利用白噪声psd校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法
【专利摘要】本发明涉及一种利用白噪声功率谱密度(PSD)校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法。白噪声会限制光学表面轮廓仪的空间分辨率，它是一种功率频谱密度为常数的随机信号或随机过程，利用这一规律，将测试结果中符合白噪声功率谱密度(PSD)曲线化规律的部分截断，剩余部分对应有效的空间频率范围。本发明原理简单、操作便捷，不需要借助其他设备，在检测光滑样品的同时就可以完成校准工作，显著降低了光学表面轮廓仪校准的难度和成本，确定了光学表面轮廓仪的有效空间分辨率。
【专利说明】利用白噪声PSD校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光学表面轮廓仪实际有效空间分辨率的校准方法，具体是指利用MATLAB模拟白噪声的功率谱密度(PSD)曲线，将光学元件测试结果中符合该曲线变化规律的部分去掉，由此确定光学表面轮廓仪有效空间分辨率，属于光学表面轮廓仪校准的范畴。
【背景技术】
[0002]检测技术的发展是物理学、机械学和医学等科学领域至关重要的推动力。光学元件的表面误差分为表面面形误差、波纹度和表面粗糙度，准确的评价这些误差对光学元件的加工及光学性能的提高起到指导作用，也是精确判定光学系统成像质量的关键因素。对光学元件的表面误差做出准确评价的前提，是要通过检测设备得到最接近真实表面的轮廓信息，因此光学元件检测设备的精度就变得尤为重要。.[0003]光学表面轮廓仪通过非接触式测量给出表面的三维区域轮廓信息，具有非接触、快捷和直观立体等优点，为了使测量结果更接近真实的表面，必须确定光学表面轮廓仪有效的分辨率。光学表面轮廓仪的固有分辨率与其探测器的横向分辨率和光学衍射极限分辨率有关。光学表面轮廓仪探测到的最大空间波长与物镜测试范围有关。探测器的横向分辨率为可分辨像点的最小空间波长，取决于系统的奈奎斯特频率fNy (Nyquist frequency), fNy为系统采样频率的一半。光学衍射分辨率代表设备能够分辨邻近物点的能力。根据瑞利判据得到光学系统可以分辨相邻物点的最小间距r为:
[0004]r = 0.61λ/NA( I )
[0005]λ为实际有效的入射光波长，NA为物镜的数值孔径。
[0006]通常设备固有分辨率与有效分辨率都存在一定的偏差，需要对光学表面轮廓仪进行校准。校准方法主要依据标准样品或者其他检测设备，通常使用的表征样品是经国际计量机构(Nat ional Measurement Institutes,NMI s)标定过的，针对不同校准几何量选取不同的标准样品，再将所有的不确定度统一。由于这一方法对校准模块的要求较高而且价格昂贵，很少有光学表面轮廓仪采用此方法进行校准。利用其他标定设备的校准过程，对标准样品的要求降低了，但是对标定设备的要求较高，两个或者多个设备的对比过程也比较复杂。在实际应用中，需要提出一种新的、简便的方法对光学检测设备进行校准。
【发明内容】
[0007]为了克服现有校准方法存在的上述问题，本发明提供了一种简单可行的校准光学表面轮廓仪实际有效空间分辨率的方法。
[0008]这种方法的主要思路是:
[0009]光学元件表面轮廓分布可看成是许多不同空间频率、不同振幅的谐波叠加而成。这些谐波经过检测设备后，受白噪声的干扰，系统在一些空间频率上的传递能力较差，不能反映出该空间频率范围内的真实信息。功率谱密度函数可以反映各个空间频率成分所占的比重。一维表面轮廓功率谱密度(PSD)的离散傅里叶变换可以写成
[0010]
【权利要求】
1.一种利用白噪声功率谱密度(PSD)校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法，其特征在于:使用被校准设备光学表面轮廓仪的三个不同倍数物镜对光学元件表面测试，描绘其结果在对数坐标下的功率谱密度(PSD)曲线。
2.根据权利要求1所述的校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法，其特征在于:利用MATLAB模拟各个物镜下，测试结果白噪声的功率谱密度(PSD)曲线。
3.根据权利要求1所述的校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法，其特征在于:将MATLAB模拟结果和光学元件表面测试结果相对比，符合模拟结果部分去掉，余下部分为有效空间频率范围。
4.根据权利要求1所述的校准光学表面轮廓仪有效空间分辨率的方法，其特征在于:使用不同光学元件进行重复试验，验证结果的重复性和准确性。
【文档编号】G01B11/30GK103983204SQ201410050122
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年2月13日 优先权日:2014年2月13日
【发明者】王占山, 马爽, 蒋励, 沈正祥 申请人:同济大学