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臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀及臺(tái)階表面高度測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及測(cè)繪領(lǐng)域，特別是涉及臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀及臺(tái)階表面高度測(cè)量方法。針對(duì)目前臺(tái)階表面高度測(cè)量中測(cè)量結(jié)果容易受到光源波長(zhǎng)干擾，造成測(cè)量結(jié)果系統(tǒng)誤差大、隨機(jī)誤差大、精度低、準(zhǔn)確度低的問(wèn)題，提供一種全新的測(cè)量裝置及方法。為了實(shí)現(xiàn)這一發(fā)明目的，我們公開(kāi)了一種臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀，包括激光光源、三個(gè)透鏡、一個(gè)平面光柵、一個(gè)帶有兩個(gè)針孔的光闌、一個(gè)圖像傳感器、一個(gè)正弦振動(dòng)揚(yáng)聲器；采用本發(fā)明所公開(kāi)的測(cè)量方法，無(wú)需考慮光源波長(zhǎng)等因素，系統(tǒng)誤差小、隨機(jī)誤差小，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確度高、精度高。
【專(zhuān)利說(shuō)明】臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀及臺(tái)階表面高度測(cè)量方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及測(cè)繪領(lǐng)域，特別是涉及臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀及臺(tái)階表面 高度測(cè)量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 單波長(zhǎng)干涉儀受限于平滑和連續(xù)的表面上的測(cè)量，兩個(gè)測(cè)量點(diǎn)之間的光程差的變 化小于半波長(zhǎng)。為了克服這種限制，就提出了雙波長(zhǎng)干涉儀。雙波長(zhǎng)干涉測(cè)量法被用于測(cè) 量的光程差小于一個(gè)波長(zhǎng)。在雙波長(zhǎng)干涉儀中，兩個(gè)波長(zhǎng)提供了一個(gè)合成的等效波長(zhǎng)，波長(zhǎng) 長(zhǎng)于兩個(gè)波長(zhǎng)。因?yàn)檫@兩個(gè)波長(zhǎng)之間的差異是很小的，幾納米，所以這需要兩個(gè)波長(zhǎng)是高度 穩(wěn)定的。無(wú)論是在單波長(zhǎng)或雙波長(zhǎng)干涉儀中，由于相位差與直接使用的波長(zhǎng)有關(guān)，光源的波 長(zhǎng)的擾動(dòng)會(huì)帶來(lái)非常大的系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差的測(cè)量結(jié)果。半導(dǎo)體激光二極管已被用于干 涉儀是廣泛的光源，因?yàn)樗哂休^小的體積，較低的價(jià)格和在應(yīng)用比其他激光源更方便的 特點(diǎn)。然而，激光二極管光源的波長(zhǎng)很容易會(huì)隨著注入電流和溫度的變化而波動(dòng)。為了克 服光源波長(zhǎng)的干擾影響測(cè)量結(jié)果，相關(guān)人員已經(jīng)做了大量的研究工作。
[0003] 相移干涉儀廣泛應(yīng)用于獲取物體2D表面的相位分布。其主要的工作原理：在干涉 系統(tǒng)的參考光路中加入精密移相器件，在物光與參考光之間引入有序的位移，這樣兩相干 光之間產(chǎn)生相位移動(dòng)，光程差（位相差）發(fā)生變化。在每一測(cè)量點(diǎn)處，相位差的變化使干涉 場(chǎng)的光強(qiáng)值發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，然后用CCD等探測(cè)器接收干涉圖每一象素點(diǎn)處的光強(qiáng)值。因?yàn)?光強(qiáng)是光學(xué)位相的余弦函數(shù)，與物體表面形貌直接相關(guān)的也是蘊(yùn)涵在干涉條紋圖中的光學(xué) 位相，這樣通過(guò)采集三幅或以上的干涉條紋圖，從中解出反映物體真實(shí)形貌的位相信息，重 構(gòu)出物體形貌，從而完成測(cè)量。
[0004] 圖1為相移干涉術(shù)的測(cè)量原理圖，激光光源發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束器后變?yōu)槠叫泄猓?束器將該平行光分為測(cè)量光束和參考光束兩束光：測(cè)量光束照射到被測(cè)物體表面上并被 物體表面反射回來(lái)；參考光束照射到與壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器連接著的參考鏡上同樣被參考鏡反 射回來(lái)。兩束反射光再次經(jīng)過(guò)分束器后在干涉場(chǎng)發(fā)生干涉，形成干涉條紋。通過(guò)驅(qū)動(dòng)參考 鏡改變兩相干光束的光程差，以改變相位差，并產(chǎn)生時(shí)間序列上的多幅干涉條紋圖。對(duì)于每 一副干涉條紋圖，用CCD等光電探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行陣列網(wǎng)格采樣，采樣過(guò)后的條紋圖再經(jīng)刀D 轉(zhuǎn)換器存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中。
[0005] 相移干涉技術(shù)通常遇到的問(wèn)題就是不能從探測(cè)器所接收到的干涉圖中精確、準(zhǔn)確 地提取出每個(gè)點(diǎn)的位相值，在實(shí)際的應(yīng)用中，又存在擾動(dòng)和誤差因素的影響，所以要準(zhǔn)確得 到每個(gè)點(diǎn)的位相值就更難了。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于針對(duì)目前臺(tái)階表面高度測(cè)量中測(cè)量結(jié)果容易受到光源波長(zhǎng)干 擾，造成測(cè)量結(jié)果系統(tǒng)誤差大、隨機(jī)誤差大、精度低、準(zhǔn)確度低的問(wèn)題，提供一種全新的測(cè)量 裝置及方法。
[0007] 為了實(shí)現(xiàn)這一發(fā)明目的，我們公開(kāi)了一種臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀，包 括激光光源、三個(gè)透鏡、一個(gè)平面光柵、一個(gè)帶有兩個(gè)針孔的光闌、一個(gè)圖像傳感器、一個(gè)正 弦振動(dòng)揚(yáng)聲器；
[0008] 所述激光光源置于待測(cè)臺(tái)階一側(cè)，激光光源與待測(cè)臺(tái)階之間依次設(shè)置有一個(gè)透鏡 和一個(gè)平面光柵，所述平面光柵連接至正弦振動(dòng)揚(yáng)聲器；
[0009] 所述激光光源發(fā)出一組與待測(cè)表面呈一定角度3的平行光，所述激光光源發(fā)出 的平行光依次通過(guò)第一透鏡和平面光柵，并在檢測(cè)表面反射后形成反射光束；
[0010] 以反射光束為軸，依次設(shè)置有第二透鏡、帶有兩個(gè)針孔的光闌、第三透鏡，
[0011] 所述反射光束依次通過(guò)第二透鏡、帶有兩個(gè)針孔的光闌、以及第三透鏡，
[0012] 所述圖像傳感器置于第三透鏡后側(cè)，接收通過(guò)第三透鏡的光束，得到反應(yīng)物體平 面圖像的干涉條紋圖案。
[0013] 基于這樣一種單光柵干涉儀，我們進(jìn)一步公開(kāi)了一種臺(tái)階表面高度測(cè)量的方法， 包括如下步驟：
[0014] 按照權(quán)利要求1中所述方式搭建臺(tái)階表面高度測(cè)量所需要的的單光柵干涉儀；
[0015] 在激光光源處發(fā)出一組平行光，記錄平行光與待測(cè)表面之間的夾角3 ;
[0016] 平行光束通過(guò)焦距為f〇的透鏡L0發(fā)生折射后，在空間周期為P，透光寬度為a的 光柵G處發(fā)生正弦振動(dòng)；
[0017] 透過(guò)光柵G的光束在待測(cè)表面發(fā)生反射，形成反射光束，反射光束通過(guò)焦距為fl 的透鏡L1發(fā)生折射，形成多個(gè)光束；
[0018] 其中被允許穿過(guò)帶有兩個(gè)針孔的光闌上兩針孔光闌H的第一階光束經(jīng)焦距為f2 的透鏡L2折射；
[0019] 圖像傳感器在一定時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)多次采樣，得到干涉條紋圖案；
[0020] 將干涉條紋圖案轉(zhuǎn)化得到位相分布圖，并且選擇位相分布圖中的一行進(jìn)行臺(tái)階表 面高度計(jì)算，臺(tái)階表面高度r計(jì)算方式如下：

【權(quán)利要求】
1. 臺(tái)階表面高度測(cè)量的單光柵干涉儀，其特征在于：包括激光光源、三個(gè)透鏡、一個(gè)平 面光柵、一個(gè)帶有兩個(gè)針孔的光闌、一個(gè)圖像傳感器、一個(gè)正弦振動(dòng)揚(yáng)聲器； 所述激光光源置于待測(cè)臺(tái)階一側(cè)，激光光源與待測(cè)臺(tái)階之間依次設(shè)置有一個(gè)透鏡和一 個(gè)平面光柵，所述平面光柵連接至正弦振動(dòng)揚(yáng)聲器； 所述激光光源發(fā)出一組與待測(cè)表面呈一定角度3的平行光，所述激光光源發(fā)出的平 行光依次通過(guò)第一透鏡和平面光柵，并在檢測(cè)表面反射后形成反射光束； 以反射光束為軸，依次設(shè)置有第二透鏡、帶有兩個(gè)針孔的光闌、第三透鏡， 所述反射光束依次通過(guò)第二透鏡、帶有兩個(gè)針孔的光闌、以及第三透鏡， 所述圖像傳感器置于第三透鏡后側(cè)，接收通過(guò)第三透鏡的光束，得到反應(yīng)物體平面圖 像的干涉條紋圖案。
2. -種臺(tái)階表面高度測(cè)量的方法，其特征在于，包括如下步驟： 按照權(quán)利要求1中所述方式搭建臺(tái)階表面高度測(cè)量所需要的的單光柵干涉儀； 在激光光源處發(fā)出一組平行光，記錄平行光與待測(cè)表面之間的夾角3 ; 平行光束通過(guò)焦距為f〇的透鏡LO發(fā)生折射后，在空間周期為P，透光寬度為a的光柵 G處發(fā)生正弦振動(dòng)； 透過(guò)光柵G的光束在待測(cè)表面發(fā)生反射，形成反射光束，反射光束通過(guò)焦距為H的透 鏡Ll發(fā)生折射，形成多個(gè)光束； 其中被允許穿過(guò)帶有兩個(gè)針孔的光闌上兩針孔光闌H的第一階光束經(jīng)焦距為f2的透 鏡L2折射； 圖像傳感器在一定時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)多次采樣，得到干涉條紋圖案； 將干涉條紋圖案轉(zhuǎn)化得到位相分布圖，并且選擇位相分布圖中的一行進(jìn)行臺(tái)階表面高 度計(jì)算，臺(tái)階表面高度r計(jì)算方式如下：
【文檔編號(hào)】G01B11/02GK104330034SQ201410573215
【公開(kāi)日】2015年2月4日 申請(qǐng)日期:2014年10月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月23日
【發(fā)明者】宦海, 盧松, 張雨, 黃凌霄, 張震 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)