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 57
- 238000005286 illumination Methods 0.000 claims abstract description 19
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 10
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 51
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims description 41
- 101000726148 Homo sapiens Protein crumbs homolog 1 Proteins 0.000 claims description 19
- 102100027331 Protein crumbs homolog 1 Human genes 0.000 claims description 19
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 17
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 9
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- 208000036357 GUCY2D-related recessive retinopathy Diseases 0.000 claims description 7
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims description 4
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 4
- 238000007476 Maximum Likelihood Methods 0.000 claims description 3
- 238000013507 mapping Methods 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 claims description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 7
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 abstract description 3
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 6
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 5
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 230000002902 bimodal effect Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 101100327149 Arabidopsis thaliana CCB1 gene Proteins 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 description 1
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
- G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
- G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
- G01B11/0608—Height gauges
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明公开了一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，该方法对宽谱激光光源进行波前相位调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面法线方向的不同高度上；被测量的物体表面法线的镜面法线方向上接受光辐射，根据接收到的光辐射确定强度最高的波长；构造光谱暗斑分布，依次轮流照明样品，进行一次或多次光谱暗斑定位，确定精确的中心波长；根据中心波长来确定被测物体表面的高度。本发明光源使用宽谱激光，使系统光能利用率更高且易于相位调制；使用相位调制对照明光进行调制，有利于减小系统的轴外相差以获得更高的分辨率；光谱暗斑定位方法有利于在成像信号较弱时获得更高的成像定位精度。
Description
技术领域
本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置。
背景技术
在光学仪器和半导体器件等精密器件的生产中，非接触的表面三维测量是重要且必要的。在光学测量方法中，利用色差的测量方案可以在不进行轴向扫描的情况下获得物体表面的轴向位置信息，实现快速的三维测量。这个方案的实现基于的原理是，当色散后的光打在物体表面上，对不同波长的光的反射对应不同的轴向位置信息，故可以通过对探测到的光谱进行分析，确定物体表面高度。
在此前的研究中，一种新颖的方法已被发掘，通过将不同波长的光以照明调制的形式聚焦在待测面法线方向上，可以精准地实现对物体表面高度的测量。这个方法有效地避免了内部漫反射所导致的误差。但是，该方法测量的精度有限，无法为精度要求较高的测量任务提供更为可靠和精确的解决方案。并且通过色散部件实现将不同波长的光聚焦在被测面的法线方向上往往较为困难且效果不佳。
发明内容
本发明目的在于针对现有技术的不足，实现一种高分辨率的非接触式表面测量的方法，以及实现这个方法的装置。
本发明涉及一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，该方法具体步骤如下：
S1、对宽谱激光光源进行波前相位调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面法线方向的不同高度上；
S2、从被测量的物体表面法线的镜面反射方向上接受光辐射，根据接收到的光辐射确定强度最高的波长λc0；
S3、在λc0附近选取k个位置构造光谱暗斑，依次照明样品，进行一次或多次光谱暗斑定位，确定精确的中心波长λfinal；
S4、根据中心波长λfinal来确定被测物体表面的高度。
进一步地，所述光谱暗斑定位方法具体为：
一个光谱暗斑的光谱分布为I(λ-λc)，这个暗斑关于λ＝λc对称且在λ＝λc处有极小值，即定义这个光谱暗斑位置为λc，宽度为W；
在定位过程中，选取至少2个点进行定位，对于选取的k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，在这些光谱暗斑位置采集到的信号光子数分别为n0,n1,n2……nk-1，总光子数为N；
这些位置上暗斑光谱分布记为:
Ii(λ)＝I(λ-λi),i＝0,1,2……k-1；
定义每个位置的分布系数为:
则根据上述信息可以计算得到定位分布的概率函数(似然函数)：
通过最大似然估计法取得分布概率最高的光谱位置λMLE：
该式在k＝2取两个点的时候会有两个解，k＝3时才有唯一解；
对应的定位精度σCRB为：
进一步地，单次光谱暗斑定位的具体操作方法为：
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的光谱暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为F0,F1,F2……Fk-1，信号强度F与光子数n成正比；根据信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1；对于单次定位λc1即为最终的λfinal。
进一步地，多次光谱暗斑定位的具体操作方法为：
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为F0,F1,F2……Fk-1，信号强度F与光子数n成正比；根据信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1；
以λc1为下一次暗斑定位的中心波长，基于定位精度σCRB1设置下一次扫描最大宽度，例如以L2＝3σCRB1为下一次扫描最大宽度，重复上述操作，进行暗斑定位的迭代，选取的光谱暗斑位置个数k保持不变；迭代的终止为迭代了指定次数或第s次获得的σCRBs值小于精度要求时停止，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。
进一步地，计算时需要代入的I(λ)为暗斑光谱分布，需要通过预先标定得到。暗斑光谱分布为需要在中心处有极小值的光谱分布曲线，关于中心对称，且在中心两侧的光谱曲线单调；光谱分布中心处的极小值与整个分布最大值的比值越大，在同样信号强度的情况下定位精度更差；关于中心对称性不佳的光谱分布曲线仍然可以用于定位，但是会影响定位精度。
进一步地，选取的光谱暗斑位置是在(λc0-L1/2,λc0+L1/2]的范围内等间隔的选取k个点，λ0＝λc0-L1/2,λk-1＝λc0+L1/2；
其中，第一次选取的最大宽度L1根据需求选取，对于单次光谱暗斑定位操作，L1越大则定位精度σCRB1数值越大，L1越大则定位精度σCRB1数值越小。对于多次光谱暗斑定位操作，L1越大则达到相同定位精度所需的迭代次数越多。
进一步地，所述构造k个光谱暗斑依次轮流照明样品中，曝光方式为采取固定检测的曝光时间或采取极短的曝光时间并多次曝光；
所述采取固定检测的曝光时间为所有k个位置以设定的较长的固定曝光时间各探测一次，以k次探测结果的光强总和作为总光子数N的计算依据，或以k次探测结果的光子数总和作为总光子数N；
所述采取极短的曝光时间并多次曝光为以设定的极短的的固定曝光时间依次轮流重复扫描这k个点，直到累计的光子数总和达到固定值N，用于在信号更弱的情况下更快的达到较高定位精度。
进一步地，所述S4具体为通过标定或计算手段获得光波长与高度的映射关系，从而根据测得的λfinal计算出待测样品高度。
根据本发明说明书的第二方面，提供了一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量装置，该装置包括：宽谱激光光源、光谱暗斑调制单元、相位调制单元、相位恢复单元、检测器和信号处理单元；
所述光谱暗斑调制单元为实现构造光谱强度分布上的光谱暗斑的器件；该单元对入射的照明光源的光谱分布进行调制，构造不同位置的光谱强度分布上的光谱暗斑；
所述相位调制单元为实现对光源进行波前位相编码的器件；对光源进行波前位相位编码，使得不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面的法线方向的不同高度上；
所述相位恢复单元从被测量的物体接受光辐射，并将被调制的相位恢复为平行光进入检测器；
所述检测器为实现对探测信号光谱分布进行检测的检测元件或多个元件组合成的检测模块；
所述信号处理单元对检测到的不同波长探测光的强度进行分析，根据检测结果对光谱暗斑调制单元进行控制。
进一步地，当检测器中的核心探测元件使用不检测光谱信号而只给出探测到的光子数的单点探测元件时，使用多个元件组合成的检测模块实现所述检测器的功能。检测模块中使用50％分束镜将相位恢复单元后的信号分为光强相等的两束，在其中一路中加入一片透射光谱函数单调的滤波片，两束光分别入射到两个参数完全相同的单点探测元件第一检测元件和第二检测元件上；用第一检测元件和第二检测元件采集到的信号做比，比值信号即强度最高的波长的透射率，因此获得光谱分布强度最高的波长λc0。
本发明的有益效果是：
本发明的光源使用宽谱激光，是波长连续的相干光源，使系统光能利用率更高且易于相位调制；
本发明使用相位调制的方法对照明光进行调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面的法线方向的不同高度，相对于现有的色散元件实现该操作更易于实现，无需定制，成本更低，便于系统调整，有利于减小系统的轴外相差以获得更高的分辨率和信噪比；
本发明引入了光谱暗斑定位的方法，有利于在成像信号较弱时获得更高的成像定位精度，并且能减小装置中不同波长的光通过器件时反射或透射效率不一致带来的对定位精度的影响。
附图说明
图1为光谱暗斑的光谱分布示意图；
图2为装置总体示意图；
图3为当检测器为单点探测器时可采用的装置构架；
图4为使用反射式相位调制器件的相位调制单元；
图5为使用透射式相位调制器件的相位调制单元；
图6为使用反射式相位调制器件的相位恢复单元；
图7为使用透射式相位调制器件的相位恢复单元。
具体实施方式
以下结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细说明。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
本发明方法的具体步骤如下：
S1、对宽谱激光光源进行波前相位调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面法线方向的不同高度上；
S2、从被测量的物体表面法线的镜面反射方向上接受光辐射，根据接收到的光辐射确定强度最高的波长λc0；
S3、在λc0附近选取k个位置构造光谱暗斑，依次照明样品，进行一次或多次光谱暗斑定位，确定精确的中心波长λfinal；
S4、根据中心波长λfinal来确定被测物体表面的高度。
其中，光谱暗斑定位方法原理具体为：
考虑一个光谱暗斑的光谱分布为I(λ-λc)，这个暗斑关于λ＝λc对称且在λ＝λc处有极小值。我们即定义这个暗斑位置为λc，宽度为W。如图1所示为光谱暗斑的两种可能的光谱分布示意图，表示在光谱暗斑中光强按波长的分布。图1左图为在中心处有极小值的双峰曲线的光谱分布，图1右图为仅在中心凹陷的曲线的光谱分布。
在定位过程中，选取多个点(至少2个)进行定位。对于选取的k个暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，定义在这些位置采集到的信号光子数分别为n0,n1,n2……nk-1，总光子数为N。
这些位置上暗斑光谱分布记为:
Ii(λ)＝I(λ-λi),i＝0,1,2……k-1。 (1)
定义每个位置的分布系数为:
则根据上述信息可以计算得到定位分布的概率函数(似然函数)：
通过最大似然估计法(MLE)取得分布概率最高的光谱位置λMLE：
注意，该式在k＝2取两个点的时候会有两个解，k＝3时才有唯一解。
对应的定位精度σCRB为：
单次光谱暗斑定位的具体操作方法为：
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0，λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的光谱暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为F0,F1,F2……Fk-1，信号强度F与光子数n成正比。根据这组信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1。对于单次定位λc1即为最终的λfinal。
多次光谱暗斑定位的具体操作方法为：
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取k个暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，通过光谱暗斑调制单元构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为F0,F1,F2……Fk-1，信号强度F与光子数n成正比。根据这组信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1。以λc1为下一次暗斑定位的中心波长，基于定位精度σCRB1设置下一次扫描最大宽度，例如以L2＝3σCCB1为下一次扫描最大宽度，重复上述操作，进行暗斑定位的迭代，选取的暗斑位置个数k保持不变。迭代的终止为迭代了指定次数或第s次获得的σCRBs值小于精度要求时停止，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。
其中，计算时需要代入的I(λ)为暗斑光谱分布，需要通过预先标定得到。该暗斑光谱分布需要为在中心处有极小值的光谱分布曲线，并需要尽可能的关于中心对称。光谱分布为在中心处有极小值的双峰曲线或为仅在中心凹陷的曲线(如图1)，只要在中心两侧的光谱曲线单调，都能够实现本方法的点位效果。中心处的极小值为0最佳，达不到0也仍然可以用于定位，只是光谱分布中心处的极小值与整个分布最大值的比值(定义为暗斑对比度)越大，在同样信号强度的情况下定位精度更差。关于中心对称性不佳的光谱分布曲线仍然可以用于定位，但是会影响定位精度。
其中，选取的暗斑位置是在[λc0-L1/2,λc0+L1/2]的范围内等间隔的选取k个点，λ0＝λc0-L1/2,λk-1＝λc0+L1/2。对于一维的光谱，一般来说选取k＝2或3。k＝2时扫描速度更快但可能出现不唯一解的情况，此时λ0＝λc0-L1/2,λ1＝λc0+L1/2。k＝3则保证了定位的唯一性，此时λ0＝λc0-L1/2,λ1＝λc0，λ2＝λc0+L1/2。
其中，第一次选取的最大宽度L1可以根据需求选取，对于单次光谱暗斑定位操作，L1越大则定位精度σCRB1数值越大，L1越大则定位精度σcRB1数值越小，但是过小的L1可能导致暗斑定位时丢失被定位的目标。对于多次光谱暗斑定位操作，L1越大则达到相同定位精度所需的迭代次数越多，但是过小的L1可能同样导致第一次暗斑定位时丢失被定位的目标。
其中，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的光谱暗斑依次轮流照明样品步骤，可以采取固定检测的曝光时间，所有k个位置各探测一次，以k次探测结果的光强总和作为总光子数N的计算依据；也可以选择极短的曝光时间，依次轮流扫描这k个点，直到累计的光强总和达到固定值N。后一种方法可以在信号更弱的情况下更快的达到较高定位精度。
为了实现本发明所属的方法，本发明提供的成像装置如图2所示，其中包括彼此分离的照明调制模块100和探测调制模块120。照明调制模块包括宽谱激光光源101，光谱暗斑调制单元102和相位调制单元103；探测调制模块包括相位恢复单元121和检测器122；信号检测单元130连接了宽谱激光光源101，光谱暗斑调制单元102和检测器122。
在检测过程中，从宽谱激光光源101出射的激光，经过最开始不进行任何调制的光谱暗斑调制单元102，进入相位调制单元103。相位调制单元103通过对照明光波前编辑的方式实现相位调制，使来自宽谱激光光源101的不同波长的光聚焦在待测样品110表面的法线方向的不同高度上。照明调制模块100聚焦在待测样品110表面法线方向不同高度上的照明光，其中高度与待测样品110高度一致的波长的光被被测表面反射，进入到探测调制模块120。相位恢复单元121其位置与相位调制单元103关于被测表面法线对称，并且使用与相位调制单元103对称的光波前编辑器件。探测信号进入相位恢复单元121后被编辑为平行光，进入检测器122。检测器122将收集到的光谱信号转换为光谱分布的电信号，传递给信号处理单元130。信号处理单元130对收集到的探测信号光谱进行分析，获得光谱分布强度最高的波长λc0。
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取3个暗斑位置，记为λ0＝λc0-L1/2,λ1＝λc0，λ2＝λc0+L1/2。通过信号处理单元130控制光谱暗斑调制单元102构造中心位于λ0,λ1,λ2的暗斑，以同样的曝光时间t照明样品并分别由检测器122采集三个光谱分布信号，每个采集收集到的光谱强度分布的积分(即不同波长强度之和)记为F0,F1,F2，信号强度F与光子数n成正比，比例系数可由预先标定得到。将这组信号强度换算的光子数n0,n1,n2代入式(3)，计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1。
对于单次定位λc1即为最终的λfinal。如希望进行迭代提高定位精度，则以λc1为下一次暗斑定位的中心波长，以L2＝3σCRB1为下一次扫描最大宽度，仍然选取三个暗斑位置重复上述操作，进行暗斑定位的迭代。迭代的终止可以是迭代了指定次数s，也可以是第s次获得的σCRBs值小于精度要求时停止，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。
相位调制单元103将不同波长的光聚焦在在待测样品110表面的法线方向的具体高度上，我们可以通过标定或计算等手段获得光波长与高度的映射关系，从而根据测得的λfinal计算出待测样品110高度h。
其中，光谱暗斑调制单元102为声光可调滤光器(AOTF)，可调谐滤光片等可以实现构造光谱强度分布上的光谱暗斑的器件。
其中，相位调制单元103和相位恢复单元121中实现相位编辑的元件为空间光调制器(SLM)，数字微镜阵列(DMD)，反射或透射式菲涅尔掩膜板或透镜等可以实现对光源进行波前位相编码的器件。
其中，检测器可以为具有光谱分辨能力的探测器如彩色CCD或者光谱仪。
图3中的系统给出了当检测器中的核心探测元件使用不检测光谱信号而只给出探测到的光子数的单点探测元件如PMT或APD时，一种可以现实本方法的系统设计。在这种情况下我们用50％分束镜201将相位恢复单元121后的信号分为光强相等的两束，在其中一路中加入一片透射光谱函数单调的滤波片202，两束光分别入射到两个参数完全相同的单点探测元件第一检测元件203和第二检测元件204上。由于滤波片202的透射光谱函数是单调的，即透射率与波长由一一对应的关系，所以我们用第一检测元件203和第二检测元件204采集到信号做比，这个比值信号即强度最高的波长的透射率，我们因此可以获得光谱分布强度最高的波长λc0。
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取3个暗斑位置，记为λ0＝λc0-L1/2,λ1＝λc0，λ2＝λc0+L1/2。通过信号处理单元130控制光谱暗斑调制单元102构造中心位于λ0,λ1,λ2的暗斑，以同样的曝光时间t照明样品并分别由第二检测元件204采集三个光子计数信号记为n0,n1,n2。将这组光子数n0,n1,n2代入式(3)，计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1。对于单次定位λc1即为最终的λfinal。如进行迭代提高定位精度，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。
如希望在成像信号较弱时有更好的成像效果，则对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取3个暗斑位置，记为λ0＝λc0-L1/2,λ1＝λc0，λ2＝λc0+L1/2。通过信号处理单元130控制光谱暗斑调制单元102构造中心位于λ0,λ1,λ2的暗斑，以较短的曝光时间t0对三个暗斑位置轮流进行曝光，并同时分别由第二检测元件204采集三个光子计数信号并不断累积，记为n0,n1,n2，轮流进行曝光直至累积的光子数n0,n1,n2之和达到设定的固定光子总数N。将这组光子数n0,n1,n2代入式(3)，计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1。对于单次定位λc1即为最终的λfinal。如进行迭代提高定位精度，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。所述极短的曝光时间为小于固定检测的曝光时间一个数量级。
图4为使用第一反射式相位调制器件302的相位调制单元。第一反射式相位调制器件302可以是SLM或DMD等能实现波前相位编码的反射式元件。宽谱激光光源101经过光谱暗斑调制单元102后需以平行光入射相位调制单元103。在相位调制单元103中，入射光经由第一反射镜301打在反射式相位调制器件302上，调制后的光经由第二反射镜303入射到第一物镜304中，被第一物镜304聚焦在待测样品110表面的法线方向的不同高度上。在相位调制单元103中，第一反射镜301和第二反射镜303的作用是尽可能让入射光以小角度入射第一反射式相位调制器件302。
图5为使用透射式相位调制器件的相位调制单元。透射式相位调制器件可以是菲涅尔波带片等能实现波前相位编码的透射式元件。宽谱激光光源101经过光谱暗斑调制单元102后需以平行光入射相位调制单元103，打在第二反射式相位调制器件401上，调制后的光入射到第二物镜402中，被第二物镜402聚焦在待测样品110表面的法线方向的不同高度上。
图6为使用第三反射式相位调制器件503的相位恢复单元121。第三反射式相位调制器件503可以是SLM或DMD等能实现波前相位编码的反射式元件。被被测表面反射的照明光进入到相位恢复单元121中，被第三物镜501收集后经由第三反射镜502打在第三反射式相位调制器件503上，调制后经由第四反射镜504入射到会聚透镜505上，最终被聚焦到检测器122上。在相位调制单元121中，第三反射镜502和第四反射镜504的作用是尽可能让入射光以小角度入射第三反射式相位调制器件503。第三反射式相位调制器件503被设置为与相位调制单元103中的相位调制器件对称，无论该相位调制器件为反射式还是透射式。
图7为使用透射式相位调制器件的相位恢复单元121。透射式相位调制器件可以是菲涅尔波带片等能实现波前相位编码的透射式元件。被测表面反射的照明光进入到相位恢复单元121中，被第四物镜601收集后打在第四反射式相位调制器件602上，调制后入射到会聚透镜603上，最终被聚焦到检测器122上。第四反射式相位调制器件602被设置为与相位调制单元103中的相位调制器件对称，无论该相位调制器件为反射式还是透射式。
以上示意图仅做原理示意，实际系统中为了光路扩束、转折、偏振调制等所需的透镜、反射镜及偏振片并未画出，需根据实际系统需求及应用场景进行调整。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，该方法具体步骤如下：
S1、对宽谱激光光源进行波前相位调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面法线方向的不同高度上；
S2、从被测量的物体表面法线的镜面反射方向上接受光辐射，根据接收到的光辐射确定强度最高的波长λc0；
S3、根据强度最高的波长λc0选取k个位置构造光谱暗斑，依次照明样品，进行一次或多次光谱暗斑定位，确定精确的中心波长λfinal；
S4、根据中心波长λfinal来确定被测物体表面的高度。
2.根据权利要求1所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，所述光谱暗斑定位方法具体为：
一个光谱暗斑的光谱分布为I(λ-λc)，这个暗斑关于λ＝λc对称且在λ＝λc处有极小值，即定义这个光谱暗斑位置为λc，宽度为W；
在定位过程中，选取至少2个点进行定位，对于选取的k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，在这些光谱暗斑位置采集到的信号光子数分别为n0,n1,n2……nk-1，总光子数为N；
这些位置上暗斑光谱分布记为：
Ii(λ)＝I(λ-λi),i＝0,1,2……k-1；
定义每个位置的分布系数为：
则根据每个位置的分布系数计算得到定位分布的概率函数：
通过最大似然估计法取得分布概率最高的光谱位置λMLE：
该式在k＝2取两个点的时候会有两个解，k＝3时才有唯一解；
对应的定位精度σCRB为：
3.根据权利要求2所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，单次光谱暗斑定位的具体操作方法为：
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的光谱暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为F0,F1,F2……Fk-1，信号强度F与光子数n成正比；根据信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1；对于单次定位λc1即为最终的λfinal。
4.根据权利要求2所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，多次光谱暗斑定位的具体操作方法为：
对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为L1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为F0,F1,F2……Fk-1，信号强度F与光子数n成正比；根据信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σCRB1；
以λc1为下一次暗斑定位的中心波长，基于定位精度σCRB1设置下一次扫描最大宽度，重复上述操作，进行暗斑定位的迭代，选取的光谱暗斑位置个数k保持不变；迭代的终止为迭代了指定次数或第s次获得的σCRBs值小于精度要求时停止，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。
5.根据权利要求1所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，暗斑光谱分布I(λ)需要通过预先标定得到；暗斑光谱分布需要在中心处有极小值的光谱分布曲线，关于中心对称，且在中心两侧的光谱曲线单调；光谱分布中心处的极小值与整个分布最大值的比值越大，在同样信号强度的情况下定位精度更差；关于中心对称性不佳的光谱分布曲线仍然能够用于定位，但是会影响定位精度。
6.根据权利要求2所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，选取的光谱暗斑位置是在[λc0-L1/2,λc0+L1/2]的范围内等间隔的选取k个点，λ0＝λc0-L1/2,λk-1＝λc0+L1/2；
其中，第一次选取的最大宽度L1根据需求选取，对于单次光谱暗斑定位操作，L1越大则定位精度σCRB1数值越大，L1越大则定位精度σCRB1数值越小；对于多次光谱暗斑定位操作，L1越大则达到相同定位精度所需的迭代次数越多。
7.根据权利要求1所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，所述构造k个光谱暗斑依次轮流照明样品中，曝光方式为采取固定检测的曝光时间或采取极短的曝光时间并多次曝光；
所述采取固定检测的曝光时间为所有k个位置以设定的固定曝光时间各探测一次，以k次探测结果的光强总和作为总光子数N的计算依据，或以k次探测结果的光子数总和作为总光子数N；
所述采取极短的曝光时间并多次曝光为以设定的极短的固定曝光时间依次轮流重复扫描这k个点，直到累计的光子数总和达到固定值N，用于在信号更弱的情况下更快的达到较高定位精度，所述极短的曝光时间为小于固定检测的曝光时间一个数量级。
8.根据权利要求1所述的一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，其特征在于，所述S4具体为通过标定或计算手段获得光波长与高度的映射关系，从而根据测得的λfinal计算出待测样品高度。
9.一种用于实现权利要求1-8任一项所述方法的基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量装置，其特征在于，该装置包括：宽谱激光光源、光谱暗斑调制单元、相位调制单元、相位恢复单元、检测器和信号处理单元；
所述光谱暗斑调制单元为实现构造光谱强度分布上的光谱暗斑的器件；该单元对入射的照明光源的光谱分布进行调制，构造不同位置的光谱强度分布上的光谱暗斑；
所述相位调制单元为实现对光源进行波前位相编码的器件；对光源进行波前位相位编码，使得不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面的法线方向的不同高度上；
所述相位恢复单元从被测量的物体接受光辐射，并将被调制的相位恢复为平行光进入检测器；
所述检测器为实现对探测信号光谱分布进行检测的检测元件或多个元件组合成的检测模块；
所述信号处理单元对检测到的不同波长探测光的强度进行分析，根据检测结果对光谱暗斑调制单元进行控制。
10.根据权利要求9所述的基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量装置，其特征在于，当检测器中的核心探测元件使用不检测光谱信号而只给出探测到的光子数的单点探测元件时，使用多个元件组合成的检测模块实现所述检测器的功能；使用50％分束镜将相位恢复单元后的信号分为光强相等的两束，在其中一路中加入一片透射光谱函数单调的滤波片，两束光分别入射到两个参数完全相同的单点探测元件第一检测元件和第二检测元件上；用第一检测元件和第二检测元件采集到的信号做比，比值信号即强度最高的波长的透射率，因此获得光谱分布强度最高的波长λc0。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310509623.0A CN116399244A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310509623.0A CN116399244A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116399244A true CN116399244A (zh) | 2023-07-07 |
Family
ID=87007667
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310509623.0A Pending CN116399244A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116399244A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117969677A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 之江实验室 | 基于编码相位成像的声场探测方法、系统、设备、介质 |
-
2023
- 2023-05-08 CN CN202310509623.0A patent/CN116399244A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117969677A (zh) * | 2024-03-28 | 2024-05-03 | 之江实验室 | 基于编码相位成像的声场探测方法、系统、设备、介质 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10393657B2 (en) | SPR detection system and method | |
| US7495762B2 (en) | High-density channels detecting device | |
| CN112648926B (zh) | 一种线聚焦彩色共焦三维表面高度测量装置及方法 | |
| CN107942338B (zh) | 一种基于数字微镜器件的多波长关联成像系统 | |
| JP4090860B2 (ja) | ３次元形状測定装置 | |
| CN109724955B (zh) | 一种基于激发配准的塔姆耦合出射角测算方法与装置 | |
| JP2022541364A (ja) | スペクトル共焦点測定装置及び測定方法 | |
| CN116399244A (zh) | 基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置 | |
| CN115684079A (zh) | 一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统 | |
| JP2022165355A (ja) | 撮像装置 | |
| CN111220088B (zh) | 测量系统和方法 | |
| TWI798614B (zh) | 光學臨界尺寸與光反射組合裝置、系統及方法 | |
| CN112556584A (zh) | 一种薄膜厚度微区成像的检测装置及方法 | |
| CN107329373B (zh) | 一种套刻误差测量装置及方法 | |
| CN113984715A (zh) | 相干断层扫描装置及方法 | |
| WO2022116412A1 (zh) | 一种点阵光谱测量装置、面阵色度测量装置及方法 | |
| KR20110041175A (ko) | 파장 검출기 및 이를 갖는 광 간섭 단층 촬영 장치 | |
| CN110243760B (zh) | 线域频域光学相干层析系统及其纵向坐标标定方法 | |
| CN114018157A (zh) | 一种光谱共焦的面阵位移测量装置、测量方法及标定方法 | |
| CN110793942B (zh) | 基于彩色相机的二维材料形貌快速表征系统和方法 | |
| CN210294038U (zh) | 线域频域光学相干层析检测及纵向坐标标定装置 | |
| JPS6271804A (ja) | 膜厚測定装置 | |
| CN111664805A (zh) | 超光谱线扫描3d测量装置及测量方法 | |
| CN218823919U (zh) | 一种高灵敏度和高信噪比的瞬态吸收光谱测量系统 | |
| CN216955721U (zh) | 一种大动态范围光谱透射率测量装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |