白光光源中心波长的测量方法与流程

本公开大体涉及智能制造装备产业，具体涉及一种白光光源中心波长的测量方法。

背景技术：

1、干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起的，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度。干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度相对较高。白光干涉仪作为干涉仪的一种，则是利用白光作为光源测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。

2、白光光源的中心波长可理解为在波长范围内能量最大处的光分量的波长，准确的测量并校准光源的中心波长能够提高白光干涉仪的测量精度。在现有技术中，通常使用光谱仪等独立的光源波长测量仪器测量光源的中心波长，且测量时通常需要将光源从光源干涉仪取出测试。

3、但拆解仪器通常操作繁琐、浪费时间和人工成本，而且有损坏仪器的可能。

技术实现思路

1、本公开是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种能够在测量装置上直接测量光源的中心波长的测量方法及测量装置，从而能够提升测量的效率和便捷性，能够提高测量装置的测量精度。

2、为此，本公开第一方面提供一种光源中心波长的测量方法，为基于光干涉测量技术对光源的中心波长进行测量的测量方法，所述测量方法包括：使用光源发出测量光束至待测样品；控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对所述待测样品进行均匀采样，其中，所述采样模块采集所述测量光束经所述待测样品反射的在所述干涉物镜中形成的反射光束以获得用于形成关于所述待测样品的多帧图像的光干涉信号；构建所述多帧图像的采样帧数和所述光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对所述关系曲线中每帧图像的所述信号强度进行数字正交解调以得到所述关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的所述多帧图像的幅值序列构建所述关系曲线的包络高斯曲线，并获得所述包络高斯曲线的峰值位置；并且在所述峰值位置拟合所述多帧图像的图像帧序和在每帧图像处所述关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据所述拟合斜率求出所述光源的中心波长。

3、在本公开第一方面中，能够在测量装置上直接测量并校准光源的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对待测样品进行均匀采样，能够提升干涉物镜扫描步长和采样模块采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源的中心波长更精确，进而能够提升测量装置的测量精度。

4、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，所述信号强度与所述干涉物镜的位移之间的关系式为：

5、

6、其中，λ为所述光源的中心波长，i(z)为所述信号强度，ibg为背景光强，γ为调制系数，为所述包络高斯曲线，z为所述干涉物镜的位移，z0为中心波长光程差为零的扫描位置，σ的表达式为：

7、σ＝wc/6＝λ2/(6δλ)

8、其中，δλ为λ的增量，wc为光源的相干长度，且wc＝λ2/δλ，所述光干涉信号随所述干涉物镜的位移的相位分布为：

9、

10、其中，θ(z)为相位分布。由此，能够方便得到信号强度与干涉物镜的位移之间的关系式以及光干涉信号随干涉物镜的位移的相位分布。

11、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，预设初始光源波长为λinit，驱动所述干涉物镜对所述待测样品进行扫描，所述干涉物镜的扫描步长与所述初始光源波长之间的关系式为：

12、

13、其中，δz为扫描步长，n为周期相移帧数，2n表示在一个信号周期内所述采样模块拍摄的次数；所述干涉物镜的位移与所述扫描步长之间的关系式为：

14、z＝i△z

15、其中，i为所述干涉物镜在采样位置的所述图像帧序。由此，通过预设一个初始光源波长，能够方便驱动干涉物镜以规定的扫描步长对待测样品进行扫描。

16、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，在每个所述图像帧序处，在一个信号周期内对所述信号强度进行数字正交解调，得：

17、

18、

19、其中，i为所述图像帧序，r(i)为第一调制信号，q(i)为第二调制信号，in代表在图像帧序为n时的图像所代表的灰度值，由此得所述关系曲线在每个所述图像帧序处的所述幅值和所述相位：

20、

21、θi＝atan(qi/ri)

22、其中，ai为幅值，θi为相位。由此，能够方便计算得到关系曲线中的各图像帧序处的所述幅值和所述相位。

23、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，使用最小二乘法对所述幅值序列进行高斯拟合以得到包络高斯曲线，其中所述幅值序列为(a1,a2,……,am)，am代表所述图像帧序为m时的所述幅值。由此，能够方便得到包络高斯曲线。

24、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，包络高斯曲线的表达式为：

25、

26、其中，a、b、c为高斯曲线参数，对所述包络高斯曲线的表达式两边取自然对数，得：

27、ai2+bi+c＝ln a(i)

28、使用最小二乘法拟合所述包络高斯曲线，得：

29、

30、其中，m1至m2表示参与包络高斯曲线拟合的所述图像帧序的范围。由此，通过使用最小二乘法对幅值序列进行拟合，能够方便得到包络高斯曲线。

31、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，m1至m2范围确定的方法为：确定所述幅值序列(a1,a2,……,am)中的最大幅值位置；以最大幅值位置为中心，在所述最大幅值位置附近获取所述图像帧序的范围为m1至m2的数据集合。由此，能够方便确认出参与包络高斯曲线拟合的图像帧的范围，能够减少噪声进入拟合范围增加拟合误差。

32、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，分别对高斯曲线参数a、b、c求偏导并写为方程为ex＝f的矩阵形式，根据拟合得到的所述包络高斯曲线，得所述包络高斯曲线的峰值位置的表达式为：

33、

34、其中，p0为所述峰值位置。由此，能够方便得到包络高斯曲线的峰值位置。

35、另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，取峰值位置附近范围的g个点进行线性相位拟合，通过所述光干涉信号随所述干涉物镜的位移的相位分布的表达式：

36、

37、得到所述光干涉信号的相位相对于所述干涉物镜的位移的斜率为：

38、

39、进而得到所述光源的中心波长：

40、

41、其中，“·”代表相乘，k为斜率，θ0表示初始相位分布。由此，能够方便得到光源的中心波长。

42、本公开第二方面提供了一种光源中心波长的测量装置，为基于光干涉测量技术对光源的中心波长进行测量的测量装置，所述测量装置包括：发生模块、时序同步发生器、驱动模块、干涉物镜、采样模块、以及数据处理模块；所述发生模块用于经所述干涉物镜向待测样品发出测量光束；所述时序同步发生器用于控制所述驱动模块以预设步长驱动所述干涉物镜移动的同时同步控制所述采样模块对所述待测样品进行均匀采样，其中，所述采样模块采集所述测量光束经所述待测样品反射的在所述干涉物镜中形成的反射光束以获得用于形成关于所述待测样品的多帧图像的光干涉信号；所述数据处理模块用于：构建所述多帧图像的采样帧数和所述光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对所述关系曲线中每帧图像的信号强度进行数字正交解调以得到所述关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的所述多帧图像的幅值序列构建所述关系曲线的包络高斯曲线，并获得所述包络高斯曲线的峰值位置；在所述峰值位置附近得到所述多帧图像的图像帧序和在每帧图像处所述关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据所述拟合斜率求出光源的中心波长。

43、在本公开第二方面中，能够在测量装置上直接测量并校准光源的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对待测样品进行均匀采样，能够提升干涉物镜扫描步长和采样模块采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源的中心波长更精确，进而能够提升测量装置的测量精度。

44、根据本公开，能够提供一种在测量装置上直接测量光源的中心波长的测量方法及测量装置，从而能够提升测量的效率和便捷性，能够提高测量装置的测量精度。