专利名称：利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法及系统， 特别是涉及一种适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量方法及系 统，属于光学测量技术领域。
背景技术：
D. P. Hand, T. A. Carolan， J. S. Barton, and J. D. C. Jones,光学快报(Optics Letters) , 1993年，第18巻，第16期，1361-1363页。现有技术文献[l]的工作原 理如图1所示，半导体激光器发出的光经过法拉第隔离器和光纤50:50耦合器后， 到达测量头，测量头是一个菲索干涉仪， 一部分光被光纤端面反射作为参考光， 另一部分光经过自聚焦透镜聚焦后，投射到被测表面上，由被测表面反射重新 回到系统中并与参考光发生干涉，干涉信号由探测器D1探测，干涉信号的相位 决定于被测表面被测点的纵向高度；改变该激光器的驱动电流以改变激光器的 发光频率，用四种不同频率的光对同一点进行测量，得到四个干涉信号，由于 入射光波频率不同，四个干涉信号的相位就不同，调节驱动电流，使相邻两个 干涉信号的相位差Ti/2，通过以下式子，即可解调出该点的光程差D，即完成单 点的测量
/,^4,2，3，4)是第n次干涉信号的强度，c是光速，v是入射光频率。 步进电机再带动测量头横向扫描被测表面，即完成对被测表面的测量 Dejiao Lin， Xiangqian Jiang, Fang Xie, Wei Zhang, Lin Zhang and Ian Bennion，光学特快(Optics Express) , 2004年，第12巻，第23期，5729-5734页。
现有技术文献[2]的工作原理如图2所示，由半导体激光器发出波长为^的光经 过两个3dB-耦合器后被分为两路， 一路被光纤光栅反射，另一路被参考反射镜 反射。两路反射光经过3dB-耦合器后再次相遇并且发生干涉，干涉信号经过回 旋器后，被另一个光纤光栅反射，再次经过回旋器，然后被PIN探测器探测， 此探测器探测到的信号经过伺服电路处理后驱动压电陶瓷管调节光纤干涉仪的 参考臂的长度，使稳定干涉仪的两个干涉臂始终处于正交状态(相位差为兀/2)， 从而实现稳定该干涉仪的目的。
可调谐激光器发出的波长；可变的光经过两个光纤3dB-耦合器后被分为两 路， 一路经过光纤自准直透镜后再由测量镜反射再次回到干涉仪中，另一路经 过光纤自准直透镜后再由参考镜反射再次回到干涉仪中，两路光经过3dB-耦合 器后相遇，形成干涉信号，此干涉信号经过回旋器及光纤光栅后，被PIN探测 器探测，再经过相位分析即测量出测量镜的位移。
上述两个现有技术存在的问题和不足是
1、 都是点扫描测量方式，测量速度慢，对于表面三维测量需要二维扫描， 扫描机构复杂，仪器成本高；
2、 对测量环境振动和温度漂移等干扰敏感，不适合于在线测量；
3、 测量量程受入射光波波长人的限制，测量量程小于X/2，无法对具有凸 台和深槽结构的纳米表面进行测量。
本发明的目的就是针对现有技术存在的问题和不足而提出一种利用合成波
干涉全场纳米表面三维在线测量方法及系统。
发明内容
本发明的目的是通过如下技术方案实现的。
利用由一系列并行的合成波组成的平行光束对被测器件表面进行全场三维 测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉系统，该系统是由超辐射发光二
极管SLD、光纤自准直透镜Z、光栅G、准直透镜L1、两面镀了反射膜的平行 玻璃平板P1、平柱透镜L2和L3、分光镜BS、 一面镀了半透半反膜的平行玻璃 平板P2、纵向微动工作台M1、横向微动工作台M2、面阵CCD、相位测量、信 号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出、驱动控制组成；利用一个中心波 长为850nm谱宽40nm的超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、光栅G、 准直透镜L1、平行玻璃平板P1、平柱透镜L2和L3、分光镜BS、 一面镀了半 透半反膜的平行玻璃平板P2构成一个共路干涉仪，使环境振动和温度漂移对测 量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量；超辐射发光 二极管SLD发出谱宽为40nm的光经过光纤自准直透镜Z后被准直成平行光束， 光栅G将此平行光束色散成波长在空间连续均匀分布的扇形光片，准直透镜Ll 将扇形光片准直成波长在空间连续均匀分布的平行光片，此平行光片经过平行 玻璃平板P1的两个表面(上表面镀部分反射膜，下表面镀全反射膜)反射，形 成两个彼此平行、横向错位并部分重叠的平行光片，这两个平行光片在空间重 叠的部分形成由一系列并行的合成波组成的平行光片。合成波平行光片经过两 个共焦的平柱透镜L2和L3扩束成为合成波平行光束。此合成波平行光束透过 分光镜BS后垂直入射到平行玻璃平板P2上，平行玻璃平板P2的一面鍍有半透 半反膜，合成波平行光束一半的光强被反射，沿原路返回，此部分光作为参考
光；另一半的光强透射，此光束投射到被测器件表面上，由被测表面反射回系
统中与参考光相遇并干涉，合成波干涉信号经过分光镜BS反射后由面阵CCD 探测，CCD不同的像素探测到被测表面不同被测点反射回的光与参考光相遇产 生的干涉信号，被测表面的纵向(垂直于被测表面)信息载于干涉信号的相位 变化中。解调出面阵CCD每个像素干涉信号的相位变化量，即测量出被测表面 上每个对应被测点的纵向变化量，实现表面三维测量。
为了解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出周期性的幅值一定的锯 齿波电压经过驱动控制驱动纵向微动工作台Ml调节测量光路的光程，如果被测 表面是理想平面，那么，干涉信号与锯齿波信号同频率且同相位；如果被测表 面是具有凸台和深槽结构的表面，存在AA的纵向变化，那么干涉信号与锯齿波
信号之间存在相位差为Ap。z，2;r，其中人为合成波长，比较干涉信号的相位义、.
与锯齿波信号的相位，相位测量测出其相位差A^，经过A/D转换卡作模数转换， 再由计算机作数据处理，即测量出对应被测点的纵向变化值A"对面阵CCD的 每个像素输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的三维测量； 测量量程为义、/2，合成波长人=#L，远远大于光波波长A和^;可以通过调
A| —义2
节平行玻璃平板P1的厚度以及平行光片在平行玻璃平板P1上反射时的入射角 来得到不同的光波波长A和^从而得到不同大小的合成波长来调节测量量程的 大小，使本系统适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。
本发明的有益效果是
1、进行全场纳米表面三维测量。 一系列并行的合成波组成的平行光束对被 测表面进行全场三维测量，测量过程一次定位，完成表面三维测量。本发明测
量速度快，无扫描机构，系统结构简单，成本低，测量精度高。
2、 本发明利用光源、光纤自准直透镜Z、光栅G、准直透镜L1、两面镀膜 的平行玻璃平板P1、平柱透镜L2和L3、分光镜BS、 一面镀半透半反膜的平行 玻璃平板P2构成共路干涉系统，使环境振动和温度漂移等干扰对测量系统的影 响得到共模抑制，从而使系统适用于在线测量。
3、 用合成波干涉的方法扩大干涉测量量程。测量量程为A、/2，合成波长
2v=^i^，远远大于光波波长4和^，且可通过调节光波波长4和22得到不同
义l — 乂2
大小的合成波长来得到不同大小的测量量程，测量量程可达600~1000Wn，本发
明适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。
图1是现有技术文献[l]的工作原理图； 图2是现有技术文献[2]的工作原理图； 图3是本发明的工作原理图。
图中标注Z—光纤自准直透镜，G"光栅，Ll一准直透镜，Pl—平行玻璃平板， L2—平柱透镜，L3—平柱透镜，BS—分光镜，P2—平行玻璃平板，Ml—纵向微 动工作台，M2—横向微动工作台。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一歩描述。
如图3所示，中心波长850nm的超辐射二极管SLD发出的谱宽40nm的光经 过光纤自准直透镜Z后被准直成为平行光束，这束平行光束经光栅G色散成为 波长在空间连续均匀分布的扇形光片，此扇形光片经过准直透镜L1后准直成为 波长在空间连续均匀分布的平行光片，平行光片斜入射到两面镀膜的厚度为d
的平行玻璃平板Pl上，平行玻璃平板Pl的上表面镀部分反射膜，下表面镀反 射率100%的反射膜，经上下两表面反射得到的两个平行光片彼此平行、横向错 位、且在空间有重叠部分，两个光片光强接近相等。两个平行光片重叠部分的 横向方向上不同点对应的两个平行光片的波长4和义2不同，两个不同的波长相 遇后形成合成波。所以分别经平行玻璃平板P1两表面反射再相遇后形成的平行光片是由一系列并行的合成波组成，合成波的合成波长λN=λ1λ2/(λ1-λ2)，远远大于光波波长λ1和光波波长λ2。此合成波平行光片经过两个共焦的平柱透镜L2和L3扩束成为 合成波平行光束，此合成波平行光束透过分光镜BS，垂直入射到平行玻璃平板 P2上，平行玻璃平板P2的一面镀有半透半反膜，合成波平行光束一半的光强被 反射，沿原路返回，这部分光作为参考光，另一半光强透射，并投射到被测器 件表面上，由被测表面反射回系统，与参考光相遇并发生合成波干涉，合成波 干涉信号经过分光镜BS反射，由面阵CCD探测。面阵CCD不同像素探测到被测 表面不同的被测点的反射光与参考光形成的干涉信号，干涉信号的相位变化量Δρ体现了被测点的纵向变化值M 。 Δρ和Δh的关系为Δρ = 2π 2Δh/λN 。合成波长λN决定于平行光片在平行玻璃平板Pl的入射角和平行玻璃板的厚度d，它远远大于 光波波长λ1和λ2。本系统的量程为λy/2，远远大于传统的干涉测量的量程λ/2(λ为光波波长)，实现了大量程干涉测量的目的，使本系统适用于具有凸台和 深槽结构的纳米表面三维在线测量。
为了解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出锯齿波信号通过驱动控制 驱动纵向微动工作台Ml匀速纵向扫描实现对测量光路光程的调节。调节工作台 的初始位置以及锯齿波信号幅值，使光程扫描过程中锯齿波信号与CCD某一个
像素的干涉信号同频率同相位地变化。如果被测表面是理想平面，CCD的其它像 素的干涉信号也与锯齿波信号同频率同相位；如果被测表面是具有凸台和深槽 结构的表面，CCD的其它像素的干涉信号与锯齿波信号的相位就不相同，相位测 量测出二者之间的相位差Ap ，经过计算机数据处理后即得到对应被测点的纵向 变化值AA;对CCD的每个像素的干涉信号都作这样的处理，即测量出被测表面 上每个对应被测点的纵向变化量，完成表面的三维测量。与点扫描纳米表面三 维测量系统相比，此测量方法及系统极大提高测量速度，且无需扫描机构，系 统结构简单，成本低，测量精度高。
为了举例说明本发明的实现，描述了上述的具体实例。但本发明的其他变化 和修改，对本领域技术人员是显而易见的，在本发明所公开内容的实质和基本原 则范围内的任何修改/变化或仿效变换都属于本发明的权利要求保护范围。
权利要求
1、一种利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量系统，其特征在于利用一系列并行的合成波组成的平行光束对被测器件表面进行全场测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉系统；该系统是由超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、光栅G、准直透镜L1、平行玻璃平板P1、平柱透镜L2和L3、分光镜BS、平行玻璃平板P2、、纵向微动工作台M1、横向微动工作台M2、面阵CCD、相位测量、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出、驱动控制组成；利用一个中心波长为850nm谱宽40nm的超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、光栅G、准直透镜L1、平行玻璃平板P1、平柱透镜L2和L3、分光镜BS、一面镀了半透半反膜的平行玻璃平板P2构成一个共路干涉仪，使环境振动和温度漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量。
2、 一种利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法，其特征在 于利用超辐射发光二极管SLD发出谱宽为40nm的光经过光纤准直透镜Z 后被准直成平行光束，光栅G将此平行光束色散成波长在空间连续均匀分 布的扇形光片，准直透镜L1将此扇形光片准直成为波长在空间连续均匀分 布的平行光片，平行玻璃平板Pl的两个表面一面镀有部分反射膜，另一面 镀有反射率为100%的全反射膜，此平行光片经过平行玻璃平板Pl的两个 表面反射得到两个彼此平行、横向错位且部分重叠的平行光片，这两个平 行光片在空间重叠的部分形成由一系列并行的合成波组成的平行光片；合 成波平行光片经过两个共焦的平柱透镜L2和L3扩束成为合成波平行光 束；此合成波平行光束透过分光镜BS后垂直入射到平行玻璃平板P2上，平行玻璃平板P2的一面镀有半透半反膜，合成波平行光束一半的光强被反 射，沿原路返回，此部分光作为参考光；另一半的光强透射，并投射到被 测器件表面上，由被测表面反射回系统中并与参考光相遇发生干涉，合成波干涉信号经过分光镜BS反射由面阵CCD探测，CCD不同的像素探测到被 测表面不同被测点反射回的光与参考光相遇产生的干涉信号；被测表面的 纵向(垂直于被测表面)信息载于干涉信号的相位变化中，解调出CCD每 个像素干涉信号的相位变化量，即测量出被测表面上每个对应被测点的纵 向变化量；为解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出的锯齿波信号 经驱动控制环节驱动纵向微动工作台Ml匀速纵向扫描实现对测量光路光 程的调节，调节工作台的初始位置以及锯齿波信号幅值，使纵向微动工作 台Ml扫描过程中锯齿波信号与CCD的某一个像素的干涉信号同频率同相 位地变化；如果被测表面是理想平面，CCD的其它像素的干涉信号也与锯 齿波信号同频率同相位；如果被测表面是具有凸台和深槽结构的表面，存在A/z的纵向变化，那么干涉信号与锯齿波信号的相位差为A^^2;r^，其 中合成波长义、，^^， ^和^是光波波长；相位测量环节测出其相位差义1 — AA"经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，即测量出对应 被测点的纵向变化值A/z，对面阵CCD的每个像素输出的干涉信号依次进 行这样的处理，即测量出每个对应被测点的纵向变化值，完成被测表面的
3、根据权利要求2所述的一种利用合成波干涉全场纳米表面三维在线 测量方法，其特征在于利用合成波干涉的方法扩大量程，使系统的测量量程突破了光波波长的限制，测量量程决定于合成波长义,，本系统的测量 量程为义、/2，调节平行玻璃平板Pl的厚度以及平行光片在平行玻璃平板 Pl反射时的入射角，可调节合成波长义、的大小，以得到不同大小的测量量程；测量量程可达600 100(Vm,分辨率优于5nm，适用于具有凸台和深槽 结构的纳米表面三维在线测量。
4、根据权利要求2所述的一种利用合成波干涉全场纳米表面三维在线 测量方法，其特征在于利用两个共焦的平柱透镜L2和L3将合成波平行 光片扩束成为合成波平行光束对纳米表面进行全场三维在线测量， 一次定 位，完成表面三维测量。
全文摘要
一种利用合成波干涉全场纳米表面三维在线测量方法及系统，量程决定于合成波长，共路干涉结构。光栅将谱宽40nm光束色散成波长在空间连续均匀分布的扇形光片，经准直及两平行表面反射成两个横向错位并部分重叠的平行光片，重叠部分形成合成波。合成波平行光片经两个共焦的平柱透镜扩束，再经过一面镀半透半反膜的平行玻璃平板，一半光强被反射作为参考光，另一半光强由不同被测点反射，与参考光干涉后由面阵CCD探测。测出CCD每个像素干涉信号相位变化量，即测出对应被测点纵向变化值。一次定位完成表面三维测量。测量速度高，成本低。量程600～1000μm，分辨率优于5nm，适用于具有凸台和深槽的纳米表面三维测量。
文档编号G01B11/03GK101109619SQ20071012066
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月23日 优先权日2007年8月23日
发明者琳 张, 芳 谢 申请人:北京交通大学