CN206311061U - 一种多波长可调谐显微干涉的测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种多波长可调谐显微干涉的测量装置。多波长可调谐激光器经调控同步或分时输出三路波长可调谐激光信号，经合束光纤复合为一路复合激光信号，聚焦耦合至匀速旋转的毛玻璃片表面，再经准直扩束镜后成为平行光入射至分束器表面，反射进入干涉显微物镜后，照射至载物台上的被测元件表面，其反射信号再依次通过干涉显微物镜和分束器，经成像镜头耦合至彩色相机靶面，由计算机实现对输出信号的调控和对采集数据的同步控制。该装置借助多个不同波长的单波长可调谐激光器模块，实现光学移相和多波长干涉检测，尤其适用于对面形变化复杂、非连续的微结构元件的快速、精确测量，可有效抑制因机械部件扫描移动引入的测量误差。

Description

一种多波长可调谐显微干涉的测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种多波长可调谐显微干涉测量的装置，属于先进制造与检测技术领域。

背景技术

在光电系统的设计与研制过程中，常常需要用到多种不同类型和材质的光学元件来改善系统性能。其中一些元件(如光栅)的表面存在着由机械加工、等离子体刻蚀、喷镀涂层等工艺过程形成的复杂微结构；其形貌分布不仅体现元件的外在特征，同时也与诸如硬度、残余应力、使用寿命、微观物理性能等内在特性密切相关。为了有效地加工上述器件，使之更好地满足光电系统的设计与应用要求，需要对其表面形貌进行精密检测，从而为预评估与控制其相关性能提供帮助。近十多年以来，针对光学元件表面微结构形貌的超精密检测技术得到了广泛的重视与研究。

在种类众多的检测方法中，具有全场测量、高精度等特点的显微光干涉测试技术尤其适合光学元件微观形貌的精密检测。在传统的显微干涉测量中，多以单色性较好的激光作为光源，结合移相干涉术，测量精度可达亚纳米量级。然而，在测量过程中要求相邻被测点的光程差小于四分之一波长，因而只能进行小量程的相对测量。这在一定程度上制约了激光显微干涉测试技术在表面具有复杂微结构(如阶梯状)的元器件三维形貌复原方面的应用。

一种针对传统单波长激光显微干涉的改进途径是使用两个或多个不同中心波长的单波长激光器代替原有光源，即双/多波长干涉测量技术。其借助等效波长的概念，使用时域相位展开策略，能够大大拓展系统的动态可测范围，避免面形测量过程中的二义性现象，实现对目标形貌的绝对测量。与单波长干涉测试相类似，为了获得较为精确的面形测量结果，移相术常常被应用于双/多波长干涉测量中。然而传统的移相方法，无论是空间域上的分光路移相，还是时间域上借助微位移器的顺序移相，系统复杂度均有所提高，且存在包括系统复杂、移相器定标等在内的问题。

基于短相干光源的显微光干涉测试技术，特别是白光显微干涉，由于其使用的光源相干长度较短，具有唯一的零光程差位置，可以进行绝对度量，克服了传统单波长激光显微干涉中光源的问题，常用于复杂微结构的高精度检测。虽然白光显微干涉具有上述优点，但其对复杂面形的绝对测量需要借助价格昂贵的高精度微位移器(如压电陶瓷堆，PZT)沿轴向扫描实现，扫描越精密，面形测量精度越高。从而导致整个测量时间较长，仅适用于静态物面的检测，且扫描过程中对外界的气流扰动、震动等较为敏感，系统的结构也较为复杂、成本较高。

相比之下，基于波长调谐的移相法通过改变激光的中心波长实现移相。激光器既作为光源，又起到移相器的作用，无需推动硬件实现移相，简化了系统的机械结构，消除了由于硬件移相而引起的误差，避免了白光显微干涉的扫描问题，提高了系统的测量精度。虽然波长调谐移相法具有上述显著优点，但该技术主要还是采用单波长激光器，应用于元件宏观面形(特别是大口径光学元件面形)的检测。目前，针对光学件表面微结构形貌，结合双/多波长干涉测量的超精密检测技术还未见报道。

发明内容

本实用新型针对现有精确测量微结构表面三维形貌技术存在的不足，提供一种无需机械扫描部件，能够实现对微结构表面，特别是面形变化复杂、非连续的微结构元件快速、精确测量的多波长可调谐显微干涉的测量装置。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术解决方案是提供一种多波长可调谐显微干涉的测量装置，包括多波长可调谐激光器、合束光纤、毛玻璃片、准直扩束镜、分束器、干涉显微物镜、载物台、成像镜头、彩色相机、数据传输控制线、计算机、波长调谐控制器；所述多波长可调谐激光器由三个单波长可调谐激光器模块构成，经波长调谐控制器的调控，同步或分时输出红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号，经合束光纤复合为一路复合激光信号，聚焦耦合至匀速旋转的毛玻璃片表面；毛玻璃片位于准直扩束镜的前焦点位置，所述的复合激光透过毛玻璃片经准直扩束镜后成为平行光入射至分束器表面；所述分束器将平行激光反射进入干涉显微物镜，并照射至载物台上的被测元件表面，由被测面反射回的激光信号再依次通过干涉显微物镜和分束器，经成像镜头耦合至彩色相机靶面；所述准直扩束镜、分束器、干涉显微物镜、成像镜头和彩色相机之间呈共光路结构；所述计算机经数据传输控制线与波长调谐控制器、彩色相机相连，实现对多波长可调谐激光器输出信号的调控和对彩色相机采集传输图像数据的同步控制。

本实用新型所述的合束光纤为三合一单模光纤，与多波长可调谐激光器输出端级联，将输出端的红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号合束为一路，并聚焦耦合至准直扩束镜前焦点位置上的毛玻璃片表面。

所述的干涉显微物镜为Mirau、Michelson或Linik型干涉显微物镜。

所述的彩色相机为彩色三芯片CCD或CMOS相机。

与现有技术相比，本实用新型的显著优点在于：测量装置无需机械扫描部件，借助多个不同波长的单波长可调谐激光器模块，实现光学移相和多波长干涉检测，从而完成对微结构表面，特别是面形变化复杂、非连续的微结构元件的快速、精确测量，可有效抑制因机械部件扫描移动引入的测量误差。

附图说明

图1为本实用新型提供的一种多波长可调谐显微干涉的测量装置的结构示意图；

其中：1、多波长可调谐激光器；2、合束光纤；3、毛玻璃片；4、准直扩束镜；5、分束器；6、Mirau显微物镜；7、载物台；8、被测元件；9、成像镜头；10、彩色相机；11、数据传输控制线；12、计算机；13、波长调谐控制器；1-1、红色波长可调谐激光器模块；1-2、绿色波长可调谐激光器模块；1-3、蓝色波长可调谐激光器模块。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型技术方案作进一步详细说明。

实施例1

参见附图1，它为本实施例提供的多波长可调谐显微干涉的测量装置的结构示意图。测量装置包括多波长可调谐激光器1、合束光纤2、毛玻璃片3、准直扩束镜4、分束器5、干涉显微物镜6、载物台7、成像镜头9、彩色相机10、数据传输控制线11、计算机12、波长调谐控制器13。多波长可调谐激光器1经波长调谐控制器13的调控，同步或分时输出红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号，并通过合束光纤2复合为一路光信号聚焦耦合至匀速旋转的毛玻璃片3表面；毛玻璃片3位于准直扩束镜4的前焦点位置，复合激光透过毛玻璃片3经准直扩束镜4后成为平行光入射至分束器5表面；分束器5将平行激光反射进入干涉显微物镜6，并照射至载物台7上的被测元件8表面，由被测面8反射回的激光信号再依次通过干涉显微物镜6和分束器5，经成像镜头9耦合至彩色相机10靶面；载物台7的位置可沿轴向和径向改变，使得位于其上的被测元件8处于干涉显微物镜6的零光程差位置；准直扩束镜4、分束器5、干涉显微物镜6、成像镜头9和彩色相机10之间呈共光路结构；计算机12经数据传输控制线11与波长调谐控制器13、彩色相机10相连，利用基于Visual C++6.0编译器开发的软件实现对多波长可调谐激光器1输出信号的调控和对彩色相机10采集传输图像数据的同步控制。

在本实施例中，多波长可调谐激光器1由三个单波长可调谐激光器模块构成，分别为红色1-1、绿色1-2和蓝色1-3，并通过波长调谐控制器13对其进行调控，可同步(或分时)输出红、绿、蓝色三路波长可调谐的激光信号；合束光纤2为三合一单模光纤，与多波长可调谐激光器1输出端级联，将输出端的红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号合束为一路，并聚焦耦合至准直扩束镜4前焦点位置上的毛玻璃片3表面；干涉显微物镜6为Mirau型干涉显微物镜；彩色相机10为彩色三芯片CCD相机。

将附图1所示的多波长可调谐显微干涉的测量装置各部件连接并调整：先将多波长可调谐激光器1与合束光纤2、毛玻璃片3级联，并使得毛玻璃片3、准直扩束镜4、分束器5、干涉显微物镜6、载物台7、成像镜头9、彩色相机10呈共光路结构依次耦合衔接，毛玻璃片3位于准直扩束镜4的前焦点位置、被测元件8位于干涉显微物镜6的零光程差位置、彩色相机10聚焦于待测面8；再将多波长可调谐激光器1、波长调谐控制器13和计算机12之间通过数据传输控制线11按序连接；彩色相机10与计算机12之间由数据传输控制线11相接。

采用上述测量装置对被测物进行测量时，其测量方法包括以下步骤：

第一步，多波长可调谐移相干涉条纹图的获取：根据选用移相算法的要求，计算机12通过数据传输控制线11连接波长调谐控制器13，利用基于Visual C++6.0编译器开发的软件调控多波长可调谐激光器1的三个模块，同步改变各模块输出激光波长，产生相应的移相量；波长调谐控制器13在调控激光波长变化的同时输出触发信号，经计算机12和数据传输控制线11传输至彩色相机10，利用基于Visual C++6.0编译器开发的软件使得相机10同步采集各帧经被测元件8反射形成的多波长移相干涉条纹图，并将其通过数据传输控制线11传输至计算机12存储和处理；

移相技术包括空间移相和时间移相，移相步数和移相量在满足一定条件下可自由选择。根据移相量是否为已知恒定值，移相算法又可分为定步长移相算法、等步长移相算法和变步长移相算法。在本实施例中，移相算法采用时域等步长移相，通过改变激光的中心波长实现移相量的引入。彩色相机10采集到的各帧多波长移相干涉条纹图的光强分布如下式(1)：

其中，(x,y)为彩色相机10靶面上的图像坐标，h(x,y)为被测元件8的三维面形分布，λ_m表示第m个可调谐激光器模块输出激光的中心波长，m＝1,2,3，A_m(x,y)和B_m(x,y)分别表示各波长干涉条纹图的背景分量和条纹调制度，δ_m,n为第n步的移相量，δ_m,n＝2πn/N，n＝0,1,…,N-1，N为相移步数(N＝4)。

第二步，多波长可调谐移相干涉条纹图的解调：计算机12对获得的条纹图像进行解调，经基于多波长可调谐移相的解相方法得到与被测面8对应的各波长包裹相位分布，再经基于迭代优化的多波长可调谐移相的相位展开处理得到与被测面8相关的各波长绝对相位分布，最终恢复出被测元件8的三维形貌。

在本实施例中，采用基于多波长可调谐移相的解相方法恢复与被测面8对应的各波长包裹相位分布与移相量，主要包括以下三个步骤：

①像素间迭代确定包裹相位分布

假设已知移相量δ_m,n的准确值，并且干涉条纹图的背景分量和条纹调制度仅随空间坐标而变化，即有如下的式(2)所示：

I_m,n(x,y)＝a_m(x,y)+b_m(x,y)·cos(δ_m,n)+c_m(x,y)·sin(δ_m,n) (2)

其中，a_m(x,y)＝A_m(x,y)， 根据最小二乘原理，式(2)中待求未知参数[a_m(x,y)b_m(x,y)c_m(x,y)]^T可由下式(3)计算得到：

从而，与被测元件8表面形貌相关的各波长包裹相位分布为如下式(4)：

φ_m(x,y)＝arctan[-c_m(x,y)/b_m(x,y)] (4)

②移相条纹图帧间迭代确定移相量

假设干涉条纹图的背景分量和条纹调制度仅与移相序列有关(即帧内不变，帧间变化)，并且已知包裹相位分布φ_m(x,y)，则原各帧多波长移相干涉条纹图的光强表达为式(5)所示：

I_m,n(x,y)＝a_m,n+b_m,n·cos[φ_m(x,y)]+c_m,n·sin[φ_m(x,y)] (5)

其中，a_m,n＝A_m(x,y)，b_m,n＝B_m(x,y)·cos(δ_m,n)，c_m,n＝-B_m(x,y)·sin(δ_m,n)。根据最小二乘原理，式(5)中待求未知参数[a_m,n b_m,n c_m,n]^T可由下式(6)计算得到：

其中，P表示每帧移相条纹图内的有效像素数。准确的帧间移相量即为式(7)所示：

δ_m,n＝arctan[-c_m,n/b_m,n] (7)

③迭代与收敛

重复步骤①和②，直到步骤②计算所得帧间移相量满足以下式(8)收敛条件时迭代结束：

其中，k表示迭代次数，ε为迭代收敛精度(可设定为0.00001)。当上述算法迭代收敛后，可求解出较为精确的各波长包裹相位分布φ_m(x,y)、移相量δ_m,n、背景分量A_m(x,y)和条纹调制度B_m(x,y)。

在本实施例中，采用基于迭代优化的多波长可调谐移相的相位展开方法对获得的各波长包裹相位分布进行处理，从而得到与被测元件8表面形貌相关的绝对相位分布。该算法包括以下步骤：

(1)根据红色1-1、绿色1-2、蓝色1-3三个可调谐激光器模块的中心波长名义值λ_m，结合解调出的各个波长下的包裹相位分布φ_m(x,y)，利用标准的多波长外差相位展开技术，得到各个波长下与被测元件8表面微观形貌相关的绝对相位分布；

对于本实施例，标准的多波长外差相位展开技术中所需的辅助包裹相位分布由下式(9)确定：

其中，φ₁、φ₂和φ₃为解调出的红、绿、蓝三个不同波长(λ₁>λ₂>λ₃)下的包裹相位分布，φ₁₂、φ₂₃和φ₁₂₃为等效波长(λ₁₂、λ₂₃和λ₁₂₃)下的包裹相位分布，由相应原始波长下的包裹相位经外差H[·]操作得到，其值与等效波长和原始波长的比值有关。等效波长的值则由下式(10)确定：

由于等效波长λ₁₂₃值较大，其相应的包裹相位φ₁₂₃通常不存在因余弦函数周期性而导致的相位跳变，即此时的包裹相位φ₁₂₃为连续相位分布(无需展开)，故包裹相位φ₁₂和φ₂₃的展开可由下式(11)实现：

其中，Round(·)为最近取整操作。同理，根据解包裹后的相位和可进一步完成对原始包裹相位φ₁、φ₂和φ₃的展开处理，得到各个波长下与被测元件8面形相关的绝对相位分布和

(2)根据基于多波长可调谐移相的解相方法得到的各个波长的移相量δ_m,n，结合相应波长下的绝对相位分布由计算机12利用基于Visual C++6.0编译器开发的软件生成多波长移相干涉条纹图；

在本实施例中，软件生成的多波长移相干涉条纹图的光强分布为式(12)：

其中，A'_m(x,y)和B'_m(x,y)分别表示基于多波长可调谐移相的解相方法得到的各波长干涉条纹图的背景分量和条纹调制度。

(3)将计算机12生成的多波长移相干涉条纹图与实际采集到的移相干涉条纹图进行强度对比，若两者的强度差大于某一设定的阈值时，则调整红、绿、蓝三个可调谐激光器模块的中心波长名义值，重复执行步骤(1)～(3)；若两者的强度差小于某一设定的阈值时，则此时解调出的绝对相位分布即为最终的相位结果，算法迭代结束。

在本实施例中，算法迭代终止条件如下式(13)所示：

其中，k表示迭代次数，σ为迭代收敛精度(可设定为0.00001)，|·|表示取非负值，∑为求和操作。当计算机12生成的多波长移相干涉条纹图与实际采集到的移相干涉条纹图I_m,n不满足不等式(13)时，则利用下式调整红、绿、蓝三个可调谐激光器模块的中心波长名义值为式(14)所示：

其中，和分别表示第k+1次迭代时红、绿、蓝色中心波长名义值的变化量，在本实施例中采用列文伯格-马夸尔特(Levenberg-Marquardt)算法确定其值。当上述过程经过k+1次迭代后使得不等式(13)满足时，最终被测元件8的三维形貌分布可由式(15)确定：

其中，h₁(x,y)、h₂(x,y)和h₃(x,y)分别表示红、绿、蓝三个不同波长下的被测元件8面形分布，由式(16)计算得到：

其中，和和分别为优化迭代后得到的最终各波长值和相应的绝对相位分布。

Claims (4)

1.一种多波长可调谐显微干涉的测量装置，其特征在于：包括多波长可调谐激光器、合束光纤、毛玻璃片、准直扩束镜、分束器、干涉显微物镜、载物台、成像镜头、彩色相机、数据传输控制线、计算机、波长调谐控制器；所述多波长可调谐激光器由三个单波长可调谐激光器模块构成，经波长调谐控制器的调控，同步或分时输出红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号，经合束光纤复合为一路复合激光信号，聚焦耦合至匀速旋转的毛玻璃片表面；毛玻璃片位于准直扩束镜的前焦点位置，所述的复合激光透过毛玻璃片经准直扩束镜后成为平行光入射至分束器表面；所述分束器将平行激光反射进入干涉显微物镜，并照射至载物台上的被测元件表面，由被测面反射回的激光信号再依次通过干涉显微物镜和分束器，经成像镜头耦合至彩色相机靶面；所述准直扩束镜、分束器、干涉显微物镜、成像镜头和彩色相机之间呈共光路结构；所述计算机经数据传输控制线与波长调谐控制器、彩色相机相连，实现对多波长可调谐激光器输出信号的调控和对彩色相机采集传输图像数据的同步控制。

2.根据权利要求1所述的一种多波长可调谐显微干涉的测量装置，其特征在于：所述的合束光纤为三合一单模光纤，与多波长可调谐激光器输出端级联，将输出端的红、绿、蓝色三路波长可调谐激光信号合束为一路，并聚焦耦合至准直扩束镜前焦点位置上的毛玻璃片表面。

3.根据权利要求1所述的一种多波长可调谐显微干涉的测量装置，其特征在于：所述的干涉显微物镜为Mirau、Michelson或Linik型干涉显微物镜。

4.根据权利要求1所述的一种多波长可调谐显微干涉的测量装置，其特征在于：所述的彩色相机为彩色三芯片CCD或CMOS相机。