[發(fā)明專利]臺階表面高度測量的單光柵干涉儀及臺階表面高度測量方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410573215.2
• 申請日: 2014-10-23
• 公開（公告）號: CN104330034A
• 公開（公告）日: 2015-02-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 宦海;盧松;張雨;黃凌霄;張震
• 申請（專利權(quán)）人: 南京信息工程大學(xué)
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 南京眾聯(lián)專利代理有限公司 32206
• 代理人: 張慧清

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及測繪領(lǐng)域，特別是涉及臺階表面高度測量的單光柵干涉儀及臺階表面高度測量方法。

背景技術(shù)

單波長干涉儀受限于平滑和連續(xù)的表面上的測量，兩個(gè)測量點(diǎn)之間的光程差的變化小于半波長。為了克服這種限制，就提出了雙波長干涉儀。雙波長干涉測量法被用于測量的光程差小于一個(gè)波長。在雙波長干涉儀中，兩個(gè)波長提供了一個(gè)合成的等效波長，波長長于兩個(gè)波長。因?yàn)檫@兩個(gè)波長之間的差異是很小的，幾納米，所以這需要兩個(gè)波長是高度穩(wěn)定的。無論是在單波長或雙波長干涉儀中，由于相位差與直接使用的波長有關(guān)，光源的波長的擾動會帶來非常大的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的測量結(jié)果。半導(dǎo)體激光二極管已被用于干涉儀是廣泛的光源，因?yàn)樗哂休^小的體積，較低的價(jià)格和在應(yīng)用比其他激光源更方便的特點(diǎn)。然而，激光二極管光源的波長很容易會隨著注入電流和溫度的變化而波動。為了克服光源波長的干擾影響測量結(jié)果，相關(guān)人員已經(jīng)做了大量的研究工作。

相移干涉儀廣泛應(yīng)用于獲取物體2D表面的相位分布。其主要的工作原理：在干涉系統(tǒng)的參考光路中加入精密移相器件，在物光與參考光之間引入有序的位移，這樣兩相干光之間產(chǎn)生相位移動，光程差(位相差)發(fā)生變化。在每一測量點(diǎn)處，相位差的變化使干涉場的光強(qiáng)值發(fā)生對應(yīng)變化，然后用CCD等探測器接收干涉圖每一象素點(diǎn)處的光強(qiáng)值。因?yàn)楣鈴?qiáng)是光學(xué)位相的余弦函數(shù)，與物體表面形貌直接相關(guān)的也是蘊(yùn)涵在干涉條紋圖中的光學(xué)位相，這樣通過采集三幅或以上的干涉條紋圖，從中解出反映物體真實(shí)形貌的位相信息，重構(gòu)出物體形貌，從而完成測量。

圖1為相移干涉術(shù)的測量原理圖，激光光源發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束器后變?yōu)槠叫泄猓质鲗⒃撈叫泄夥譃闇y量光束和參考光束兩束光:測量光束照射到被測物體表面上并被物體表面反射回來；參考光束照射到與壓電陶瓷驅(qū)動器連接著的參考鏡上同樣被參考鏡反射回來。兩束反射光再次經(jīng)過分束器后在干涉場發(fā)生干涉，形成干涉條紋。通過驅(qū)動參考鏡改變兩相干光束的光程差，以改變相位差，并產(chǎn)生時(shí)間序列上的多幅干涉條紋圖。對于每一副干涉條紋圖，用CCD等光電探測器對其進(jìn)行陣列網(wǎng)格采樣，采樣過后的條紋圖再經(jīng)刀D轉(zhuǎn)換器存儲在計(jì)算機(jī)存儲器中。

相移干涉技術(shù)通常遇到的問題就是不能從探測器所接收到的干涉圖中精確、準(zhǔn)確地提取出每個(gè)點(diǎn)的位相值，在實(shí)際的應(yīng)用中，又存在擾動和誤差因素的影響，所以要準(zhǔn)確得到每個(gè)點(diǎn)的位相值就更難了。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于針對目前臺階表面高度測量中測量結(jié)果容易受到光源波長干擾，造成測量結(jié)果系統(tǒng)誤差大、隨機(jī)誤差大、精度低、準(zhǔn)確度低的問題，提供一種全新的測量裝置及方法。

為了實(shí)現(xiàn)這一發(fā)明目的，我們公開了一種臺階表面高度測量的單光柵干涉儀，包括激光光源、三個(gè)透鏡、一個(gè)平面光柵、一個(gè)帶有兩個(gè)針孔的光闌、一個(gè)圖像傳感器、一個(gè)正弦振動揚(yáng)聲器；

所述激光光源置于待測臺階一側(cè)，激光光源與待測臺階之間依次設(shè)置有一個(gè)透鏡和一個(gè)平面光柵，所述平面光柵連接至正弦振動揚(yáng)聲器；

所述激光光源發(fā)出一組與待測表面呈一定角度β的平行光，所述激光光源發(fā)出的平行光依次通過第一透鏡和平面光柵，并在檢測表面反射后形成反射光束；

以反射光束為軸，依次設(shè)置有第二透鏡、帶有兩個(gè)針孔的光闌、第三透鏡，

所述反射光束依次通過第二透鏡、帶有兩個(gè)針孔的光闌、以及第三透鏡，

所述圖像傳感器置于第三透鏡后側(cè)，接收通過第三透鏡的光束，得到反應(yīng)物體平面圖像的干涉條紋圖案。

基于這樣一種單光柵干涉儀，我們進(jìn)一步公開了一種臺階表面高度測量的方法，包括如下步驟：

按照權(quán)利要求1中所述方式搭建臺階表面高度測量所需要的的單光柵干涉儀；

在激光光源處發(fā)出一組平行光，記錄平行光與待測表面之間的夾角β；

平行光束通過焦距為f0的透鏡L0發(fā)生折射后，在空間周期為P，透光寬度為a的光柵G處發(fā)生正弦振動；

透過光柵G的光束在待測表面發(fā)生反射，形成反射光束，反射光束通過焦距為f1的透鏡L1發(fā)生折射，形成多個(gè)光束；

其中被允許穿過帶有兩個(gè)針孔的光闌上兩針孔光闌H的第一階光束經(jīng)焦距為f2的透鏡L2折射；

圖像傳感器在一定時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)多次采樣，得到干涉條紋圖案；

將干涉條紋圖案轉(zhuǎn)化得到位相分布圖，并且選擇位相分布圖中的一行進(jìn)行臺階表面高度計(jì)算，臺階表面高度r計(jì)算方式如下：