专利名称：基于led光源高精度的微分干涉测量系统及方法
技术领域：
本发明涉及一种微分干涉测量系统及方法，尤其涉及一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法。
背景技术：
激光器自问世以来，基于其光束的方向性好和相干性强等优质特性被广泛应用于光学测量中作为照明光源。但随着产品性能的不断提高，对表面的平整度要求也越来越严格，在测量高平滑的表面时，激光器就会显现出一些弊端，当光束在系统中传播时，被各光学元件中的杂质、缺陷、甚至空气中的尘埃散射的杂散光在接收屏上也会发生干涉，形成相 干噪声或散斑噪声，这些噪声通过算法处理很难消除，而且严重的影响了测量结果，尤其对高平滑表面进行测量时，甚至会吞没表面的形貌信息，难以实现测量的目的。
发明内容
本发明解决的技术问题是构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，克服现有技术激光光束在系统传播容易发生干涉，形成相干噪声或散斑噪声的技术问题。本发明的技术方案是构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CXD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器，所述采集单元通过所述CCD图像探测传感器采集光强图，所述重构单元根据所述采集单元采集的光强图重构待测样品的表面。本发明的进一步技术方案是采用LED弱相干光作为照明光源，有效地抑制了相干噪声及散斑噪声的产生，提高了测量结果的信噪比，使系统的测量结果可以更真实的反应被测表面形貌信息，而且系统的可重复测量的能力得到增强。本发明的技术方案是提供一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CXD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤形成线偏振光所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光；干涉成像所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器；采集图像依次采集至少三幅相位延迟/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位；
重构采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。本发明的进一步技术方案是在采集图像步骤中，将干涉光强图谱宽内所有波长光相干叠加
I = d+ cos(叭—q>) dX式中，X ^为中心波长，is，h为两束相干光的光功率密度，％为被测表面的相位信息，9 为每次引入的相位延迟。本发明的进一步技术方案是在采集图像步骤中，提取出相位为
<ps = arctan 匕-其中A入为干涉光的谱宽，的为被测表面的相位信息。本发明的进一步技术方案是在重构步骤中，将被测信息沿X方向量化了，采用数值积分算法重构被测表面高度信息为H (Xi ,y) = H (-V1 ,j)+Y [sx {x,_,，y) + Sx (Xi，y)]H(x0, y) =0 i = l，2r..n式中，X ^为中心波长，A A为干涉光的谱宽，H(Xi，y)为被测表面的高度，x、y表示被测量点的位置坐标，Xi表示沿X方向量化的离散点的位置坐标，Sx (x，y)为被测面高度信息沿X方向的斜率
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/ \ A0 JiO-, /2 I X J Sx(x,y) =-arctan-；——7-{■——
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本发明的技术效果是构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，采用LED弱相干光作为照明光源，通过弱相干光信息处理算法，重构被测表面形貌信息，由于LED相干长度短,光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉,从而避免了相干噪声或散斑噪声的产生，进而提高了系统的测量精度。而且LED作为照明光源减小了整体系统的封装尺寸，使系统的结构更加紧凑。激光器作为照明光源时，其价格在整个系统中占了相当的比重，而使用廉价的LED作为光源大大的降低了光学测量系统的成本，可实现批量生产。
图I为本发明的结构示意图。图2为本发明的流程图。
具体实施例方式下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。如图I所示，本发明
具体实施方式
是构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，包括LED光源I、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7、单轴晶体9、分光棱镜8、I/4波片11、检偏器12、成像透镜13、C⑶图像探测传感器14、采集干涉光强图的采集单元15、重构待测样品表面的重构单元16，所述LED光源I、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7依次设置在第一光轴上，所述待测样品10、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、(XD图像探测传感器14依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜8垂直连接，所述LED光源I发出的光依次经过所述聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜
5、干涉滤光片6后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器7后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜8反射进入所述单轴晶体9后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品10表面上,待测样品10表面的反射光经所述单轴晶体9合成一束光经分光棱镜8、1/4波片11和检偏器12后由所述成像透镜13在所述CXD图像探测传感器14，所述采集单元15通过所述CXD图像探测传感器14采集光强图，所述重构单元16根据所述采集单元15采集的光强图重构待测样品10的表面。如图I所示，本发明的优选实施方式是所述LED光源为发光二级管(LED)。所述LED光源出射光的发散角为120°，该出射光被所述聚焦透镜2会聚在准直透镜5的焦平面上，在准直透镜5的物方焦平面上放置所述的针孔滤波器4，对所述LED光源I的像进行空间滤波，随后经所述的准直透镜5，出射平行于第一光轴的平行光束，再经干涉滤光片6，改善光束的时间相干性，从而获得一束具有一定相干性且光波能量均匀分布的平行光束。所述的可调光阑3通过调节光阑孔径的大小可以改变照在所述的被测表面上的光斑的大小，同时有去除杂散光的作用。所述滤波器4为针孔滤波器，所述的自制的针孔滤波器的针孔直径为480m，改善了光束的空间相干性，同时保证了所述的弱相干光透过的光通量。如图I所示，本发明的优选实施例中所述的干涉滤光片6的中心透射波长为532. 5nm，透射谱宽为9. 7nm，峰值透射率为62. 4%，改善了光束的时间相干性，同时较高的峰值透射率保证了所述的弱相干光透过的光通量。所述分光棱镜8为消偏振分光棱镜。所述单轴晶体9为单轴平晶。如图I、图2所示，本发明
具体实施方式
是提供一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，包括LED光源I、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片
6、起偏器7、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、CXD图像探测传感器14、采集干涉光强图的采集单元15、重构待测样品表面的重构单元16，所述LED光源
1、聚焦透镜2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6、起偏器7依次设置在第一光轴上，所述待测样品10、单轴晶体9、分光棱镜8、1/4波片11、检偏器12、成像透镜13、CXD图像探测传感器14依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜8垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤
步骤I :形成线偏振光，即所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均勻光束，所述均勻光束经所述起偏器后形成线偏振光。如图I所示，具体实施过程如下所述LED光源I发出的光依次经过所述聚焦透镜
2、可调光阑3、滤波器4、准直透镜5、干涉滤光片6后形成平行于第一光轴传播的均勻光束，所述均匀光束经所述起偏器7后形成线偏振光。步骤2 :干涉成像，即所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CXD图像探测传感器；如图I所示，具体实施过程如下所述线偏振光经所述分光棱镜8反射进入所述单轴晶体9后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品10表面上，待测样品10表面的反射光经所述单轴晶体9合成一束光,经分光棱镜8、1/4波片11和检偏器12后由所述成像透镜13在所述CXD图像探测传感器14上形成干涉图像。CXD图像探测传感器14每采集完一幅图之后，通过旋转检偏器12引入/2的相位延迟，然后CXD图像探测传感器14再采集下一幅图，如此操作，完成至少三幅干涉光强图的采集，本实施例以五幅为例进行说明。步骤3 :采集图像，即依次采集至少三幅相位延迟/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位。本实施例以五幅为例进行说明。步骤4 :重构，即采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。采集图像和重构的具体过程如下由于弱相干光具有一定的频谱宽度A X，实际干涉光强图是谱宽内所有波长光的相干叠加。此时，CCD记录的光强应该用一个对波长积分的式子表不
I=1^jl+拓 cos^ m(丄)式中，A ^为中心波长，is, ir为两束相干光的光功率密度，死为被测表面的相位信息，炉为每次引入的相位延迟。假设A A范围内各波长光功率密度相等，则(I)式可简写为
权利要求
1.一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，其特征在于，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CXD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器，所述采集单元通过所述CCD图像探测传感器采集光强图，所述重构单元根据所述采集单元采集的光强图重构待测样品的表面。
2.一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，采用LED弱相干光作为照明光源，有效地抑制了相干噪声及散斑噪声的产生，提高了测量结果的信噪比，使系统的测量结果可以更真实的反应被测表面形貌信息，而且系统的可重复测量的能力得到增强。
3.一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CXD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤 形成线偏振光所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光； 干涉成像所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器； 采集图像依次采集至少三幅相位延迟n/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位； 重构采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。
4.根据权利要求3所述基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，在采集图像步骤中，将干涉光强图谱宽内所有波长光相干叠加
5.根据权利要求3所述基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，在采集图像步骤中，提取出相位为 其中Atl为中心波长，Δ λ为干涉光的谱宽，死为被测表面的相位信息。
6.根据权利要求3所述基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，其特征在于，在重构步骤中，将被测信息沿X方向量化了，采用数值积分算法重构被测表面高度信息为 H(χ0, y) =0 i = I, 2，…η 式中，λ ^为中心波长，Δ λ为干涉光的谱宽，H(Xi，y)为被测表面的高度，x、y表示被测量点的位置坐标，Xi表示沿X方向量化的离散点的位置坐标，Sx(x, y)为被测面高度信息沿X方向的斜率
全文摘要
本发明涉及一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，采用LED弱相干光作为照明光源，由于其相干长度短，光束在传播过程中被散射的杂散光在接收屏上不能发生干涉，从而避免了相干噪声或散斑噪声的产生，进而提高了系统的测量精度。LED光源作为照明光源减小了整体系统的封装尺寸，使系统的结构更加紧凑。激光器作为照明光源时，其价格在整个系统中占了相当的比重，而使用廉价的LED作为光源大大的降低了光学测量系统的成本，可实现批量生产。
文档编号G01B11/24GK102679907SQ201210178838
公开日2012年9月19日 申请日期2012年6月1日 优先权日2012年6月1日
发明者姚勇, 孙云旭, 盛希晨, 赵勇, 陈伯双 申请人:哈尔滨工业大学深圳研究生院