一种结合单色光和白光的干涉测量装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学检测技术领域，提出一种结合单色光和白光的干涉测量装置及方法

【技术实现步骤摘要】
一种结合单色光和白光的干涉测量装置及方法


[0001]本专利技术涉及光学检测
，尤其涉及一种结合单色光和白光的干涉测量装置及方法
。

技术介绍

[0002]随着现代化制造业的加速发展，精密制造能力突飞猛进，对高精度距离检测的需求也与日俱增
。
白光干涉是精度最高的检测技术之一，在高精度检测领域应用广泛
。
该技术通过参考臂的机械运动来改变光程，使参考臂与被测样品的不同深度相匹配
。
该技术在工业中有很广泛的应用，例如在精密镜头的装配，半导体行业中的晶圆检测，材料行业中薄膜测量等
。
[0003]目前的白光干涉技术存在以下缺陷：
(1)
传统白光干涉技术将参考臂置于步进电机或压电陶瓷上，通过外部装置移动参考臂进而达到改变光程的目的，这种光程扫描方式存在机械运动，系统容易产生扰动，降低系统稳定性
。(2)
检测效率与精度矛盾，为解决泄露采样问题，往往采用更短步长实现密集采样，将导致原始采集数据量过大和采集时间过长，甚至会累积扫描级的位置误差，影响成像精度
。
[0004]专利“一种基于自动跟踪提高白光干涉采样速率的装置”(CN202210553499.3)
结合线性位移台与压电扫描台扫描成像，一定程度提高了采样速率
。
但仍存在机械运动，影响系统稳定性，同时成像精度仍依赖采样密度
。
[0005]1、
通过
PZT
或者精密电机驱动参考臂或样品来改变光程差，存在机械运动，产生的震动影响系统稳定性；
[0006]2、
测量精度与采样效率相矛盾，为了达到高精度测量，常常需要短扫描步长和密集采集，这却导致采集时间过长，降低检测效率
。

技术实现思路

[0007]为解决现有技术的不足，本专利技术提出一种结合单色光和白光的干涉测量装置及方法
。
[0008]本专利技术的技术方案如下：一种结合单色光和白光的干涉测量装置，包括光源
1、
电脑
2、
光纤环形器
3、3x3
耦合器
4、
准直镜
a5、
振镜
6、
透镜
a7、
楔形棱镜
8、
平面镜
9、
准直镜
b10、
透镜
b11、
样品
12、
滤光片
13、
光电探测器
a14、
光电探测器
b15、
光电探测器
c16
；
[0009]光源1发出的光进入到光纤环形器3的
a
端口，从光纤环形器3的
b
端口射出后经
3x 3
耦合器4分成三路光，第一路作参考光，第二路作样品光，第三路光被屏蔽；
[0010]参考光经准直镜
a5
准直，再经振镜6反射后，依次经过透镜
a7、
楔形棱镜8聚焦于平面镜9，经过平面镜9反射的参考光沿原路返回至3×3耦合器4；
[0011]样品光经准直镜
b10
准直，经透镜
b11
后聚焦在样品
12
表面，样品
12
表面反射的样品光原路返回至3×3耦合器4；
[0012]反射的参考光和反射的样品光经过3×3耦合器4后，3×3耦合器4输出三路干涉信
号；第一路干涉信号
I1进入光纤环形器3的
b
端口后，由光纤环形器3的
c
端口输出到光电探测器
a14
；第二路干涉信号
I2输出到光电探测器
b15
；第三路干涉信号
I3经过窄带通滤光片
13
后为单色光，输出到光电探测器
c16
；电脑2接收光电探测器
a14、
光电探测器
b15
和光电探测器
c16
的信号并处理
。
[0013]所述振镜6通过改变其角度，改变参考光穿过楔形棱镜8的不同位置，改变参考光的光程，完成参考光的光程扫描，在参考光光程改变的同时，由光电探测器采集干涉信号
。
[0014]一种结合单色光和白光的干涉测量方法，基于所述的结合单色光和白光的干涉测量装置实现；
[0015]参考光光程的变化为
z
i
，
i
＝1…
N
，在第
i
个光程位置，光电探测器
a14、
光电探测器
b15
和光电探测器
c16
采集的干涉信号分别为
I1(z
i
)、I2(z
i
)
和
I3(z
i
)
；
[0016]信号解调分为两部分：第一部分基于白光干涉，对第一路干涉信号
I1、
第二路干涉信号
I2初步解调，得到低精度解；第二部分借助单色光干涉，根据低精度解确定第三路干涉信号
I3的等光程位置周期，由第三路干涉信号
I3解调获得精确解
。
[0017]所述第一部分的步骤如下：
[0018]步骤
1、
选取第一路干涉信号
I1和第二路干涉信号
I2，
[0019][0020]式中，
λ
为光源1的中心波长，为第一路干涉信号
I1和第二路干涉信号
I2的固有相位差，
D1,D2为直流分量，通过测量得到；
k
为第一路干涉信号
I1和第二路干涉信号
I2的信号幅值比；
A(z
i
)
为干涉耦合项幅值，是
z
i
的函数，当样品光和参考光等光程时，该干涉耦合项幅值达到峰值，由
1)
式可得：
[0021][0022]式中
I
1*
为第一路干涉信号
I1滤去直流分量
D1的光强；为第二路干涉信号
I2滤去直流分量，
D2的光强；
[0023]步骤
2、
通过质心法计算干涉耦合项幅值曲线极大值点对应光程
z
′
，其为等光程位置的低精度解，即样品反射面位置的低精度解；
[0024][0025]所述第二部分具体如下：经窄带通滤光片
13
后的第三路干涉信号
I3为单色光干涉，其为余弦函数，对第三路干涉信号
I3进行拟合，得到进行拟合，得到
θ0表示初始相移，
λ
c
表示经过窄带通滤光片
13
的第三路干涉信号...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种结合单色光和白光的干涉测量装置，其特征在于，所述结合单色光和白光的干涉测量装置包括光源
(1)、
电脑
(2)、
光纤环形器
(3)、3x3
耦合器
(4)、
准直镜
a(5)、
振镜
(6)、
透镜
a(7)、
楔形棱镜
(8)、
平面镜
(9)、
准直镜
b(10)、
透镜
b(11)、
样品
(12)、
滤光片
(13)、
光电探测器
a(14)、
光电探测器
b(15)、
光电探测器
c(16)
；光源
(1)
发出的光进入到光纤环形器
(3)
的
a
端口，从光纤环形器
(3)
的
b
端口射出后经
3x3
耦合器
(4)
分成三路光，第一路作参考光，第二路作样品光，第三路光被屏蔽；参考光经准直镜
a(5)
准直，再经振镜
(6)
反射后，依次经过透镜
a(7)、
楔形棱镜
(8)
聚焦于平面镜
(9)
，经过平面镜
(9)
反射的参考光沿原路返回至3×3耦合器
(4)
；样品光经准直镜
b(10)
准直，经透镜
b(11)
后聚焦在样品
(12)
表面，样品
(12)
表面反射的样品光原路返回至3×3耦合器
(4)
；反射的参考光和反射的样品光经过3×3耦合器
(4)
后，3×3耦合器
(4)
输出三路干涉信号；第一路干涉信号
I1进入光纤环形器
(3)
的
b
端口后，由光纤环形器
(3)
的
c
端口输出到光电探测器
a(14)
；第二路干涉信号
I2输出到光电探测器
b(15)
；第三路干涉信号
I3经过窄带通滤光片
(13)
后为单色光，输出到光电探测器
c(16)
；电脑
(2)
接收光电探测器
a(14)、
光电探测器
b(15)
和光电探测器
c(16)
的信号并处理
。2.
根据权利要求1所述的结合单色光和白光的干涉测量装置，其特征在于，所述振镜
(6)
通过改变其角度，改变参考光穿过楔形棱镜
(8)
的不同位置，改变参考光的光程，完成参考光的光程扫描；在参考光光程改变的同时，由光电探测器采集干涉信号
。3.
一种结合单色光和白光的干涉测量方法，其特征在于，基于权利要求1或2所述的结合...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱鹏程，王毅，
申请(专利权)人：东北大学秦皇岛分校，
类型：发明
国别省市：