CN117928371A - 一种改进式白光干涉仪及其消除扫描误差的方法 - Google Patents

一种改进式白光干涉仪及其消除扫描误差的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及白光干涉仪领域，公开了一种改进式白光干涉仪，包括光源、参考单元、反射单元、分束单元和采集单元，通过在普通白光干涉仪中加入分光棱镜、带通滤波器和光电二极管，采集到具有更好的空间相干性、时间相干性的单色光干涉信号，成本较低，结构简单容易实现；本发明还公开了一种改进式白光干涉仪消除扫描误差的方法，通过处理光电二极管得到的具有相同相位分布的单色光信号来修正白光干涉信号，消除由参考臂的非匀速运动和环境振动引入的相位误差，用以提高白光干涉测量系统在复杂环境中测量精度和重复性。

Description

一种改进式白光干涉仪及其消除扫描误差的方法
技术领域
本发明涉及白光干涉仪领域，尤其涉及一种改进式白光干涉仪及其消除扫描误差的方法。
背景技术
白光干涉测量系统可提供纳米精度的表面检测，通过压电促动器（PZT）带动的参考镜的前后移动，得到不同光程差下的白光干涉信号，解析白光干涉信号得到物体的表面形貌。光程差的精确程度决定了白光干涉仪测量的精度，因此消除PZT的扫描误差和环境振动的影响对高精度检测至关重要。
理想条件下，PZT扫描位置取决于当前时刻的控制电压，由于压电陶瓷存在迟滞效应，当驱动电压线性变化时，扫描位置是非线性变化的；环境振动为参考臂和样品臂引入不同的振动轨迹，在干涉信号中产生振动噪声。这些相位噪声使白光干涉信号发生畸变，常用的信号解析方法顶点法、重心法、移相算法和傅里叶变换方法都无法有效的避免该噪声的影响，从而降低白光干涉仪的测量精度和稳定性。有相关研究通过使用在白光干涉仪中的参考镜搭建了另一套单色光干涉系统，用于检测参考镜的实际运动位置，或者使用一个电容连接参考镜，通过参考镜带动电容运动，来实时检测参考镜的运动轨迹，再利用反馈调制电路实时补偿参考镜的运动误差；该方法能快速补偿参考镜的运动误差，实时性高但补偿精度不够高，且该方法对环境振动引入的相位噪声无法进行严格的检测与消除。另一种方法是通过算法进行相位误差消除，通过对波数域的相位分布进行特殊处理，或者对白光干涉信号进行拟合，计算和消除信号中的噪声成分，该方法使用方便，但计算量较大，实时性较差。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中无法有效消除干涉仪相位噪声的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种改进式白光干涉仪，包括：
光源，发射白光光束；
参考单元，包括参考镜和控制参考镜运动的压电促动器；
反射单元，包括第一透镜和第一分光棱镜，第一透镜对光源发出的白光光束进行扩束，第一分光棱镜将经过扩束的白光光束分为两路白光光束，一路到达待测物体表面后反射回来，另一路到达参考镜后发射回来，两路反射光束再次经过第一分光棱镜后合束，形成合束白光光束；
分束单元，包括第二分光棱镜，将合束白光光束分为两路白光光束；
采集单元，包括高速相机、带通滤波器和光电二极管，对于分束单元发出的两路白光光束，一路到达高速相机，另一路经过带通滤波器后达到光电二极管。
优选的，参考单元与分束单元之间还设置有共焦系统，对合束白光光束进行滤除背景杂光；所述共焦系统包括第二透镜、第一孔径光阑和第三透镜，其中第二透镜和第三透镜的焦距相同，第一孔径光阑位于第二透镜和第三透镜的焦点处。
优选的，第一孔径光阑的直径为1mm。
优选的，带通滤波器的带宽小于3nm。
优选的，带通滤波器的中心波长为632.8nm、带宽为1nm。
优选的，带通滤波器与光电二极管之间还设置有第二孔径光阑，第二孔径光阑紧贴光电二极管，以遮挡背景光和提高探测的单色光干涉信号的信噪比。
优选的，第二孔径光阑的直径为1mm。
本发明还提供一种改进式白光干涉仪消除扫描误差的方法，基于上述任一改进式白光干涉仪，包括以下步骤：
布置待测物体，启动改进式白光干涉仪使光源发出白光光束，压电促动器控制参考镜运动；
控制高速相机和光电二极管同步工作，高速相机采集白光干涉信号X(t)，光电二极管采集单色光干涉信号，白光干涉信号X(t)和单色光干涉信号均包含由参考镜非匀速运动和环境振动引入的误差Hn(t)，t表示时间；
通过傅里叶变换和傅里叶逆变换从单色光干涉信号中得到实际相位分布；设定一条a0+a1t作为理想相位分布，a0和a1的设置满足理想相位分布与实际相位分布在白光干涉信号X(t)长度范围内相交；
以a0+a1t代替白光干涉信号X(t)的横坐标，使白光干涉信号从X(t)变为X(a0+a1t)，再根据实际相位分布与理想相位分布的误差D(t)对X(a0+a1t)的每个采样点进行平移，获得修复后的白光干涉信号是X[a0+a1t+D(t)]；
利用修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]复原待测物体的表面形貌分布。
优选的，压电促动器加载三角波电压以控制参考镜运动，三角波电压的最大值设定为最大输入电压的80%，三角波的频率小于高速相机采样频率的100倍。
优选的，所述利用修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]复原待测物体的表面形貌分布，具体为：
对修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]进行等间隔插值；
对插值后的白光干涉信号进行傅里叶变换得到波数域相位分布，并进行相位解包裹；
使用最小二乘法对解包裹后的波数域相位分布进行线性拟合，得到斜率k；
通过k/4p得到待测物体的表面形貌分布。
本发明具有如下有益效果：
（1）通过在白光干涉仪中加入分光棱镜和带通滤波器，可以采集到具有更好的空间相干性、时间相干性的单色光干涉信号，成本较低，结构简单容易实现；
（2）通过单色光干涉信号得到包含相位误差的相位分布信息，用以消除白光干涉信号中的相位误差，可在复杂的工作环境下保证白光干涉仪提供较好的测量准确性和重复性；
（3）信号修正算法计算量较小，可保证白光干涉测量具有较好的实时性。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明实施例改进式白光干涉仪的示意图；
图2为本发明实施例消除扫描误差的方法步骤图；
图3为本发明实施例消除扫描误差的详细流程图；
图4为本发明实施例的实际相位分布和理想相位分布的示意图。
具体实施方式
本实施例通过改进迈克尔逊干涉仪及使用算法消除扫描过程中的相位噪声，提高测量精度。通过在干涉信号传输路径中放置分光棱镜和带通滤波器，得到一束和白光干涉信号具有相同相位分布的单色光干涉信号，把从单色光干涉信号中得到的相位分布与设定的理想相位分布相结合，通过算法实现对白光干涉信号的修正，从而消除相位误差的影响，使得白光扫描干涉仪可以适应更加复杂的测量环境，该方法简单方便、易于实现。
参见图1所示，本发明实施例改进式白光干涉仪的示意图，包括白光光源1、第一透镜2、第一分光棱镜3、压电促动器4、待测物体5、参考镜6、第二透镜7、第三透镜8、孔径光阑9、第二分光棱镜10、高速相机11、带通滤光片12、孔径光阑13、光电二极管14，其中，带通滤光片12为带通滤波器的关键作用部件，为使附图直观简约，在图中只体现带通滤光片12。白光光源1发射的光束经过第一透镜2扩束和第一分光棱镜3分束后，分别到达待测物体5和参考镜6并被反射，两束反射光再次经过第一分光棱镜3后合束，经过第二透镜7和第三透镜8和孔径光阑9，第二透镜7和第三透镜8焦距相同，组成一个共焦系统，孔径光阑9直径约1mm，位于第二透镜7和第三透镜8的共同焦点处；光束透镜通过共焦系统滤除背景杂光后，被第二分光棱镜10分为两束光，一束到达高速相机11，当压电促动器4控制参考镜6运动时，高速相机11连续采集受相位调制的白光干涉条纹；另一束光通过带通滤光片12，该带通滤光片的中心波长为632.8nm，带宽是1nm，通过带通滤光片的光被认为是准单色光，该单色光干涉信号经过直径约为1mm的孔径光阑13到达光电二极管14，孔径光阑13紧贴光电二极管14，可以遮挡背景光和提高探测的单色光干涉信号的信噪比，当压电促动器4控制参考镜6运动时，光电二极管14连续采集受相位调制的单色光干涉条纹。
参见图2及图3所示，为本发明实施例消除扫描误差的方法步骤图和详细流程图，方法包括以下步骤：
S201，布置待测物体，启动改进式白光干涉仪使光源发出白光光束，压电促动器控制参考镜运动；
S202，控制高速相机和光电二极管同步工作，高速相机采集白光干涉信号X(t)，光电二极管采集单色光干涉信号，白光干涉信号X(t)和单色光干涉信号均包含由参考镜非匀速运动和环境振动引入的误差Hn(t)；
S203，通过傅里叶变换和傅里叶逆变换从单色光干涉信号中得到实际相位分布；设定一条a0+a1t作为理想相位分布，a0和a1的设置满足理想相位分布与实际相位分布在白光干涉信号X(t)长度范围内相交；
S204，以a0+a1t代替白光干涉信号X(t)的横坐标，使白光干涉信号从X(t)变为X(a0+a1t)，再根据实际相位分布与理想相位分布的误差D(t)对X(a0+a1t)的每个采样点进行平移，获得修复后的白光干涉信号是X[a0+a1t+D(t)]；
S205，利用修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]复原待测物体的表面形貌分布。
具体的，所述S203中，从单色光干涉信号中得到的实际相位分布是包裹的，对其进行相位解包裹后再减去理想相位分布得到相位误差D(t)，相位误差D(t)包含了误差Hn(t)。
具体的，所述S204中，a0=0.05，a1-2.5，实际相位分布和理想相位分布的示意图参见图4所示。
具体的，所述S205具体为：对修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]进行等间隔插值，保证每个周期的采样点数大于等于8；对插值后的白光干涉信号进行傅里叶变换得到波数域相位分布；对波数域相位分布进行相位解包裹后，再使用最小二乘法进行线性拟合，得到斜率k；通过k/4p得到待测物体的表面形貌分布。
可见，本发明可实现光电二极管和高速相机分别采集携带相同相位噪声的单色光干涉信号和白光干涉信号，使用采集到的单色光干涉信号来修正的白光干涉信号，消除Hn(t)对测量结果的影响。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种改进式白光干涉仪，其特征在于，包括：
光源，发射白光光束；
参考单元，包括参考镜和控制参考镜运动的压电促动器；
反射单元，包括第一透镜和第一分光棱镜，第一透镜对光源发出的白光光束进行扩束，第一分光棱镜将经过扩束的白光光束分为两路白光光束，一路到达待测物体表面后反射回来，另一路到达参考镜后发射回来，两路反射光束再次经过第一分光棱镜后合束，形成合束白光光束；
分束单元，包括第二分光棱镜，将合束白光光束分为两路白光光束；
采集单元，包括高速相机、带通滤波器和光电二极管，对于分束单元发出的两路白光光束，一路到达高速相机，另一路经过带通滤波器后达到光电二极管。
2.根据权利要求1所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，参考单元与分束单元之间还设置有共焦系统，对合束白光光束进行滤除背景杂光；所述共焦系统包括第二透镜、第一孔径光阑和第三透镜，其中第二透镜和第三透镜的焦距相同，第一孔径光阑位于第二透镜和第三透镜的焦点处。
3.根据权利要求2所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，第一孔径光阑的直径为1mm。
4.根据权利要求1所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，带通滤波器的带宽小于3nm。
5.根据权利要求1所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，带通滤波器的中心波长为632.8nm、带宽为1nm。
6.根据权利要求1所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，带通滤波器与光电二极管之间还设置有第二孔径光阑，第二孔径光阑紧贴光电二极管，以遮挡背景光和提高探测的单色光干涉信号的信噪比。
7.根据权利要求6所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，第二孔径光阑的直径为1mm。
8.一种改进式白光干涉仪消除扫描误差的方法，基于权利要求1至7任一所述的改进式白光干涉仪，其特征在于，包括以下步骤：
布置待测物体，启动改进式白光干涉仪使光源发出白光光束，压电促动器控制参考镜运动；
控制高速相机和光电二极管同步工作，高速相机采集白光干涉信号X(t)，光电二极管采集单色光干涉信号，白光干涉信号X(t)和单色光干涉信号均包含由参考镜非匀速运动和环境振动引入的误差Hn(t)，t表示时间；
通过傅里叶变换和傅里叶逆变换从单色光干涉信号中得到实际相位分布；设定一条a0+a1t作为理想相位分布，a0和a1的设置满足理想相位分布与实际相位分布在白光干涉信号X(t)长度范围内相交；
以a0+a1t代替白光干涉信号X(t)的横坐标，使白光干涉信号从X(t)变为X(a0+a1t)，再根据实际相位分布与理想相位分布的误差D(t)对X(a0+a1t)的每个采样点进行平移，获得修复后的白光干涉信号是X[a0+a1t+D(t)]；
利用修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]复原待测物体的表面形貌分布。
9.根据权利要求8所述的改进式白光干涉仪消除扫描误差的方法，其特征在于，压电促动器加载三角波电压以控制参考镜运动，三角波电压的最大值设定为最大输入电压的80%，三角波的频率小于高速相机采样频率的100倍。
10.根据权利要求8所述的改进式白光干涉仪消除扫描误差的方法，其特征在于，所述利用修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]复原待测物体的表面形貌分布，具体为：
对修复后的白光干涉信号X[a0+a1t+D(t)]进行等间隔插值；
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