CN109163673B - 一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及*** - Google Patents

一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***，其采用干涉模块、分光相移模块及CCD成像模块，其将参考光和测量光经过分光相移模块先被分解为四路光源并同步移相0、π/2、π、3π/2，移相后的四路光源进行干涉经过CCD成像模块采集得到同步相移干涉图样，测量前对同步相移干涉图样进行参数标定，标定的参数为各通道采集到的参考光、测量光强相对于第1通道采集到的参考光、测量光强的比值和各通道引入的相移量与第1通道引入的相移量之差，利用标定的参数进一步确定被测样件的相位信息，从而得到被测样件的表面瞬时结构并提高了测量结果的准确性。

Description

一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***
技术领域
本发明属实时测量领域，具体涉及一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***。
背景技术
样件表面形貌和结构的几何特征主要由表面处理、机械加工等工艺过程形成，体现表面的外在特征，是制造产品和科学研究的重要质量指标。同时，表面形貌和结构与样件表面的内在特性，如残余应力，微观物理机械特性等也有着密不可分的联系，是产品和样件动态特性的重要表征。
同步相移干涉技术是一种同时获取多幅相移干涉图，求解被测样件表面形貌的方法。相对于传统的时间相移干涉方法，它的主要优点是抗环境振动，可应用在环境比较恶劣的工作场合，同时测量速度快、可测量动态样品。虽然同步相移技术可以有效地减小环境振动的影响，但是也引入了其他误差项，主要包括波片的安装角和延迟度误差，偏振片的安装角误差，棱镜或光栅引起的光强分配不均和相位误差，多幅干涉图的匹配误差等。
已有的同步相移干涉技术主要有三种比较典型的结构：一种是基于棱镜分光的多相机或单相机同步相移干涉***，论文(《Simultaneous phase-shift interferometer》，ACL Koliopoulos，International Society for Optics and Photonics,1992:119-127)公开了基于棱镜分光的同步相移干涉技术用于大尺寸光学器件的测量，但其对***误差的分析侧重于定性分析，控制误差的办法同样局限于器件的选择和光路的调整；一种是基于光栅分光的单相机同步相移干涉***，论文(《Three channel phase-shiftinginterferometer using polarization-optics and a diffraction grating》，HettwerA,Kranz J,Schwider J，Optical Engineering,2000,39(4):960-966)公开了一种基于光栅分光的三通道同步相移干涉仪，该三通道同步相移干涉仪的误差分为平均光强误差和相移准确度误差，分析了它们各自其产生的原因，也提出了对应的控制办法，但是缺乏具体实施方案的描述；一种是基于像素化偏振掩膜或相位延迟掩膜板的同步相移干涉***，美国专利US7079251B2公开了一种分析和校正多通道干涉成像***误差的方法，该方法中考虑了图像变形、无效像素点、探测器非线性、随机相移不准确等误差影响，但是同样缺乏对具体实施方案的描述。因此，已有关于光路结构误差的研究多侧重于理论分析，定量描述各误差源的影响大小，对于误差的控制方式多依赖于选用高质量等级器件和提高安装精度。同时，同步相移干涉技术应用于动态表面形貌测量时，由于相移干涉技术原理的限制，其通过算法解得的相位被包裹在-π至π之间，因此通常只能测量连续表面。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***，其采用干涉模块、分光相移模块及CCD成像模块，得到四通道的同步相移干涉图样，测量前对CCD成像模块采集的同步相移干涉图样进行参数标定，利用标定的参数进一步确定被测样件的相位信息，从而得到被测样件的表面瞬时结构并提高了测量结果的准确性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法，具体为：
S1.将光源提供的入射光分解为相互正交的参考光和测量光；
S2.参考光和测量光被分解为四路后分别同步进行移相并发生干涉；
S3.采集移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样；
S4.对采集的同步相移干涉图样进行参数标定，具体为：
将采集同步相移干涉图样的光强表示为
式中，Io1和Ir1分别代表第一通道的测量光光强和参考光光强，代表测量相位，ko1、ko2、ko3分别代表第二、三、四通道采集到的测量光强相对于第一通道采集到的测量光强的比值，kr1、kr2、kr3分别代表第二、三、四通道采集到的参考光强相对于第一通道采集到的参考光强的比值，Δγ21、Δγ31、Δγ41分别代表第二、三、四通道引入的相移量与第1通道引入的相移量之差；
标定的参数值分别为：ko1、ko2、ko3、kr1、kr2、kr3、Δγ21、Δγ31及Δγ41；
S5.利用步骤S1～S3采集分光移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样，并进行分析处理以得到被测样件的测量相位，从而得到被测样件的表面瞬时结构。
作为本发明的进一步改进，步骤S2利用分光相移模块对参考光和测量光进行分光、移相和干涉，其中，分光相移模块包括一片消色差1/4波片、三个一分二分光模块和四块检偏器，其中四块检偏器的通光方向分别设置为0、π/4、π/2、3π/4，参考光和测量光依次经过消色差1/4波片、一个一分二分光模块、依次放置在同一平面的两个一分二分光模块和依次放置在同一平面的四块检偏器，以实现将所述参考光和测量光变成旋转方向相反的圆偏振光并平行分成对称的四路光信号，且使得对四路光信号产生的相移分别为0、π/2、π、3π/2。
作为本发明的进一步改进，测量相位的表达式为：
A＝(kr1ko2-kr2ko1)I1-(ko2-kr2)I2+(ko1-kr1)I3
B＝(kr1ko3-kr3ko1)I1-(ko3-kr3)I2+(ko1-kr1)I4
其中，A、B、a、b、c和d为系数。
作为本发明的进一步改进，测量相位代表实际相位与第一通道引入的相移量Δγ1之和，Δγ1的值超过预设的误差范围，样件表面高度信息为
作为本发明的进一步改进，利用多波长的光源实现测点高度测量量程扩展，具体为：
采用彩色LED为光源得到红、绿和蓝三色的干涉相位φR，φG，φB，计算红绿光等效波长λRG和绿蓝光等效波长λGB对应的等效相位φRG＝φR-φG和φGB＝φG-φB；
mRG、mGB分别为两个等效波长相位的整数周期级数，满足mRG≥mGB≥0的条件下利用有限元法求得等式(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π＝(λGB/2)*mGB+φGBλGB/4π中mRG和mGB的最小解，将最小解的mRG代入L＝(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π到L值；
将L代入等式L＝(λR/2)*mR+φ'RλR/4π、L＝(λG/2)*mG+φG'λG/4π和L＝(λB/2)*mB+φB'λB/4π，这里的φR'、φG'和φB'分别为红、绿和蓝三色的修正的干涉相位，限定φR'∈(-π,π)、φG'∈(-π,π)、φB'∈(-π,π)且mR、mG和mB为整数，求得整数的mR、mG、mB；
将mR、mG、mB代入LR＝(λR/2)*mR+φRλR/4π、LG＝(λG/2)*mG+φGλG/4π、LB＝(λB/2)*mB+φBλB/4π，得到的LR、LG和LB值取平均，所得的平均值即为得到测点高度。
为实现上述目的，按照本发明的另一个方面，提供了一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，该***包括光源、干涉模块、分光相移模块及CCD成像模块，其中，干涉模块用于将光源提供的入射光分解为相互正交的参考光和测量光，分光相移模块用于将参考光和测量光被分解为四路后分别同步进行移相并发生干涉，CCD成像模块用于采集移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样，并进行分析处理以得到被测样件的测量相位，从而得到被测样件的表面瞬时结构，
CCD成像模块采集的同步相移干涉图样在测量前进行参数标定，具体为：
将同步相移干涉图样的光强表示为
式中，Io1和Ir1分别代表CCD成像模块第一通道的测量光光强和参考光光强，代表测量相位，ko1、ko2、ko3分别代表CCD成像模块第二、三、四通道采集到的测量光强相对于CCD成像模块第一通道采集到的测量光强的比值，kr1、kr2、kr3分别代表CCD成像模块第二、三、四通道采集到的参考光强相对于CCD成像模块第一通道采集到的参考光强的比值，Δγ21、Δγ31、Δγ41分别代表CCD成像模块第二、三、四通道引入的相移量与CCD成像模块第一通道引入的相移量之差；
标定的参数值分别为：ko1、ko2、ko3、kr1、kr2、kr3、Δγ21、Δγ31及Δγ41。
作为本发明的进一步改进，步骤S2利用分光相移模块对参考光和测量光进行分光、移相和干涉，其中，分光相移模块包括一片消色差1/4波片、三个一分二分光模块和四块检偏器，四块检偏器的通光方向分别设置为0、π/4、π/2、3π/4，参考光和测量光依次经过消色差1/4波片、一个一分二分光模块、依次放置在同一平面的两个一分二分光模块和依次放置在同一平面的四块检偏器，以将参考光和测量光变成旋转方向相反的圆偏振光并平行分成对称的四路光信号，且对四路光信号产生的相移分别为0、π/2、π、3π/2。
作为本发明的进一步改进，测量相位的表达式为：
A＝(kr1ko2-kr2ko1)I1-(ko2-kr2)I2+(ko1-kr1)I3
B＝(kr1ko3-kr3ko1)I1-(ko3-kr3)I2+(ko1-kr1)I4
其中，A、B、a、b、c和d为系数。
作为本发明的进一步改进，测量相位代表实际相位与第一通道引入的相移量Δγ1之和，Δγ1的值超过预设的误差范围，样件表面高度信息为
作为本发明的进一步改进，利用多波长的光源实现测点高度测量量程扩展，具体为：
采用彩色LED为光源得到红、绿和蓝三色的干涉相位φR，φG，φB，计算红绿光等效波长λRG和绿蓝光等效波长λGB对应的等效相位φRG＝φR-φG和φGB＝φG-φB；
mRG、mGB分别为两个等效波长相位的整数周期级数，满足mRG≥mGB≥0的条件下利用有限元法求得等式(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π＝(λGB/2)*mGB+φGBλGB/4π中mRG和mGB的最小解，将最小解的mRG代入L＝(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π到L值；
将L代入等式L＝(λR/2)*mR+φ'RλR/4π、L＝(λG/2)*mG+φG'λG/4π和L＝(λB/2)*mB+φB'λB/4π，这里的φR'、φG'和φB'分别为红、绿和蓝三色的修正的干涉相位，限定φR'∈(-π,π)、φG'∈(-π,π)、φB'∈(-π,π)且mR、mG和mB为整数，求得整数的mR、mG、mB；
将mR、mG、mB代入LR＝(λR/2)*mR+φRλR/4π、LG＝(λG/2)*mG+φGλG/4π、LB＝(λB/2)*mB+φBλB/4π，得到的LR、LG和LB值取平均，所得的平均值即为得到测点高度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
1.本发明的多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***，其采用干涉模块、分光相移模块及CCD成像模块，得到四通道的同步相移干涉图样，测量前对CCD成像模块采集的同步相移干涉图样进行参数标定，提高了被测样件的测量相位的精度，从而得到被测样件的表面瞬时结构并提高了测量结果的准确性。
2.本发明的多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***，其通过对第1通道引入的相移量Δγ1预设PV值误差范围，超过预设误差时将Δγ1从测得的相位值中去除，从而进一步减少了测量相位的误差。
3.本发明的多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法及***，其通过引入多波长光源进行测量并引入等效波长，利用有限元计算进一步求得等效波长的整数周期级数，从而反推得到多波长的整数周期级数，利用多波长的整数周期级数被测样件的高度信息，有效扩展测量范围到整数个等效波长半波长长度，并且保留了单波长的测量分辨率和精度。
附图说明
图1为本发明实施例的多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***的结构示意图；
在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-光源、2-准直透镜组、3-集光透镜、4-小孔、5-准直透镜、6-起偏器、7-消偏振分光棱镜、8-迈克尔逊干涉模块、9-物镜、10-偏振分光棱镜、11-参考平面镜、12-待测样件、13-分光相移模块、14-消色差1/4波片、15-直角棱镜、16-检偏器阵列、17-消色差透镜和18-彩色CCD成像模块。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。
图1为本发明实施例的多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***的结构示意图。如图1所述，多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***包含光源1、准直透镜组2(聚光透镜3、小孔4、准直透镜5)、起偏器6、消偏振分光棱镜7、迈克尔逊干涉模块8(物镜9、偏振分光棱镜10、参考平面镜11、待测样件12)、分光相移模块13(消色差1/4波片14、消偏振分光棱镜7、直角棱镜15、检偏器阵列16)、消色差透镜17及彩色CCD成像模块18，本实施例中光源为彩色光源，从光源1产生的光被聚光透镜3收集，穿过小孔4及准直透镜5得到准直光进入起偏器6，经过起偏器6成为准直的线偏振光，在经过消偏振分光棱镜7反射进入迈克尔逊干涉模块8，其中，迈克尔逊干涉模块8包括物镜9、偏振分光棱镜10、参考平面镜11和待测样件12，经过物镜9的偏振光由偏振分光棱镜10分成两部分；其中反射的s分量经参考平面镜11反射成为参考光；透射的p分量由待测样件12的表面反射获取其测表面形貌和结构信息，成为测量光。两路反射光汇合于偏振分光棱镜10的分光平面，回穿过物镜9、消偏振分光棱镜7，进入分光相移模块13，发生同步相移干涉。当采用多色光源(比如RGB组合光源或白光光源)照明，并使用彩色相机进行干涉图样采集时，通过彩色相机的通道分解，可以同时得到R、G、B三个波段的同步干涉图样，实现多波长与相移干涉的双同步。由于多波长干涉技术可以有效扩展单波长相移干涉的测量量程，而四通道同步相移干涉技术可以实现实时测量，二者同步实现便形成了大范围实时干涉***。
分光相移模块13由一片消色差1/4波片14、3个宽带消偏振分光棱镜7、3片直角棱镜15以及一个检偏器阵列16组成。其中一个宽带消偏振分光棱镜和一个直角棱镜组合，形成一个一分二分光模块。参考光和测量光首先经过消色差1/4波片14，形成旋向相反的圆偏振光。随后，依次经过、1个一分二分光模块、2个一分二分光模块变成平行且对称的四路光。这四路光随后再通过偏振方向分别为0、π/4、π/2、3π/4的检偏器阵列，以实现对四路光信号产生的相移分别为0、π/2、π、3π/2，最终形成四幅具有不同相移量的干涉图样。干涉图样再经过消色差透镜17成像到CCD成像模块18的成像靶面上，由计算机获取同步相移干涉图样，经过计算机分析处理和相位重建，得到表面瞬时的形貌和结构。
多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，其测量的原理如下：
根据偏振光相移干涉的原理，入射到测量***的测量光和参考光分别为和其中，Ao(x,y)代表测量光振幅，Ar(x,y)代表参考光振幅，为测量光的相位，为参考光的相位，它们的偏振方向垂直。
设1/4波片的快轴与x光轴夹角为π/4；透过检偏器的光的偏振方向与x轴夹角为β，则干涉光强的分布为：
I(x,y)代表相机最终采集到的干涉图，为待求相位。
可知，其中检偏器起到相位调制作用，当β发生变化时，可在测量光和参考光之间引入固定相移2β。根据相移单元的设计，β依次为0、π/4、π/2、3π/4，则得到四路干涉相移分别为0、π/2、π、3π/2。设：Io(x,y)和Ir(x,y)分别代表测量光光强和参考光光强，则四路干涉信号的表达式为(为表述方便，省略掉公式中的坐标(x,y),下同。)：
根据四步相移法求得待测相位分布为：
相位的分布反映了被测样件的瞬时表面形貌和结构，若获得干涉相位范围在半个波长内，则被测样件的表面高度信息和相位分布之间的关系如下式所示：
其中z(x,y)为被测表面形貌的高度信息，λ为光波波长。当相位包裹范围超出半个波长时，需要对相位进行解包裹，获得的解包裹相位φ(x,y)，式(4)中的由φ(x,y)代替，此方法所求得的高度值的量程范围为(-λ/4,λ/4)。
然而，上述计算方式只是针对一个理想***来说的，即正交的测量光和参考光被均匀的分配到四个通道中，并且四个通道引入的相移量准确地依次相差π/2，但实际情况下，测量光以及参考光在四通道的分配并不是均匀的，四个通道引入的相移量也不是准确地相隔π/2，因此，将实际干涉光强表示为：
式中，Ioi和Iri(i＝1～4)分别代表四通道各自的测量光光强和参考光光强，Δγ1～Δγ4分别代表四通道实际引入的相移量。
上述干涉光强公式中，只有I1～I4为已知量，Ioi、Iri、Δγi(i＝1～4)以及都是未知量。如果未知量之间均是独立不相关的，那显然是不可能求出得待测相位的。然而对于实际的***，当结构与器件均已确定之后，其对于测量光Ioi(i＝1～4)和参考光Iri(i＝1～4)的分配应该固定的，也就是说测量光Ioi(i＝1～4)以及参考光Iri(i＝1～4)之间存在固定的比例关系。这一具体的比值可通过分别测量参考光强和测量光强计算得到，计算出的比例系数可以作为***的固有参数被存储，以后每次测量，只需直接调用即可。令
Ir4:Ir3:Ir2:Ir1＝kr3:kr2:kr1:1
Io4:Io3:Io2:Io1＝ko3:ko2:ko1:1
kr1,kr2,kr3分别代表CCD成像模块第二、三、四通道采集到的参考光强相对于CCD成像模块第一通道采集到的参考光强的比值，ko1,ko2,ko3分别代表CCD成像模块第二、三、四通道采集到的测量光强相对于CCD成像模块第一通道采集到的测量光强的比值。
再令Δγ21＝Δγ2-Δγ1,Δγ31＝Δγ3-Δγ1,Δγ41＝Δγ4-Δγ1，代表待测相位与第一通道引入的相移量之和，Δγ21～Δγ41分别代表第二、三、四通道引入的相移量与第一通道引入的相移量之差，可称之为相对相移量，则对应的实际干涉光强方程组变为，
在固定的***中Δγ21～Δγ41也是定值，也可以事先求解并作为***的固有参数存储。具体方式如下：
对于任意一个通道的的相移干涉信号：
通过压电陶瓷驱动参考镜或被测件以恒定的歩距(比如Δh＝10nm)进行移动，并同步采集一系列干涉光强图，可以得到视场中每一像素点(x,y)位置等相移间隔干涉光强变化数据，即
In(x,y)代表某像素点在压电陶瓷驱动参考镜或被测样件行进第n步时探测到的干涉光强。
假设λ＝620nm，压电陶瓷每移动一步所引入的相移间隔为大概移动31步之后，该像素点的干涉光强变化一个周期，利用matlab对该像素点的这31个光强数据点做傅立叶拟合，可以求得拟合曲线的初始相位，即为初始高度信息对应的相位差和光路结构引起的相位差Δγi(x,y)之和；
令代表拟合得到的第i路光路的初始相位分布，则
其中， Δγ21(x,y)～Δγ41(x,y)分别代表第2、3、4通道引入的相移量与第一通道引入的相移量之差。
对每个通道的整个视场中的整个面上的所有像素点进行计算，得到真实的相位差值分布值。因此，将实际干涉方程组进一步表示为：
进而得到：
其中，
A＝(kr1ko2-kr2ko1)I1-(ko2-kr2)I2+(ko1-kr1)I3
B＝(kr1ko3-kr3ko1)I1-(ko3-kr3)I2+(ko1-kr1)I4
注意，这里求得的是也就是说，最终得到的是待求相位和第一通道引入的相移量之和(事实上，从公式的推导可看出，这里的第一通道其实可以是4个通道中的任意一个)。如果Δγ1的值在测量视场内是均匀的，一般情况下Δγ1(甚至Δγ2～4)的值在整个干涉图视场内是均匀的，该均匀程度可以使用PV值来评判。可以设定一个阈值δ(＞0)，如果则可以直接把作为样件表面的相位分布，通过求得样件表面的高度信息；反之，则还需要从中将其减去，以得到真实地表面相位分布，此时样件表面相对高度信息为
作为本发明的一个优选的实施例，为扩大基于上述多波长和相移干涉双同步的大范围高精度表面实时测量***的量程，具体为：
对于由彩色光源照明以及彩色CCD采集得到的彩色干涉图，由于可以颜色通道分解得到R、G、B三个分量的干涉图，则可以基于上述相位计算过程(上述标定过程要执行三次，分别对应彩色干涉图分解得到的R、G、B三个分量)得到红、绿和蓝三色的干涉相位φR，φG，φB，计算红绿光等效波长λRG和绿蓝光等效波长λGB对应的等效相位φRG＝φR-φG和φGB＝φG-φB；
mRG、mGB分别为两个等效波长相位的整数周期级数，满足mRG≥mGB≥0的条件下利用有限元法求得等式(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π＝(λGB/2)*mGB+φGBλGB/4π中mRG和mGB的最小解，将最小解的mRG代入L＝(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π到L值；
将L代入等式L＝(λR/2)*mR+φ'RλR/4π、L＝(λG/2)*mG+φG'λG/4π和L＝(λB/2)*mB+φB'λB/4π，这里的φR'、φG'和φB'分别为红、绿和蓝三色的修正的干涉相位，限定φR'∈(-π,π)、φG'∈(-π,π)、φB'∈(-π,π)且mR、mG和mB为整数，求得整数的mR、mG、mB；
将mR、mG、mB代入LR＝(λR/2)*mR+φRλR/4π、LG＝(λG/2)*mG+φGλG/4π、LB＝(λB/2)*mB+φBλB/4π，得到的LR、LG和LB值取平均，所得的平均值即为得到测点高度。
通过上述三波长干涉相位分析，有效扩展测量范围到整数个等效波长半波长长度，并且保留了单波长的测量分辨率和精度。使用上述方法求最优整数周期解的时候，可以避免相移误差带来的计算不准确，同时判定是否是最优解的阈值可以为微米级，因此对干涉等级求解是科学的且有高的置信度，同时计算速度快。
作为本发明一个优选的实施例，一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法具体为：
S1.将光源提供的入射光分解为相互正交的参考光和测量光；
S2.参考光和测量光被分解为四路后分别同步进行移相(0、π/2、π、3π/2)并发生干涉；
具体为：利用分光相移模块对参考光和测量光进行分光、移相和干涉，所述分光相移模块包括一片消色差1/4波片、三个一分二分光模块和四块检偏器，所述四块检偏器的通光方向分别设置为0、π/4、π/2、3π/4，参考光和测量光依次经过消色差1/4波片、一个一分二分光模块、依次放置在同一平面的两个一分二分光模块和依次放置在同一平面的四块检偏器，分光相移模块用于将参考光和测量光变成旋转方向相反的圆偏振光后平行分成对称的四路光信号且对四路光信号产生的相移分别为0、π/2、π、3π/2。
S3.采集移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样；
S4.对采集的同步相移干涉图样进行参数标定，具体为：
将采集同步相移干涉图样的光强表示为
式中，Io1和Ir1分别代表第一通道的测量光光强和参考光光强，代表测量相位，ko1、ko2、ko3分别代表第二、三、四通道采集到的测量光强相对于第一通道采集到的测量光强的比值，kr1、kr2、kr3分别代表第二、三、四通道采集到的参考光强相对于第一通道采集到的参考光强的比值，Δγ21、Δγ31、Δγ41分别代表第二、三、四通道引入的相移量与第1通道引入的相移量之差；
标定的参数值分别为：ko1、ko2、ko3、kr1、kr2、kr3、Δγ21、Δγ31及Δγ41；
具体为：
对于任意一个通道的的相移干涉信号：
通过压电陶瓷驱动参考镜或被测件以恒定的歩距(比如Δh＝10nm)进行移动，并同步采集一系列干涉光强图，可以得到视场中每一像素点(x,y)位置等相移间隔干涉光强变化数据，即
In(x,y)代表某像素点在压电陶瓷驱动参考镜或被测样件行进第n步时探测到的干涉光强。
假设λ＝620nm，压电陶瓷每移动一步所引入的相移间隔为大概移动31步之后，该像素点的干涉光强变化一个周期，利用matlab对该像素点的这31个光强数据点做傅立叶拟合，可以求得拟合曲线的初始相位，即为初始高度信息对应的相位差和光路结构引起的相位差Δγi(x,y)之和；
令代表拟合得到的第i路光路的初始相位分布，则
其中， Δγ21(x,y)～Δγ41(x,y)分别代表第2、3、4通道引入的相移量与第一通道引入的相移量之差。
S5.利用步骤S1～S3采集被测样件的同步相移干涉图样，利用标定的参数值对被测样件的同步相移干涉图样进行分析处理得到被测样件的测量相位，从而得到被测样件的表面瞬时结构。
具体为：测量相位的表达式为：
A＝(kr1ko2-kr2ko1)I1-(ko2-kr2)I2+(ko1-kr1)I3
B＝(kr1ko3-kr3ko1)I1-(ko3-kr3)I2+(ko1-kr1)I4
其中，A、B、a、b、c和d为系数；
所得样件表面高度信息为
测量相位代表实际相位与第一通道引入的相移量Δγ1之和，如果Δγ1的值在测量视场内是均匀的，一般情况下Δγ1(甚至Δγ2～4)的值在整个干涉图视场内是均匀的，该均匀程度可以使用PV值来评判。可以设定一个阈值δ(＞0)，如果则可以直接把作为样件表面的相位分布，通过求得样件表面的高度信息；反之，则还需要从中将其减去，以得到真实地表面相位分布，此时样件表面相对高度信息为
采用彩色LED为光源得到红、绿和蓝三色的干涉相位φR，φG，φB(上述标定过程要执行三次，分别对应彩色干涉图分解得到的R、G、B三个分量。)，计算红绿光等效波长λRG和绿蓝光等效波长λGB对应的等效相位φRG＝φR-φG和φGB＝φG-φB；
mRG、mGB分别为两个等效波长相位的整数周期级数，满足mRG≥mGB≥0的条件下利用有限元法求得等式(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π＝(λGB/2)*mGB+φGBλGB/4π中mRG和mGB的最小解，将最小解的mRG代入L＝(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π到L值；
将L代入等式L＝(λR/2)*mR+φ'RλR/4π、L＝(λG/2)*mG+φG'λG/4π和L＝(λB/2)*mB+φB'λB/4π，这里的φR'、φG'和φB'分别为红、绿和蓝三色的修正的干涉相位，限定φR'∈(-π,π)、φG'∈(-π,π)、φB'∈(-π,π)且mR、mG和mB为整数，求得整数的mR、mG、mB；
将mR、mG、mB代入LR＝(λR/2)*mR+φRλR/4π、LG＝(λG/2)*mG+φGλG/4π、LB＝(λB/2)*mB+φBλB/4π，得到的LR、LG和LB值取平均，所得的平均值即为得到测点高度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法，其特征在于，具体为：
S1.将光源提供的入射光分解为相互正交的参考光和测量光；
S2.参考光和测量光被分解为四路后分别同步进行移相并发生干涉；
S3.采集移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样；
S4.对采集的同步相移干涉图样进行参数标定，具体为：
将采集同步相移干涉图样的光强表示为
式中，Io1和Ir1分别代表第一通道的测量光光强和参考光光强，代表测量相位，ko1、ko2、ko3分别代表第二、三、四通道采集到的测量光强相对于第一通道采集到的测量光强的比值，kr1、kr2、kr3分别代表第二、三、四通道采集到的参考光强相对于第一通道采集到的参考光强的比值，Δγ21、Δγ31、Δγ41分别代表第二、三、四通道引入的相移量与第1通道引入的相移量之差；
标定的参数值分别为：ko1、ko2、ko3、kr1、kr2、kr3、Δγ21、Δγ31及Δγ41；
S5.利用步骤S1～S3采集分光移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样，并进行分析处理以得到被测样件的测量相位，从而得到被测样件的表面瞬时结构。
2.根据权利要求1所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法，其特征在于，步骤S2利用分光相移模块对参考光和测量光进行分光、移相和干涉，其中，所述分光相移模块包括一片消色差1/4波片、三个一分二分光模块和四块检偏器，其中所述四块检偏器的通光方向分别设置为0、π/4、π/2、3π/4，参考光和测量光依次经过消色差1/4波片、一个一分二分光模块、依次放置在同一平面的两个一分二分光模块和依次放置在同一平面的四块检偏器，以实现将所述参考光和测量光变成旋转方向相反的圆偏振光并平行分成对称的四路光信号，且使得对四路光信号产生的相移分别为0、π/2、π、3π/2。
3.根据权利要求1所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法，其特征在于，所述测量相位的表达式为：
其中，A、B、a、b、c和d为系数。
4.根据权利要求3所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法，其特征在于，所述测量相位代表实际相位与第一通道引入的相移量Δγ1之和，Δγ1的值超过预设的误差范围，样件表面高度信息为
5.根据权利要求3或4所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量方法，其特征在于，利用多波长的光源实现测点高度测量量程扩展，具体为：
采用彩色LED为光源得到红、绿和蓝三色的干涉相位φR，φG，φB，计算红绿光等效波长λRG和绿蓝光等效波长λGB对应的等效相位φRG＝φR-φG和φGB＝φG-φB；
λR、λG和λB分别为红、绿和蓝光波长；mR、mG和mB分别为红、绿和蓝光波长相位的整数周期级数；mRG、mGB分别为两个等效波长相位的整数周期级数，满足mRG≥mGB≥0的条件下利用有限元法求得等式(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π＝(λGB/2)*mGB+φGBλGB/4π中mRG和mGB的最小解，将最小解的mRG代入L＝(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π得到L值；
将L代入等式L＝(λR/2)*mR+φ'RλR/4π、L＝(λG/2)*mG+φG'λG/4π和L＝(λB/2)*mB+φB'λB/4π，这里的φR'、φG'和φB'分别为红、绿和蓝三色的修正的干涉相位，限定φR'∈(-π,π)、φG'∈(-π,π)、φB'∈(-π,π)且mR、mG和mB为整数，求得整数的mR、mG、mB；
将mR、mG、mB代入LR＝(λR/2)*mR+φRλR/4π、LG＝(λG/2)*mG+φGλG/4π、LB＝(λB/2)*mB+φBλB/4π，得到的LR、LG和LB值取平均，所得的平均值即为得到测点高度。
6.一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，该***包括光源、干涉模块、分光相移模块及CCD成像模块，其中，所述干涉模块用于将光源提供的入射光分解为相互正交的参考光和测量光，所述分光相移模块用于将参考光和测量光被分解为四路后分别同步进行移相并发生干涉，所述CCD成像模块用于采集移相干涉后的四路光信号以得到同步相移干涉图样，并进行分析处理以得到被测样件的测量相位，从而得到被测样件的表面瞬时结构，其特征在于，
所述CCD成像模块采集的同步相移干涉图样在测量前进行参数标定，具体为：
将同步相移干涉图样的光强表示为
式中，Io1和Ir1分别代表CCD成像模块第一通道的测量光光强和参考光光强，代表测量相位，ko1、ko2、ko3分别代表CCD成像模块第二、三、四通道采集到的测量光强相对于CCD成像模块第一通道采集到的测量光强的比值，kr1、kr2、kr3分别代表CCD成像模块第二、三、四通道采集到的参考光强相对于CCD成像模块第一通道采集到的参考光强的比值，Δγ21、Δγ31、Δγ41分别代表CCD成像模块第二、三、四通道引入的相移量与CCD成像模块第一通道引入的相移量之差；
标定的参数值分别为：ko1、ko2、ko3、kr1、kr2、kr3、Δγ21、Δγ31及Δγ41。
7.根据权利要求6所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，其特征在于，步骤S2利用分光相移模块对参考光和测量光进行分光、移相和干涉，其中，所述分光相移模块包括一片消色差1/4波片、三个一分二分光模块和四块检偏器，所述四块检偏器的通光方向分别设置为0、π/4、π/2、3π/4，参考光和测量光依次经过消色差1/4波片、一个一分二分光模块、依次放置在同一平面的两个一分二分光模块和依次放置在同一平面的四块检偏器，以将所述参考光和测量光变成旋转方向相反的圆偏振光并平行分成对称的四路光信号，且对四路光信号产生的相移分别为0、π/2、π、3π/2。
8.根据权利要求6所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，其特征在于，所述测量相位的表达式为：
其中，A、B、a、b、c和d为系数。
9.根据权利要求8所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，其特征在于，所述测量相位代表实际相位与第一通道引入的相移量Δγ1之和，Δγ1的值超过预设的误差范围，样件表面高度信息为
10.根据权利要求8或9所述的一种多波长和相移干涉双同步的表面实时测量***，其特征在于，利用多波长的光源实现测点高度测量量程扩展，具体为：
采用彩色LED为光源得到红、绿和蓝三色的干涉相位φR，φG，φB，计算红绿光等效波长λRG和绿蓝光等效波长λGB对应的等效相位φRG＝φR-φG和φGB＝φG-φB；
λR、λG和λB分别为红、绿和蓝光波长；mR、mG和mB分别为红、绿和蓝光波长相位的整数周期级数；mRG、mGB分别为两个等效波长相位的整数周期级数，满足mRG≥mGB≥0的条件下利用有限元法求得等式(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π＝(λGB/2)*mGB+φGBλGB/4π中mRG和mGB的最小解，将最小解的mRG代入L＝(λRG/2)*mRG+φRGλRG/4π得到L值；
将L代入等式L＝(λR/2)*mR+φ'RλR/4π、L＝(λG/2)*mG+φG'λG/4π和L＝(λB/2)*mB+φB'λB/4π，这里的φR'、φG'和φB'分别为红、绿和蓝三色的修正的干涉相位，限定φR'∈(-π,π)、φG'∈(-π,π)、φB'∈(-π,π)且mR、mG和mB为整数，求得整数的mR、mG、mB；
将mR、mG、mB代入LR＝(λR/2)*mR+φRλR/4π、LG＝(λG/2)*mG+φGλG/4π、LB＝(λB/2)*mB+φBλB/4π，得到的LR、LG和LB值取平均，所得的平均值即为得到测点高度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN110186388B (zh) * 2019-05-13 2021-04-06 天津大学 基于白光干涉光谱的同步相移测量***与方法
CN110186390B (zh) * 2019-05-21 2020-10-30 中国计量大学 紧凑型瞬态多波长移相干涉装置及其测量方法
CN112577433B (zh) * 2020-11-04 2021-09-28 浙江大学 一种氢同位素结晶生长高度实时测量装置及方法
JP2024509390A (ja) * 2021-02-23 2024-03-01 ホアウェイ・テクノロジーズ・カンパニー・リミテッド 光学システム、装置、及び端末
CN114397092B (zh) * 2022-01-14 2024-01-30 深圳迈塔兰斯科技有限公司 一种测量超表面相位的方法及***
CN116147526A (zh) * 2023-04-20 2023-05-23 华中科技大学 一种线光谱共焦轮廓测量传感器及方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7405830B2 (en) * 2004-08-20 2008-07-29 Korea Advanced Institute Of Science And Technology (Kaist) Vibration-insensitive interferometer
DE102006021557B3 (de) * 2006-05-08 2007-07-12 Carl Mahr Holding Gmbh Vorrichtung und Verfahren zur kombinierten interferometrischen und abbildungsbasierten Geometrieerfassung, insbesondere in der Mikrosystemtechnik
CN101881603A (zh) * 2009-05-08 2010-11-10 陈亮嘉 横向扫描干涉量测方法与***
CN101893429B (zh) * 2010-07-16 2011-11-30 华中科技大学 一种基于偏振相移显微干涉术的超精表面测量***
CN102519358B (zh) * 2011-12-26 2013-12-25 哈尔滨工业大学 用于检测微小球面三维形貌的相移式衍射干涉测量仪及测量方法
CN103115582B (zh) * 2013-01-29 2015-07-29 哈尔滨工业大学 基于受激辐射的迈克尔逊荧光干涉显微测量装置

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