CN115164771A - 基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法及装置，属于光学精密检测技术领域。测量装置由可调谐激光器、第一分光装置、反射镜、第一扩束***、第二扩束***、第二分光装置、相机组成；测量方法为使用测量激光照射在被测样品表面形成对应的干涉图，通过光场解算技术解算被测样品表面的相位分布，通过激光调谐技术产生多个测量光束实现量程拓展，最终完成物体表面三维形貌测量。本发明具有对被测表面粗糙度的适应范围宽、量程适配性强、非接触、高精度等特点，能够实现对待测件的无损检测，可广泛应用于半导体、光学、航空航天等高精密检测领域。
Description
技术领域
本发明属于光学精密检测技术领域，具体是一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法及装置。
背景技术
高精度三维形貌测量技术可用于光学、半导体、机密机械领域产品的形貌、形变、微运动量测试，在精密机械、精密仪器制造、精密光学加工与产品检测等领域具有重要作用。随着半导体、芯片等精密制造加工行业的迅速发展，对各类器件表面三维面形貌的高精密的检测需求越来越多，检测精度要求也越来越高，因此很多高精密检测技术应运而生。
现有的测量方法中，主要分为接触式测量方法和非接触式测量方法两大类。传统接触式测量方法以三坐标机为代表，具备微米量级的测量精度。但是当被测物体为弱刚性或是轻软材料时，接触式测量会造成弹性形变，引入测量的误差，不能满足半导体、芯片等高精密检测需求。与此同时接触式测量方法可能会划伤被测物体表面，并存在接触式测量速度较慢，难以实现自动化测量的问题，因此非接触式检测方法受到了更大的关注。
非接触式三维形貌测量方法主要有立体视觉、显微定焦、激光干涉等。立体视觉三维形貌测量技术使用多个成像镜头和相机，通过获得的不同相机拍摄的图像之间的差别，将同一空间物理点在不同图像中的映像点对应起来，建立特征点间的对应关系，从而获得物体表面形貌。该方法具有效率高、精度合适、***结构简单、成本低等优点，但检测精度仅能达到亚毫米量级，无法满足现阶段快速高精度三维检测需求。显微定焦三维形貌测量技术使用共聚焦定焦的方法对被测表面上的各位置点进行精确非接触定位，结合三维扫描的方式实现对被测件三维形貌的高精度测量。但是与三坐标仪一样，显微定焦三维形貌测量技术也存在测量速度慢的问题，无法满足现阶段快速高精度三维检测需求。激光干涉面型检测技术可快速获得被测件表面面型，且测量精度高达纳米量级，但此方法仅适用于镜面等光滑表面，且量程有限，不适合其他器件的表面三维检测。
综上所述，现有的测量方法无法同时满足高精度、快速、大量程的非接触三维形貌测量需求，无法实现不同粗糙度器件表面三维面形貌的高精密的检测需求。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法。该方法可以对物体表面的三维形貌和物体形变进行宽量程、高精度、快速检测，可广泛应用于半导体、光学、航空航天等高精密检测领域。
本发明是通过如下技术方案实现的：
其一，本发明提供了一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法，具体为：
S1：打开可调谐激光器发出激光光束，使激光光束入射到第一分光装置，然后分成两路；其中一路透过第一分光装置，经过反射镜、第一扩束***后形成大口径的测量光束照射在被测样品表面，由被测样品反射形成物光；另一路经过第二扩束***形成参考光束，参考光束和物光由第二分光装置进行合束后干涉，在相机的感光面上形成干涉图，由相机采集干涉图信息；
S2：改变可调谐激光器发出的光束的波长，形成λ 1、λ 2、…、λ N 多个测量光束分别照射在被测样品表面，形成对应的干涉图I 1、I 2、…、I N ，对每一个干涉图进行光场解算，并结合光场衍射计算方法得到被测样品表面的相位分布φ 1、φ 2、…、φ N ；
S3：选择λ 1、λ 2、…、λ N 中的两个波长λ i 和λ j 进行组合，得到组合波长
对应的三维形貌测量结果
，其中φ i 和φ j 为波长λ i 和λ j 的测量光束所测得的相位分布；
S4：合成一系列不同组合波长Λ1、Λ2、…、Λ K 对应的三维形貌测量结果h 1、h 2、…、h K ，得到量程拓展后的被测样品表面5的三维形貌测量结果h S 。
进一步的，上述方法中，调整第二分光装置的倾斜角度，使参考光束与物光形成夹角，进而通过傅里叶变换法从干涉图中提取光场信息。
进一步的，上述方法中，调整第二分光装置的倾斜角度，使参考光束与物光中心光轴一致，在第二扩束***和第二分光装置中加入相移装置，对参考光束进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取光场信息。
其二，本发明提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中的计算机程序被处理器执行时实现上述其一所述方法的步骤。
其三，本发明提供了第一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，包括可调谐激光器、第一分光装置、反射镜、第一扩束***、第二扩束***、第二分光装置、相机；第一分光装置正对可调谐激光器的激光发射口，反射镜位于第一分光装置的透射光路上，第一扩束***位于反射镜的反射光路上，被测样品位于第一扩束***的透射光路上，第二扩束***位于第一分光装置的反射光路上，第二分光装置位于被测样品的反射光路和第二扩束***的透射光路的交叉位置处，相机位于第二分光装置的合束光路上。
进一步的，上述装置中，第一分光装置为一偏振分光装置，由第一半波片、偏振分光棱镜和第二半波片组成，第一半波片正对可调谐激光器的激光发射口，偏振分光棱镜位于第一半波片的透射光路上，第二半波片位于偏振分光棱镜的反射光路上。
进一步的，上述装置中，在第一分光装置和第二扩束***之间设置有相移装置。
其四，本发明提供了第二种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，第二种装置是在第一种装置的基础上采用第三扩束***替换掉第一扩束***和第二扩束***，即第二种装置包括可调谐激光器、第一分光装置、反射镜、第三扩束***、第二分光装置、相机；第三扩束***正对可调谐激光器的激光发射口，第一分光装置位于第三扩束***的透射光路上，反射镜位于第一分光装置的透射光路上，被测样品位于反射镜的反射光路上，第二分光装置位于被测样品的反射光路和第一分光装置的反射光路上的交叉位置处，相机位于第二分光装置的合束光路上；可调谐激光器发出的光束先经过第三扩束***后再由第一分光装置分成两路，透过第一分光装置的光由反射镜反射后照射在被测样品上，由第一分光装置反射的光直接入射到第二分光装置。
其五，本发明提供了第三种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，包括可调谐激光器、第三扩束***、第一分光装置、反射镜、第二分光装置、第三分光装置、相机；第三扩束***和第一分光装置正对可调谐激光器的激光发射口，反射镜位于第一分光装置的反射光路上，第二分光装置位于第一分光装置的透射光路上，被测样品位于第二分光装置的反射光路上，第三分光装置位于被测样品反射光路和反射镜反射光路的交叉位置处，相机位于第三分光装置的合束光路上。
进一步的，上述装置中，在第二分光装置和第三分光装置之间放置第一收集镜，在第一收集镜焦点位置放置光阑，在反射镜和第三分光装置之间放置第二收集镜。
本发明结合波长可调谐技术和光场测量技术，通过光场测量技术获得被测样品表面的相位分布，通过激光调谐技术产生多个测量光束实现量程拓展，最终完成物体表面三维形貌测量。本发明可应用到镜面或者粗糙表面物体的位移测量中，实现对物体表面三维形貌和物体形变的宽量程、高精度、快速检测。
本发明与现有技术相比，具有以下的创新点及显著优点：
1）本发明首次提出波长可调谐光场测量技术，通过调控波长的大小来定制化任意需要的合成波长值，进而将***的量程快速调整至适合于待测物体的测量范围，解决固定波长激光无法兼顾不同量程的测量需求；
2）通过一些列不同激光波长的组合产生一系列不同的组合波长大小，不同的组合波长对应不同的测量量程和测量精度，因此将不同组合波长下的测量结果组合可以同时满足对待测物体的大量程高精度测量需求；
3）本发明可满足不同表面材质的待测物体的测量需求，对测量表面粗糙度的适应范围宽泛；
4）本发明测量方法具有全场、非接触测量的特点，能够实现对待测件的无损检测。
附图说明
图1为本发明实施例1中测量装置的结构示意图。
图2为本发明实施例2中测量装置的结构示意图。
图3为本发明实施例3中测量装置的结构示意图。
图4为图3中偏振分光装置的结构示意图。
图5为本发明实施例4中测量装置的结构示意图。
图6为本发明实施例5中测量装置的结构示意图。
图7为本发明实施例6中测量装置的结构示意图。
图中：1-可调谐激光器，2-第一分光装置，3-反射镜，4-第一扩束***，5-被测样品，6-第二扩束***，7-第二分光装置，8-相机，9-移项装置，10-偏振分光装置，1001-第一半波片，1002-偏振分光棱镜，1003-第二半波片，11-第三扩束***，12-第三分光装置，13-第一收集镜，14-光阑，15-第二收集镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明使用波长可调谐光场测量技术，通过调控波长的大小来定制化任意需要的合成波长值，不同的组合波长对应不同的测量量程和测量精度，因此将不同组合波长下的测量结果组合可以同时满足对待测物体的大量程高精度测量需求。
实施例1
本实施例利用波长可调谐光场测量技术实现对粗糙表面三维形貌的快速高精度测量。如图1所示，本实施例中的测量装置为一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其结构包括：可调谐激光器1，第一分光装置2，反射镜3，第一扩束***4， 第二扩束***6，第二分光装置7，相机8。
可调谐激光器1产生测量激光，入射到第一分光装置2。
可调谐激光器1采用的是相干光源，可通过激光波长调谐技术改变出射激光波长。在本实施例中，可调谐激光器1可发射波长范围为532-542nm的测试激光，光束口径为2mm。
第一分光装置2、第二分光装置7相同，为口径25.4mm、透反比1：1的分光棱镜，可将入射到棱镜的测量光束分成强度相同、出射方向垂直的两束光。
可调谐激光器1发出的测量光束经第一分光装置2后分成两路，透射光束入射到反射镜3上。反射镜3用于反射光线，使测量光束传播方向发生偏转。透射光束经反射镜3反射后入射到第一扩束***4中。
第一扩束***4扩束倍率为4X，可形成大口径的测量光束，扩束后的测试激光束口径为8mm。该***采用两片式结构，镜片焦距分别为5mm和20mm。
扩束后的测量光束照射在被测样品5表面，由被测样品5反射形成物光。
从第一分光装置2反射的光束经过第二扩束***6形成参考光束。第二扩束***6与第一扩束***4参数相同，采用两片式结构，镜片焦距分别为5mm和20mm，扩束倍率为4X。
物光和参考光束通过第二扩束***6合束，在相机8的感光面上形成干涉图，由相机8采集干涉图信息。第二扩束***6为一口径30mm、透过率50%的平晶。相机8用于记录干涉图案，该相机8包括但不仅限于CCD、CMOS等。
本实施例中，由第一分光装置2透过的激光光束，经反射镜3、第一扩束***4、被测样品5、第二分光装置7，最终入射到相机8上，这部分光可称为物光。
本实施例中，由第一分光装置2反射的激光光束，经第二扩束***6、第二分光装置7，最终入射到相机8上，这部分光可称为参考光。
本实施例所用的基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，能够实现对物体表面的三维形貌和物体形变的高精度快速检测，其具体测量步骤如下：
S1：将被测样品5放置于测试光路中；
S2：驱动可调谐激光器1，改变其发出的光束的波长，形成532 nm、534.845nm nm、561.892nm三个测量光束分别照射在被测样品5表面，形成对应的干涉图I 1、I 2、I 3；调整第二分光装置7的倾斜角度，使参考光束与物光形成夹角，进而通过傅里叶变换法从干涉图中提取光场信息；结合光场衍射计算方法得到被测样品5表面的相位分布φ1、φ2、φ3；
S3：利用公式
，选取532 nm和534.845nm、532 nm和561.892nm进行组合，得到对应组合波长Λ1=100μm，Λ2 =10um；利用公式
，得到Λ1、Λ2对应的三维形貌测量结果h1、h2；
S4：合成两个组合波长Λ1、Λ2对应的三维形貌测量结果h1、h2 ，得到量程拓展后的被测样品5表面三维形貌测量结果hS。
实施例2
与实施例1不同是的，本实施例通过四步移项方式进行干涉条纹相位和光场解算。如图2所示，本实施例中的测量装置为一种结合移项干涉光场测试技术的三维形貌测量装置，其结构包括：可调谐激光器1、第一分光装置2、反射镜3、第一扩束***4、第二扩束***6、第二分光装置7、相机8、移相装置9。其中，移相装置9是一个由压电陶瓷构成的微运动装置，可根据测试激光波长和移相步数要求对参考光进行移相，进而通过相位解算方法从干涉图中提取光场信息。
本实施例所用的结合移项干涉光场测试技术的三维形貌测量装置的光路工作原理如下：
可调谐激光器1产生测量激光，入射到第一分光装置2后变成两路：第一路透射光被称为物光，经过反射镜3、第一扩束***4后照射到被测样品5上，被测样品5表面反射测量激光经过第二分光装置7、最终到达相机8；第二路参考光束经过第二扩束***6、移相装置9，由第二分光装置7反射最终到达相机8，并与物光形成干涉，并被相机记录。
本实施例所用的结合移项干涉光场测试技术的三维形貌测量装置，其测量方法包括如下步骤：
S1：将被测样品5放置于测试光路中；
S2：可调谐激光器1发出波长532nm的测量光束，记为波长λ1，驱动移项装置9形成相位差为1/4波长的移项干涉图I 11、I 12、I 13、I 14，结合光场衍射计算方法、相位解包裹方法得到被测样品5表面的相位分布φ1；
S3：驱动可调谐激光器1，改变其发出的光束的波长，534.845nm、561.892nm波长的测量光束分别照射在被测样品5表面；同时驱动移项装置9，每个波长形成相位差为1/4波长的移项干涉图，对应的干涉图记为I 21、I 22、I 23、I 24，I 31、I 32、I 33、I 34，对同一个波长的干涉图进行光场解算，并结合光场衍射计算方法得到被测样品5表面的相位分布φ2、φ3；
S4：利用公式
，选取532 nm和534.845nm、532 nm和561.892nm进行组合，得到对应组合波长Λ1=100μm，Λ2 =10um；利用公式
，得到Λ1、Λ2对应的三维形貌测量结果h1、h2；
S5：合成两个组合波长Λ1、Λ2对应的三维形貌测量结果h1、h2 ，得到量程拓展后的被测样品5表面三维形貌测量结果hS。
实施例3
本实施例利用波长可调谐光场测量技术实现对粗糙表面三维形貌的快速高精度测量。如图3所示，本实施例中的测量装置为一种使用偏振分光装置的三维形貌测量装置，其结构包括：可调谐激光器1、偏振分光装置10、反射镜3、第一扩束***4、第二扩束***6、第二分光装置7、相机8。
与实施例1不同的是，本实施例中使用了偏振分光装置10，其可以将可调谐激光器1出射的激光束分成两路，并调节两路光的光强比。（一般为1:5到5:1）。偏振分光装置10是第一分光装置2的一种具体化装置，如图4所示，偏振分光装置10由第一半波片1001、偏振分光棱镜1002和第二半波片1003组成，第一半波片1001正对可调谐激光器1的激光发射口，偏振分光棱镜1002位于第一半波片1001的透射光路上，第二半波片1003位于偏振分光棱镜1002的反射光路上。
本实施例中，通过旋转调节偏振分光装置10中的第一半波片1001可以改变反射光和透射光之间的光强比（一般为1:5 ~5:1），进而执行调整物光和参考光的光强比的功能，获得高质量的干涉图。通过旋转第二半波片1003，使物光和参考光的偏振方向一致，目的是使得二者能够进行干涉。
实施例4
如图5所示，本实施例采用的测量装置为另一种结合移项干涉光场测试技术的三维形貌测量装置，其结构包括：可调谐激光器1、第一分光装置2、反射镜3、第一扩束***4、第二扩束***6、第二分光装置7、移相装置9、相机8。与实施例2不同的是，本实施例中，移相装置9设置在第一分光装置2和第二扩束***6之间。
实施例5
如图6所示，本实施例采用的测量装置为单扩束***下的三维形貌测量装置，其结构包括：可调谐激光器1、第三扩束***11、第一分光装置2、反射镜3、第二分光装置7、第三分光装置12、相机8；
第三扩束***11和第一分光装置2正对可调谐激光器1的激光发射口，反射镜3位于第一分光装置2的反射光路上，第二分光装置7位于第一分光装置2的透射光路上，待测物***于第二分光装置7的反射光路上，第三分光装置12位于待测物体反射光路和反射镜3反射光路的交叉位置处，相机8位于第三分光装置12的合束光路上。
实施例6
如图7所示，本实施例采用的测量装置为结合针孔滤波的三维形貌测量装置，，其结构包括：可调谐激光器1、第三扩束***11、第一分光装置2、反射镜3、第二分光装置7、第三分光装置12、第一收集镜13、光阑14、相机8；与实施例5不同的是，本实施例中，第一收集镜13放置在第二分光装置7和第三分光装置12之间，在第一收集镜13焦点位置放置光阑14，在反射镜3和第三分光装置12之间放置第二收集镜15。
实施例7
一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其中所述计算机程序被处理器执行时，实现如下方法步骤：
S1：处理器控制打开可调谐激光器发出激光光束，使激光光束入射到第一分光装置，然后分成两路；其中一路透过第一分光装置，经过反射镜、第一扩束***后形成大口径的测量光束照射在被测样品表面，由被测样品反射形成物光；另一路经过第二扩束***形成参考光束，参考光束和物光由第二分光装置进行合束后干涉，在相机的感光面上形成干涉图，由相机采集干涉图信息；
S2：处理器控制改变可调谐激光器发出的光束的波长，形成λ 1、λ 2、…、λ N 多个测量光束分别照射在被测样品表面，形成对应的干涉图I 1、I 2、…、I N ，对每一个干涉图进行光场解算，并结合光场衍射计算方法得到被测样品表面的相位分布φ 1、φ 2、…、φ N ；
S3：选择λ 1、λ 2、…、λ N 中的两个波长λ i 和λ j 进行组合，得到组合波长
对应的三维形貌测量结果
，其中φ i 和φ j 为波长λ i 和λ j 的测量光束所测得的相位分布；
S4：合成一系列不同组合波长Λ1、Λ2、…、Λ K 对应的三维形貌测量结果h 1、h 2、…、h K ，得到量程拓展后的被测样品表面5的三维形貌测量结果h S 。
Claims (10)
1.一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法，其特征在于：包括以下测量步骤：
S1：可调谐激光器发出的光束经第一分光装置后分成两路，其中一路依次经过反射镜、第一扩束***后形成大口径的测量光束照射在被测样品表面，由被测样品反射形成物光；另一路经过第二扩束***形成参考光束，参考光束和物光由第二分光装置进行合束后干涉，在相机的感光面上形成干涉图，由相机采集干涉图信息；
S2：改变可调谐激光器发出的光束的波长，形成λ 1、λ 2、…、λ N 多个测量光束分别照射在被测样品表面，形成对应的干涉图I 1、I 2、…、I N ，对每一个干涉图进行光场解算，并结合光场衍射计算方法得到被测样品表面的相位分布φ 1、φ 2、…、φ N ；
S3：选择λ 1、λ 2、…、λ N 中的两个波长λ i 和λ j 进行组合，得到组合波长对应的三维形貌测量结果
，其中φ i 和φ j 为波长λ i 和λ j 的测量光束所测得的相位分布；
S4：合成一系列不同组合波长Λ1、Λ2、…、Λ K 对应的三维形貌测量结果h 1、h 2、…、h K ，得到量程拓展后的被测样品表面5的三维形貌测量结果h S 。
2.根据权利要求1所述的基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法，其特征在于：调整第二分光装置的倾斜角度，使参考光束与物光形成夹角，进而通过傅里叶变换法从干涉图中提取光场信息。
3.根据权利要求1所述的基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法，其特征在于：调整第二分光装置的倾斜角度，使参考光束与物光中心光轴一致，在第二扩束***和第二分光装置中加入相移装置，对参考光束进行移相，进而通过多步相移计算方法从全息图中提取光场信息。
4.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至3中任一项所述的方法的步骤。
5.一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其特征在于：包括可调谐激光器、第一分光装置、反射镜、第一扩束***、第二扩束***、第二分光装置、相机；
第一分光装置正对可调谐激光器的激光发射口，反射镜位于第一分光装置的透射光路上，第一扩束***位于反射镜的反射光路上，被测样品位于第一扩束***的透射光路上，第二扩束***位于第一分光装置的反射光路上，第二分光装置位于被测样品的反射光路和第二扩束***的透射光路的交叉位置处，相机位于第二分光装置的合束光路上。
6.根据权利要求5所述的基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其特征在于：第一分光装置由第一半波片、偏振分光棱镜和第二半波片组成，第一半波片正对可调谐激光器的激光发射口，偏振分光棱镜位于第一半波片的透射光路上，第二半波片位于偏振分光棱镜的反射光路上。
7.根据权利要求5所述的基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其特征在于：在第一分光装置和第二扩束***之间设置有相移装置。
8.一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其特征在于：包括可调谐激光器、第一分光装置、反射镜、第三扩束***、第二分光装置、相机；
第三扩束***正对可调谐激光器的激光发射口，第一分光装置位于第三扩束***的透射光路上，反射镜位于第一分光装置的透射光路上，被测样品位于反射镜的反射光路上，第二分光装置位于被测样品的反射光路和第一分光装置的反射光路上的交叉位置处，相机位于第二分光装置的合束光路上。
9.一种基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其特征在于：包括可调谐激光器、第三扩束***、第一分光装置、反射镜、第二分光装置、第三分光装置、相机；
第三扩束***和第一分光装置正对可调谐激光器的激光发射口，反射镜位于第一分光装置的反射光路上，第二分光装置位于第一分光装置的透射光路上，被测样品位于第二分光装置的反射光路上，第三分光装置位于被测样品反射光路和反射镜反射光路的交叉位置处，相机位于第三分光装置的合束光路上。
10.根据权利要求9所述的基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量装置，其特征在于：在第二分光装置和第三分光装置之间放置第一收集镜，在第一收集镜焦点位置放置光阑，在反射镜和第三分光装置之间放置第二收集镜。
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|---|---|---|---|
| CN202210952485.9A CN115164771A (zh) | 2022-08-09 | 2022-08-09 | 基于波长可调谐光场测量技术的三维形貌测量方法及装置 |
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|---|---|---|---|---|
| CN116045835A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 成都太科光电技术有限责任公司 | 一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置 |
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2022
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| CN116045835A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 成都太科光电技术有限责任公司 | 一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置 |
| CN116045835B (zh) * | 2023-03-31 | 2023-06-02 | 成都太科光电技术有限责任公司 | 一种超大口径平面或球面光学干涉测试装置 |
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