专利名称：实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及表面形貌的实时测量，特别是一种实时测量表面形 貌的正弦相位调制干涉装置。
背景技术：
由于半导体激光器(以下简称为LD )波长的温度稳定性得到较好 的解决，半导体激光干涉仪正在被广泛地研究开发。LD除体积小、用 电省、价格低外， 一个突出的优点是波长调制简便。这使得能提高测量 精度的光外差技术在半导体激光干涉仪中可以简单地通过直接调制LD 的注入电流来实现。通过调制注入电流，很容易实现干涉信号的相位调 制，从而实现位移、距离、面形等参数较高精度的测量。比如日本新泻 大学的T. Suzuki等人提出了一种用于测量表面形貌的正弦相位调制半 导体激光干涉仪(在先技术[l] Takamasa Suzuki, Osami Sasaki, Jinsaku Kaneda， Takeo M咖yama， "Real time two-dimensional surface profile measurement in a sinusoidal phase modulating laser dk)de interferometer," Opt. Eng. ， 1994,33(8), 2754-2759)。此干涉仪的调制电流为
/冊(0-"咖(6)/ +的。 (1)
光电探测器CCD探测到的干涉信号可以表示为
S(jc，:M) = S必+ S0 cos[—zcos(fi^ +的+ ar(Jc,力]， (2)
Sdc是干涉信号的直流分量，它与驱动电流的直流Io相关。So是干涉信号 的交流分量振幅，它与电流调制信号Im(t)相关。a是调制电流的振幅，(0C 是调制电流的角频率，e是调制电流的初相。z是正弦相位调制深度，ot(x，y) 是待测量相位。
在先技术[l]中，在调制信号的一个周期内，光电探襴器CCD对干
涉信号积分四次Pi(x，y) (i-l~4)，其表达式如下
其中的x和y表示被测物体表面的位置坐标。正弦相位调制信号处理系 统对每一个像素进行加减运算得
<formula>formula see original document page 5</formula>(5)
其中系数
Jn(z)是n阶Bessel函数。 被测物体的表面形貌为
<formula>formula see original document page 5</formula>(6)
式中r(x，y)是待测量的表面形貌值，X是激光的波长。
在先技术[l]的测量精度为14nm,测量范围小于X/4，使用时要校正， 操作较困难，原因有三 一是半导体激光器的光强被调制，使得Sac和 So随时间变化，这将影响(6)式中的相位值，造成测量误差；二是半导体 激光器的波长漂移要影响表面形貌的测量值r(x，y):三是该方法是在特定 条件下得到物体的表面形貌，目前无法精确测量z^2.45、 6=56°，它也引 入测量误差。
发明内容
本实用新型的目的在于克服上述在先技术[l]中所存在的缺点，提供 一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装置。解决直接调制半导体 激光器波长引起的光强度波动与测量范围小和精度低的问题，仪器要求
达到操作方便，扩大测量范围，提高测量精度。 本实用新型的技术解决方案如下
一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装置，包括一半导伴激 光器，沿该半导体激光器的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透 镜组、分束器，在该分束器的透射光束的前进方向上设置被测物体，在 分束器的反射光束的前进方向上放置有参考平板；被参考平板反射的光 束前进方向上依次放置有第二透镜和探测元件，其特点是所述的探测 元件的输出端与信号处理单元的第一输入端相连接，信号处理单元的输 出端与计算机相连接，直流电源和信号源通过驱动器与半导体激光器相
连接，该信号源的第二输出端与所述的信号处理单元的第二输入端相连 接，该信号源向半导体激光器和所述的信号处理单元同时注入--个正弦 电流信号。
所述的分束器是指能够将入射光按接近于l:l的光强比分成两束光 的分光元件的分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板。
所述的参考平板是一对着分束器一侧的表面上镀有增透膜的平行平 板。所述的探测元件是一维或二维光电探测器。
所述的信号处理单元包括实时相位探测电路、实时鉴相电路与同步 电路。
所述的实时相位探测电路的内部结构包括第一放大器、第二放大器、 计算电路、第一低通滤波器和第二低通滤波器。
所述的实时鉴相电路的内部结构包括第三放大器，第四放大器，除 法电路，解相电路，相位补偿电路，所述的相位补偿电路由单片机构成。
本实用新型的优点
1 )、通过实时相位探测电路与实时鉴相电路来得到被测物体的表面 形貌，能够使整个系统高精度实时完成信号的采集、处理和显示。
2) 、采用半导体激光器，使整个系统具有体积小，调制简单，调制 精度高等优点。
3) 、同在先技术[l]相比，本实用新型的测量精度较高。在先技术[l] 中，直接调制半导体激光器的波长时，半导体激光器的输出光强会随时 间变化，影响了干涉信号的强度，导致系数Ac与As不能-直相等，致 使测量的相位有误差。因此光强变化会引入测量误差。本实用新型含有 实时鉴相电路，利用该电路消除了光强变化的影响，避免了该项误差， 提高了干涉仪的测量精度。
4) 、本实用新型通过使用相位补偿方法将测量范围扩大到--个波长 以上。
5) 、在先技术[l]使用査表法得到被测量物体相位，再计算出被测量 物体的表面形貌，测量速度慢。本实用新型采用实时鉴相电路，可以通 过电路直接得到被测量物体的表面形貌，测量速度快。
6) 、本实用新型不需要校正z和e，用户操作简便。
图1为本实用新型实时测量表面形貌的激光干涉仪的结构示意图。
图2为本实用新型的信号处理流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。 先请参阅图1，图1为本实用新型实时测量表面形貌的激光干涉仪 的结构示意图。由图可见，本实用新型实时测量表面形貌的正弦相位调 制干涉装置，包括一半导体激光器1，沿该半导体激光器1的出射光束 前进方向同光轴地依次设置第一透镜组2、分束器3，在该分束器3的透 射光束tl的前进方向上设置被测物体5，在分束器3的反射光束fl的前 进方向上放置有参考平板4;光束fl被参考平板4反射后的前进方向上
依次放置有第二透镜6和探测元件7，所述的探测元件7的输出端与信 号处理单元11的第一输入端8a相连接，信号处理单元11的输出端与计 算机12相连接，与半导体激光器1连接的驱动器13分别与直流电源14 和信号源15连接，该信号源15的第二输出端与所述的信号处理单元11 的第二输入端8b相连接，该信号源15向半导体激光器1和所述的信号 处理单元11同时注入一个正弦电流信号。
所述的分束器3是指能够将入射光按接近于1: 1的光强比分成两束 光的分光元件。如分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平板等。
所述的信号处理单元ll包括实时相位探测电路8、实时鉴相电路9与 同步电路IO。信号处理单元11的内部结构如图2所示。
所述的实时相位探测电路8的内部结构包括放大器801、放大器802、 计算电路803、低通滤波器804、低通滤波器805。
所述的实时鉴相电路9的内部结构包括放大器901，放大器902， 除法电路卯3，解相电路904，相位补偿电路卯5。
所述的驱动器13是一半导体激光调制器，它控制半导体激光器的注 入电流。
所述的信号源15是向半导体激光调制器13注入调制信号的信号发生 器，使得半导体激光器l的波长按正弦变化，从而得到正弦相位调制的干 涉信号。
本实用新型的工作过程是直流电源14的直流电流io和信号源15的 正弦电^tAi(t)通过半导体激光调制器(LM) 13驱动所述的半导体激光器
1，正弦电压调制信号与电流调制信号分别为
W)"cosw， (7)
A!'(f)-acoso)c" (8) "=尺" (9)其中A表示振幅，(Oe表示角频率，K^为半导体激光调制器的转换系数。 半导体激光器l输出波长与光强分别为
雄)=A + = A + A譜s扱J ， (10)<formula>formula see original document page 9</formula> (11)
其中X^是半导体激光器1的中心波长，P,与P2分别为半导体^[光器1的 波长调制系数和光强调制系数。考虑光强变化的影响，则探测元件7接 收到的干涉信号为
<formula>formula see original document page 9</formula>， (12)
式中X， y为被测物体5表面的位置坐标，s,为干涉信号直流分量，so为 信号交流分量的振幅。z为正弦相位调制深度，人为激光波长，它们受光 强变化(g(t))影响，其表达式为
<formula>formula see original document page 9</formula>(13)
<formula>formula see original document page 9</formula> (14)
式中To-1q/c， T产Vc， 1o和l分别为物体光的光程和参考光的光程，c为 光速。(12)式中的"。为参考镜4静止时干涉信号的相位，它由两干涉臂 的初始光程差2D。决定
<formula>formula see original document page 9</formula>(15)
",(U)为被测物体5表面形貌引起的干涉信号的相位变化，它由下式计 算得出
<formula>formula see original document page 9</formula> (16)
其中r(;c，力为被测物体5表面任一点的形貌值。将(12)式展开并忽略其
中的直流分量可得
<formula>formula see original document page 9</formula> (17)
式中a(jc,力="。+ a, 力，■/ (z)是第n阶Bessel函数。
所述的信号源15发出的同步信号经同步电路10的同步输出端口10a
输出。在同步信号的控制下，干涉信号从第一放大器801的第一输入端口 8a输入，经第一放大器801放大后，再输入计算电路803的第一输入端口 803a;所述的信号源15发出的调制信号从第二放大器802的第--输入端口 8b输入，经第二放大器802放大后，也输入计算电路的第二输入端口803b。 计算电路803进行乘法计算后，分别输入第一低通滤波器804与第二低通 滤波器805进行低通滤波后，得到信号
f(W)^J^人Wz)si冲，3;)， (18) 尸2(x，;M)=2SoA/2(Z)COSa(X，>0 ， (19) 其中A为第一放大器801的增益，尺2为第二放大器802的增益，A^为计算 电路803的增益，尺u为第一低通滤波器804的增益，^2为第二低通滤波 器805的增益。
P,(x，y，t)通过第三放大器901的输入端口901a输入第三放大器卯l进 行放大后，经除法电路903的第一输入端口卯3a输入除法电路903 。 P2(x,y，t) 通过第四放大器902的输入端口902a输入第四放大器卯2进行放大后，经 除法电路903的第二输入端口卯3b输入除法电路卯3 。信号P,(x，y，t)与 P2(x，y，t)在除法电路卯3中作除法运算，得到信号
户",力=4^"tan["",y，)]=尺tan["(;:，力]， (20) 其中K3是第三放大器卯1的增益、K4是第四放大器902的增益，<formula>formula see original document page 10</formula>
P(x，y)信号从解相电路904的第一输入端口904a输入，并由解相电路904 解相得到相位<formula>formula see original document page 10</formula>(21)
所以被测物体5的表面形貌为
r(jc，力-a(;c，3;K/(4;r) 。 (22)
由(22)式可知，表面形貌与半导体激光器l的光强无关，说明本实用新型 能消除光强变化对测量结果的影响。
从(21)式可知，相位主值区间在[-7i/2，+7t/2]，所以表面粗糙度r(x，y)的 最大测量范围是A/4。为了扩大测量范围，将信号P,(x，y，t)从相位补偿电路 卯5的第一输入端口卯5a输入相位补偿电路905;将从解相电路卯4输出的 相位a(x，y)经相位补偿电路905的第二输入端口 905b输入相位补偿电路 卯5;将信号P2(x,y，t)从相位补偿电路卯5的第三输入端口邻5c输入相位补 偿电路卯5。由相位补偿电路卯5对sina(x，y)与cosa(x，y)的值(符号)跳 变进行判断，从而得到相位a(x，y)所在象限的相位补偿值，其补偿方法 如表1所示。
表l相位补偿
cosa(x,y)sina(x，y)相位补偿
—++71
+
-Tl
■+7U
根据表l的相位补偿方法，我们就能将测量范围扩大到一个波长以
上。相位a(x，y)的测量精度可达到0.01rad，若采用中心波长Ao为785nm的 半导体激光器l ，则被测物体表面纵向测量分辨率为0.62nm。
本实施例采用的装置如图1所示。驱动器13的调制系数为 1.56xl(^nm/mA。直流电源14为半导体激光器1提供50mA的直流电流。 信号源15向半导体激光器1注入正弦相位调制信号，改变半导体激光器 1的波长，调制干涉信号中的相位。
上面所述的半导体激光器1是采用波长为785nrn的半导体激光器。 所述的分束器3是指能够将入射光按接近于1:1的光强比分成两束 光的分光棱镜。
所述的参考平板4是一表面镀银的平面镜。 所述的被测物体5是一光楔。 所述的第二透镜6是一焦距为75mm的透镜。 所述的探测元件7是二维CCD光电探测器。
所述的信号处理单元l 1由实时相位探测电路8、实时鉴相电路9与同 步电路10构成。
所述实时相位探测电路8由第一放大器801、第二放大器802、计算电 路803、低通滤波器804与805构成。第一放大器801与第二放大器802由芯 片LM232构成，计算电路803由芯片AD532完成，低通滤波器由芯片 LF356与跟随器BC108构成。
所述的实时鉴相电路9由第三放大器901、第四放大器902、除法电路 卯3、解相电路卯4、相位补偿电路卯5构成。第三放大器卯l、第四放大 器902由芯片LM232完成，除法器卯3由芯片AD538完成。解相电路卯4 与相位补偿电路905由单片机完成。所述的解相电路904与相位补偿电路 卯5是一型号为ADuc812的单片机。
所述的驱动器13是一半导体激光调制器，用于将正弦电压调制信号
转换成正弦电流调制信号。
所述的信号源15是一信号发生器，用于产生正弦相位调制所需的正 弦电压调制信号。
本实用新型的工作过程是:作为半导体激光器l的半导体激光器发出 的光由一物镜2扩束与准直后照射到分光棱镜3上。通过分光棱镜3的反射 光束fl照射到镀银平面镜4上，透过分光棱镜3的透射光束t 1照射到光楔5
上。镀银平面镜4的反射光束和光楔5的反射光束进行千涉，产生的干涉 信号经透镜6成像在二维光电探测器CCD7上。二维光电探测器CCD7将 干涉信号转换为电信号丰，少，f),
y, f) = (jc， y， 0 + s。 (x， ，， f) cos[z(x，力cos(0t./ + P) + a( X，少,/)],(23 )
其中ar(jc，:M) = a。+Qr,(x，:M)。 (24) 在同步信号10a控制下，干涉信号^c，j;力从第一放大器801的第一输 入端口8a输入第一放大器801，经第一放大器801放大后，再输入计算电 路803的第一输入端口 803a;调制信号F(O - JC0S6>f/从第二放大器802的输 入端口8b输入第二放大器802，经第二放大器802放大后，输入计算电路 803的第二输入端口803b。 二者经由计算电路803进行乘法计算，结果分 别输入到第一低通滤波器804与第二低通滤波器805中进行低通滤波，得 到信号《(jc，:M)、 AOc，:m)。将Pi(x，y，t)、 P2(x，y，t)分别输入实时鉴相电路9 的第一放大器901与第二放大器卯2进行放大,并由除法电路903作除法运 算得信号户Oc，力。除法电路卯3将信号P(x，y)输入解相电路904，由解相电 路904解相得到相位a(;c，力，从而得到光楔的表面形貌为
= a(x,力A/(4;r) 。 (25) 测得的光楔表面三维形貌图由计算机12来显示(只使用计算机的显 示功能)。信号发生器15产生的正弦电压调制信号输入到半导体激光调 制器13中，将正弦电压调制信号转换成电流调制信号，最终将电流调制 信号注入LD调制激光的波长。注入半导体激光器l的直流电流为50mA。 半导体激光器的中心波长为785nm，调制信号振幅为1.5V，调制频率是 100Hz。在此条件下， 一般实验环境测得光楔的形貌的重复测量精度为 几纳米，测量范围超过一个波长。整个测量装置的输出信号与半导体激 光器光强调制无关，说明实时鉴相电路消除了光强调制对测量精度的影 响。
权利要求1、一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装置，包括一半导体激光器(1)沿该半导体激光器(1)的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组(2)、分束器(3)，在该分束器(3)的透射光束(t1)的前进方向上设置被测物体(5)，在分束器(3)的反射光束(f1)的前进方向上放置有参考平板(4)；光束(f1)被参考平板(4)反射后的前进方向上依次放置有第二透镜(6)和探测元件(7)，其特征在于所述的探测元件(7)的输出端与信号处理单元(11)的第一输入端(8a)相连接，信号处理单元(11)的输出端与计算机(12)相连接，与半导体激光器(1)连接的驱动器(13)分别与直流电源(14)和信号源(15)连接，该信号源(15)的第二输出端与所述的信号处理单元(11)的第二输入端(8b)相连接。
2、 根据权利要求l所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装 置，其特征在于所述的分束器(3)是指能够将入射光按接近于l: 1的 光强比分成两束光的分光元件的分光棱镜、或一面镀有析光膜的平行平 板。
3、 根据权利要求l所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装 置，其特征在于所述的参考平板(4)是一对着分束器(3) —侧的表面 上镀有增透膜的平行平板。
4、 根据权利要求l所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装 置，其特征在于所述的探测元件(7)是一维或二维光电探测器。
5、 根据权利要求l所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装 置，其特征在于所述的信号处理单元(11)包括实时相位探测电路(8)、 实时鉴相电路(9)与同步电路(10)。
6、 根据权利要求5所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装 置，其特征在于所述的实时相位探测电路(8)的内部结构包括第一放大 器(801)、第二放大器(802)、计算电路(803)、第一低通滤波器(804)、
7、根据权利要求5所述的实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装 置，其特征在于所述的实时鉴相电路(9)的内部结构包括第三放大器(卯l),第四放大器(卯2)，除法电路(卯3)，解相电路(904)，相位 补偿电路(905)，所述的相位补偿电路(卯5)由单片机构成。
专利摘要一种实时测量表面形貌的正弦相位调制干涉装置，包括一半导体激光器，沿该半导体激光器的出射光束前进方向同光轴地依次设置第一透镜组、分束器，在该分束器的透射光束的前进方向上设置被测物体，在分束器的反射光束的前进方向上放置有参考平板；被参考平板反射的光束前进方向上依次放置有第二透镜和探测元件，其特征在于所述的探测元件的输出端与信号处理单元的第一输入端相连接，信号处理单元的输出端与计算机相连接，直流电源和信号源通过驱动器与半导体激光器相连接，该信号源的第二输出端与所述的信号处理单元的第二输入端相连接。本实用新型的优点是操作方便，测量范围大，精度高。
文档编号G01B9/02GK201003947SQ20072006711
公开日2008年1月9日 申请日期2007年2月7日 优先权日2007年2月7日
发明者何国田, 王向朝 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所