实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪制造技术

一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器，沿该半导体激光器的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组、分束器，在该分束器的透射光束的前进方向上设置被测物体，在分束器的反射光束的前进方向上放置有参考平板；被参考平板反射的光束前进方向上依次放置有第二透镜和探测元件，其特征在于：所述的探测元件的输出端与信号处理单元的第一输入端相连接，信号处理单元的输出端与计算机相连接，直流电源和信号源通过驱动器与半导体激光器相连接，该信号源的第二输出端与所述的信号处理单元的第二输入端相连接。本发明专利技术的优点是操作方便，测量范围大，精度高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及表面形貌的实时测量，特别是一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪。
技术介绍
由于半导体激光器(以下简称为LD)波长的温度稳定性得到较好的解决，半导体激光干涉仪正在被广泛地研究开发。LD除体积小、用电省、价格低外，一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD的注入电流来实现。通过调制注入电流，很容易实现干涉信号的相位调制，从而实现位移、距离、面形等参数较高精度的测量。比如日本新泻大学的T.Suzuki等人提出了一种用于测量表面形貌的正弦相位调制半导体激光干涉仪(在先技术Takamasa Suzuki，Osami Sasaki，JinsakuKaneda，Takeo Maruyama，“Real time two-dimensional surface profilemeasurement in a sinusoidal phase modulating laser diode interferometer，”Opt.Eng.，1994，33(8)，2754-2759)。此干涉仪的调制电流为Im(t)＝acos(ωct+θ)。 (1)光电探测器CCD探测到的干涉信号可以表示为S(x，y，t)＝Sdc+S0cos， (2)Sdc是干涉信号的直流分量，它与驱动电流的直流I0相关。S0是干涉信号的交流分量振幅，它与电流调制信号Im(t)相关。a是调制电流的振幅，ωc是调制电流的角频率，θ是调制电流的初相。z是正弦相位调制深度，α(x，y)是待测量相位。在先技术中，在调制信号的一个周期内，光电探测器CCD对干涉信号积分四次Pi(x，y)(i＝1～4)，其表达式如下Pi(x,y)=∫(T/4)(i-1)(T/4)iS(x,y,t)dt,---(3)]]>其中的x和y表示被测物体表面的位置坐标。正弦相位调制信号处理系统对每一个像素进行加减运算得Pc(x，y)＝-P4+P1-P2+P3＝Accosα(x，y)，(4)Ps(x，y)＝-P4+P1+P2-P3＝Assinα(x，y)，(5)其中系数Ac=(8/π)Σn=1∞sin(2nθ),]]>As=(8/π)Σn=1∞(-1)nsin.]]>Jn(z)是n阶Bessel函数。被测物体的表面形貌为r(x,y)=λ4πα(x,y)=λ4πarctan(Ps/Pc).---(6)]]>式中r(x，y)是待测量的表面形貌值，λ是激光的波长。在先技术的测量精度为14nm，测量范围小于λ/4，使用时要校正，操作较困难，原因有三一是半导体激光器的光强被调制，使得Sdc和S0随时间变化，这将影响(6)式中的相位值，造成测量误差；二是半导体激光器的波长漂移要影响表面形貌的测量值r(x，y)；三是该方法是在特定条件下得到物体的表面形貌，目前无法精确测量z＝2.45、θ＝56°，它也引入测量误差。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述在先技术中所存在的缺点，提供一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪。解决直接调制半导体激光器波长引起的光强度波动与测量范围小和精度低的问题，仪器要求达到操作方便，扩大测量范围，提高测量精度。本专利技术的技术解决方案如下一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器，沿该半导体激光器的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组、分束器，在该分束器的透射光束的前进方向上设置被测物体，在分束器的反射光束的前进方向上放置有参考平板；被参考平板反射的光束前进方向上依次放置有第二透镜和探测元件，其特点是所述的探测元件的输出端与信号处理单元的第一输入端相连接，信号处理单元的输出端与计算机相连接，直流电源和信号源通过驱动器与半导体激光器相连接，该信号源的第二输出端与所述的信号处理单元的第二输入端相连接，该信号源向半导体激光器和所述的信号处理单元同时注入一个正弦电流信号。所述的分束器是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光元件的分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板。所述的参考平板是一对着分束器一侧的表面上镀有增透膜的平行平板。所述的探测元件是一维或二维光电探测器。所述的信号处理单元包括实时相位探测电路、实时鉴相电路与同步电路。所述的实时相位探测电路的内部结构包括第一放大器、第二放大器、计算电路、第一低通滤波器和第二低通滤波器。所述的实时鉴相电路的内部结构包括第三放大器，第四放大器，除法电路，解相电路，相位补偿电路，所述的相位补偿电路由单片机构成。本专利技术的优点1)、通过实时相位探测电路与实时鉴相电路来得到被测物体的表面形貌，能够使整个系统高精度实时完成信号的采集、处理和显示。2)、采用半导体激光器，使整个系统具有体积小，调制简单，调制精度高等优点。3)、同在先技术相比，本专利技术的测量精度较高。在先技术中，直接调制半导体激光器的波长时，半导体激光器的输出光强会随时间变化，影响了干涉信号的强度，导致系数Ac与As不能一直相等，致使测量的相位有误差。因此光强变化会引入测量误差。本专利技术含有实时鉴相电路，利用该电路消除了光强变化的影响，避免了该项误差，提高了干涉仪的测量精度。4)、本专利技术通过使用相位补偿方法将测量范围扩大到一个波长以上。5)、在先技术使用查表法得到被测量物体相位，再计算出被测量物体的表面形貌，测量速度慢。本专利技术采用实时鉴相电路，可以通过电路直接得到被测量物体的表面形貌，测量速度快。6)、本专利技术不需要校正z和θ，用户操作简便。附图说明图1为本专利技术实时测量表面形貌的激光干涉仪的结构示意图。图2为本专利技术的信号处理流程示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步说明。先请参阅图1，图1为本专利技术实时测量表面形貌的激光干涉仪的结构示意图。由图可见，本专利技术实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器1，沿该半导体激光器1的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组2、分束器3，在该分束器3的透射光束t1的前进方向上设置被测物体5，在分束器3的反射光束f1的前进方向上放置有参考平板4；光束f1被参考平板4反射后的前进方向上依次放置有第二透镜6和探测元件7，所述的探测元件7的输出端与信号处理单元11的第一输入端8a相连接，信号处理单元11的输出端与计算机12相连接，与半导体激光器1连接的驱动器13分别与直流电源14和信号源15连接，该信号源15的第二输出端与所述的信号处理单元11的第二输入端8b相连接，该信号源15向半导体激光器1和所述的信号处理单元11同时注入一个正弦电流信号。所述的分束器3是指能够将入射光按接近于1∶1的光强比分成两束光的分光元件。如分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板等。所述的信号处理单元11包括实时相位探测电路8、实时鉴相电路9与同步电路10。信号处理单元11的内部结构如图2所示。所述的实时相位探测电路8的内部结构包括放大器801、放大器802、计算电路803、本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉仪，包括一半导体激光器（１）沿该半导体激光器（１）的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组（２）、分束器（３），在该分束器（３）的透射光束（ｔ１）的前进方向上设置被测物体（５），在分束器（３）的反射光束（ｆ１）的前进方向上放置有参考平板（４）；光束（ｆ１）被参考平板（４）反射后的前进方向上依次放置有第二透镜（６）和探测元件（７），其特征在于：所述的探测元件（７）的输出端与信号处理单元（１１）的第一输入端（８ａ）相连接，信号处理单元（１１）的输出端与计算机（１２）相连接，与半导体激光器（１）连接的驱动器（１３）分别与直流电源（１４）和信号源（１５）连接，该信号源（１５）的第二输出端与所述的信号处理单元（１１）的第二输入端（８ｂ）相连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何国田，王向朝，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]