一种提高光学表面轮廓仪检测精度和有效分辨频率的方法技术

本发明专利技术涉及一种提高光学表面轮廓仪检测精度和有效空间分辨频率的方法。白噪声是一种功率谱密度为常数的随机信号或随机过程，导致在功率谱密度曲线中出现拖尾现象。依据白噪声的性质和规律，本发明专利技术在空间频域对表面微观结构和白噪声进行展开，利用功率谱密度曲线评价白噪声影响的频域范围，通过特定频域的有效平均测量，降低了白噪声的影响，获得了最优测量精度和最高有效空间频率两者的选取标准。本发明专利技术原理简单，操作便捷，显著降低了光学轮廓仪校准的操作难度和成本，并可确定光学表面轮廓仪的最高有效空间分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种提高光学表面轮廓仪的检测精度和有效空间分辨率的方法，具体是指利用多次测量取平均减小白噪声，并可通过功率谱密度曲线分析得到提升后的最高有效空间分辨频率的方法，属于提升光学表面轮廓仪使用性能的范畴。
技术介绍
高分辨率成像系统已经被广泛应用于在天体物理，高能物理和医学等现代研究领域中。然而，系统分辨率往往被光学散射所限制，引起散射的主要原因是加工后的光学元件表面与理想表面的偏差。其中，空间频率大约在10-3μm-1至1μm-1尺度的中频偏差会显著降低峰值强度，增大光斑尺寸，从而使得图像变得模糊，大大降低了成像系统的分辨率。这使得光学元件表面的中频偏差在制备和检测中都得到了更多的关注。光学元件表面的中频误差信息可通过光学轮廓仪测量得到。光学轮廓仪应用光学干涉原理得到元件表面轮廓，具有非接触、快捷和直观等优点。然而在实际应用中，电噪声，振动，气流或是其他干扰因素会带来随机性的测量误差，大大降低了轮廓仪的测试精度和有效空间分辨率。通过在双对数坐标系下对测量得到的元件表面轮廓绘制功率谱密度曲线，可发现明显的水平直线型的拖尾现象，与理想分形表面理论不符；并且在不同测试倍数下的频率重叠区域，功率谱密度曲线也无法衔接。根据功率谱密度的相关理论，这种水平直线型的拖尾现象是由高频白噪声造成的。光学轮廓仪的固有分辨率与其探测器的横向分辨率和光学衍射极限分辨率有关。光学轮廓仪探测到的最大空间波长与物镜测试范围有关。探测器的横向分辨率为可分辨像素点的最小空间波长，取决于奈奎斯特频率fNy(Nyquist frequency)，为系统采样频率的一半。光学衍射分辨率代表设备能够分辨邻近物点的能力。根据瑞利判据得到光学系统可分辨相邻物点的最小间距r为：r＝0.61λ/NA (1)其中λ为实际有效的入射光波长，NA为物镜的数值孔径。然而，由于白噪声的影响，实际采集的空间分辨率无法达到光学轮廓仪的固有分辨率。为了获得实际分辨率，可依据标准样品或其他检测设备，通常使用的表征样品是经国际计量机构标定过的，针对不同校准几何量选取不同的标准样品，再将所有的不确定统一。由于这一方法对校准模块的要求较高而且价格昂贵，很少有光学轮廓仪采用此方法进行校准。利用其它标定设备的校准过程，对标准样品的要求降低了，但是对标定设备的要求较高，两个或者多个设备的对比过程也比较复杂，而且并没有实际提升有效空间分辨率。因此，为了提升有效空间分辨率，并且可以获得有效空间分辨率的值，需要提出一种新的、简便的方法。
技术实现思路
光学表面轮廓仪运用相移干涉原理，可得到光学元件表面的轮廓信息。为了提升轮廓仪的测量精度和有效空间分辨率，本专利技术提供了一种简单可行的实现方法。这种方法的主要思路是：光学元件表面轮廓分布可看成是许多不同空间频率、不同振幅的谐波叠加而成。这些谐波经过检测设备后，受高频白噪声的干扰，系统在一些空间频率，尤其是高频部分的传递能力较差，不能反映出该空间频率范围内的真实信息。功率谱密度函数(PSD)的离散傅里叶变换可以写成 P S D ( f m ) = Δ x N | Σ n = 0 N - 1 z ( n ) · exp ( - i 2 πf m n Δ x ) | 2 - - - ( 2 ) ]]>表面轮廓高度分布函数是由N个离散的z(n)值来表示的，采样间隔为Δx，采样长度L＝NΔx，m为空间频率指数，fm＝m/(NΔx)是第m阶空间频率。系统可以相应的最小的空间频率域采样长度有关，最大的空间频率取决于奈奎斯特频率fNy，fNy为系统采样频率的一半。所以系统的固有空间频率范围是 f m i n = 1 N Δ x ≤ f m = m N Δ x ≤ 1 2 Δ x = f N y - - - ( 3 ) ]]>受到白噪声的干扰，系统的有效空间分辨率达不到固有分辨率的要求。在测试过程中，由于图像传感器的电噪声，环境振动和气流扰动产生了随机噪声。而综合这些多种因素引起的，表现出在所有频率具有相同能量密度的随机噪声称作白噪声。白噪声的功率谱密度曲线和光学元件表面功率谱密度曲线变化规律不同，在功率谱密度图中呈现一条水平直线，而在轮廓仪测试的结果中，可以很明显的看到水平直线型的拖尾现象。我们可以利用白噪声在功率谱密度中呈现的性质，得到白噪声的强度。多次测量取平均是减少白噪声最简单直接的方法。由于白噪声可看作每个像素点的真实高度数据都叠加了一个独立同分布的误差，若这个误差的方差是σ2，测量次数为N，则经过多次测量取平均后，误差的方差便可降为σ2/N，这意味着测试次数增多可相对应减少白噪声的强度。由于光学轮廓仪的表面检测是光束通过待测面与标准面的干涉产生的图样进行解析，直接获得的表面形貌会将标准面的形貌叠加进去，这种系统性误差也被称作标准面误差。因此需要在测试前，对标准面的形貌进行检测，从而在实际测试中去除标准面误差。获得标准面误差的方法广泛采用的是通过直接测量标准样品表面的多个区域，并对测试的形貌结果取平均。在测试单个随机表面时，也应采取多次测量取平均的检测手段，以减少白噪声带来的影响。在测试结果中去除参考面的方式是对于同一个横向检测位置的点，以样品检测的纵向高度的值减去参考面误差的高度的值作本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高光学表面轮廓仪检测精度和最高有效空间分辨频率的方法，所述检测装置为光学表面轮廓仪，通过相移干涉法得到平面光学元件表面轮廓，具体步骤如下：(1)检测之前需要检测参考面误差参考面误差是光学表面轮廓仪最主要的系统误差，具体操作是：对标准样品的随机区域进行多次测量，取平均，可得到该物镜下的参考面误差形貌，并在普通样品测试中去除该参考面误差形貌，选取随机区域为30个，残余参考面均方根误差可达到0.05nm；(2)使用多次测量取平均的方式对普通样品表面进行检测，在测量得到普通样品表面轮廓信息后，计算其功率谱密度函数，在对数坐标系下绘制功率谱密度曲线；以白噪声对功率谱密度曲线的贡献值为依据，选取合适的测量平均次数，直至白噪声在功率谱密度曲线中的拖尾较为平缓；(3)在对数坐标系下，对功率谱密度曲线进行可检测到的全频率域范围下的最小二乘法拟合，得到在双对数坐标系下的理想分形表面直线和白噪声直线，两条直线交点处的空间频率值即为可获得的普通样品的最大有效空间频率。

【技术特征摘要】
1.一种提高光学表面轮廓仪检测精度和最高有效空间分辨频率的方法，所述检测装置为光学表面轮廓仪，通过相移干涉法得到平面光学元件表面轮廓，具体步骤如下：(1)检测之前需要检测参考面误差参考面误差是光学表面轮廓仪最主要的系统误差，具体操作是：对标准样品的随机区域进行多次测量，取平均，可得到该物镜下的参考面误差形貌，并在普通样品测试中去除该参考面误差形貌，选取随机区域为30个，残余参考面均方根误差可达到0.05nm；(2)使用多次测量取平均的方式对普通样品表面进行检测，在测量得到普通样品表面轮廓信息后，计算其功率谱密度函数，在对数坐标系下绘制功率谱密度曲线；以白噪声对功率谱密度曲线的贡献值为依据，选取合适的测量平均次数，直至白噪声在功率谱密度曲线中的拖尾较为平缓；(3)在对数坐标系下，对功率谱密度曲线进行可检测到的全频率域范围下的最小二乘法拟合，得到在双对数坐标系下的理想分形表面直线和白噪声直线，两条直线交点处的空间频率值即为可获得的普通样品的最大有效空间频率。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述多次测量取平均的方式：对于同一个横向检测位置的点，以多次检测的纵向高度的平均值作为最终结果的高度；检测次数的增加会不断的提高检测精度和最高有效空间分辨频率，但提高效率会下降；检测次数的增多也会使得检测时间线性增长，为了兼顾效率和精度，通常建议使用10-30次多次检测，每次检测时常约为1秒，通过30次多次检测后重复性精度可达到0.05nm。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述在普通样品测试中去除该参考面误差形貌：对于同一个横向检测位置的点，以普通样品纵向高度值减去参考面误差高度值作为最终高度。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述白噪声，光学表面轮廓仪运用相移干涉原理，得到光学元件表面的轮廓信息，由于在测试过程中，由于图像传感器的电噪声，环境振动和气流扰动产生了随机噪声，而综合这些多种因素引起的、表现在所有频率具有相同能量密度的随机噪声称作白噪声。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中所述普通样品，表面轮廓连续光滑，经过粗磨、精磨、精抛等一系列工艺加工后均方根粗糙度小于0.5nm的平面光学元件，其表面轮廓满足分形表面特征。6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中所述计算功率谱密度，功率谱密度函数的离散傅里叶变换函数表达式为 P S D ( f m ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王占山，徐旭东，黄秋实，沈正祥，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31