專利名稱：激光散斑干涉測量方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用激光測量納米微粒的方法及裝置。
背景技術(shù)：
激光散斑是激光高相干性在漫射物體粗糙表面相干的一種現(xiàn)象。散斑現(xiàn)象表現(xiàn)為用激光照明漫射表面時(shí)，像面呈顆粒狀，表面由一些細(xì)小的統(tǒng)計(jì)分布的亮暗斑所覆蓋。起因是物體在被激光照射時(shí)，每一點(diǎn)都散射光線。由于激光光源較高相干性，一個(gè)物點(diǎn)散射的光和其余物點(diǎn)散射的光相干涉，形成了具有統(tǒng)計(jì)規(guī)律、看似雜亂的干涉圖樣。
傳統(tǒng)的激光散斑干涉測量方法的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，包括激光器1、分光板2、位相延遲裝置3、被測樣品4、參考樣品5、CCD相機(jī)6。激光器1發(fā)出的光經(jīng)分光板2后，照在被測樣品4和參考樣品5上，反射回來的物光和參考光重新經(jīng)過分光板2進(jìn)入CCD相機(jī)6，形成散斑干涉圖形。在這個(gè)過程中，參考光三次穿過分光板2，而物光一次穿過分光板2，為了補(bǔ)償兩者的光程差，通常，在分光板2和被測樣品4之間加位相延遲裝置3。通過這種方法，獲得的是被測樣品的平面信息。
因?yàn)閭鹘y(tǒng)的激光散斑干涉測量方法及裝置，僅得樣品平面位相信息，測量獲得的信息量不夠豐富，所以，測量精度不高。目前，橫向測量精度僅達(dá)10um。這就限制了激光散斑干涉測量方法的應(yīng)用領(lǐng)域，如在納米技術(shù)中，由于微粒尺度一般在納米量級，要獲得納米微粒的動(dòng)態(tài)行為過程，要求檢測方法的橫向測量精度應(yīng)該在1um以下，甚至更小。這就要求我們在檢測時(shí)能獲得更多的信息量，顯然，已有的激光散斑干涉測量方法不能滿足測量精度的要求，而這些領(lǐng)域用激光散斑干涉測量方法來檢測又具有明顯的優(yōu)勢。也就是說，已有激光散斑干涉測量方法及其裝置存在的主要問題是獲得的信息量不夠豐富，橫向測量精度不夠高。
發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題針對已有激光散斑干涉測量方法存在的問題，我們要解決的技術(shù)問題是改進(jìn)已有激光散斑干涉測量方法及裝置不能夠測量立體位相信息，信息量不夠豐富，橫向測量精度不夠高的問題，為此，本發(fā)明將要提供能夠測量立體位相信息、擴(kuò)大信息量、提高橫向測量精度、擴(kuò)大應(yīng)用范圍的激光散斑干涉測量方法及裝置。
本發(fā)明裝置的技術(shù)方案如圖2所示，它包括激光器、分光板、空間位相掃描板、被測樣品、位相掃描反射鏡、CCD相機(jī)；在麥克爾遜干涉儀的一支光路上依次同軸放置激光器、分光板、空間位相掃描板和被測樣品，在分光板和被測樣品之間放置空間位相掃描板；另一支光路上在分光板的兩側(cè)分別放置位相掃描反射鏡和CCD相機(jī)，并且使分光板、位相掃描反射鏡和CCD相機(jī)保持同軸。
本發(fā)明的方法由圖2可以看出，激光散斑干涉測量步驟如下首先在麥克爾遜干涉裝置的一支光路上放置激光器、分光板、空間位相掃描板和被測樣品形成一支激光分束干涉光路，在另一支光路上放置位相掃描反射鏡和CCD相機(jī)形成另一支激光分束干涉光路，調(diào)整好激光分束干涉光路；然后給被測樣品施加驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)驅(qū)動(dòng)空間位相掃描板和位相掃描反射鏡均勻掃描被測樣品表面，并橫向剪切被測樣品表面形成干涉圖像；使空間位相掃描板和位相掃描反射鏡相互配合，獲取被測樣品立體位相信息，則實(shí)時(shí)記錄被測樣品表面變化；利用空間位相掃描板和位相掃描反射鏡的鎖相和解鎖相對被測樣品形成空間干涉成像的散斑條紋圖像，并對被測樣品同步產(chǎn)生多幅剪切和位相掃描的干涉圖像；把散斑條紋圖像存進(jìn)計(jì)算機(jī)，在顯示器上顯示出激光散斑干涉圖形并分析樣品表面微粒在外加信號驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為；把散斑條紋圖像從背景光中提取出來，然后對觀測到的激光散斑條紋圖像進(jìn)行細(xì)分，利用鎖相技術(shù)使被測樣品不同點(diǎn)反射回來的光形成固定的位相差，從而互相干涉形成周期性的干涉圖樣，利用圖像分析軟件分析干涉圖樣就獲得被測樣品特定區(qū)域的表面信息，則完成了激光散斑干涉的測量。
工作過程激光器發(fā)出的光，經(jīng)分光板后變?yōu)閮墒夥謩e照在被測樣品和參考反射鏡上，反射回來的物光和參考光重新經(jīng)過分光板后，進(jìn)入CCD相機(jī)形成散斑干涉圖像。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)從圖2中可以看出，本發(fā)明的研究方案與以前方案的不同之處是在物方光路增加了空間位相掃描板和在參考光路增加了位相掃描反射鏡。
背景技術(shù)：
只是在物方光路放置位相延遲裝置用來補(bǔ)償光程，來保證兩束光產(chǎn)生干涉；或利用相移法提高物方縱向(測距)分辨能力，得到的仍是平面信息。而本發(fā)明在光路中同時(shí)放置空間位相掃描板和位相掃描反射鏡可以均勻、大范圍地掃描被測樣品表面，既有橫向剪切的干涉成像，又有縱向分辨力的改善，得到的是立體位相信息。
本發(fā)明雙位相掃描的激光散斑干涉測量方法及裝置顯著優(yōu)點(diǎn)有(1)能測量立體位相信息，擴(kuò)大信息量。(2)測量精度高。結(jié)合圖像細(xì)分方法，能把橫向測量精度從目前的10μm精確到1μm以下，甚至尺度更小。(3)應(yīng)用范圍廣，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的激光散斑干涉測量，而且能夠應(yīng)用于納米微粒的動(dòng)態(tài)行為表征。本發(fā)明是一種非接觸、無損、實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的測量方法，廣泛應(yīng)用于表面粗糙度、位移、形變和應(yīng)力等方面的測量。不僅能夠應(yīng)用于納米微粒的測量，還可以作為微電子、微光學(xué)元件及半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域的檢測手段。


圖1是背景技術(shù)中的激光散斑干涉測量方法及裝置圖2是本發(fā)明雙位相掃描的激光散斑干涉測量方法及裝置
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的位相掃描激光散斑干涉測量方法已經(jīng)應(yīng)用于磁流體光顯示屏的檢測中。結(jié)合圖2，說明本發(fā)明的應(yīng)用。它包括激光器1、分光板2、空間位相掃描板3、被測樣品4、位相掃描反射鏡5、CCD相機(jī)6。
激光器1采用30mw的He-Ne激光器或其它類型的激光器；分光板2采用通用的光學(xué)分光板；空間位相掃描板3包括同步電機(jī)和振子鏡，采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)振子鏡，或采用鋸齒波驅(qū)動(dòng)振子鏡，或采用其它驅(qū)動(dòng)方式；被測樣品4采用磁流體顯示板作為被測樣品，尺寸選擇為10cm×10cm；位相掃描反射鏡5包括同步電機(jī)和位相板，采用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)位相板，或采用其它驅(qū)動(dòng)方式；CCD相機(jī)6采用100萬像素的CCD相機(jī)。
首先在麥克爾遜干涉裝置的一支光路上放置He-Ne激光器、光學(xué)分光板、空間位相掃描板和磁流體顯示板形成一支激光分束干涉光路，在另一支光路上放置位相掃描反射鏡和100萬像素的CCD相機(jī)形成另一支激光分束干涉光路，調(diào)整好激光分束干涉光路；用信號發(fā)生器給磁流體顯示板施加驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)用鋸齒波驅(qū)動(dòng)振子鏡和用同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)位相板均勻掃描磁流體顯示板表面，并橫向剪切磁流體顯示板表面，使從磁流體顯示板表面橫向不同點(diǎn)反射回來的光相互干涉形成干涉圖像；使振子鏡和位相板相互配合且保持一定的函數(shù)關(guān)系，獲取磁流體顯示板立體位相信息，則在磁流體顯示板表面形態(tài)變化過程中，實(shí)時(shí)記錄其表面形態(tài)的變化；利用空間位相掃描板和位相掃描反射鏡的鎖相和解鎖相對磁流體顯示板表面形成空間干涉成像的散斑條紋圖像，并對磁流體顯示板表面同步產(chǎn)生多幅剪切和位相掃描的干涉圖像；通過圖像采集卡把散斑條紋圖像存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)，在顯示器上顯示出激光散斑干涉圖形；利用圖像分析軟件分析樣品表面微粒在外加信號驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為；利用圖像處理技術(shù)和統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論，即可選用灰度分級法把散斑條紋圖像從背景光中提取出來，再把激光散斑條紋圖像細(xì)。分為10份，使測量精度從目前的10μm精確到1μm；利用鎖相技術(shù)使磁流體顯示板不同點(diǎn)；反射回來的光形成固定的位相差，從而互相干涉形成周期性的干涉圖樣，利用C語言編制的圖像分析軟件分析干涉圖樣就獲得磁流體顯示板樣品被測區(qū)域的表面微粒信息，則完成了激光散斑干涉的測量。
權(quán)利要求
1.激光散斑干涉測量裝置，包括激光器(1)、分光板(2)、被測樣品(4)、CCD相機(jī)(6)；其特征在于還包括空間位相掃描板(3)、位相掃描反射鏡(5)，在麥克爾遜干涉儀的一支光路上依次同軸放置激光器(1)、分光板(2)、空間位相掃描板(3)和被測樣品(4)，在分光板(2)和被測樣品(4)之間放置空間位相掃描板(3)；另一支光路上在分光板(2)的兩側(cè)分別放置位相掃描反射鏡(5)和CCD相機(jī)(6)，并且使分光板2、位相掃描反射鏡(5)和CCD相機(jī)(6)保持同軸。
2.激光散斑干涉測量方法，其特征在于首先在麥克爾遜干涉裝置的一支光路上放置激光器、分光板、空間位相掃描板和被測樣品形成一支激光分束干涉光路，在另一支光路上放置位相掃描反射鏡和CCD相機(jī)形成另一支激光分束干涉光路，調(diào)整好激光分束干涉光路；然后給被測樣品施加驅(qū)動(dòng)信號，同時(shí)驅(qū)動(dòng)空間位相掃描板和位相掃描反射鏡均勻掃描被測樣品表面，并橫向剪切被測樣品表面形成干涉圖像；使空間位相掃描板和位相掃描反射鏡相互配合，獲取被測樣品立體位相信息，則實(shí)時(shí)記錄被測樣品表面變化；利用空間位相掃描板和位相掃描反射鏡的鎖相和解鎖相對被測樣品形成空間干涉成像的散斑條紋圖像，并對被測樣品同步產(chǎn)生多幅剪切和位相掃描的干涉圖像；把散斑條紋圖像存進(jìn)計(jì)算機(jī)，在顯示器上顯示出激光散斑干涉圖形并分析樣品表面微粒在外加信號驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為；把散斑條紋圖像從背景光中提取出來，然后對觀測到的激光散斑條紋圖像進(jìn)行細(xì)分，利用鎖相技術(shù)使被測樣品不同點(diǎn)反射回來的光形成固定的位相差，從而互相干涉形成周期性的干涉圖樣，利用圖像分析軟件分析干涉圖樣就獲得被測樣品特定區(qū)域的表面信息，則完成了激光散斑干涉的測量。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用激光測量納米微粒的方法及裝置，麥克爾遜激光干涉光路上放置激光器1、分光板2、空間位相掃描板3、被測樣品4、位相掃描反射鏡5、CCD相機(jī)6，調(diào)整好麥克爾遜激光干涉光路，在被測樣品表面形態(tài)變化過程中，利用空間位相掃描板和位相掃描反射鏡實(shí)時(shí)記錄被測樣品表面立體位相信息，在CCD相機(jī)中形成橫向剪切激光散斑干涉圖像，通過圖像采集卡存儲(chǔ)進(jìn)計(jì)算機(jī)。再利用統(tǒng)計(jì)相關(guān)理論和細(xì)分技術(shù)對圖像進(jìn)行處理。本發(fā)明提供能夠測量立體位相信息、擴(kuò)大信息量、提高橫向測量精度、擴(kuò)大應(yīng)用范圍的激光散斑干涉測量方法及裝置。它不僅能夠應(yīng)用于納米微粒的動(dòng)態(tài)行為表征，還可以作為微電子、微光學(xué)元件及半導(dǎo)體制造等領(lǐng)域的檢測手段。
文檔編號G01N21/45GK1696661SQ20041001085
公開日2005年11月16日 申請日期2004年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月12日
發(fā)明者王希軍 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所