專利名稱：一種測量物體表面形貌的方法
一種測量物體表面形貌的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光光學(xué)成像技術(shù)，尤其涉及一種新型的非接觸式測量物體表面形貌的方法。
背景技術(shù)：
針對激光無損切割、激光表面噴涂、激光表面毛化與拋光、特種合金焊接等新興技術(shù)的檢測和評估，圖像分析、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)的要求不斷提高，材料表面形貌的檢測技術(shù)也發(fā)生了根本性的變化。不但從最初的二維輪廓界面的測量評定發(fā)展到定量化三維表面形貌 的測量評定，而且從傳統(tǒng)的對平面表面形貌的測量評定，發(fā)展到對曲面表面形貌的測量評定。然而，大多數(shù)傳統(tǒng)形貌測量儀器由于本身在設(shè)計(jì)方案上的局限性，無法兼顧時(shí)間分辨率和空間分辨率。高分辨、快響應(yīng)的顯微成像檢測技術(shù)亟待發(fā)展。目前國內(nèi)外適用于材料表面形貌成像測量的儀器多數(shù)采用的是接觸式測量方式，利用探針或是探珠直接接觸物體表面，獲取其表面凹凸形貌信息。這類觸針式測量儀的好處在于其成像直觀可靠、操作簡單、通用性強(qiáng)，但被測表面易被觸針劃傷而使測量數(shù)據(jù)失真，觸針磨損也會引起橫向分辨率降低從而導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確；同時(shí)，受觸針尖端圓弧半徑的影響，觸針難以測出高質(zhì)量表面的實(shí)際輪廓谷底，從而降低了測量精度。通常這種接觸式形貌測量儀的精度在I微米量級。另外，現(xiàn)行的表面形貌測量裝置還有掃描顯微鏡測量儀，該裝置通過計(jì)算機(jī)圖像監(jiān)視器或CRT顯示控制器觀測被測表面圖像，其分辨率較高，但是測量范圍小，使用范圍限于原子級或納米級表面的測量，測量條件較苛刻。本發(fā)明即針對上述問題研究而提出。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種測量物體表面形貌的方法，該方法采用飛秒激光光梳光源，為新型的非接觸式光學(xué)表面形貌成像方法，實(shí)現(xiàn)更高分辨精度的超靈敏光學(xué)表面形貌探測，可對被測物體表面實(shí)現(xiàn)大面積超靈敏快速成像。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明一種測量物體表面形貌的方法，采用步驟如下①、采用雙光梳拍頻探測技術(shù)和空間啁啾技術(shù)，包括采用兩臺不同重復(fù)頻率的用于雙光梳拍頻探測的光梳，一臺為發(fā)射端光梳用作產(chǎn)生探測光束，另一臺為本地振蕩光梳用作產(chǎn)生參考光束，被測物體置于二維納米移動(dòng)平臺上；②、將步驟①中產(chǎn)生的探測光束經(jīng)過空間啁啾技術(shù)處理后經(jīng)顯微物鏡聚焦射向被測物體表面，探測光束在被測物體表面產(chǎn)生反射；③、將步驟②中經(jīng)反射的探測光束沿原光路返回，射向半透半反鏡后反射，再與步驟①產(chǎn)生且穿透半透半反鏡的參考光束在高速響應(yīng)的光電探測器上進(jìn)行雙光梳頻譜標(biāo)識探測，通過測量不同頻率成分的光場強(qiáng)度，得知探測光斑內(nèi)不同位置的凹凸信息；④、啟動(dòng)二維精密納米移動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)納米移動(dòng)平臺及被測物體移動(dòng)，重復(fù)步驟①②③，對被測物體在XY平面內(nèi)的自動(dòng)掃描成像，全面測量被測物體表面形貌信息。
所述雙光梳拍頻探測技術(shù)是將發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳分別產(chǎn)生的探測光束和參考光束相干外差拍頻測量，所述探測光束和參考光束存在一個(gè)微小的重復(fù)頻率差A(yù)f，發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳的拍頻信號根據(jù)彼此兩個(gè)系列的光梳齒的幾何加減關(guān)系，以Δf的頻率差分布在射頻波段。所述空間啁啾技術(shù)是利用光學(xué)色散元件對探測光束在光學(xué)色散元件空間色散作用下，不同頻率的光波按波長長短依次均勻分布在光斑的不同位置，所述光學(xué)色散元件為光柵。所述雙光梳頻譜標(biāo)識探測是利用參考光束與空間啁啾的探測光束進(jìn)行拍頻探測，
所述發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳采用具備脈沖重復(fù)頻率和脈沖載波包絡(luò)相位的精確鎖定的成像探測光源。所述發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳采用飛秒激光光梳光源，其具有良好的空間相干性和方向性，可直接無接觸式、無損傷被測物體表面，同時(shí)光梳光源頻率不確定度小，可以確保測量的準(zhǔn)確度和精度。頻譜標(biāo)識是將具有空間啁啾的探測光束聚焦于被測物體表面，光斑在被測物體表面的照射區(qū)被探測光束中不同頻率的光成分所標(biāo)記，通過測量不同頻率的光場信息，即可得到該頻率對應(yīng)的空間位置的被測物體表面凸凹平整度。事實(shí)上，頻譜標(biāo)識是將光束的強(qiáng)度-頻率關(guān)系I ( ω )對應(yīng)于強(qiáng)度-空間坐標(biāo)關(guān)系I (X)，其中ω為光頻率，X為某一光頻率成分在X方向的坐標(biāo)；頻譜標(biāo)識的空間分辨精度取決于探測光束可分辨的頻率精度。本發(fā)明一種測量物體表面形貌的方法，該方法采用飛秒激光光梳光源，為新型的非接觸式光學(xué)表面形貌成像方法，結(jié)合了雙光梳拍頻探測技術(shù)和脈沖空間啁啾技術(shù)，將空間位置信息測量轉(zhuǎn)換為對探測光頻譜可分辨測量，實(shí)現(xiàn)更高分辨精度的超靈敏光學(xué)表面形貌探測；利用光梳光源穩(wěn)定的相位-頻率關(guān)系，通過相干測量方式提高儀器的成像靈敏度；同時(shí)利用光梳外差拍頻探測和頻譜相干標(biāo)識技術(shù)對表面形貌可實(shí)現(xiàn)高分辨率成像；采用雙光梳及納米移動(dòng)平臺對被測物體自動(dòng)掃描，并結(jié)合對探測光斑的空間擴(kuò)束功能，可對被測物體表面實(shí)現(xiàn)大面積超靈敏快速成像。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明，其中圖I為本發(fā)明對被測物體表面形貌測量原理示意圖。
具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說明。首先，發(fā)射端光梳I和本地振蕩端光梳6的載波包絡(luò)相位和重復(fù)頻率同時(shí)精密鎖定。讓兩臺光梳具有一個(gè)微小重復(fù)頻率差量，并將兩臺光梳同時(shí)鎖定在同一個(gè)頻率標(biāo)準(zhǔn)上，保證兩臺光梳之間有最小的相對頻率抖動(dòng),所述發(fā)射端光梳I和本地振蕩端光梳6采用飛秒激光光梳光源，其具有良好的空間相干性和方向性，可直接無接觸式、無損傷被測物體表面，同時(shí)光梳光源頻率不確定度小，可以確保測量的準(zhǔn)確度和精度。然后，利用空間啁啾技術(shù)，使探測光束通過光學(xué)色散元件2，所述光學(xué)色散元件2為一對相互平行的光柵，在光柵空間色散的作用下，使不同頻率的光波會按照波長長短依次均勻分布在光斑的不同位置，最終使探測光束具有空間啁啾分布特性。接著，利用頻譜標(biāo)識將探測光束經(jīng)顯微物鏡3聚焦于被測物體表面，此時(shí)探測光斑在物體表面的照射區(qū)被探測光束中不同頻率的光成分所標(biāo)記；同時(shí)，通過同一顯微物鏡3收集沿原光路返回的反射光束，利用參考光束與探測光束經(jīng)半透半反鏡8的反射光束在光電探測器7上進(jìn)行拍頻探測。拍頻頻率就是參考光束與探測光束經(jīng)半透半反鏡8反射的反射光束的光學(xué)頻率差，由于發(fā)射端光梳I與本地振蕩光梳6的重復(fù)頻率不同，且含有多個(gè)頻率成分，所以拍頻頻譜會出現(xiàn)一系列的拍頻信號，每一臺信號之間的頻率間隔就是發(fā)射端光梳I與本地振蕩光梳6的重復(fù)頻率差。通過依次比對參考光束與反射光束，及未經(jīng)過被測物體表面的探測光束產(chǎn)生的對應(yīng)拍頻信號之間的強(qiáng)度變化，即可以確定光斑區(qū)域內(nèi)每一個(gè)頻率標(biāo)識的空間位置的凹凸信息。 最后，啟動(dòng)二維精密納米移動(dòng)電機(jī)5帶動(dòng)納米移動(dòng)平臺4及被測物體移動(dòng)，逐次在XY空間內(nèi)掃描被測物體表面，即可得到被測物體表面形貌特征圖像信息。對產(chǎn)生探測光束的發(fā)射端光梳I的飛秒激光光梳光源應(yīng)滿足(I)重復(fù)頻率fr精確鎖定。( 2 )載波包絡(luò)相位零頻 精確鎖定。(3)飛秒激光光梳光源重復(fù)頻率frl=100. 000132MHz，鎖定精度Λ frKlmHz ;載波包絡(luò)相位零頻f01=20MHz，鎖定精度AfOKlOmHz ;激光器的中心波長λ =1031nm，光譜寬度為Λ入=10_，即包含縱模頻率的個(gè)數(shù)約為#(· (Δ λ/λ 2)/fr=7 X 104，其中c為真空光速。對于產(chǎn)生參考光束的本地振蕩光梳6的飛秒激光光梳光源應(yīng)滿足(I)飛秒激光光梳光源的重復(fù)頻率fr和載波包絡(luò)相位零頻fO同時(shí)被精確鎖定。(2)重復(fù)頻率fr2=100. 005303MHz,重復(fù)頻率抖動(dòng)小于ImHz ;載波包絡(luò)相位零頻f02=f01=20MHz，鎖定精度為Af02〈10mHz，中心波長1031nm，光譜寬度為Λ λ =10nm。對空間頻率啁啾的實(shí)現(xiàn)要求探測光束以光柵一級衍射光最強(qiáng)時(shí)的角度射入一個(gè)平行放置的光柵對，其出射光束在光柵色散作用下出現(xiàn)空間-波長，即空間-頻率分布，光斑的最左端為長波，最右端為短波，兩端中間按波長從長到短依次分布。探測光束含縱模個(gè)數(shù)為7X104個(gè)，所以光斑被空間分割成了原光斑大小的7X104分之一。在本實(shí)施例中原光斑的直徑為10mm，在此情況下，每一個(gè)光頻率對應(yīng)的小光斑的直徑約為IOmm/(7X 104)=140nm。這也是理想情況下被測物體表面形貌測量的最小分辨精度。對雙光梳頻譜標(biāo)識別的實(shí)現(xiàn)，應(yīng)滿足(I)探測光束經(jīng)被測物體表面反射后與參考光束經(jīng)過半透半反鏡8在光電探測器7上滿足空間重合，之后產(chǎn)生拍頻信號。(2)在頻譜O 2 · frl的范圍內(nèi)，拍頻信號的頻率間隔為發(fā)射端光梳I與本地振蕩光梳6彼此對應(yīng)的縱模頻率差，即為Σ (n *fr2+f0)- Σ (n *frl+f0) = Σ η · (fr2_frl) = Σ η ·Λ fr，其中η為正整數(shù)，Afr=5. 171kHz為兩個(gè)光梳的重復(fù)頻率差。(3)拍頻信號的每一根頻率齒代表了被測物體表面的一個(gè)位置坐標(biāo)，這個(gè)位置坐標(biāo)上的凹凸程度ΛΖ將會引起探測光束與參考光梳之間的相位差Λ φ，Β卩Λ Φ = (ΔΖ/λ) · (2π)。相位差Λ φ會引起拍頻信號的振幅變化AEJP AE=El · Ε2 · exp ( Λ φ)，其中El和E2分別為探測光束和參考光束的振幅。所以，通過測量拍頻信號的強(qiáng)度變化即可獲得被測物體表面某一位置坐標(biāo)上的凹凸情況。(4)利用帶寬小于5. 171kHz,中心頻率可調(diào)的電路濾波器，在頻率上掃描探測到的拍頻信號，依次讀取頻率為Δ fr，2 Λ fr, 3 Δ fr,…，η Λ fr,的頻譜強(qiáng)度，即可獲得被測物體表面對應(yīng)位置的凹凸情況。本發(fā)明一種測量物體表面形貌的方法，發(fā)射端光梳I產(chǎn)生探測光束,并射向平行光柵，探測光束經(jīng)平行光柵反射后穿透射過半透半反鏡8射向顯微物鏡3，探測光束經(jīng)顯微物鏡3聚焦后射向放置在二維納米移動(dòng)平臺4上的被測物體；所述射向被測物體的探測光 束沿原光路返回，探測光束經(jīng)過顯微物鏡3后平行射向半透半反鏡8，半透半反鏡8將探測光束反射射向光電探測器7 ;與此同時(shí)，所述本地振蕩光梳6產(chǎn)生參考光束，參考光束穿透 半透半反鏡8也射向光電探測器7對被測物體表面形貌進(jìn)行探測。
權(quán)利要求
1.一種測量物體表面形貌的方法，步驟如下 ①、采用雙光梳拍頻探測技術(shù)和空間啁啾技術(shù)，包括采用兩臺不同重復(fù)頻率的用于雙光梳拍頻探測的光梳，一臺為發(fā)射端光梳(I)用作產(chǎn)生探測光束,另一臺為本地振蕩光梳(6)用作產(chǎn)生參考光束，被測物體置于二維納米移動(dòng)平臺(4)上； ②、將步驟①中產(chǎn)生的探測光束經(jīng)過空間啁啾技術(shù)處理后經(jīng)顯微物鏡(3)聚焦射向被測物體表面，探測光束在被測物體表面產(chǎn)生反射； ③、將步驟②中經(jīng)反射的探測光束沿原光路返回，射向半透半反鏡(8)后反射，再與步驟①產(chǎn)生且穿透半透半反鏡(8)的參考光束在高速響應(yīng)的光電探測器(7)上進(jìn)行雙光梳頻譜標(biāo)識探測，通過測量不同頻率成分的光場強(qiáng)度，得知探測光斑內(nèi)不同位置的凹凸信息； ④、啟動(dòng)二維精密納米移動(dòng)電機(jī)(5)帶動(dòng)納米移動(dòng)平臺及被測物體移動(dòng)，重復(fù)步驟 ①②③，對被測物體在XY平面內(nèi)的掃描成像，全面測量被測物體表面形貌信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述雙光梳拍頻探測技術(shù)是將發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)分別產(chǎn)生的探測光束和參考光束相干外差拍頻測量，所述探測光束和參考光束存在一個(gè)微小的重復(fù)頻率差△￡，發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)的拍頻信號根據(jù)彼此兩個(gè)系列的光梳齒的幾何加減關(guān)系，以Af的頻率差分布在射頻波段。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述空間啁啾技術(shù)是利用光學(xué)色散元件(2)對探測光束在光學(xué)色散元件空間色散作用下，不同頻率的光波按波長長短依次均勻分布在光斑的不同位置,所述光學(xué)色散兀件為光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述雙光梳頻譜標(biāo)識探測是利用參考光束與空間啁啾的探測光束進(jìn)行拍頻探測，并將其拍頻信號用于頻譜標(biāo)識，測定被測物體表面形貌位置對應(yīng)的表面凹凸平整度。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)采用具備脈沖重復(fù)頻率和脈沖載波包絡(luò)相位的精確鎖定的成像探測光源。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)米用飛秒激光光梳光源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量物體表面形貌的方法，該方法采用飛秒激光光梳光源，為新型的非接觸式光學(xué)表面形貌成像方法，結(jié)合了雙光梳拍頻探測技術(shù)和脈沖空間啁啾技術(shù)，將空間位置信息測量轉(zhuǎn)換為對探測光頻譜可分辨測量，實(shí)現(xiàn)更高分辨精度的超靈敏光學(xué)表面形貌探測；利用光梳光源穩(wěn)定的相位-頻率關(guān)系，通過相干測量方式提高儀器的成像靈敏度；同時(shí)利用光梳外差拍頻探測和頻譜相干標(biāo)識技術(shù)對表面形貌可實(shí)現(xiàn)高分辨率成像；采用雙光梳及納米移動(dòng)平臺對被測物體自動(dòng)掃描，并結(jié)合對探測光斑的空間擴(kuò)束功能，可對被測物體表面實(shí)現(xiàn)大面積超靈敏快速成像。
文檔編號G01B11/24GK102967274SQ20121045549
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月14日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 閆明 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司