一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法，装置包括计算机、光强可控式白光光源、第一透镜、滤光片旋转盘、分光棱镜、第二透镜、第三透镜、CCD相机、空间光调制器SLM、第四透镜；本发明专利技术利用纯相位调制式液晶空间光调制器实现精确的光学相移，应用光强可调的白光光源和四个带通滤波片得到四种光强分布一致的单色光，并利用多波长干涉的原理，通过合理尺寸衔接实现测量范围的拓展。在重复光学相移中，以轮换滤光片方式获取不同波长的干涉图像序列，并运用优化的四步相移法进行逐点逐帧相位运算，得到大尺度范围内形貌点高度。本发明专利技术既能满足跨尺度的测量范围要求，又能保持单波长干涉的纳米精度，具有重要的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法
本专利技术属于微形貌测量应用领域，涉及一种微纳米形貌测量的装置及方法，具体涉及一种基于光学相移与多波长的跨尺度微形貌测量装置及方法。
技术介绍
表面形貌是评价物体性能的重要指标之一，随着技术的发展和应用的需求，仪器和设备的小型化、微型化，所应用的元器件许多都是微纳米尺寸。微纳米形貌测量的需求越来越广泛，如光学元件加工质量检测、微机电器件的结构特征，材料表面的亲、疏水性等。表面微形貌测量的常用测量方法有：机械接触测量和光学非接触测量。而光学接触法应用最多的是基于光学干涉原理，这类方法主要有单色光相移干涉法，白光垂直扫描干涉和多波长干涉等几种。但是这些方法都会产生较大的误差，不能保证很好的精度。例如常用的光学相移法PZT相移和偏振相移。PZT相移法由于施加的电压和陶瓷的伸缩量并不能严格保持线性关系。并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后，将产生相移误差。PZT移相改变了参考镜与显微镜的相对位置，使每次相移的参考波事实上发生变化，从而引入测量误差。偏振相移法通过改变检偏角实现干涉条纹的移动,其优点是偏振器的偏振角可精确控制，移相精度高；适用于干涉系统中光程难以改变的场合。但是需要大口径，高质量的偏振器件。单色光相移干涉法测量精度高，但是能精准测量范围的范围不超过半个波长。G.S.Kino等人在1990在垂直扫描白光干涉显微原理基础上，研制出参考光和测量光束共光路的Mirau显微镜，其采用的是PZT驱动，驱动范围大，达到微米至毫米量级，但是总是存在驱动误差，且存在一些弊端。J.C.Wyant最先提出双波长测量方法，该方法不但能扩大深度测量范围，而且利用双波长测量结果结果校正单波长的测量结果可以减小由于测量范围扩大导致的放大的测量误差。但是随着被测表面越来越深，等效波长很大时，由于误差放大效应，用双波长测量结果校正单波长的测量结果将变得越来越困难。虽然可以采用三波长或者多波长测量方法解决这个问题，但是三个独立光源出射的光强分布不一致，导致光源上每点对周围的强度影响不一致，从而使得干涉图像灰度值分布规律不确定，造成较大的误差。采用白光作为测量光源干涉方法，不需要光源的切换，应用多个PIN光电管进行同步采集获得不同的干涉信号。但是白光光源中各波长的光强权重不一致，影响测量精度，而且利用多个PIN光电管只能接受某一截面处的深度信号，不能进行区域测量。利用声光可调滤光器频率对白光光源滤光后得到准单色光源，连续改变射频驱动器频率，使得滤光后的干涉波长连续变化，导致在光程差不变的情况下改变相对相位差，从而实现在超越2π范围内求相位变化与波长变化之比。但是目前所采用的AOTF得到的准单色光波长的谱线较宽，相干长度小，干涉条纹随光程差的增加衰减的很快，测量范围不可能很大；测量中无法判断样品在参考镜虚平面的前后位置，难以判断表面形貌的高度方向。而且所需专用的波长调制元件(AOTF)造价过高。目前已有的微表面形貌测量方法和前沿技术都有自己的优势、也存在一些缺点：例如PZT相移法由于施加的电压和陶瓷的伸缩量并不能严格保持线性关系。并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后，将产生相移误差。单色光相移干涉法，测量范围的范围不超过半个波长。总之，由于目前采用的多波长测量方法，在多波长的实现方法、干涉条纹的接受及处理方法、相位识别精度等方面仍存在许多需要进一步研究的问题：例如白光光源与多种单色滤光片的组合保证了各单色光空间光强分布的一致性，但由于白光光源在各波长的光强不一致，需要进行反馈控制，使得各波长进入到干涉光路的光强一致。如何对一组序列干涉图的信噪比进行分析，得到其信噪比，从而得到其相位计算的准确性。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种基于光学相移与多波长的跨尺度微形貌测量装置及方法。本专利技术的装置所采用的技术方案是：一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：包括计算机、光强可控式白光光源、第一透镜、滤光片旋转盘、分光棱镜、第二透镜、第三透镜、CCD相机、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM、第四透镜；所述计算机控制所述光强可控式白光光源发出的白光经过所述第一透镜和滤光片旋转盘上的滤光片后变为单色光，单色光经过所述分光棱镜后分成两束；一束经过所述第二透镜后射向被测对象，另一束经过所述第三透镜、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM及所述纯相位调制式液晶空间光调制器SLM反射后与由被测对象反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜成像到所述CCD相机。本专利技术的方法所采用的技术方案是：一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：计算机控制输入到纯相位调制式液晶空间光调制器SLM中的灰度值；步骤2：所述计算机控制滤光片旋转盘角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，然后采集干涉图像；其具体实现包括以下子步骤：步骤2.1：所述计算机首先选用一种窄带滤光片，所述光强可控式白光光源发出的白光经过所述第一透镜和滤光片旋转盘上的滤光片后变为单色光λ1，单色光λ1经过所述分光棱镜后分成两束；一束经过所述第二透镜后射向被测对象，另一束经过所述第三透镜、纯相位调制式液晶空间光调制器SLM及所述纯相位调制式液晶空间光调制器SLM反射后与由被测对象反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜成像到所述CCD相机，获得λ1的干涉图像；步骤2.2：所述计算机控制滤光片旋转盘选取另一种波长滤光片，得到单色光λ2，再利用上述步骤2.1的原理获得λ2的干涉图像；步骤2.3：所述计算机控制滤光片旋转盘选取另一种波长滤光片，得到单色光λ3，再利用上述步骤2.1的原理获得λ3的干涉图像；步骤2.4：所述计算机控制滤光片旋转盘选取另一种波长滤光片，得到单色光λ4，再利用上述步骤2.1的原理获得λ4的干涉图像；步骤3：采集完四种不同波长(λ1、λ2、λ3、λ4)的干涉图像后，再利用图像处理算法计算出每点的高度信息，从而得到被测对象的表面形貌。与现有技术相比，本专利技术方法具有以下优点：(1)利用液晶空间光调制器实现的光学相移方式，不但避免了机械运动、定位误差和振动的影响，而且能够实现精准的相移步距，简化了相位识别难度，提高了条数信号的处理速度，从而为测量精度提供了保障：(2)应用白光光源和四个带通滤光片通过光强反馈控制得到四种光强大小和分布一致的单色光，避免了多个独立光源出射光强不一致导致同一被测对象在不同波长下干涉图样分布不一致的情况；(3)利用四种不同的单色光，通过大小尺寸结合算法实现表面形貌的高精度绝对测量，一方面突破了单波长测量精度高，但无法超越半波长测量范围这个致命缺陷的瓶颈，既保留有单波长的纳米级测量精度，也拓宽了整体的测量范围(4)提出一种高精度、快速的相位识别方法，利用最小二乘法对四步相移法进行优化和改进，在保证测量方差最小时，选用最小的干涉图样进行相位快速识别。附图说明图1是本专利技术实施例的装置原理图；其中：1是计算机、2是光强可控式白光光源、3是第一透镜、4是滤光片旋转盘、5是分光棱镜、6是第二透镜、7是被测对象是、8第三透镜、9是CCD相机、10是空间光调制器的驱动器、11是纯相位调制式液晶空间光调制器、12是第四透镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：包括计算机(1)、光强可控式白光光源(2)、第一透镜(3)、滤光片旋转盘(4)、分光棱镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(8)、CCD相机(9)、空间光调制器SLM(11)、第四透镜(12)；所述计算机(1)控制所述光强可控式白光光源(2)发出的白光经过所述第一透镜(3)和滤光片旋转盘(4)上的滤光片后变为单色光，单色光经过所述分光棱镜(5)后分成两束；一束经过所述第二透镜(6)后射向被测对象(7)，另一束经过所述第三透镜(8)、空间光调制器SLM(11)及所述空间光调制器SLM(11)反射后与由被测对象(7)反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜(12)成像到所述CCD相机(9)。

【技术特征摘要】
1.一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：包括计算机(1)、光强可控式白光光源(2)、第一透镜(3)、滤光片旋转盘(4)、分光棱镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(8)、CCD相机(9)、空间光调制器SLM(11)、第四透镜(12)；所述计算机(1)控制所述光强可控式白光光源(2)发出的白光经过所述第一透镜(3)和滤光片旋转盘(4)上的滤光片后变为单色光，单色光经过所述分光棱镜(5)后分成两束；一束经过所述第二透镜(6)后射向被测对象(7)，另一束经过所述第三透镜(8)、空间光调制器SLM(11)及所述空间光调制器SLM(11)反射后与由被测对象(7)反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜(12)成像到所述CCD相机(9)。2.根据权利要求1所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：所述空间光调制器SLM(11)为纯相位调制式液晶空间光调制器SLM(11)，配置有由所述计算机(1)控制的空间光调制器SLM的驱动器(10)。3.根据权利要求1所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：所述CCD相机(9)采集的图像输入所述计算机(1)中。4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置，其特征在于：所述滤光片旋转盘(4)上设置有若干滤光片；所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源(2)光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，采集干涉条纹图像并进行相位求解得到出被测对象。5.一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：计算机(1)控制输入到纯相位调制式液晶空间光调制器SLM(11)中的灰度值；步骤2：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源(2)光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，然后采集干涉图像；其具体实现包括以下子步骤：步骤2.1：所述计算机(1)首先选用一种窄带滤光片，所述光强可控式白光光源(2)发出的白...

【专利技术属性】
技术研发人员：翟中生，张艳红，吕清花，汪于涛，周立，程壮，王选择，杨练根，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42