一种白光扫描干涉测量系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种白光扫描干涉测量系统，所述系统包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台。所述白光扫描模块包括白光光源；柯勒照明系统；第一分束镜、第二分束镜；第一显微物镜和第二显微物镜；成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜，以及第一单色黑白图像传感器。所述定标模块包括激光器；第二单色黑白图像传感器。所述系统无需标定光源的中心波长，且计算精度不受干涉信号的包络形状影响，抗噪性能强，可以广泛应用于白光扫描干涉测量的信号处理中。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及白光扫描干涉三维形貌测量领域，具体涉及一种基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量系统。
技术介绍
白光扫描干涉作为一种三维形貌测量方法被广泛应用于显微物体的三维形貌测量和物体表面粗糙度测量。随着精密制造业的发展，需要对一些表面高度跳变从几百纳米到几百微米的MEMS器件、半导体芯片等物体进行三维形貌测量。目前使用的探针型测量方法例如原子力显微镜和台阶仪均存在一定的局限性，不适用于此类物体的三维形貌测量。并且，白光扫描干涉测量技术弥补了单波长干涉测量相邻点之间相位跳变大于测量波长一半时不能得到正确结果的缺点，扩大了单波长干涉测量的量程。白光扫描干涉测量技术不仅具有单波长干涉测量中对被测物体非接触、无损伤、高分辨率、高精度等优点，还能够准确地对表面本身有间断、梯度变化较大(大于记录光波的波长)的物体进行测量，如具有台阶、缺陷孔结构的物体。白光扫描干涉测量在三维形貌检测、自动加工、工业检测、产品质量控制等领域具有重要意义及广阔的应用前景。白光扫描干涉使用宽光谱光源进行照明，相比单色光而言具有更短的相干长度，从而使干涉条纹只能出现在很小的空间范围内。当测量光与参考光的光程差为零时，干涉信号出现最大值，也被称为零光程差位置。这个零光程差位置就代表被测表面对应数据点的相对高度信息，所有数据点的相对高度组合成了测试表面的整体形貌。在白光扫描干涉术中，零光程差位置定位的方法是一个研究热点，已经有很多方法相继被提出。目前经常使用的方法有如下几种，即：重心方法，傅里叶变换方法，希尔伯特变换方法，傅里叶频域分析方法，连续小波变
换方法及白光相移干涉法。重心方法通过计算白光干涉信号重心的方法定位零光程差位置，其计算速度较快，但是它只能应用在对称型信号上，而且计算精度受噪声影响较大。傅里叶变换方法及希尔伯特变换方法通过傅里叶变换或者希尔伯特变换求取白光干涉信号包络，通过定位包络极值的方式定位零光程差位置。虽然这两类方法可以得到包络峰值，但是他们的抗噪性能较弱。傅里叶频域分析方法通过对白光干涉信号进行傅里叶变换提取相位的方式从而求取零光程差位置，这种算法计算精度较高，但是需要标定光源的中心波长，且计算过程复杂。连续小波变换的方法计算精度高，抗噪能力较强，但是对干涉信号的包络形状有一定要求。白光相移干涉法参照了单波长相移术的操作方法，这种方法适用于处理表面较平滑物体，并且在相移间隔选取不准确时会带来较大的误差。上述诸多的白光扫描干涉零光程差定位方法都存在着各自的局限性，都有一定的适用范围。因此，设计一种更精确，更简单，更快速的提取白光干涉零光程差的位置的方法，搭建一种光路系统简捷、干涉图采集操作过程简便的系统，对于降低测量系统的复杂性、减少测量和计算时间、提高测量精度、加快测量速度是非常有意义的。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提出一种基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量系统。一种白光扫描干涉测量系统，包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台，所述白光扫描模块包括一个白光光源；一个柯勒照明系统；一个第一分束镜及一个第二分束镜，所述光源发出的光经过柯勒照明系统后进入第一分束镜并被分为物光和参考光；一个第一显微物镜和一个第二显微物镜；第一分束镜位于所述柯勒照明系统与第二显微物镜之间；成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜；一个第一单色黑白图像传感器，所述参考光通过第一显微物镜入射在第一平面反射镜上，所述物光通过第二显微物镜入射在待测物体，物光和参考光反射后再各自通过第一、第二显微物镜，进而汇聚
在第一分束镜后发生干涉，干涉图像经由成像透镜为第一单色黑白图像传感器所采集。所述定标模块包括一个激光器；一个第二单色黑白图像传感器。所述激光器发出的激光经由第五、第四平面反射镜后入射到第二分束镜，由第二分束镜出射的激光经由第二平面反射镜、第三平面反射镜后发生干涉，其产生的干涉条纹由第二单色黑白图像传感器所采集；所述固定平板用于固定待测物件；所述压电陶瓷微位移平台用于带动待测物体发生位移。相对于现有技术，所述系统在求取信号时延的过程中，将白光光源可以看作一个信号源，对应不同像素点干涉强度信号可以看作空间中不同接收器接收到的同源带噪信号，通过计算像素点之间干涉强度信号时延的过程来替代每个像素点干涉强度信号单独进行变换处理求取零光程差位置的过程，从而无需标定光源的中心波长，且计算精度不受干涉信号的包络形状影响，抗噪性能强，可以广泛应用于白光扫描干涉测量的信号处理中。附图说明为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本技术实施例提供的基于广义相关时延估计的白光扫描干涉测量系统的结构示意图。图2为图1所示的系统的实施流程示意图。具体实施方式下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。如图1所示，本技术实施例提供一种白光扫描干涉测量系统500：包括白光扫描模块100、定标模块200、用于固定待测物件30的固定平板40、压电
陶瓷微位移平台50、以及压电陶瓷控制器60。其中所述白光扫描模块100包括：一个白光光源101、一个柯勒照明系统102、一个第一分束镜103及一个第二分束镜104、一个第一显微物镜105和一个第二显微物镜106、成像透镜107、第一单色黑白图像传感器108。其中所述定标模块200包括一个激光器201；第一平面反射镜202、第二平面反射镜203、第三平面反射镜204、第四平面反射镜205、第五平面反射镜206、第二单色黑白图像传感器208。在Z轴方向(第一方向)上，所述第一分束镜103位于所述柯勒照明系统102与第二显微物镜106之间；在Y轴方向(第二方向，Y轴垂直于Z轴)上，所述第一分束镜103位于所述成像透镜107与第一显微物镜105之间。另外，在Z轴方向上，所述第二显微物镜106、第三平面反射镜204、固定平板40(及待测物件30)、以及压电陶瓷微位移平台50位于第一分束镜103及第二分束镜104之间。在本实施例中，所述白光光源101为一台卤钨灯白光光源。所述激光器201为一台波长为632.8nm的He-Ne激光器。工作时，所述卤钨灯白光光源101发出的光经柯勒照明系统102准直后入射至第一分束镜103，分成参考光L1和物光L2。所述参考光L1通过第一显微物镜105入射在第一平面反射镜202上，所述物光L2通过第二显微物镜106入射在待测物体30，物光L2和参考光L1反射后再各自通过第一、第二显微物镜105、106，进而聚在第一分束镜103后发生干涉，干涉图像经由成像透镜107为第一单色黑白图像传感器108所采集。在本实施例中，所述待测物体30与第二平面反射镜203通过固定平板40固定，具体是待测物体30与第二平面反射镜203分别位于所述固定平板40的两侧。使用时，调整待测物体30与第二平面反射镜203使其具有相同的垂直扫描位移。在本实施例中，除第二平面反射镜203位于第二分束镜104的一侧外，在第二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，所述系统包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台，其中所述白光扫描模块包括：一个白光光源；一个柯勒照明系统；一个第一分束镜及一个第二分束镜，所述光源发出的光经过柯勒照明系统后进入第一分束镜并被分为物光和参考光；一个第一显微物镜和一个第二显微物镜；第一分束镜位于所述柯勒照明系统与第二显微物镜之间；一个成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜；以及一个第一单色黑白图像传感器，所述参考光通过第一显微物镜入射在第一平面反射镜上，所述物光通过第二显微物镜入射在待测物体，物光和参考光反射后再各自通过第一、第二显微物镜，进而汇聚在第一分束镜后发生干涉，干涉图像经由成像透镜为第一单色黑白图像传感器所采集；其中所述定标模块包括：一个激光器；一个第二单色黑白图像传感器，所述激光器发出的激光经由第五、第四平面反射镜后入射到第二分束镜，由第二分束镜出射的激光经由第二平面反射镜、第三平面反射镜后发生干涉，其产生的干涉条纹由第二单色黑白图像传感器所采集；其中所述固定平板用于固定待测物件；所述压电陶瓷微位移平台用于带动待测物体发生位移。

【技术特征摘要】
1.一种白光扫描干涉测量系统，其特征在于，所述系统包括白光扫描模块、定标模块、固定平板、以及压电陶瓷微位移平台，其中所述白光扫描模块包括：一个白光光源；一个柯勒照明系统；一个第一分束镜及一个第二分束镜，所述光源发出的光经过柯勒照明系统后进入第一分束镜并被分为物光和参考光；一个第一显微物镜和一个第二显微物镜；第一分束镜位于所述柯勒照明系统与第二显微物镜之间；一个成像透镜及第一、第二、第三、第四、第五平面反射镜；以及一个第一单色黑白图像传感器，所述参考光通过第一显微物镜入射在第一平面反射镜上，所述物光通过第二显微物镜入射在待测物体，物光和参考光反射后再各自通过第一、第二显微物镜，进而汇聚在第一分束镜后发生干涉，干涉图像经由成像透镜为第一单色黑白图像传感器所采集；其中所述定标模块包括：一个激光器；一个第二单色黑白图像传感器，所述激光器发出的激光经由第五、第四平面反射镜后入射到...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘胜德，蔡红志，吕晓旭，钟丽云，
申请(专利权)人：华南师范大学，
类型：新型
国别省市：广东;44