CN113251943A - 基于光干涉的测量***及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于光干涉的测量***，包括：光源，用于发射光源光；检测平台，所述检测平台的一表面固定设置有相互间隔的待测样品和参考样品，所述检测平台用于对所述待测样品和所述参考样品进行同步位移；光引导元件，设置于所述光源光的发射路径上，用于将所述光源光分解为测量光和参考光，并将所述测量光引导至所述待测样品，将所述参考光引导至所述参考样品，经所述待测样品反射的测量光和经所述参考样品反射的参考光合束作为干涉光；以及检测器，用于接收来自所述光引导元件引导的所述干涉光，并根据所述干涉光获取所述待测样品的光学信息。本发明还提供一种基于光干涉的测量方法。

Description

基于光干涉的测量***及方法
技术领域
本发明涉及光学信息测量技术领域，尤其涉及一种基于光干涉的测量***及应用于该基于光干涉的测量***的基于光干涉的测量方法。
背景技术
干涉仪广泛应用于透镜面型测量、折射率等光学参数测量。传统的干涉仪在测量过程中需要进行位移(例如旋转或平移)以发射检测光至检测样品和待测样品上的特定位置，在此过程中，检测样品也需要配合干涉仪的进行位移。上述作动方式下，干涉仪的位移与检测样品的位移之间的配合精度较低，使得干涉仪和检测样品发生位移后，检测光对待测样品上特定位置对位失准，造成对检测样品光学参数的测量精度下降。
发明内容
本发明一方面提供一种基于光干涉的测量***，包括：
光源，用于发射光源光；
检测平台，所述检测平台的一表面固定设置有相互间隔的待测样品和参考样品，所述检测平台用于对所述待测样品和所述参考样品进行同步位移；
光引导元件，设置于所述光源光的发射路径上，用于将所述光源光分解为测量光和参考光，并将所述测量光引导至所述待测样品，将所述参考光引导至所述参考样品，经所述待测样品反射的测量光和经所述参考样品反射的参考光合束作为干涉光；以及
检测器，用于接收来自所述光引导元件引导的所述干涉光，并根据所述干涉光获取所述待测样品的光学信息。
本发明一方面提供一种基于光干涉的测量方法，应用于上述的基于光干涉的测量***；所述方法包括：
发射光源光；
将所述光源光分解为测量光和参考光，引导所述测量光至所述待测样品并引导所述参考光至参考样品；
控制检测平台位移以同步位移所述待测样品和所述参考样品，以使得不同时刻所述参考光入射至所述参考样品上的不同位置，并使得不同时刻所述测量光入射至所述待测样品上的不同位置；
控制检测平台位移以同步位移所述待测样品和所述参考样品，并控制所述光源、所述光引导元件及所述检测器同步旋转，以使得不同时刻所述参考光入射至所述参考样品上的不同位置，并使得不同时刻所述测量光入射至所述待测样品上的不同位置，所述待测样品反射的测量光和经所述参考样品反射的参考光合束作为干涉光；
接收所述干涉光并根据所述干涉光获取所述待测样品的光学信息。
上述测量***，通过设置参考样品及待测样品同步位移，使得测量***工作过程中，参考样品与待测样品之间的相对位置关系始终保持不变，不会对测得的待测样品和参考样品之间的光学特性差异造成影响，有利于提高测量精度。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的测量***的结构示意图。
图2为如图1所示的测量***中干涉光形成的干涉图像的平面结构示意图。
图3为如图1所示的测量***的工作状态示意图。
主要元件符号说明
测量*** 10
光源 11
光引导元件 12
分光镜 121
入光面 1211、1221
反射镜 122
检测器 13
检测镜头 131
处理器 132
检测平台 14
表面 141
光源光 L1
测量光 L2
参考光 L3
干涉光 L4
目标轴 O
待测样品 20
参考样品 30
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
实施例一
请参阅图1，测量***10用于测量待测样品20的光学信息。本实施例中，待测样品20为应用于电子设备相机镜头的光学透镜，所述光学信息为所述待测样品20的面型(也即所述待测样品20的表面形貌)。于其他实施例中，待测样品20可以为例如抛光硅片、晶圆、手机金属壳、发动机叶片等，所述光学信息包括但不限于待测样品20的折射率、厚度等。测量***10工作时，需要通过设置参考样品30以获取待测样品20的光学信息。
请继续参阅图1，测量***10包括光源11、光引导元件12、检测器13及检测平台14。
光源11用于发射光源光L1。本实施例中光源11为激光器，用于发射激光，也即，所述光源光L1为激光。于其他实施例中，光源11不为激光器，发射白光。相较于使用白光光源，激光光源的单色性更高，其具有较快的测量速度，有利于节省测量时间，且使用激光光源可有效降低后续检测器13的数据处理复杂度。
光引导元件12设置于所述光源光L1的发射路径上。光引导元件12用于将光源光L1分解为测量光L2和参考光L3，并将测量光L2引导至待测样品20，将参考光L3引导至参考样品30。
请继续参阅图1，光引导元件12包括分光镜121和反射镜122。分光镜121与反射镜122均为平面镜，二者相互间隔且相互平行设置。分光镜121设置于光源光L1的出射路径上，用于接收光源光L1，并将光源光L1分解为测量光L2和参考光L3。本实施例中，分光镜121具有第一入光面1211，光源光L1入射至第一入光面1211时，部分被第一入光面1211反射，作为参考光L3被引导至参考样品30；另一部分光源光L1被入光面1211透射，作为测量光L2被引导至反射镜122。反射镜122设置于测量光L2的出射路径上，用于将测量光L2引导至待测样品20。本实施例中，反射镜122具有一入光面1221，测量光L2经分光镜121引导至入光面1221时，入光面1221用于将测量光L2反射至待测样品20。
请继续参阅图1，入射至待测样品20的测量光L2会被待测样品20反射回反射镜122，反射镜122用于将经待测样品20反射回的测量光L2反射至分光镜121。入射至参考样品30的参考光L3会被参考样品30反射回分光镜121。分光镜121还用于将经参考样品30反射的参考光L3和将反射镜122反射回的测量光L2进行合束作为干涉光L4引导至检测器13。
请继续参阅图1，测量***10还包括聚焦透镜15。聚焦透镜15设置于光引导元件12与检测器13之间，具体的，聚焦透镜15设置于分光镜121与光源11之间。聚焦透镜15用于将干涉光L4准确聚焦至检测器13。
请继续参阅图1，检测器13包括检测镜头131及与检测镜头电连接的处理器132。检测镜头131用于接收干涉光L4，并根据干涉光L4生成干涉图像。处理器132用于根据所述干涉图像的特征以预设计算规则获取对应参考样品30的光学信息。
请继续参阅图1，检测平台14用于承载参考样品30和待测样品20。参考样品30和待测样品20固定设置于检测平台14的同一表面141上，检测平台14的表面141为一平面。参考样品30与待测样品20相互间隔预设距离。检测平台14可在表面141所在的平面内进行位移。检测平台14发生位移时，带动参考样品30和待测样品20同步位移。也即检测平台14位移过程中，参考样品30与待测样品20之间的相对位置不变。本实施例中，检测平台14可根据处理器132的控制进行位移。于其他实施例中，检测平台14可根据外部的马达(图未示)控制位移。
本实施例提供的测量***10，用于检测同型号的多个产品(尤其是同批次生产出来的同型号的多个产品)的生产质量稳定性。也即，测量***10用于检测同型号的多个产品的各类性质之间的差异性，例如面型之间的差异性、折射率之间的差异性等。差异性越大，则表示生产质量稳定性较差，差异性越小，则表示生产质量稳定性较好。
本实施例中，待测样品20与参考样品30为同型号的光学透镜(或同批次生产出来的同型号的光学透镜)。理想状态下，待测样品20与参考样品30之间的各类光学特性(例如面型)应完全相同，但由于生产误差的存在，待测样品20与参考样品30之间的各类光学特性会存在一定差异。在多个同型号的光学透镜中，选定一光学透镜作为该待测样品20，测定该待测样品20的各类光学特性，将其余的多个光学透镜作为参考样品30。固定设置待测样品20于检测平台14的表面141，并依次固定设置其余的多个参考样品30于检测平台14的表面141，以依次测量所述多个参考样品30与待测样品20之间的光学特性(面型)差异。每一参考样品30以同一放置方向依次被固定设置于检测平台14的表面141上相同的位置，以有利于测量的精准度。
以下对本实施例中的测量***10测量其中一个参考样品30时的测量过程进行说明：
本实施例还提供一种基于光干涉的测量方法，应用于如上述的测量***10；所述方法包括如下步骤：
步骤S1，发射光源光；
步骤S2，将所述光源光分解为测量光和参考光，引导所述测量光至所述待测样品并引导所述参考光至参考样品；
步骤S3，控制检测平台位移以同步位移所述待测样品和所述参考样品，并控制所述光源、所述光引导元件及所述检测器同步旋转，以使得不同时刻所述参考光入射至所述参考样品上的不同位置，并使得不同时刻所述测量光入射至所述待测样品上的不同位置，所述待测样品反射的测量光和经所述参考样品反射的参考光合束作为干涉光；
步骤S4，接收所述干涉光并根据所述干涉光获取所述待测样品的光学信息。
步骤S1中，测量***10启动时，启动光源11，光源11发射光源光L1。步骤S2中，光源光L1入射至分光镜121的入光面1211，入光面1211反射部分光源光L1至参考样品30，该部分光为参考光L3，入光面1211透射另一部分光源光L1至待测样品20，该部分光为测量光L2。反射镜122接收测量光L2并将其反射至待测样品20。
测量光L2与参考光L3皆为激光，同一时刻，测量光L2在待测样品20上的光斑位置与参考光L3在参考样品30上的光斑位置相同，以比对待测样品20和参考样品30上相同位置的光学特性。
步骤S3中，请参阅图3，光源11、光引导元件12、检测器13及聚焦透镜15同步位移。定义参考样品30和待测样品20所在平面(也即检测平台14的表面141所在平面)为检测平面。光源11、光引导元件12、检测器13及聚焦透镜15绕目标轴O同步旋转，目标轴O与所述检测平面垂直。并且，检测平台14带动参考样品30和待测样品20在所述检测平面同步位移。通过光源11、光引导元件12、检测器13及聚焦透镜15的同步旋转和参考样品30及待测样品20的同步位移，使得不同时刻时，测量光L2照射待测样品20上不同位置，参考光L3照射参考样品30上不同位置。
测量光L2被待测样品20反射后再被反射镜122反射至分光镜121，参考光L3也被参考样品30反射回分光镜121。被待测样品20反射的测量光L2和被参考样品30发射的参考光L3由相同的光源11发射，因此频率相同、振动方向相同且相位差恒定，即满足干涉条件，在分光镜121处合束时发生干涉，形成干涉光L4。干涉光L4经分光镜121引导至聚焦透镜15，再经聚焦透镜15聚焦至检测镜头131。
步骤S4中，检测镜头131接收干涉光L4，并根据干涉光L4生成干涉图像。所述干涉图像为明暗相间的条纹图像，本实施例中，所述干涉图像如图2所示。处理器132根据该干涉图像中的条纹特征，经过预设计算过程，即可获得参考样品30上被参考光L3的光斑照射的位置的光学信息。
测量***10通过重复上述工作过程，依次完成对多个参考样品30的检测。测量***10工作过程中，由于设备本身的精度问题，检测平台14的位移可能存在位移距离误差，光源11、光引导元件12、检测器13及聚焦透镜15的同步旋转可能存在旋转角度误差，所述位移距离误差和所述旋转角度误差的共同影响，会使得测量光L2在待测样品20上的光斑位置发生偏移，也使得参考光L3在参考样品30上的光斑位置发生偏移。上述光斑位置的偏移会引起检测镜头131生成的干涉图像发生误差。
本实施例提供的测量***10，通过设置参考样品30及待测样品20同步位移，使得测量***10工作过程中，参考样品30与待测样品20之间的相对位置关系始终保持不变，即使所述位移距离误差和所述旋转角度误差使得测量光L2在待测样品20上的光斑位置发生偏移，也使得参考光L3在参考样品30上的光斑位置发生偏移，但由于参考样品30与待测样品20之间的相对位置是不变的，所述位移距离误差和旋转角度误差使得待测样品20上光斑位置的偏移与参考样品30上光斑位置的偏移同步，也即，使得待测样品20上光斑位置的偏移量与参考样品30上光斑位置的偏移量相同、偏移方向相同。由于测量***10本身即用于获取待测样品20和参考样品30之间的光学特性差异，待测样品20上光斑位置的偏移量与参考样品30上光斑位置的偏移量相同、偏移方向相同时，并不会对测得的待测样品20和参考样品30之间的光学特性差异造成影响。因此，本实施例提供的测量***10，有利于提高测量精度。
本技术领域的普通技术人员应当认识到，以上的实施方式仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围之内，对以上实施例所作的适当改变和变化都落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于光干涉的测量***，其特征在于，包括：
光源，用于发射光源光；
检测平台，所述检测平台的一表面固定设置有相互间隔的待测样品和参考样品，所述检测平台用于对所述待测样品和所述参考样品进行同步位移；
光引导元件，设置于所述光源光的发射路径上，用于将所述光源光分解为测量光和参考光，并将所述测量光引导至所述待测样品，将所述参考光引导至所述参考样品，经所述待测样品反射的测量光和经所述参考样品反射的参考光合束作为干涉光；以及
检测器，用于接收来自所述光引导元件引导的所述干涉光，并根据所述干涉光获取所述待测样品的光学信息。
2.如权利要求1所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，所述光源光为激光。
3.如权利要求1所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，所述光引导元件包括相互平行设置的分光镜和反射镜；
所述分光镜用于将所述光源光分解为所述测量光及所述参考光，并将所述测量光引导至所述反射镜，将所述参考光引导至所述参考样品；
所述反射镜用于将所述测量光引导至所述待测样品，并将所述待测样品反射的测量光引导至所述分光镜。
4.如权利要求3所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，所述分光镜用于透射部分所述光源光作为所述测量光，所述分光镜用于反射部分所述光源光作为所述参考光。
5.如权利要求1所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，所述检测器包括：
检测镜头，所述检测镜头用于接收所述干涉光，并根据所述干涉光生成干涉图像；以及
处理器，电连接所述检测镜头，用于根据所述干涉图像获取所述待测样品的光学信息。
6.如权利要求1所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，还包括：
聚焦透镜，设置于所述光引导元件及所述检测器之间，用于将所述干涉光聚焦至所述检测器。
7.如权利要求1所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，所述测量***工作时，所述光源、所述光引导元件及所述检测器同步旋转。
8.如权利要求7所述的基于光干涉的测量***，其特征在于，所述光源、所述光引导元件及所述检测器绕目标轴同步旋转，所述目标轴垂直于所述检测平台上设置有所述待测样品和所述参考样品的表面。
9.一种基于光干涉的测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1～8任一项所述的基于光干涉的测量***；所述方法包括：
发射光源光；
将所述光源光分解为测量光和参考光，引导所述测量光至所述待测样品并引导所述参考光至参考样品；
控制检测平台位移以同步位移所述待测样品和所述参考样品，并控制所述光源、所述光引导元件及所述检测器同步旋转，以使得不同时刻所述参考光入射至所述参考样品上的不同位置，并使得不同时刻所述测量光入射至所述待测样品上的不同位置，所述待测样品反射的测量光和经所述参考样品反射的参考光合束作为干涉光；
接收所述干涉光并根据所述干涉光获取所述待测样品的光学信息。
10.如权利要求9所述的基于光干涉的测量方法，其特征在于，所述控制所述光源、所述光引导元件及所述检测器同步旋转的步骤具体包括：
控制所述光源、所述光引导元件及所述检测器绕目标轴同步旋转；
所述目标轴垂直于所述检测平台上设置有所述待测样品和所述参考样品的表面。
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