一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法技术

本发明专利技术公开了一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，包括以下步骤：步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1‑2，获取线轮廓的干涉光谱；步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。本发明专利技术能够通过对输入光脉冲进行整形和频率扫描，克服光谱分辨干涉技术中方向模糊和死区的不足，而且在消除方向模糊和死区问题的同时，能够实现单次线轮廓测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法
本专利技术涉及光学精密测量领域，尤其涉及一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法。
技术介绍
光谱分辨干涉测距是一种高精度绝对距离测量技术，在测量过程中无需扫描，即可直接获取一定深度内每一点处的被测距离值，被广泛应用于高端制造、半导体测试等领域。传统光谱分辨干涉测距技术本身存在方向模糊、死区和单点测量的限制问题：1)传统光谱分辨干涉测距的方向模糊问题导致该方法无法辨别参考镜与被测物体的相对位置，缩减了距离测量范围；2)受限于光源的光谱宽度，当被测物体与参考镜间的光程差接近零时，传统光谱分辨干涉测距方法无法从干涉光谱中解调出被测距离，这段无法测量的距离称为死区(-Lmin～+Lmin)，死区的存在限制了该方法的空间分辨力；3)传统光谱分辨干涉测距系统中的光谱仪仅能捕捉单点的干涉光谱，无法应用于被测样品的单次线轮廓测量。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，通过对输入光脉冲进行整形和频率扫描，克服光谱分辨干涉技术中方向模糊和死区的不足。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，包括以下步骤：步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；<br>步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。进一步地，所述步骤1具体为：步骤1.1利用第一光路和设有单模长光纤的第二光路构建不等臂长马赫-曾德尔光纤结构；步骤1.2将光脉冲被分束成参考光和测量光后分别进入第一光路和第二光路，利用单模长光纤引入色散，使经过单模长光纤的测量光的脉冲展宽；步骤1.3将展宽后的测量光与经过第一光路的参考光合束后输出。进一步地，所述步骤2具体为：步骤2.1利用准直透镜、分束棱镜、参考镜、待测样品、成像透镜、成像光谱仪构建空间光干涉结构；步骤2.2利用准直透镜将参考光和展宽的测量光扩束；步骤2.3扩束后的参考光经过分束棱镜被参考镜反射，又经分束棱镜、成像透镜入射到成像光谱仪；步骤2.4扩束后的测量光经过分束棱镜被待测样品反射，又经分束棱镜、成像透镜入射到成像光谱仪；步骤2.5成像光谱仪同时捕捉一条线上多个点的干涉光谱，通过对每个点解调，即可获取线轮廓的干涉光谱。进一步地，所述光脉冲的光源采用锁模激光器。进一步地，所述锁模激光器包括激光振荡器、铷原子钟、射频信号发生器、光电探测器和频率计，射频信号发生器的输入端连接铷原子钟，射频信号发生器的输出端连接激光振荡器，光电探测器的输入端连接激光振荡器的输出端，光电探测器的输出端连接频率计；铷原子钟和射频信号发生器用于产生高精度参考信号，对激光振荡器的重复频率进行控制，使激光震荡器输出特定重复频率的光脉冲，光脉冲输出时，部分光脉冲输入光电探测器，并在频率计显示光脉冲的重复频率。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术能够通过对输入光脉冲进行整形和频率扫描，克服光谱分辨干涉技术中方向模糊和死区的不足，结构简单，且无需改变空间干涉系统，此外，利用波分复用技术，还可以扩展应用于多通道检测。(2)本专利技术在消除方向模糊和死区问题的同时，干涉模块中采用成像光谱仪，可实现单次线轮廓测量。附图说明图1为一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量装置的结构示意图；图2为脉冲展宽光谱分辨干涉辨向的分析与仿真示意图；图3为单点死区填补的实验结果图。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。本实施例提供一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，包括以下步骤：步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。在上述方法的基础上，本实施还提供一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量装置，包括锁模激光器1、不等臂长马赫-曾德尔光纤结构7和空间光干涉结构15，如图1所示。本实施例中，所述锁模激光器1包括激光振荡器4、铷原子钟2、射频信号发生器3、光电探测器5和频率计6，射频信号发生器3的输入端连接铷原子钟2，射频信号发生器3的输出端连接激光振荡器4，光电探测器5的输入端连接激光振荡器4的输出端，光电探测器5的输出端连接频率计6，铷原子钟2和射频信号发生器3用于产生高精度参考信号，对激光振荡器4的重复频率进行控制，使激光震荡器4输出特定重复频率的光脉冲，光脉冲输出时，部分光脉冲输入光电探测器5，并在频率计6显示光脉冲的重复频率。本实施例中，利用该锁模激光器可以精确调节并选择光脉冲源的重复频率，引入脉冲间光程差的改变，对不同重频下测量值进行错位拼接，能够解决测量过程中的死区问题。本实施例中，所述不等臂长马赫-曾德尔光纤结构7包括分束器、第一光路7-1、设置有单模长光纤8的第二光路7-2和合束器，分束器用于将光脉冲被分束成参考光和测量光，并将参考光和测量光分别输入第一光路7-1和第二光路7-2，利用单模长光纤8引入色散，使经过单模长光纤8的测量光的脉冲展宽，展宽后的测量光与经过第一光路7-1的参考光在合束器合束后输出。本实施例中，不等臂长马赫-曾德尔光纤结构引入不同的色散，脉冲啁啾生成两展宽不同的脉冲，利用从参考镜反射回来的窄脉冲作为参考光，从测量镜反射回来的宽脉冲作为测量光，通过解调干涉条纹确定参考脉冲和测量脉冲的相对位置，从而确定参考镜和测量镜的相对位置，能够消除方向模糊。本实施例中，所述空间光干涉结构15包括准直透镜9、分束棱镜10、参考镜11、待测样品12、成像透镜13和成像光谱仪14，准直透镜9用于将参考光和展宽的测量光扩束，扩束后的参考光经过分束棱镜10被参考镜11反射，又经分束棱镜10、成像透镜13入射到成像光谱仪14，扩束后的测量光经过分束棱镜10被待测样品12反射，又经分束棱镜10、成像透镜13入射到成像光谱仪14，成像光谱仪14同时捕捉一条线上多个点的干涉光谱，通过对每个点解调，即可获取线轮廓的干涉光谱。本实施例中，利用成像光谱仪，同时捕捉被测样品线轮廓上数点的干涉光谱，用于单次线轮廓测量。为了进一步证明本专利技术能够消除方向模糊和死区问题，通过以下实验和数据进行说明。图2是脉冲展宽光谱分辨干涉辨向的分析与仿真示意图。当窄脉冲(参考本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；/n步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；/n步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；/n步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、将光脉冲分束成参考光和测量光，引入色散，使测量光的脉冲展宽；
步骤2、将参考光和展宽的测量光经扩束后分别由参考镜和待测样品反射到成像光谱仪，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤3、通过调节光脉冲的重复频率，改变参考光和测量光的光程差，重复步骤1-2，获取线轮廓的干涉光谱；
步骤4、将步骤2获取的线轮廓的干涉光谱和步骤3获取的线轮廓的干涉光谱进行错位拼接，即得到待测样品的线轮廓。


2.如权利要求1所述的一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
步骤1.1利用第一光路和设有单模长光纤的第二光路构建不等臂长马赫-曾德尔光纤结构；
步骤1.2将光脉冲被分束成参考光和测量光后分别进入第一光路和第二光路，利用单模长光纤引入色散，使经过单模长光纤的测量光的脉冲展宽；
步骤1.3将展宽后的测量光与经过第一光路的参考光合束后输出。


3.如权利要求1所述的一种基于光谱分辨干涉的线轮廓测量方法，其特征在于，所述步骤2具体为：
步骤2.1利用准直透镜、分束棱镜、参考镜、...

【专利技术属性】
技术研发人员：于连栋，王婧，陆洋，赵会宁，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：安徽;34