本發(fā)明涉及一種顯微光干涉測量的方法及其裝置，特別涉及一種采用多波長可調諧顯微干涉的測量裝置與方法,屬于先進制造與檢測技術領域。

背景技術：

在光電系統(tǒng)的設計與研制過程中，常常需要用到多種不同類型和材質的光學元件來改善系統(tǒng)性能。其中一些元件(如光柵)的表面存在著由機械加工、等離子體刻蝕、噴鍍涂層等工藝過程形成的復雜微結構；其形貌分布不僅體現元件的外在特征，同時也與諸如硬度、殘余應力、使用壽命、微觀物理性能等內在特性密切相關。為了有效地加工上述器件，使之更好地滿足光電系統(tǒng)的設計與應用要求，需要對其表面形貌進行精密檢測，從而為預評估與控制其相關性能提供幫助。近十多年以來，針對光學元件表面微結構形貌的超精密檢測，更是得到了高度的重視與廣泛的研究。

在種類眾多的檢測方法中，具有全場測量、高精度等特點的顯微光干涉測試技術尤其適合光學元件微觀形貌的精密檢測。在傳統(tǒng)的顯微干涉測量中，多以單色性較好的激光作為光源，結合移相干涉術，測量精度可達亞納米量級。然而，在測量過程中要求相鄰被測點的光程差小于四分之一波長，因而只能進行小量程的相對測量。這在一定程度上制約了激光顯微干涉測試技術在表面具有復雜微結構(如階梯狀)的元器件三維形貌復原方面的應用。

一種針對傳統(tǒng)單波長激光顯微干涉的改進途徑是使用兩個或多個不同中心波長的單波長激光器代替原有光源，即雙/多波長干涉測量技術。其借助等效波長的概念，使用時域相位展開策略，能夠大大拓展系統(tǒng)的動態(tài)可測范圍，避免面形測量過程中的二義性現象，實現對目標形貌的絕對測量。與單波長干涉測試相類似，為了獲得較為精確的面形測量結果，移相術常常被應用于雙/多波長干涉測量中。然而傳統(tǒng)的移相方法，無論是空間域上的分光路移相，還是時間域上借助微位移器的順序移相，系統(tǒng)復雜度均有所提高，且存在包括系統(tǒng)復雜、移相器定標等在內的問題。

基于短相干光源的顯微光干涉測試技術，特別是白光顯微干涉，由于其使用的光源相干長度較短，具有唯一的零光程差位置，可以進行絕對度量，克服了傳統(tǒng)單波長激光顯微干涉中光源的問題，常用于復雜微結構的高精度檢測。雖然白光顯微干涉具有上述優(yōu)點，但其對復雜面形的絕對測量需要借助價格昂貴的高精度微位移器(如壓電陶瓷堆，PZT)沿軸向掃描實現，掃描越精密，面形測量精度越高。從而導致整個測量時間較長，僅適用于靜態(tài)物面的檢測，且掃描過程中對外界的氣流擾動、震動等較為敏感，系統(tǒng)的結構也較為復雜、成本較高。

相比之下，基于波長調諧的移相法通過改變激光的中心波長實現移相。激光器既作為光源，又起到移相器的作用，無需推動硬件實現移相，簡化了系統(tǒng)的機械結構，消除了由于硬件移相而引起的誤差，避免了白光顯微干涉的掃描問題，提高了系統(tǒng)的測量精度。雖然波長調諧移相法具有上述顯著優(yōu)點，但該技術主要還是采用單波長激光器，應用于元件宏觀面形(特別是大口徑光學元件面形)的檢測。目前，針對光學件表面微結構形貌，結合雙/多波長干涉測量技術的超精密檢測還有待開展。

技術實現要素：

本發(fā)明針對現有精確測量微結構表面三維形貌技術存在的不足，提供一種采用多波長可調諧顯微干涉，無需機械掃描部件，實現對微結構表面，特別是面形變化復雜、非連續(xù)的微結構元件進行快速、精確測量的方法及其裝置。

為實現上述目的，本發(fā)明采用的技術解決方案是提供一種多波長可調諧顯微干涉的測量裝置，包括多波長可調諧激光器、合束光纖、毛玻璃片、準直擴束鏡、分束器、干涉顯微物鏡、載物臺、成像鏡頭、彩色相機、數據傳輸控制線、計算機、波長調諧控制器；多波長可調諧激光器由三個單波長可調諧激光器模塊構成，經波長調諧控制器的調控，同步或分時輸出紅、綠、藍色三路波長可調諧激光信號，通過合束光纖復合為一路復合激光信號聚焦耦合至勻速旋轉的毛玻璃片表面；所述毛玻璃片位于準直擴束鏡的前焦點位置，所述復合激光透過毛玻璃片經準直擴束鏡后成為平行光入射至分束器表面；分束器將平行激光反射進入干涉顯微物鏡，照射至載物臺上的被測元件表面，由被測面反射回的激光信號再依次通過干涉顯微物鏡和分束器，經成像鏡頭耦合至彩色相機靶面；所述準直擴束鏡、分束器、干涉顯微物鏡、成像鏡頭和彩色相機之間呈共光路結構；計算機經數據傳輸控制線與波長調諧控制器、彩色相機相連，實現對多波長可調諧激光器輸出信號的調控和對相機采集傳輸圖像數據的同步控制。

本發(fā)明技術方案所述的合束光纖為三合一單模光纖，與多波長可調諧激光器輸出端級聯(lián)，將輸出端的紅、綠、藍色三路波長可調諧激光信號合束為一路，并聚焦耦合至準直擴束鏡前焦點位置上的毛玻璃片表面。

所述的干涉顯微物鏡為Mirau、Michelson或Linik型干涉顯微物鏡。

所述的彩色相機為彩色三芯片CCD或CMOS相機。

測量裝置中，載物臺上放置的被測元件置于干涉顯微物鏡的零光程差位置。

本發(fā)明技術方案還包括一種多波長可調諧顯微干涉的測量方法，步驟如下：

第一步，測量裝置的連接與調整：將多波長可調諧激光器與合束光纖、毛玻璃片級聯(lián)，毛玻璃片、準直擴束鏡、分束器、干涉顯微物鏡、載物臺、成像鏡頭、彩色相機呈共光路結構依次耦合銜接，毛玻璃片位于準直擴束鏡的前焦點位置，被測元件位于干涉顯微物鏡的零光程差位置，彩色相機聚焦于待測面；多波長可調諧激光器、波長調諧控制器和計算機之間通過數據傳輸控制線按序連接；多波長可調諧激光器包括三個單波長可調諧激光器模塊，通過波長調諧控制器進行調控，同步或分時輸出紅、綠、藍色三路波長可調諧的激光信號；彩色相機與計算機之間由數據傳輸控制線相接；

第二步，多波長可調諧移相干涉條紋圖的獲?。焊鶕x用移相算法的要求，計算機通過數據傳輸控制線連接波長調諧控制器，調控多波長可調諧激光器的三個模塊，同步改變各模塊輸出激光波長，產生相應的移相量；波長調諧控制器在調控激光波長變化的同時輸出觸發(fā)信號，經計算機和數據傳輸控制線傳輸至彩色相機，彩色相機同步采集各幀經被測元件反射形成的多波長移相干涉條紋圖，再通過數據傳輸控制線傳輸至計算機存儲和處理；

第三步，多波長可調諧移相干涉條紋圖的解調：計算機對獲得的條紋圖像進行解調，經基于多波長可調諧移相的解相方法得到與被測面形對應的各波長包裹相位分布，再經基于迭代優(yōu)化的多波長可調諧移相的相位展開處理得到與被測面相關的各波長絕對相位分布，恢復得到被測元件的三維形貌。

上述測量步驟中，所述的基于多波長可調諧移相的解相方法，采用隨機移相算法計算各波長對應的包裹相位分布與移相量。

所述的基于迭代優(yōu)化的多波長可調諧移相的相位展開方法包括如下步驟：

(1)根據紅、綠、藍三個可調諧激光器模塊的中心波長名義值，以及解調得到的各個波長下的包裹相位分布，采用標準的多波長外差相位展開方法，得到各個波長下與被測元件表面微觀形貌相關的絕對相位分布；

(2)根據基于多波長可調諧移相的解相方法得到的各個波長的移相量，以及相應波長下的絕對相位分布，由計算機生成多波長移相干涉條紋圖；

(3)將計算機生成的多波長移相干涉條紋圖與實際采集到的移相干涉條紋圖進行強度對比，若兩者的強度差大于所設定的某一閾值時，則調整紅、綠、藍三個可調諧激光器模塊的中心波長名義值，重復執(zhí)行步驟(1)～(3)；若兩者的強度差小于或等于該設定的閾值時，則此時解調得到的絕對相位分布即為最終的相位結果，算法迭代結束。

與現有技術相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點在于：

1.本發(fā)明提供的測量裝置無需機械掃描部件，借助多個不同波長的單波長可調諧激光器模塊，實現光學移相和多波長干涉檢測，從而完成對微結構表面，特別是面形變化復雜、非連續(xù)的微結構元件的快速、精確測量，可有效抑制因機械部件掃描移動引入的測量誤差。

2.本發(fā)明技術方案采用在解調與被測面形相關的絕對相位分布的過程中同步確定各個光源的中心波長和移相量值，可有效避免激光器中心波長預標定帶來的系列問題，抑制相位展開誤差，降低對測量裝置中單波長可調諧激光器模塊波長移相的精度要求，特別適合對表面變化復雜、非連續(xù)的微結構面形的快速、精密檢測。

附圖說明：

圖1為本發(fā)明實施例提供的一種多波長可調諧顯微干涉的測量裝置的結構示意圖；

其中：1、多波長可調諧激光器；2、合束光纖；3、毛玻璃片；4、準直擴束鏡；5、分束器；6、Mirau顯微物鏡；7、載物臺；8、被測元件；9、成像鏡頭；10、彩色相機；11、數據傳輸控制線；12、計算機；13、波長調諧控制器；1-1、紅色波長可調諧激光器模塊；1-2、綠色波長可調諧激光器模塊；1-3、藍色波長可調諧激光器模塊。

圖2為本發(fā)明實施例提供測量方法中基于迭代優(yōu)化的多波長可調諧移相的相位展開算法流程示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明技術方案作進一步詳細說明。

實施例1

參見附圖1，它為本實施例提供的多波長可調諧顯微干涉的測量裝置的結構示意圖。測量裝置包括多波長可調諧激光器1、合束光纖2、毛玻璃片3、準直擴束鏡4、分束器5、干涉顯微物鏡6、載物臺7、成像鏡頭9、彩色相機10、數據傳輸控制線11、計算機12、波長調諧控制器13。多波長可調諧激光器1經波長調諧控制器13的調控，同步或分時輸出紅、綠、藍色三路波長可調諧激光信號，并通過合束光纖2復合為一路光信號聚焦耦合至勻速旋轉的毛玻璃片3表面；毛玻璃片3位于準直擴束鏡4的前焦點位置，復合激光透過毛玻璃片3經準直擴束鏡4后成為平行光入射至分束器5表面；分束器5將平行激光反射進入干涉顯微物鏡6，并照射至載物臺7上的被測元件8表面，由被測面8反射回的激光信號再依次通過干涉顯微物鏡6和分束器5，經成像鏡頭9耦合至彩色相機10靶面；載物臺7的位置可沿軸向和徑向改變，使得位于其上的被測元件8處于干涉顯微物鏡6的零光程差位置；準直擴束鏡4、分束器5、干涉顯微物鏡6、成像鏡頭9和彩色相機10之間呈共光路結構；計算機12經數據傳輸控制線11與波長調諧控制器13、彩色相機10相連，利用基于Visual C++6.0編譯器開發(fā)的軟件實現對多波長可調諧激光器1輸出信號的調控和對彩色相機10采集傳輸圖像數據的同步控制。

在本實施例中，多波長可調諧激光器1由三個單波長可調諧激光器模塊構成，具體的是紅色1-1、綠色1-2和藍色1-3，并通過波長調諧控制器13對其進行調控，可同步(或分時)輸出紅、綠、藍色三路波長可調諧的激光信號；合束光纖2為三合一單模光纖，與多波長可調諧激光器1輸出端級聯(lián)，將輸出端的紅、綠、藍色三路波長可調諧激光信號合束為一路，并聚焦耦合至準直擴束鏡4前焦點位置上的毛玻璃片3表面；干涉顯微物鏡6為Mirau型干涉顯微物鏡；彩色相機10為彩色三芯片CCD相機。

采用附圖1所示的多波長可調諧顯微干涉測量裝置，其連接與調整的具體方法是：先將多波長可調諧激光器1與合束光纖2、毛玻璃片3級聯(lián)，并且使得毛玻璃片3、準直擴束鏡4、分束器5、干涉顯微物鏡6、載物臺7、成像鏡頭9、彩色相機10呈共光路結構依次耦合銜接，毛玻璃片3位于準直擴束鏡4的前焦點位置、被測元件8位于干涉顯微物鏡6的零光程差位置、彩色相機10聚焦于待測面8；再將多波長可調諧激光器1、波長調諧控制器13和計算機12之間通過數據傳輸控制線11按序連接；彩色相機10與計算機12之間由數據傳輸控制線11相接。

測量方法包括如下步驟：

第一步，多波長可調諧移相干涉條紋圖的獲取

根據選用移相算法的要求，計算機12通過數據傳輸控制線11連接波長調諧控制器13，利用基于Visual C++6.0編譯器開發(fā)的軟件調控多波長可調諧激光器1的三個模塊，同步改變各模塊輸出激光波長，產生相應的移相量；波長調諧控制器13在調控激光波長變化的同時輸出觸發(fā)信號，經計算機12和數據傳輸控制線11傳輸至彩色相機10，利用基于Visual C++6.0編譯器開發(fā)的軟件使得相機10同步采集各幀經被測元件8反射形成的多波長移相干涉條紋圖，并將其通過數據傳輸控制線11傳輸至計算機12存儲和處理；

移相技術包括空間移相和時間移相，移相步數和移相量在滿足一定條件下可自由選擇。根據移相量是否為已知恒定值，移相算法又可分為定步長移相算法、等步長移相算法和變步長移相算法。在本實施例中，移相算法采用時域等步長移相，通過改變激光的中心波長實現移相量的引入。彩色相機10采集到的各幀多波長移相干涉條紋圖的光強分布為如下式(1)：

其中，(x,y)為彩色相機10靶面上的圖像坐標，h(x,y)為被測元件8的三維面形分布，λ_m表示第m個可調諧激光器模塊輸出激光的中心波長，m＝1,2,3，A_m(x,y)和B_m(x,y)分別表示各波長干涉條紋圖的背景分量和條紋調制度，δ_m,n為第n步的移相量，δ_m,_n＝2πn/N，n＝0,1,…,N-1，N為相移步數(N＝4)。

第二步，多波長可調諧移相干涉條紋圖的解調

計算機12對獲得的條紋圖像進行解調，經基于多波長可調諧移相的解相方法得到與被測面8對應的各波長包裹相位分布，再經基于迭代優(yōu)化的多波長可調諧移相的相位展開處理得到與被測面8相關的各波長絕對相位分布，最終恢復得到被測元件8的三維形貌。

在本實施例中，采用基于多波長可調諧移相的解相方法恢復與被測面8對應的各波長包裹相位分布與移相量，主要包括以下三個步驟：

①像素間迭代確定包裹相位分布

假設已知移相量δ_m,n的準確值，并且干涉條紋圖的背景分量和條紋調制度僅隨空間坐標而變化，即有式(2)所示：

I_m,n(x,y)＝a_m(x,y)+b_m(x,y)·cos(δ_m,n)+c_m(x,y)·sin(δ_m,n) (2)

其中，a_m(x,y)＝A_m(x,y)，根據最小二乘原理，式(2)中待求未知參數[a_m(x,y)b_m(x,y)c_m(x,y)]^T可由下式(3)計算得到：

從而，與被測元件8表面形貌相關的各波長包裹相位分布如式(4)：

φ_m(x,y)＝arctan[-c_m(x,y)/b_m(x,y)] (4)

②移相條紋圖幀間迭代確定移相量

假設干涉條紋圖的背景分量和條紋調制度僅與移相序列有關(即幀內不變，幀間變化)，并且已知包裹相位分布φ_m(x,y)，則原各幀多波長移相干涉條紋圖的光強表達如式(5)所示：

I_m,n(x,y)＝a_m,n+b_m,n·cos[φ_m(x,y)]+c_m,n·sin[φ_m(x,y)] (5)

其中，a_m,n＝A_m(x,y)，b_m,n＝B_m(x,y)·cos(δ_m,n)，c_m,n＝-B_m(x,y)·sin(δ_m,n)。根據最小二乘原理，式(5)中待求未知參數[a_m,n b_m,n c_m,n]^T可由下式(6)計算得到：

其中，P表示每幀移相條紋圖內的有效像素數。準確的幀間移相量即為式(7所述)：

δ_m,n＝arctan[-c_m,n/b_m,n] (7)

③迭代與收斂

重復步驟①和②，直到步驟②計算所得幀間移相量滿足以下式(8)所述收斂條件時迭代結束：

其中，k表示迭代次數，ε為迭代收斂精度(可設定為0.00001)。當上述算法迭代收斂后，可求解出較為精確的各波長包裹相位分布φ_m(x,y)、移相量δ_m,n、背景分量A_m(x,y)和條紋調制度B_m(x,y)。

在本實施例中，采用基于迭代優(yōu)化的多波長可調諧移相的相位展開方法對獲得的各波長包裹相位分布進行處理，從而得到與被測元件8表面形貌相關的絕對相位分布。該算法流程如附圖2所示，包括以下三步：

(1)根據紅色1-1、綠色1-2、藍色1-3三個可調諧激光器模塊的中心波長名義值λ_m，結合解調出的各個波長下的包裹相位分布φ_m(x,y)，利用標準的多波長外差相位展開技術，得到各個波長下與被測元件8表面微觀形貌相關的絕對相位分布；

對于本實施例，標準的多波長外差相位展開技術中所需的輔助包裹相位分布由下式(9)確定：

其中，φ₁、φ₂和φ₃為解調出的紅、綠、藍三個不同波長(λ₁>λ₂>λ₃)下的包裹相位分布，φ₁₂、φ₂₃和φ₁₂₃為等效波長(λ₁₂、λ₂₃和λ₁₂₃)下的包裹相位分布，由相應原始波長下的包裹相位經外差H[·]操作得到，其值與等效波長和原始波長的比值有關。等效波長的值則由下式(10)確定：

由于等效波長λ₁₂₃值較大，其相應的包裹相位φ₁₂₃通常不存在因余弦函數周期性而導致的相位跳變，即此時的包裹相位φ₁₂₃為連續(xù)相位分布(無需展開)，故包裹相位φ₁₂和φ₂₃的展開可由下式(11)實現：

其中，Round(·)為最近取整操作。同理，根據解包裹后的相位和可進一步完成對原始包裹相位φ₁、φ₂和φ₃的展開處理，得到各個波長下與被測元件8面形相關的絕對相位分布和

(2)根據基于多波長可調諧移相的解相方法得到的各個波長的移相量δ_m,n，結合相應波長下的絕對相位分布由計算機12利用基于Visual C++6.0編譯器開發(fā)的軟件生成多波長移相干涉條紋圖；

在本實施例中，軟件生成的多波長移相干涉條紋圖的光強分布為下式(12)所示：

其中，A'_m(x,y)和B'_m(x,y)分別表示基于多波長可調諧移相的解相方法得到的各波長干涉條紋圖的背景分量和條紋調制度。

(3)將計算機12生成的多波長移相干涉條紋圖與實際采集到的移相干涉條紋圖進行強度對比，若兩者的強度差大于某一設定的閾值時，則調整紅、綠、藍三個可調諧激光器模塊的中心波長名義值，重復執(zhí)行步驟(1)-(3)；若兩者的強度差小于某一設定的閾值時，則此時解調出的絕對相位分布即為最終的相位結果，算法迭代結束。

在本實施例中，算法迭代終止條件如下式(13)所示：

其中，k表示迭代次數，σ為迭代收斂精度(可設定為0.00001)，|·|表示取非負值，∑為求和操作。當計算機12生成的多波長移相干涉條紋圖與實際采集到的移相干涉條紋圖I_m,n不滿足不等式(13)時，則利用下式調整紅、綠、藍三個可調諧激光器模塊的中心波長名義值如式(14)所示：

其中，和分別表示第k+1次迭代時紅、綠、藍色中心波長名義值的變化量，在本實施例中采用列文伯格-馬夸爾特(Levenberg-Marquardt)算法確定其值。當上述過程經過k+1次迭代后使得不等式(13)滿足時，最終被測元件8的三維形貌分布可由下式(15)確定：

其中，h₁(x,y)、h₂(x,y)和h3(x,y)分別表示紅、綠、藍三個不同波長下的被測元件8面形分布，由下式(16)計算得到：

其中，和和分別為優(yōu)化迭代后得到的最終各波長值和相應的絕對相位分布。