CN106017303B - 校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法，所述方法包括：获取干涉信号，确定位置索引，计算真实位置。在获取干涉信号的操作中，通过彩色照相机在红色干涉信号、绿色干涉信号和蓝色干涉信号中获取至少两个彩色干涉信号。在确定索引位置的操作中，具有至少两个彩色干涉信号之间最小相位差的位置被确定为零级干涉信号的位置索引。在计算真实位置的操作中，通过在位置中设置与所述零级干涉信号的位置索引相对应的位置来计算光具有最大强度的零级干涉信号真实位置，作为零级干涉信号测量位置，其中在通过黑白照相机获取的黑白干涉信号中测量干涉信号，以及在零级干涉信号测量位置增加或减少零级干涉信号测量位置的相位值。

Description

校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法

技术领域

本发明涉及一种校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法，更具体地，涉及一种校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法，其中在确定白光相移干涉仪所获取的干涉信号的级次时防止了由于相位模糊导致的误差。

背景技术

干涉仪是一种设备，其发射光到待扫描的物体表面和参照平面，基于从该物体反射的以及穿过该物体的两个光波产生干涉信号，并测量和分析干涉信号，因此获得关于该物体表面形状的信息。

由于其能够容易地确定待扫描物体的形状，此类干涉仪在工业领域广泛应用。特别是随着贯穿当前全部工业领域的技术的快速发展，对于半导体、微机电***(MEMS)、平板显示、光学构件等需要微加工，现在需要纳米级的超精加工。另外，所需要的加工模式变得复杂，以及因此重视测量精细形状的重要性。

在干涉仪中，白光相移干涉仪被广泛使用。白光相移干涉仪使用白光扫描干涉仪的可见度提取算法来获取可见度的峰，以及通过相移干涉测量算法以在峰附近测量的数据来将相位计算到位置中。

图1是用于解释确定传统的白光相移干涉仪中的条纹级次的方法的图，以及图2是用于解释在确定传统的白光相移干涉仪中的条纹级次的情况下发生的误差的图。

参照图1，能够确定通过白光相移干涉仪获取的基于干涉信号10的条纹级次，以及通过干涉信号的绝对强度值获取的可见度函数21。该可见度函数21首先基于干涉信号10而获取，以及随后测量点11的位置(其在测量干涉信号的多个测量点11、12、13、14和15中最接近可见度函数21的峰22)被设置成零级干涉信号测量位置h1。由于该零级干涉信号测量位置h1不是光基本上具有最大强度的零级干涉信号真实位置h0，基本上具有最大光强度的零级干涉信号真实位置h0通过增加或减少零级干涉信号测量位置h1和零级干涉信号测量位置h1的相位来计算。

然而，参照图2，待扫描物体的特性，该物体的倾斜，外界振动等能够导致在设置该零级干涉信号测量位置h1的情况下确定级次的误差，并且该误差带来2π相位模糊。即，如果干涉信号10由于导致该误差的许多因素而被噪音损坏，可见度函数23的峰24从零级干涉信号真实位置h0移动π或更多。

在该状态下计算的零级干涉信号错误位置h2与零级干涉信号真实位置h0相位有2π的相位差，以及因此导致测量物体形状的误差。

发明内容

因此，构思本发明以解决上述问题，以及本发明的一个方面在于提供校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法，其中使用通过彩色照相机所获取的彩色干涉信号而不是可见度函数，以使得在该干涉信号被测量的位置中设置零级干涉信号测量位置，因此防止了在干涉信号中确定级次的误差以及因此防止了2π的相位模糊。

根据本发明的实施方式，提供一种校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法，白光相移干涉仪包括白光源，用于基于由白光源所发射的光产生干涉信号的物镜，用于获取由物镜产生的彩色干涉信号的彩色照相机，以及用于获取由物镜产生的黑白干涉信号的黑白照相机，方法包括：通过彩色照相机获取红色干涉信号、绿色干涉信号和蓝色干涉信号中的至少两个彩色干涉信号；基于在至少两个彩色干涉信号之间的具有最小相位差的位置，确定对于零级干涉信号的位置索引；通过在位置中设置与零级干涉信号的索引位置相对应的位置来计算光具有最大强度的零级干涉信号真实位置，作为零级干涉信号测量位置，其中在通过黑白照相机获取的黑白干涉信号中测量干涉信号，以及在零级干涉信号测量位置增加或减少零级干涉信号测量位置的相位值。

方法还可以包括在获取干涉信号后，根据来自至少两个获取的彩色干涉信号的各个颜色提取相位，其中确定位置索引包括确定具有与各个颜色对应的被提取相位之间的最小相位差的位置，作为对于零级干涉信号的位置索引。

获取干涉信号包括获取红色干涉信号，绿色干涉信号和蓝色干涉信号，以及确定位置索引包括确定具有两个不同的彩色干涉信号的相位之差的最小绝对值之和的位置，作为对于零级干涉信号的位置索引。

提取相位可以包括使用小波变换以从彩色干涉信号中提取相位。

附图说明

结合附图通过对以下示例实施方式的描述，本发明的上述和/或其他方面将变得明显并更容易认识到，在附图中：

图1是用于解释在白光相移干涉仪中的条纹级次的方法的图；

图2是用于解释确定传统白光相移干涉仪中的条纹级次时发生的误差的图；

图3是示意性地示出了用于完成根据本发明的校正条纹级次误差的方法的白光相移干涉仪的图；

图4是顺序展示了根据本发明的实施方式的白光相移干涉仪中条纹级次的误差的校正方法的流程图；

图5是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的获取干涉信号的操作的图；

图6是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的提取相位的操作的图；

图7是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的确定索引的操作的图；以及

图8是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的计算真实位置的操作的图。

具体实施方式

此后，将参照附图详细描述根据本发明的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法的实施方式。

图3是示意性地示出根据本发明的用于完成校正条纹级次的误差的方法的白光相移干涉仪的图；

参照图3，用于完成根据本发明的校正条纹级次误差的方法的白光相移干涉仪100包括白光源110，物镜120，物镜驱动装置130，彩色照相机140，以及黑白照相机150。

白光源110可以使用卤素灯，发光二极管(LED)等作为发射白光的光源。在白光源110背后，可以布置用于准直白光的准直透镜。

物镜120将发射自白光源110的白光导向至物体1和参照镜123，并产生基于从物体1反射的光和参照镜123的参照光的干涉信号。在该实施方式中，物镜120包括聚光透镜121，分束器122和参照镜123。

参照图3，聚光透镜121将光聚集向物体1，因此白光源110发射的白光能够通过聚光透镜121向分束器122行进。

分束器122反射或传播经过聚光透镜121的光。从分束器122反射的光入射到参照镜123，以及经过分束器122的光导向至物体1并再次从物体1反射。

参照镜123布置在聚光透镜121和分束器122之间并产生具有与从物体1反射的光不同的光学路径的参照光。参照镜123将从分束器122反射的入射光再次反射向分束器122。

使用从物体1反射的光和由参照镜123产生的参照光以构成干涉信号。这样的参照信号由彩色照相机140以及黑白照相机150检测。

物镜驱动装置130驱动物镜120以靠近或远离物体1移动。

在物镜驱动装置130以几nm的间隔驱动物镜120向物体1移动的情况下，彩色照相机140或黑白照相机150寻找检测到强干涉信号的位置。物镜驱动装置130可以驱动物镜1201以从白光源110发射的光的周期的0、π/2、π、3π/2而向物体1移动。

彩色照相机140布置在物体1上方并且获取由物镜120产生的彩色干涉信号。黑白照相机150布置在物体上方并且获取由物镜120产生的黑白干涉信号。

通常，彩色照相机140或黑白照相机150采用对于待测量区域具有合适数量的像素的电荷耦合元件(CCD)照相机。在彩色照相机140或黑白照相机150前，聚光透镜102可以被布置成聚集由主分束器101接收的干涉光，以及分束器103可以被布置成将穿过聚光透镜102的光朝向彩色照相机140或黑白照相机150分开。

在该实施方式中，作为用于实现根据本发明的条纹级次的误差校正方法的白光相移干涉仪100的示例描述了反射型干涉仪，但不限制于此。作为替代，可以使用透射型干涉仪作为用于实现根据本发明的条纹级次的误差校正方法的白光相移干涉仪的示例。

下文中，将描述校正上述白光相移干涉仪100中的条纹级次误差的方法。

图4是顺次示出在根据本发明的实施方式中的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法的流程图；图5是用于解释在图4中的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的获取干涉信号的操作的图；图6是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的提取相位的操作的图；图7是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的确定索引的操作的图；以及图8是用于解释在图4的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法中的计算真实位置的操作的图。

参照图4至图8，根据本发明的实施方式的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法包括获取干涉信号的操作(S10)，提取相位的操作(S20)，确定索引的操作(S30)和计算真实位置的操作(S40)，以确定使用白光相移干涉仪获取的干涉信号的级次。

在获取干涉信号的操作S10中，使用彩色照相机140获取红色干涉信号210、绿色干涉信号220和蓝色干涉信号230中的至少两个彩色干涉信号。

参照图5，采用彩色照相机140来获取红色干涉信号210、绿色干涉信号220和蓝色干涉信号230。其中，至少两个彩色干涉信号被用于实现根据本发明的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的校正方法。

在根据本实施方式的获取干涉信号的操作S10中，获取全部的红色干涉信号210、绿色干涉信号220和蓝色干涉信号230。将在使用全部的红色干涉信号210、绿色干涉信号220和蓝色干涉信号230的假设上给出随后的描述。

在提取相位的操作S20中，从在获取彩色干涉信号的操作S10中获取的至少两个彩色干涉信号中提取根据各个颜色的相位。

例如，参照图6，可以使用小波变换来从在获取彩色干涉信号的操作S10中获取的红色干涉信号210中提取相位212.

小波变换可以通过根据频带改变称作小波的窗函数的幅度来分析全部频带的信号。小波变换特征在于信号的全部频率特性通过使用在高频带中的窄窗口和在低频带中的宽窗口在单时间频率空间中表示。

通过小波变换，能够分析小波变换系数的模量和相位。如图6所示，红色干涉信号210的相位212和模量211通过小波变换从红色干涉信号210中提取。

由于小波变换对于本领域技术人员是已知的，省略了关于小波变换的细节说明或功能的描述。

虽然未示出，绿色干涉信号220的模量和相位222也能够通过小波变换从绿色干涉信号220中提取，以及蓝色干涉信号230的模量和相位232也能够通过小波变换从蓝色干涉信号230中提取，如同红色干涉信号210的模量和相位一样。

在确定索引的操作S30中，具有至少两个彩色干涉信号之间的最小相位差的位置被确定为对于零级干涉信号的位置索引hc。

在该实施方式中，在分别对应于不同颜色的相位212，222，232中具有最小相位差的位置被确定为对于零级干涉信号位置索引hc，使用在提取相位的操作S20中所提取的红色干涉信号的相位212，绿色干涉信号的相位222与蓝色干涉信号的相位232，而不是直接使用红色干涉信号210，绿色干涉信号220和蓝色干涉信号230来获得相位之差。

此处，用于零级干涉信号的位置索引hc指的是在干涉信号实际被测量的多个点中寻找与零级干涉信号对应的测量点的索引。

在实践中，外部因素可能带来差别。然而，理论上认为相位不论在多个测量点中的零级干涉信号测量位置h1中的光源如何都是相同的。因此，与不同颜色相对应的相位212、222和232中具有最小差的位置被确定为对于零级干涉信号的位置索引hc。

在该实施方式中，可以获得与两个不同的颜色对应的干涉信号的相位212、222和232之差的绝对值之和245，来确定具有不同颜色的相位212、222和232之间最小差的位置。

首先，参照图7的(b)，红色干涉信号的相位212和绿色干涉信号的相位222之差的绝对值241，绿色干涉信号的相位222和蓝色干涉信号的相位232之差的绝对值242，红色干涉信号的相位212和蓝色干涉信号的相位232之差的绝对值243分别使用不同颜色的相位212、相位222和相位232来获得。

然后，参照图7的(c)，获得三个绝对值241、242和243之和245，以及具有最小绝对值之和245的位置被确定为对于零级干涉信号的位置索引hc。

在计算真实位置的操作S40中，计算光具有最大强度的零级干涉信号真实位置h0.

参照图8，使用在确定索引的操作S30中所确定的对于零级干涉信号的位置索引hc，在由黑白照相机150所拍摄的黑白干涉信号250中测量干涉信号的位置中的与零级干涉信号的位置索引hc对应的位置被设置为零级干涉信号测量位置h1。

由于在通过物镜驱动器130使物镜120向物体1移动而改变扫描位置时获取干涉信号，具有与零次级干涉信号的位置索引hc相同的扫描位置的测量点251从黑白干涉信号250的多个测量点251、252、253、254和255中被选择，以及所选的测量点251的位置被确定为零级干涉信号测量位置h1。

然后，具有最大的光强度的零级干涉信号真实位置h0通过增加或减少在零级干涉信号测量位置h1处的零级干涉信号测量位置的相位值b来计算。零级干涉信号真实位置h0通过以下表达式来计算。

其中，h0是零级干涉信号真实位置，h1是零级干涉信号测量位置，a0是白光源的中间波长，以及b是零级干涉信号测量位置的相位值。

零级干涉信号真实位置h0基本上指的是检测到最强的干涉信号的位置。通过经由上述方法找到相对于物体1上预定的点的零级干涉信号真实位置h0，以及随后将它们彼此相连，可以准确地测量物体1的形状而不产生相位模糊。

在根据本发明的实施方式的上述白光相移干涉仪中的条纹级次的误差校正的上述方法中，零级干涉信号测量位置设置在多个点中，其中使用由彩色照相机所拍摄的彩色干涉信号测量了干涉信号，从而可以防止在确定条纹级次中的误差以及因此防止2π相位模糊。

另外，在根据本发明的实施方式的上述白光相移干涉仪中的条纹级次的误差校正的上述方法中，防止了相位模糊、从而更准确地测量物体的形状和改进测量精度。

如上所述，根据本发明的实施方式的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差校正的方法防止了确定条纹级次中的误差以及因此防止了2π的相位模糊。

另外，根据本发明的实施方式的白光相移干涉仪中的条纹级次的误差校正的方法防止了相位模糊，从而更准确地测量物体的形状并改进测量的精度。

虽然示出并描述了本发明的一些示例实施方式，本领域技术人员将明白可以在这些实施方式中做出改变而不脱离本发明的原则和精神，其范围在附属的权利要求及其等同物中限定。

Claims (4)

1.一种校正白光相移干涉仪中的条纹级次的误差的方法，

所述白光相移干涉仪包括白光源，用于基于由所述白光源所发射的光产生干涉信号的物镜，用于获取由所述物镜产生的彩色干涉信号的彩色照相机，以及用于获取由所述物镜产生的黑白干涉信号的黑白照相机，

其特征在于，所述方法包括：

通过所述彩色照相机获取红色干涉信号、绿色干涉信号和蓝色干涉信号中的至少两个彩色干涉信号；

基于在至少两个彩色干涉信号之间的具有最小相位差的位置，确定对于零级干涉信号的位置索引；以及

通过在位置中设置与所述零级干涉信号的所述位置索引相对应的位置作为所述零级干涉信号测量位置，以及在所述零级干涉信号测量位置增加或减少所述零级干涉信号测量位置的相位值，来计算光具有最大强度的零级干涉信号真实位置，其中，与所述零级干涉信号的所述位置索引相对应的位置在确定所述位置索引时被确定；以及所述位置是在通过黑白照相机获取的所述黑白干涉信号中测量所述黑白干涉信号的位置；

其中，通过所述黑白照相机获取的所述黑白干涉信号中条纹级次的误差被通过使用所述彩色照相机获取的所述彩色干涉信号来校正。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在获取所述彩色干涉信号后，根据来自至少两个获取的彩色干涉信号的各个颜色来提取相位，

其中确定所述位置索引包括确定具有与各个颜色对应的被提取相位之间的最小相位差的位置，作为对于零级干涉信号的所述位置索引。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，

获取所述彩色干涉信号包括获取所述红色干涉信号，所述绿色干涉信号和所述蓝色干涉信号，以及

确定所述位置索引包括确定具有两个不同的彩色干涉信号的相位之差的最小绝对值之和的位置，作为对于所述零级干涉信号的位置索引。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，提取相位包括使用小波变换来从所述彩色干涉信号提取相位。