CN117190903A - 一种白光干涉成像装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学检测技术领域，公开了一种白光干涉成像装置及方法。白光光源和单色光光源共同耦合经过准直透镜准直；分光棱镜将探测光分为样品光和参考光；参考光经过透镜聚焦于参考镜，参考光经过参考镜的反射沿原路返回；样品光经过色散物镜聚焦于样品，经样品反射回来的样品光经过准直透镜准直后和反射的参考光汇合于分光棱镜，并经过分光棱镜分别进入到两个采集端口；移动平台改变被测样品和参考镜之间的光程差。本发明结合单色光和白光光源，使用两个采集端口接受干涉信号，利用单色光单一波长的性质来调节白光干涉的解调高度，修正泄漏采样点，提高测量精度。解决了目前白光干涉技术采集速度和测量精度相互矛盾的问题。

Description

一种白光干涉成像装置及方法

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种白光干涉成像装置及方法。

背景技术

垂直扫描白光干涉技术已经成为测量物体微观三维形貌的成熟工具，该技术通过样品臂和参考臂之间的相对运动改变等光程点的位置，不同等光程点对应样品表面不同高度，实现对样品的三维形貌成像。每移动一步后用二维面阵相机拍摄干涉条纹的图像并存储到计算机中，记录其相对位置，然后利用干涉测量算法找出图像中每一像素点的相干包络峰值，即零光程差的位置，用该位置作为该点的相对高度，最后通过三维图像重构得到被测物体的表面形貌。目前的方法存在泄漏采样的问题，这就影响了测量的准确性，为避免泄漏采样点问题的发生，往往采用更短步长实现密集采样，但是这种密集采集方法会导致原始采集数据巨大和采集时间过长，甚至会在结果中累积扫描级的位置误差。

为解决测量精度问题，专利“一种面向光纤白光干涉的干涉条纹优化方法”(CN115046470A)提出了一种定量分析面向光纤白光干涉的干涉条纹优化方法，该专利利用白光干涉系统实现，采集组合光源驱动下白光干涉信号，并对该白光干涉信号进行若干次幂指数运算，直至包络峰值提取算法的定位误差小于组合光源等效中心波长的一半，以提高干涉零级条纹和次级条纹的对比度，从而提高白光干涉的检测精度，由于该方法使用迭代运算处理干涉条纹，这会导致需要进行大量的数据运算，后期处理时间大大加长，致使成像效率低。

专利“一种适用于白光扫描干涉的微观形貌快速测量方法”(CN113091634A)对存储的时序干涉图进行自适应中值滤波处理，采用对称搜索法找出时序干涉图中每个像素点最大光强的位置，根据公式初步计算形貌高度信息，再利用七步相移算法提取干涉条纹的相位信息并结合初步计算的结果恢复样品表面形貌。但是相移算法得出的相位包裹在三角函数的正切里，这样会导致相位的不稳定性，影响测量精度，所以需要复杂的解包裹算法对得到的相位进行解包络操作。并且扫描平台采集时间并没有得到减少。所以目前采集时间和检测精度的矛盾是需要解决的问题。

发明内容

目前垂直扫描白光干涉测量技术中，为了达到高精度测量，常常需要短扫描步长和密集采集，这导致采集时间过长，即采集速度和测量精度的矛盾和冲突。本发明提出一种白光干涉成像装置及方法，测量精度不依赖于扫描步长的大小，消除了扫描步长和精度互相制约的限制，可以使用较大的步长实现高精度的成像，提高成像速度。

本发明的技术方案如下：一种白光干涉成像装置，包括白光光源1和单色光光源2、2×2耦合器3、准直透镜4、分光棱镜、透镜、参考镜7、移动平台8、色散物镜9、样品10、滤光片和相机；2×2耦合器3、准直透镜4、色散物镜9、样品10依次布置，准直透镜4、色散物镜9间布置一倾斜的分光棱镜a5；所述分光棱镜a5一侧依次布置透镜a6、参考镜7和移动平台8；参考镜7固定于移动平台8上；所述分光棱镜a5另一侧布置与其平行的分光棱镜b11；分光棱镜b11一侧的两相互垂直方向上设置采集端口，一方向上依次布置滤光片a12、透镜b13和相机a14，组成第一采集端口；另一方向上依次布置滤光片b15、透镜c16和相机b17，组成第二采集端口。

白光光源1和单色光光源2共同经2×2耦合器3耦合，耦合后的光束经过准直透镜4准直为探测光；分光棱镜a5将探测光分为样品光和参考光；参考光经过透镜a6聚焦于参考镜7，参考光经过参考镜7的反射沿原路返回；样品光经过色散物镜9聚焦于样品10，经样品10反射回来的样品光经过准直透镜9准直后和反射的参考光汇合于分光棱镜a5，并经过分光棱镜b11分别进入到两个采集端口；滤光片a12只让单色光通过，第一采集端口采集单色光干涉条纹图；滤光片b15只让白光通过，第二采集端口采集白光干涉条纹图；移动移动平台8改变参考光的光程。

一种白光干涉成像方法，基于白光干涉成像装置实现；移动移动平台8改变参考光的光程，进而改变被测样品10和参考镜7之间的光程差，在参考光进行光程扫描的同时，两个采集端口采集干涉图像；结合两个采集端口采集到的数据进行解调，获得样品10的高度信息。

所述获得样品10的高度信息具体为：

设定样品10上一点(x₀,y₀)，分别成像于相机b17点(x₁,y₁)和相机a14点(x₂,y₂)；设定参考镜7移动位置为z_i，i＝1…N，则相机b17点(x₁,y₁)采集到光强信号为：

式中，I₀为背景光强，z_i表示移动位置，h代表样品表面点(x₀,y₀)高度，λ₀为白光光源中心波长，g(z_i-h)表示为白光干涉信号的包络曲线 l_c表示光源的相干长度，/>Δλ表示白光波长带宽，I(z_i)如图2的实线所示；

计算白光干涉条纹零光程差位置，对采集到的光强信号I(z_i)进行傅里叶变换得：

式中，δ(k)为脉冲函数，G(k)为g(z)的傅里叶变换，中间的*代表卷积；φ是来自反射附加恒定相位；

去除FT[I(z)]中负频率部分，提取正频率部分；将正频率部分进行傅里叶反变换得得到幅值曲线g(z_i-h)，g(z_i-h)如图2的点划线所示；

对幅值曲线g(z_i-h)进行曲线拟合或者通过质心法，计算幅值曲线极大值点对应的坐标h₁，h₁为等光程位置的低精度解，h₁如图2中点竖线所示；

对第一采集端口采集到的单色光光源的干涉条纹图进行曲线拟合，生成余弦函数θ₀是初始相位，λ为单色光波长，I₁(z)如图2点线所示；由于单色光和白光的等光程点坐标相等，由低精度解h₁位于I₁(z)曲线的第N₀周期，计算在I₁(z)的第N₀周期极大值处的横坐标h₀，/>h₀即为样品(x₀,y₀)高度的高精度解；利用同样的方法，计算样品各个点的高度，得到样品的高度分布h(x,y)。

本发明的有益效果：与现有白光干涉技术相比，本发明结合单色光和白光光源，使用两个采集端口接受干涉信号，利用单色光单一波长的性质来调节白光干涉的解调高度，修正泄漏采样点，提高测量精度。本发明所述装置与方法解决了目前白光干涉技术采集速度和测量精度相互矛盾的问题。

附图说明

图1为一种白光干涉成像装置示意图；

图2为解调曲线示意图；

图中：1-白光光源；2-单色光光源；3-2×2耦合器；4-准直透镜；5-分光棱镜a；6-透镜a；7-参考镜；8-移动平台；9-色散物镜；10-样品；11-分光棱镜b；12-滤光片a；13-透镜b；14-相机a；15-滤光片b；16-透镜c；17-相机b。

具体实施方式

白光干涉成像装置如图1所示，白光光源1和单色光光源2进入2×2耦合器3，光束经过准直透镜4准直为探测光，分光棱镜a5将探测光分为样品光和参考光，参考光经过透镜a6聚焦于参考镜7，参考光经过参考镜7的反射沿原路返回。样品光经过色散物镜9聚焦于样品10，反射回来的样品光经过色散透镜9准直后和反射回来的参考光在分光棱镜a5汇合，经过分光棱镜b11分别进入到两个采集端口，由滤光片a12、透镜b13和相机a14构成第一采集端口，由滤光片b15、透镜c16和相机b17构成第二采集端口，第二采集端口收集白光干涉条纹图，第一采集端口记录单色光光源的干涉条纹图。通过移动平台8的移动从而改变被测样品10和参考镜7之间的光程差。计算机结合两个采集端口采集到的数据进行解调。对于本实施例白光光源1采用中心波长为840nm，带宽为40nm的宽带光源；对于本实施例单色光光源2采用波长为632nm的氦氖激光器；对于本实施例2×2光纤耦合器3的分光比为90:10。

采用如下方法获得高度信息，进行成像及测量：

所述获得样品10的高度信息具体为：

设定样品10上一点(x₀,y₀)，分别成像于相机b17点(x₁,y₁)和相机a14点(x₂,y₂)；设定参考镜7移动位置为z_i，i＝1…N，则相机b17点(x₁,y₁)采集到光强信号如图2所示：

式中，I₀为背景光强，z_i表示移动位置，h代表样品表面点(x₀,y₀)高度，λ₀为白光光源中心波长，g(z_i-h)表示为白光干涉信号的包络曲线 l_c表示光源的相干长度，/>Δλ表示白光波长带宽；

计算白光干涉条纹零光程差位置，对采集到的光强信号I(z_i)进行傅里叶变换得：

式中，δ(k)为脉冲函数，G(k)为g(z)的傅里叶变换，中间的*代表卷积；φ是来自反射附加恒定相位；

去除FT[I(z)]中负频率部分，提取正频率部分；将正频率部分进行傅里叶反变换得得到幅值曲线g(z_i-h)；

对幅值曲线g(z_i-h)进行曲线拟合或者通过质心法，计算幅值曲线极大值点对应的坐标h₁，h₁为等光程位置的低精度解；

对第一采集端口采集到的单色光光源的干涉条纹图进行曲线拟合，生成余弦函数θ₀是初始相位，λ为单色光波长；由于单色光和白光的等光程点坐标相等，由低精度解h₁确定等光程位置位于I₁(z)曲线的第N₀周期，计算在该周期I₁(z)极大值处的横坐标h₀，/>h₀即为样品(x₀,y₀)高度的高精度解；

计算样品各个点的高度，得到样品的高度分布h(x,y)。

Claims (3)

1.一种白光干涉成像装置，其特征在于，所述白光干涉成像装置包括白光光源(1)、单色光光源(2)、2×2耦合器(3)、准直透镜(4)、分光棱镜、透镜、参考镜(7)、移动平台(8)、色散物镜(9)、样品(10)、滤光片和相机；2×2耦合器(3)、准直透镜(4)、色散物镜(9)、样品(10)依次布置，准直透镜(4)、色散物镜(9)间布置一倾斜的分光棱镜a(5)；所述分光棱镜a(5)一侧依次布置透镜a(6)、参考镜(7)和移动平台(8)；参考镜(7)固定于移动平台(8)上；所述分光棱镜a(5)另一侧布置与其平行的分光棱镜b(11)；分光棱镜b(11)一侧的两相互垂直方向上设置采集端口，一方向上依次布置滤光片a(12)、透镜b(13)和相机a(14)，组成第一采集端口；另一方向上依次布置滤光片b(15)、透镜c(16)和相机b(17)，组成第二采集端口。

2.根据权利要求1所述的白光干涉成像装置，其特征在于，所述白光光源(1)和单色光光源(2)共同经2×2耦合器(3)耦合，耦合后的光束经过准直透镜(4)准直为探测光；分光棱镜a(5)将探测光分为样品光和参考光；参考光经过透镜a(6)聚焦于参考镜(7)，参考光经过参考镜(7)的反射沿原路返回；样品光经过色散物镜(9)聚焦于样品(10)，经样品(10)反射回来的样品光经过准直透镜(9)准直后和反射的参考光汇合于分光棱镜a(5)，并经过分光棱镜b(11)分别进入到两个采集端口；滤光片a(12)只通过单色光，第一采集端口采集单色光干涉条纹图；滤光片b(15)只通过白光，第二采集端口采集白光干涉条纹图；移动移动平台(8)改变参考光的光程。

3.一种白光干涉成像方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的白光干涉成像装置实现；通过移动移动平台(8)，改变参考光的光程，在参考光进行光程扫描的同时，两个采集端口采集干涉图像；结合两个采集端口采集到的数据进行解调，获得样品(10)的高度信息；

所述获得样品(10)的高度信息具体为：

设定样品(10)上一点(x₀,y₀)，分别成像于相机b(17)点(x₁,y₁)和相机a(14)点(x₂,y₂)；设定参考镜(7)移动位置为z_i，i＝1…N，则相机b(17)点(x₁,y₁)采集到光强信号I(z_i)为：

式中，I₀为背景光强，z_i表示移动位置，h代表样品表面点(x₀,y₀)高度，λ₀为白光光源中心波长，g(z_i-h)表示为白光干涉信号的包络曲线 l_c表示光源的相干长度，/>Δλ表示白光波长带宽；

计算白光干涉条纹零光程差位置，对采集到的光强信号I(z_i)进行傅里叶变换得：

式中，δ(k)为脉冲函数，G(k)为g(z)的傅里叶变换，中间的*代表卷积；φ是来自反射附加恒定相位；

去除FT[I(z)]中负频率部分，提取正频率部分；将正频率部分进行傅里叶反变换得得到幅值曲线g(z_i-h)；

对幅值曲线g(z_i-h)进行曲线拟合或者通过质心法，计算幅值曲线极大值点对应的坐标h₁，h₁为等光程位置的低精度解；

对第一采集端口采集到的单色光光源的干涉条纹图进行曲线拟合，生成余弦函数θ₀是初始相位，λ为单色光波长；由于单色光和白光的等光程点坐标相等，由低精度解h₁确定等光程位置位于I₁(z)曲线的第N₀周期，计算在该周期I₁(z)极大值处的横坐标h₀，/>h₀即为样品(x₀,y₀)高度的高精度解；按照同样的方法计算样品各个点的高度，得到样品的高度分布h(x,y)。