一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置

1.本发明涉及白光干涉技术领域，尤其涉及一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置。


背景技术：

2.超精密加工技术是指亚微米级和纳米级精度的加工技术，亚微米级加工表面粗糙度ra在0.005μm-0.03μm之间，纳米加工表面粗糙度ra≤0.005μm。随着电子、机械、材料、光学等工业的进步与发展，零件加工的需求不断增长，对加工表面的的三维形貌检测要求日益提高，高精度的三维形貌检测可以在加工过程中发现零件表面问题，帮助改进加工工艺，提高零件表面加工质量，并最终确定零件的合格与否。
3.常见的表面检测方法有机械探针法、扫描隧道显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、光学探针法、光学三角法、光学显微干涉法等。其中白光干涉法因其测量精度高、量程大、速度快、范围大、与样品非接触、可测量非连续表面等特点被广泛应用。白光干涉技术的发展历史悠久，目前主要有三种结构系统，分别是michelson型、linnk型、mirau型。
4.如图1所示为现有技术linnk型显微干涉系统的结构示意图，linnk型显微干涉系统是一种常用的显微干涉系统，入射光从左侧入射，被分光棱镜分为两束，一束经过显微物镜聚焦后照射到样品上，反射光经过显微物镜后又变成平行光，另一束光经过显微物镜后被参考反射镜反射，反射光经过显微物镜后与样品的反射光产生干涉，干涉光经过集光镜后在ccd上成像。上述系统在使用时，容易受到环境干扰与噪声的影响，当噪声较大时，三维形貌测量精度会大幅降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置，该装置通过增加一路干涉信号，使两路干涉信号相减在消除直流分量的同时，也去除了两路干涉信号中的相同噪声，从而增强了白光干涉仪光路的抗噪声能力，并提高了三维形貌恢复算法的精度。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置，所述装置包括白光光源、可变光阑、第一透镜组、分光棱镜组、第一ccd相机、第二透镜组、第一偏振分光棱镜、第三透镜组、第二ccd相机、第二偏振分光棱镜、第四透镜组、第一参考反射镜、第五透镜组、样品台、第六透镜组、第二参考反射镜，其中：
8.白光光源发出的光经过可变光阑和第一透镜组后，到达分光棱镜组；
9.分光棱镜组将入射光分为两束，一束经过第五透镜组后达到样品台，另一束在经过第二偏振分光棱镜后被分成p偏振光和s偏振光两路；
10.其中，p偏振光经过第四透镜组后，被第一参考反射镜反射；s偏振光经过第六透镜组后，被第二参考反射镜反射；
11.p偏振光和s偏振光被反射后从第二偏振分光棱镜出射，并与从样品台反射回来的光在分光棱镜组处产生干涉；
12.干涉光从分光棱镜组到达第一偏振分光棱镜后再被分成p偏振光和s偏振光两路，p偏振光经过第三透镜组后被第二ccd相机采集到干涉图像；s偏振光经过第二透镜组后被第一ccd相机采集到干涉图像；
13.利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量；
14.其中，所述样品台、第一参考反射镜、第二参考反射镜都配有高精度的压电陶瓷驱动器；利用所述样品台的压电陶瓷驱动器在测量过程中等间距地移动待测样品，实现机械移相。
15.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置通过增加一路干涉信号，使两路干涉信号相减在消除直流分量的同时，也去除了两路干涉信号中的相同噪声，从而增强了白光干涉仪光路的抗噪声能力，并提高了三维形貌恢复算法的精度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
17.图1为现有技术linnk型显微干涉系统的结构示意图；
18.图2为本发明实施例提供的基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置结构示意图；
19.图3为本发明所举实例采集的干涉信号示意图。
具体实施方式
20.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
21.如图2所示为本发明实施例提供的基于参考反射镜差动探测的白光干涉测量装置结构示意图，所述装置包括白光光源1、可变光阑2、第一透镜组3、分光棱镜组4、第一ccd相机5、第二透镜组6、第一偏振分光棱镜7、第三透镜组8、第二ccd相机9、第二偏振分光棱镜10、第四透镜组11、第一参考反射镜12、第五透镜组13、样品台14、第六透镜组15、第二参考反射镜16，其中：
22.白光光源1发出的光经过可变光阑2和第一透镜组3后，到达分光棱镜组4；
23.分光棱镜组4将入射光分为两束，一束经过第五透镜组13后达到样品台14，另一束在经过第二偏振分光棱镜10后被分成p偏振光和s偏振光两路；
24.其中，p偏振光经过第四透镜组11后，被第一参考反射镜12反射；s偏振光经过第六透镜组15后，被第二参考反射镜16反射；
25.p偏振光和s偏振光被反射后从第二偏振分光棱镜10出射，并与从样品台14反射回来的光在分光棱镜组4处产生干涉；
26.干涉光从分光棱镜组4到达第一偏振分光棱镜7后再被分成p偏振光和s偏振光两路，p偏振光经过第三透镜组8后被第二ccd相机9采集到干涉图像；s偏振光经过第二透镜组6后被第一ccd相机5采集到干涉图像；
27.利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台14上所放置待测样品的三维形貌测量；
28.其中，所述样品台14、第一参考反射镜12、第二参考反射镜16都配有高精度的压电陶瓷驱动器；利用所述样品台14的压电陶瓷驱动器在测量过程中等间距地移动待测样品，实现机械移相。
29.具体实现中，所述利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量，具体过程为：
30.首先在样品台14上放置待测样品；
31.利用压电陶瓷驱动器驱动样品台14移动，在对待测样品等间距扫描过程中，利用第二ccd相机9和第一ccd相机5收集p偏振光和s偏振光干涉图像；
32.将p偏振光和s偏振光干涉图像相减得到差值信号，将差值信号中值点位置附近五个点的值使用最小二乘法进行直线拟合，计算拟合直线过零点的位置值，该值为差动白光干涉的零光程差点；
33.根据该零光程差点的值计算出待测样品的实际高度，从而实现对待测样品的三维形貌测量。
34.另外，所述第一参考反射镜12和第二参考反射镜16需要存在微小光程差，即从第二偏振分光棱镜10的两个偏振光出射端面分别到两个参考反射镜的距离有微小差异，具体来说：
35.为了实现参考反射镜差动探测，首先将校准样品放置在样品台14上，将第二偏振分光棱镜10到第二参考反射镜16的光遮住，对校准样品进行扫描得到一组干涉图像，取干涉图像中一点，计算扫描过程中零光程差点的位置；
36.再将第二偏振分光棱镜10到第一参考反射镜12的光遮住，使样品台14返回原始扫描位置，对校准样品进行扫描得到另一组干涉图像，对干涉图像的相同点计算扫描过程中零光程差点位置；
37.根据两个零光程差点位置的差值，计算出第一参考反射镜12和第二参考反射镜16距离第二偏振分光棱镜10的差值；
38.然后利用压电陶瓷驱动器移动第一参考反射镜12和第二参考反射镜16，使两个参考反射镜距离第二偏振分光棱镜10的距离相同；
39.根据计算的差动距离，使用压电陶瓷驱动器，使第一参考反射镜12远离第二偏振分光棱镜10一定的距离，第二参考反射镜16靠近第二偏振分光棱镜10一定的距离，此时就能实现差动白光干涉。
40.具体实现中，第一参考反射镜12和第二参考反射镜16的差动距离对差动白光干涉的三维形貌恢复算法有一定影响，在样品等间距扫描过程中，相机会采集到p偏振和s偏振两组干涉信号，将两路干涉信号相减会得到一组差值信号；差动距离的大小，将影响差值信
号的斜率大小；当差值信号斜率最大时，此时求解零光程差点的准确性最高。因此将差值信号斜率最大时的参考反射镜差动距离作为第一参考反射镜12和第二参考反射镜16的最佳差动距离；其中，所述差值信号是所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值。
41.值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
42.举例来说，如图3所示为本发明所举实例采集的干涉信号示意图，在样品等间距扫描过程中，采集到p偏振和s偏振两组干涉信号，如图3所示，虚线为p偏振信号，点划线为s偏振信号，图中的横坐标为等间距采样的步数，纵坐标为采样的光强值。将两路干涉信号的光强值相减，得到一组干涉差值信号，如图3中实线所示。
43.现有技术其他的三维形貌恢复算法，通过极值法、重心法、白光相移法等方法在干涉信号上求解零光程差点，它们都是基于一组干涉信号进行求解，并且求解的零光程差点位于曲线上；而本发明实施例通过增加一路干涉信号，使两路干涉信号相减在消除直流分量的同时，也去除了两路干涉信号中的相同噪声，并构造出多个零点，其中一个零点就是零光程差点，从而提高了三维形貌恢复算法的精度。
44.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。