[發明專利]合成波干涉納米表面三維在線測量系統及方法

無效

• 申請號: 200710120079.1
• 申請日: 2007-08-08
• 公開（公告）號: CN101105390A
• 公開（公告）日: 2008-01-16
• 發明（設計）人: 謝芳
• 申請（專利權）人: 北京交通大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/02;G01B11/24;G01B9/02;G02B27/00
• 代理公司: 北京市商泰律師事務所
• 代理人: 吳克宇;毛燕生

1.一種利用光線掃描的合成波干涉納米表面三維在線測量系統，其特征在于：利用一系列并行的合成波組成的平行光片掃描被測器件表面進行線掃描測量，測量光路與參考光路共路構成共路干涉系統；該系統是由超輻射發光二極管SLD、光纖自準直透鏡Z、雙周期光柵G、準直透鏡L1、分光鏡BS、平柱聚焦透鏡L2、縱向微動工作臺M1、橫向微動工作臺M2、高速線陣CCD、相位測量、信號發生器、A/D轉換卡、計算機、結果輸出、驅動控制組成；利用一個中心波長為850nm譜寬40nm的超輻射發光二極管SLD、光纖自準直透鏡Z、雙周期光柵G、分光鏡BS、平面鍍了半透半反膜的平柱聚焦透鏡L2構成一個共路干涉儀，使環境振動和溫度漂移對測量系統的影響得到共模抑制，從而使該測量系統適用于在線測量。

2.根據權利要求1所述的一種利用光線掃描的合成波干涉納米表面三維在線測量系統，其特征在于：雙周期光柵G，在一塊玻璃平板上的同一部位刻制兩種不同周期的光柵，每一種周期的光柵對同一種波長的同一級次的色散角不同，所以當某一波長入射到此雙周期光柵G上時，在同一色散級次存在兩個色散角不同的色散光束，從而使此雙周期光柵G具有雙色散特性。

3.一種利用光線掃描的合成波干涉納米表面三維在線測量方法，其特征在于：利用超輻射發光二極管SLD發出譜寬40nm的光經過光纖自準透鏡Z后準直成平行光束，雙周期光柵G將此平行光束色散成兩個波長在空間連續均勻分布的扇形光片，經準直透鏡L1準直后成為兩個橫向錯位并部分重疊的平行光片，這兩個平行光片在空間重疊的部分形成由一系列并行的合成波組成的平行光片；此合成波平行光片透過分光鏡BS后垂直入射到平柱聚焦透鏡L2上，平柱聚焦透鏡L2的平面鍍有半透半反膜，合成波平行光片一半的光強被反射，沿原路返回，此部分光作為參考光；另一半的光強透射，被聚焦成一條寬度小于1μm的光線，此光線掃描被測器件表面，由被測表面反射回系統中并與參考光相遇發生干涉，合成波干涉信號經過分光鏡BS反射由高速線陣CCD探測，CCD不同的像素探測到被測表面不同被測點反射回的光與參考光相遇產生的干涉信號；被測表面的縱向(垂直于被測表面)信息載于干涉信號的相位變化中，解調出CCD每個像素干涉信號的相位變化量，即測量出被測表面上對應被測點的縱向變化量；為解調干涉信號的相位變化量，信號發生器發出鋸齒波信號經驅動控制環節驅動縱向微動工作臺M1勻速縱向掃描實現對測量光路光程的調節，調節工作臺的初始位置以及鋸齒波信號幅值，使縱向微動工作臺M1掃描過程中鋸齒波信號與CCD的某一個像素的干涉信號同頻率同相位地變化；如果被測表面是理想平面，CCD的其它像素的干涉信號也與鋸齒波信號同頻率同相位；如果被測表面是具有凸臺和深槽結構的表面，存在Δh的縱向變化，那么干涉信號與鋸齒波信號的相位差為其中合成波長${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2};$經相位測量環節測出其相位差A，經過A/D轉換卡作模數轉換，再由計算機作數據處理，即測量出對應被測點的縱向變化值Δh，對線陣CCD的每個像素輸出的干涉信號依次進行這樣的處理，即完成被測表面的二維測量；驅動控制驅動橫向微動工作臺M2，實現光線橫向掃描被測表面，再逐個對線陣CCD每個像素輸出的干涉信號作相同的處理，即完成被測表面的三維測量。

4.根據權利要求3所述的一種利用光線掃描的合成波干涉納米表面三維在線測量方法，其特征在于：利用合成波干涉的方法擴大量程，使系統的測量量程突破了光波波長的限制，量程決定于合成波長λ_s，本系統的測量量程為λ_s/2，通過調節雙周期光柵G的兩個光柵周期，可調節合成波長λ_s的大小，以得到不同大小的測量量程；測量量程可達600～1000μm，分辨率優于5nm，適用于具有凸臺和深槽結構的納米表面三維在線測量。