CN116222802A - 光源中心波长的测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本公开描述一种光源中心波长的测量方法及测量装置，测量方法包括：使用光源发出测量光束至待测样品；控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对待测样品进行均匀采样；构建采样帧数和形成每帧图像的光干涉信号的关系曲线，并对每帧图像的光干涉信号进行数字正交解调以得到在每帧图像处关系曲线的幅值和相位；构建关系曲线的包络高斯曲线，并获得包络高斯曲线的峰值位置；在峰值位置拟合多帧图像的图像帧序和在每帧图像处关系曲线的相位的拟合斜率，根据拟合斜率求出光源的中心波长。由此，通过该测量方法，能够在测量装置上直接测量并校准光源的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性。
Description
技术领域
本公开大体涉及智能制造装备产业，具体涉及一种光源中心波长的测量方法及测量装置。
背景技术
干涉仪是利用干涉原理测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，而某一束相干光的光程变化是由它所通过的几何路程或介质折射率的变化引起的，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量。测量精度决定于测量光程差的精度。干涉条纹每移动一个条纹间距，光程差就改变一个波长，所以干涉仪是以光波波长为单位测量光程差的，其测量精度相对较高。白光干涉仪作为干涉仪的一种，则是利用白光作为光源测量光程之差从而测定有关物理量的光学仪器。
白光光源的中心波长可理解为在波长范围内能量最大处的光分量的波长，准确的测量并校准光源的中心波长能够提高白光干涉仪的测量精度。在现有技术中，通常使用光谱仪等独立的光源波长测量仪器测量光源的中心波长，且测量时通常需要将光源从光源干涉仪取出测试。
但拆解仪器通常操作繁琐、浪费时间和人工成本，而且有损坏仪器的可能。
发明内容
本公开是有鉴于上述现有技术的状况而提出的，其目的在于提供一种能够在测量装置上直接测量光源的中心波长的测量方法及测量装置，从而能够提升测量的效率和便捷性，能够提高测量装置的测量精度。
为此，本公开第一方面提供一种光源中心波长的测量方法，为基于光干涉测量技术对光源的中心波长进行测量的测量方法，所述测量方法包括：使用光源发出测量光束至待测样品；控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对所述待测样品进行均匀采样，其中，所述采样模块采集所述测量光束经所述待测样品反射的在所述干涉物镜中形成的反射光束以获得用于形成关于所述待测样品的多帧图像的光干涉信号；构建所述多帧图像的采样帧数和所述光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对所述关系曲线中每帧图像的所述信号强度进行数字正交解调以得到所述关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的所述多帧图像的幅值序列构建所述关系曲线的包络高斯曲线，并获得所述包络高斯曲线的峰值位置；并且在所述峰值位置拟合所述多帧图像的图像帧序和在每帧图像处所述关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据所述拟合斜率求出所述光源的中心波长。
在本公开第一方面中，能够在测量装置上直接测量并校准光源的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对待测样品进行均匀采样，能够提升干涉物镜扫描步长和采样模块采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源的中心波长更精确，进而能够提升测量装置的测量精度。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，所述信号强度与所述干涉物镜的位移之间的关系式为：
其中，λ为所述光源的中心波长，I(z)为所述信号强度，I bg为背景光强，γ为调制系数，
为所述包络高斯曲线，z为所述干涉物镜的位移，z 0为中心波长光程差为零的扫描位置，σ的表达式为：
其中，Δλ为λ的增量，W c为光源的相干长度，且
，所述光干涉信号随所述干涉物镜的位移的相位分布为：
其中，θ(z)为相位分布。由此，能够方便得到信号强度与干涉物镜的位移之间的关系式以及光干涉信号随干涉物镜的位移的相位分布。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，预设初始光源波长为λ init，驱动所述干涉物镜对所述待测样品进行扫描，所述干涉物镜的扫描步长与所述初始光源波长之间的关系式为：
其中，Δz为扫描步长，N为周期相移帧数，2N表示在一个信号周期内所述采样模块拍摄的次数；所述干涉物镜的位移与所述扫描步长之间的关系式为：
其中，i为所述干涉物镜在采样位置的所述图像帧序。由此，通过预设一个初始光源波长，能够方便驱动干涉物镜以规定的扫描步长对待测样品进行扫描。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，在每个所述图像帧序处，在一个信号周期内对所述信号强度进行数字正交解调，得：
其中，i为所述图像帧序，R(i)为第一调制信号，Q(i)为第二调制信号，I n代表在图像帧序为n时的图像所代表的灰度值，由此得所述关系曲线在每个所述图像帧序处的所述幅值和所述相位：
其中，a i为幅值，θ i为相位。由此，能够方便计算得到关系曲线中的各图像帧序处的所述幅值和所述相位。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，使用最小二乘法对所述幅值序列进行高斯拟合以得到包络高斯曲线，其中所述幅值序列为(a 1 ,a 2, …… , a M)，a M代表所述图像帧序为M时的所述幅值。由此，能够方便得到包络高斯曲线。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，包络高斯曲线的表达式为：
其中，A、B、C为高斯曲线参数，对所述包络高斯曲线的表达式两边取自然对数，得：
使用最小二乘法拟合所述包络高斯曲线，得：
其中，m1至m2表示参与包络高斯曲线拟合的所述图像帧序的范围。由此，通过使用最小二乘法对幅值序列进行拟合，能够方便得到包络高斯曲线。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，m1至m2范围确定的方法为：确定所述幅值序列(a 1 ,a 2, …… , a M)中的最大幅值位置；以最大幅值位置为中心，在所述最大幅值位置附近获取所述图像帧序的范围为m1至m2的数据集合。由此，能够方便确认出参与包络高斯曲线拟合的图像帧的范围，能够减少噪声进入拟合范围增加拟合误差。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，分别对高斯曲线参数A、B、C求偏导并写为方程为EX=F的矩阵形式，根据拟合得到的所述包络高斯曲线，得所述包络高斯曲线的峰值位置的表达式为：
其中，P0为所述峰值位置。由此，能够方便得到包络高斯曲线的峰值位置。
另外，在本公开第一方面所涉及的测量方法中，可选地，取峰值位置附近范围的G个点进行线性相位拟合，通过所述光干涉信号随所述干涉物镜的位移的相位分布的表达式：
得到所述光干涉信号的相位相对于所述干涉物镜的位移的斜率为：
进而得到所述光源的中心波长：
其中，“
”代表相乘，k为斜率，θ 0表示初始相位分布。由此，能够方便得到光源的中心波长。
本公开第二方面提供了一种光源中心波长的测量装置，为基于光干涉测量技术对光源的中心波长进行测量的测量装置，所述测量装置包括：发生模块、时序同步发生器、驱动模块、干涉物镜、采样模块、以及数据处理模块；所述发生模块用于经所述干涉物镜向待测样品发出测量光束；所述时序同步发生器用于控制所述驱动模块以预设步长驱动所述干涉物镜移动的同时同步控制所述采样模块对所述待测样品进行均匀采样，其中，所述采样模块采集所述测量光束经所述待测样品反射的在所述干涉物镜中形成的反射光束以获得用于形成关于所述待测样品的多帧图像的光干涉信号；所述数据处理模块用于：构建所述多帧图像的采样帧数和所述光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对所述关系曲线中每帧图像的信号强度进行数字正交解调以得到所述关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的所述多帧图像的幅值序列构建所述关系曲线的包络高斯曲线，并获得所述包络高斯曲线的峰值位置；在所述峰值位置附近得到所述多帧图像的图像帧序和在每帧图像处所述关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据所述拟合斜率求出光源的中心波长。
在本公开第二方面中，能够在测量装置上直接测量并校准光源的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对待测样品进行均匀采样，能够提升干涉物镜扫描步长和采样模块采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源的中心波长更精确，进而能够提升测量装置的测量精度。
根据本公开，能够提供一种在测量装置上直接测量光源的中心波长的测量方法及测量装置，从而能够提升测量的效率和便捷性，能够提高测量装置的测量精度。
附图说明
现在将仅通过参考附图的例子进一步详细地解释本公开的实施例。
图1是示出了本公开的实施方式所涉及的光源中心波长的测量装置的功能模块示意图。
图2是示出了本公开的实施方式所涉及的数据处理模块的功能模块示意图。
图3是示出了本公开的实施方式所涉及的光源中心波长的测量装置的结构示意图。
图4是示出了本公开的实施方式所涉及的干涉物镜的内部结构的示意图。
图5是示出了本公开的实施方式所涉及的光源中心波长的测量方法的流程图。
图6A是示出了本公开的实施方式所涉及的球面测试中的白光干涉图样。
图6B是示出了本公开的实施方式所涉及的白光干涉信号的示意图。
图6C是示出了本公开的实施方式所涉及的白光干涉信号的组成示意图。
图7是示出了本公开的实施方式所涉及的线性相位拟合的示意图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同部件赋予相同的符号，省略重复说明。另外，附图只是示意图，部件相互之间尺寸的比例或者部件形状等可与实际不同。
需要说明的是，本公开中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，例如所包括或所具有的一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可以包括或具有没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本公开提供一种在基于干涉测量技术测量待测样品的三维形貌的测量装置上直接测量并校准光源的中心波长的测量方法及测量装置。该测量装置可以为光干涉仪或光干涉测量显微镜。
在一些示例中，光干涉仪可以为白光干涉仪，光干涉测量显微镜可以为白光干涉测量显微镜。在本公开中，不必拆解仪器取出光源再使用专业的仪器对光源进行测试，可以在测量装置上直接进行测试，从而能够实现随时随地对光源中心波长（也即，光源的中心波长）进行测量和校准，能够提升测量的效率和便捷性。当使用时间变长，光源发生衰减时，可以直接现场测量并校准，能够提升测量装置对待测样品的测量精度。
图1是示出了本公开的实施方式所涉及的光源中心波长的测量装置1的功能模块示意图。图2是示出了本公开的实施方式所涉及的数据处理模块60的功能模块示意图。图3是示出了本公开的实施方式所涉及的光源中心波长的测量装置1的结构示意图。
参照图1至图3，本实施方式所涉及的光源中心波长的测量装置1可以为基于光干涉测量技术测量待测样品70的三维形貌的装置，测量装置1可以对光源110的中心波长进行测量。
在一些示例中，光源110可以为白光光源，测量装置1可以为白光干涉仪或白光干涉测量显微镜。白光光源的中心波长可以为能量分布最大处的波长，或为白光干涉信号的最大峰值位置处的波长。
参照图1，在本实施方式中，测量装置1可以包括发生模块10、时序同步发生器20、驱动模块30、干涉物镜40、采样模块50、以及数据处理模块60。
在一些示例中，发生模块10可以用于经干涉物镜40向待测样品70发出测量光束L1。
在一些示例中，时序同步发生器20可以用于控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样，以使采样模块50获得关于待测样品70的多帧图像。
在一些示例中，采样模块50可以用于采集测量光束L1经待测样品70反射的在干涉物镜40中形成的反射光束L1′，以获得用于形成多帧图像中每帧图像的光干涉信号。
参照图2，在一些示例中，数据处理模块60可以包括正交解调单元610、包络高斯曲线拟合单元620和线性相位拟合单元630。
在一些示例中，正交解调单元610可以用于构建多帧图像的采样帧数和光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对关系曲线中每帧图像的信号强度进行数字正交解调以得到关系曲线中每帧图像处的幅值和相位。
在一些示例中，采样帧数可以为干涉物镜40在扫描期间采集的待测样品70的多帧图像。
在一些示例中，包络高斯曲线拟合单元620可以利用得到的多帧图像的幅值序列构建关系曲线的包络高斯曲线，并获得包络高斯曲线的峰值位置。
在一些示例中，线性相位拟合单元630可以在峰值位置附近拟合多帧图像的图像帧序和在每帧图像处关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据拟合斜率求出光源110的中心波长。
在一些示例中，图像帧序可以为干涉物镜40在扫描期间采集的待测样品70的多帧图像中每帧图像所代表的帧序号。
在本实施方式中，测量装置1可以包括：发生模块10、时序同步发生器20、驱动模块30、干涉物镜40、采样模块50、以及数据处理模块60；发生模块10用于经干涉物镜40向待测样品70发出测量光束L1；时序同步发生器20用于控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样，其中，采样模块50采集测量光束L1经待测样品70反射的在干涉物镜40中形成的反射光束L1′以获得用于形成关于待测样品70的多帧图像的光干涉信号；数据处理模块60用于：构建多帧图像的采样帧数和光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对关系曲线中每帧图像的信号强度进行数字正交解调以得到关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的多帧图像的幅值序列构建关系曲线的包络高斯曲线，并获得包络高斯曲线的峰值位置；并且在峰值位置附近得到多帧图像的图像帧序和在每帧图像处关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据拟合斜率求出光源110的中心波长。
在本公开中，能够在测量装置1上直接测量并校准光源110的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样，能够提升干涉物镜40扫描步长和采样模块50采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源110的中心波长更精确，由此，能够提高测量装置1后续的测量精度。
参照图3，在一些示例中，测量装置1还可以包括分光模块80。分光模块80可以用于接收测量光束L1并将测量光束L1反射至干涉物镜40。干涉物镜40可以用于形成反射光束L1′并将反射光束L1′经由分光模块80发送至采样模块50。
在一些示例中，分光模块80可以为分光片。
在一些示例中，测量光束L1在干涉物镜40中干涉时形成的干涉信号可以称为光干涉信号。在一些示例中，反射光束L1′在干涉物镜40中干涉时形成的干涉信号也可以称为光干涉信号。
在一些示例中，发生模块10可以包括用于被探测的光源110（参见图3）。光源110可以用于发出被探测的测量光束L1。
在一些示例中，当光源110为白光光源时，白光光谱宽度可以为40纳米至120纳米。由此，能够方便在白光光谱宽度为40纳米至120纳米范围内测量白光光源的中心波长。
在一些示例中，发生模块10还可以包括第一透镜单元120和第二透镜单元130。第一透镜单元120和第二透镜单元130可以设置于光源110和分光模块80之间。其中，第一透镜单元120可以是具有汇聚光束功能的汇聚透镜，第二透镜单元130可以是用于将光束转换为准直光的准直透镜。在这种情况下，测量光束L1经过第一透镜单元120后能够汇聚成束再发送至第二透镜单元130，第二透镜单元130能够将汇聚后的测量光束L1转换为准直光束发送至分光模块80。由此，能够减少测量光束L1的发散进而降低测量光束L1的能量损失。
在一些示例中，驱动模块30可以为PZT（piezoelectric ceramics，压电陶瓷）或微驱动电机。
在一些示例中，采样模块50可以包括采样相机510。在一些示例中，采样相机510可以为CCD（charge coupled device，电荷耦合器件）相机或CMOS（Complementary MetalOxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体）相机。由此，能够将反射光束L1′转变为形成多帧图像的电信号。
在一些示例中，采样模块50还可以包括位于分光模块80和采样相机510之间的第三透镜单元520。在一些示例中，第三透镜单元520可以是具有汇聚光束功能的汇聚透镜。在这种情况下，第三透镜单元520能够将反射光束L1′聚焦于采样相机510。
在一些示例中，数据处理模块60可以为计算机。
在一些示例中，待测样品70可以为超光滑样片。
在一些示例中，干涉物镜40可以在驱动模块30的驱动下在图3所示的方向Z和方向Z′往复运动。
在一些示例中，驱动模块30的预设步长可以为30纳米至50纳米。
参照图3，本实施方式所涉及的光源中心波长的测量方法可以为利用基于光干涉测量技术测量待测样品70的三维形貌的测量装置1对光源110的中心波长进行测量的方法。在本公开中，光源中心波长的测量方法也可以简称为测量方法或方法。
在一些示例中，光源110可以为白光光源，测量装置1可以为白光干涉仪或白光干涉测量显微镜。
另外，白光干涉仪是利用白光干涉原理测量光程之差从而测定待测样品70中有关物理量的光学仪器。在本公开中，可以在白光干涉仪上直接测量并校准白光光源的中心波长，不必拆解该白光干涉仪取出白光光源再使用专业的白光光源中心波长校准设备（例如光谱仪等）进行白光光源中心波长的测量和校准。由此，当白光干涉仪的使用时间变长，白光光源发生衰减时，能够在该白光干涉仪上直接对白光光源的中心波长进行测量和校准，进而能够提升该白光干涉仪后续的测量精度。
图4是示出了本公开的实施方式所涉及的干涉物镜40的内部结构的示意图。
参见图4，在一些示例中，干涉物镜40可以包括分光单元410和参考单元420。其中，分光单元410可以配置为接收测量光束L1并将测量光束L1分解为第一子测量光束L11和第二子测量光束L12。在一些示例中，分光单元410还可以配置为将第一子测量光束L11反射至参考单元420，将第二子测量光束L12透射至待测样品70上的目标点。
在一些示例中，第一子测量光束L11可以经由分光单元410反射至参考单元420并被参考单元420反射以形成第一子测量反射光束L11′。在一些示例中，第二子测量光束L12可以经由分光单元410透射至目标点并被目标点反射以形成第二子测量反射光束L12′。
在一些示例中，第一子测量反射光束L11′与第二子测量反射光束L12′可以形成反射光束L1′。具体地，分光单元410还可以配置为合成第一子测量反射光束L11′和第二子测量反射光束L12′以形成反射光束L1′。换言之，即反射光束L1′可以包括第一子测量反射光束L11′和第二子测量反射光束L12′。
在一些示例中，第一子测量反射光束L11′和第二子测量反射光束L12′可以形成干涉，测量装置1可以基于第一子测量反射光束L11′和第二子测量反射光束L12′形成的光干涉信号获得目标点的高度信息。
图5是示出了本公开的实施方式所涉及的光源中心波长的测量方法的流程图。
参照图5，具体地，该测量方法可以包括如下步骤：
步骤S100，使用光源110发出测量光束L1至待测样品70。
步骤S200，控制驱动模块30驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样。由此，能够使采样模块50获得关于待测样品70的多帧图像。
在一些示例中，可以控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样。
在一些示例中，采样模块50可以用于采集测量光束L1经待测样品70反射的在干涉物镜40中形成的反射光束L1′，以获得用于形成多帧图像中每帧图像的光干涉信号。
在一些示例中，时序同步发生器20可以用于控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样，以使采样模块50获得关于待测样品70的多帧图像。
在步骤S300中，可以构建多帧图像的采样帧数和光干涉信号的信号强度之间的关系曲线，并对关系曲线中每帧图像的信号强度进行数字正交解调以得到关系曲线中每帧图像处的幅值和相位。
在步骤S400中，可以利用得到的多帧图像的幅值序列构建关系曲线的包络高斯曲线，并获得包络高斯曲线的峰值位置。
在步骤S500中，可以在峰值位置附近得到多帧图像的图像帧序和在每帧图像处关系曲线的相位的拟合斜率，根据拟合斜率求出光源110的中心波长。
在一些示例中，数据处理模块60可以用于依次执行步骤S300、步骤S400和步骤S500。
在本公开中，能够在测量装置1上直接测量并校准光源110的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样，能够提升干涉物镜40扫描步长和采样模块50采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源110的中心波长更精确，进而能够提升测量装置1后续的测量精度。
在一些示例中，数据处理模块60可以包括正交解调单元610、包络高斯曲线拟合单元620和线性相位拟合单元630。在一些示例中，正交解调单元610可以用于执行步骤S300，包络高斯曲线拟合单元620可以用于执行步骤S400，线性相位拟合单元630可以用于执行步骤S500。
在一些示例中，通过控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40均匀移动，可以使采样模块50对待测样品70均匀采样。也即，采样模块50采样的每帧图像的时间间隔可以相同。
在一些示例中，每一帧图像可以获得待测样品70的一个数据信息。在另一些示例中，每一帧图像可以获得待测样品70的多个数据信息。在一些示例中，可以采集N帧（此处N可以为周期相移帧数）的数据信息以重建待测样品70的三维表面形貌。
在本公开中，由于采用了同步触发的方式在驱动干涉物镜40以预设步长移动的同时使采样模块50对待测样品70进行采样，能够使采样模块50在干涉物镜40扫描期间尽可能地均匀采样。
在本公开中，数据处理模块60的校准算法可以分三个前后衔接的数据处理环节。三个数据处理环节可以依次包括步骤S300的数字正交解调、步骤S400的包络高斯曲线拟合、以及步骤S500的线性相位拟合。
在步骤S300中，通过数字正交解调可以得到包络高斯曲线上的离散序列点的幅度和相位。
在步骤S400中，通过拟合包络高斯曲线可以得到峰值位置（也即中心波长位置），进而可以确定后续线性相位拟合区域。
在步骤S500中，通过线性相位拟合可以得到峰值位置附近的相位分布直线的斜率，进而可以根据相位分布直线的斜率求得中心波长。
在本公开中，采用线性相位拟合，利用多数据集合处理和线性特性的方式得到中心波长，能够提升精度，能够减少以下因素引起的误差：驱动电机扫描步长的非均匀性、CCD相机中感光芯片的灰度噪声、以及用于同步触发的硬件传输非同步性等。
图6A是示出了本公开的实施方式所涉及的球面测试中的白光干涉图样。图6B是示出了本公开的实施方式所涉及的白光干涉信号的示意图。图6C是示出了本公开的实施方式所涉及的白光干涉信号的组成示意图。
参照图6A至图6C，在一些示例中，光源110可以为白光光源，白光光源用于球面测试可以形成如图6A的中心亮（能量大）周围暗（能量小）的白光干涉图样。形成该白光干涉图样的白光干涉信号的曲线图以及白光干涉信号的组成成分图可以分别如图6B和图6C所示。
参照图6B和图6C，白光干涉信号通常可以被表示为一个包络受高斯函数调制的余弦信号，白光干涉图样的可见度不恒定且随干涉物镜40对待测样品70上不同的扫描位置而变化。当测量光束与参考光束的光程差为零时，干涉信号出现最大值，称之为相干峰。相干峰代表了待测样品70表面上对应数据点的相对高度信息，所有数据点的相对高度组合成了待测样品70的整体形貌。
如图6C所示，白光干涉信号可以为所有单色光（如七色光）干涉信号的叠加信号。当七色光的波峰位置相叠加时，白光干涉信号的信号强度最大，此波峰位置即为白光光源的中心波长位置。
在一些示例中，光干涉信号的信号强度与干涉物镜40的位移之间的关系式为：
其中，λ为中心波长，I(z)可以为白光干涉信号的信号强度，I bg为背景光强，γ为调制系数，
为包络高斯曲线，也可以称为白光干涉信号的幅度信号，z为干涉物镜40的位移，z 0为中心波长光程差为零的扫描位置，exp表示指数函数，cos表示余弦函数，σ的表达形式为：/>
其中，
可以覆盖相干长度的区域，Δλ为λ的增量，W c为光源110的相干长度，且/>
，白光干涉信号随干涉物镜40的位移的相位分布为：
其中，θ(z)为相位分布。由此，能够方便得到白光干涉信号的信号强度与干涉物镜40的位移之间的关系式以及白光干涉信号随干涉物镜40的位移的相位分布。
在一些示例中，中心波长光程差为零的扫描位置，也即代表两束相干光光程差为零时干涉物镜40的扫描位置。
在一些示例中，背景光强可以为该测量装置1所在环境的光强度，例如可以为室内灯具所产生的光强度。
在一些示例中，γ可以为衡量调制深度的参数。在一些示例中，γ可以为由关系曲线上的最大幅度和最小幅度计算得到的参数。
在一些示例中，干涉物镜40的位移可以为垂直位移。
在一些示例中，I(z)可以为测量光束L1在其中心波长附近范围内所有单色光的叠加光强。
在步骤S200中，可以预设初始光源波长为λ init，可以驱动干涉物镜40对待测样品70进行扫描，干涉物镜40的扫描步长与初始光源波长之间的关系式可以为：
其中，Δz为扫描步长（或者称为相邻图像帧序之间干涉物镜40的位移），N为周期相移帧数，表示在半个周期内采样模块50拍摄的次数，2N表示在一个信号周期内采样模块50拍摄的次数；干涉物镜40的位移与所述扫描步长之间的关系式为：
其中，i为干涉物镜扫描位置（采样位置）的图像帧序（或帧序号）。由此，通过预设一个初始光源波长，能够方便驱动干涉物镜40以规定的扫描步长对待测样品70进行扫描。
在一些示例中，驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动，也即代表着在驱动模块30以预设步长的驱动下，会相应控制干涉物镜40以相应的扫描步长对待测样品70进行扫描。
在一些示例中，初始光源波长可以为随机设定的一个粗略的光源波长。
在一些示例中，周期相移帧数（步数）可以为4至32。且周期相移步数不宜设置的太小，否则会导致数据量不够，计算进度有损失；而且也不宜设置的太大，否则会导致处理的数据量太多影响处理速度。
以下详细描述数据处理模块60的数据处理过程。
在步骤S300中，由于白光干涉信号的幅度信号
为时间缓变信号，在单个信号周期内，白光干涉信号可以视为衰减不大。/>
在一些示例中，在每个图像帧序处，在一个信号周期内对白光干涉信号的信号强度进行数字正交解调得：
其中，i为图像帧序，R(i)为第一调制信号，Q(i)为第二调制信号，I n代表在图像帧序为n时的图像所代表的灰度值，由此得图像帧序
处的幅值和相位：
其中，a i为幅值，θ i为相位。
在一些示例中，R(i)可以为水平调制信号，Q(i)可以为垂直调制信号。
上述步骤通过数字正交解调可以得到每一帧图像帧序的幅值和相位。由此，能够方便计算得到关系曲线中的图像帧序的幅值和相位。
由步骤S300可以得到信号的幅值序列：(a 1 ,a 2, …… , a M)，a M代表图像帧序为M时的幅值。
在一些示例中，可以使用最小二乘法对幅值序列进行高斯拟合以得到包络高斯曲线。由此，能够方便得到包络高斯曲线。
在一些示例中，干涉物镜40在驱动模块30的驱动下可以扫描得到M帧图像并将M帧图像组成图像序列，即
。在坐标为/>
的平面位置处，可以取出图像序列中每帧图像上位于/>
处的灰度值（或称为信号强度的值）：/>
。以图像序列中的图像的采样帧数为横坐标，以每帧图像的信号强度或灰度值为纵坐标，以此则可以构建/>
处的光干涉曲线（如图6B所示）。
在一些示例中，包络高斯曲线的表达式可以写为：
其中，A、B、C为高斯曲线参数。
对包络高斯曲线的表达式两边取自然对数，得：
使用最小二乘法拟合包络高斯曲线，得：
其中，m1至m2表示参与高斯曲线拟合的图像帧的拟合范围。若噪声数据进入拟合范围将大大增加拟合误差，甚至出现拟合失真。由此，通过使用最小二乘法对幅值序列进行拟合，能够方便得到包络高斯曲线，将拟合范围保持在m1至m2，能够提高拟合精度。
在一些示例中，m1至m2范围确定的方法可以为：确定幅值序列(a 1 ,a 2, …… , a M)中的最大幅值位置；以最大幅值位置为中心，在最大幅值位置附近（例如，可以在最大幅值位置左右两侧）获取图像帧的范围为m1至m2的数据集合。由此，能够方便确认出参与包络高斯曲线拟合的图像帧的范围，能够减少噪声进入拟合范围增加拟合误差。
在一些示例中，可以分别对高斯曲线参数求偏导并写为方程为EX=F的矩阵形式，根据拟合得到的包络高斯曲线，可得包络高斯曲线的峰值位置的表达式为：
其中，P0为峰值位置。由此，能够方便得到包络高斯曲线的峰值位置。
具体的，分别对高斯曲线参数（即A、B、C）求偏导，得：
写为方程为EX=F的矩阵形式，即：
由于E是对称矩阵，因此系数向量X=E -1 F。
根据拟合得到的包络高斯曲线，可得峰值位置的表达式为：
其中，P 0为峰值位置。该步骤通过拟合包络高斯曲线，能够得到振幅的峰值位置。由此，能够方便得到包络高斯曲线的峰值位置。
图7是示出了本公开的实施方式所涉及的线性相位拟合的示意图。
参照图7，在步骤S500中，可以在峰值位置附近拟合“位移
-相位分布/>
”的相位曲线。
在一些示例中，可以取峰值位置附近范围的J个点进行线性相位拟合。
在一些示例中，J可以等于N（N为周期相移帧数）。在这种情况下，由于峰值位置附近信号的灵敏度最高，因此采用峰值位置附近范围的N个点进行线性相位拟合，能够提升拟合的准确度，而远离峰值位置（峰值位置两侧）的信号会逐渐衰减，因此采用此处的信号会导致拟合误差增大。
在步骤S300已经得到i处的幅值和相位：
通过白光干涉信号随干涉物镜40的位移的相位分布的表达式：
得到白光干涉信号的相位相对于干涉物镜40的位移的斜率为：
进而得到光源110的中心波长：
其中，“
”代表相乘，k为斜率，θ 0表示初始相位分布。由此，能够方便得到光源110的中心波长。
在一些示例中，可以理解为白光干涉信号的相位相对于位移或者帧序号是线性增长的，其斜率为固定值
。
在一些示例中，J的值可以取4至32。在这种情况下，若N的数据量太多，会取到相干区域边界上噪声成分较大的数据；若参与拟合的数据量太少，则拟合的精度不够。
在本公开中，能够在测量装置1上直接测量并校准光源110的中心波长，能够提升测量的效率和便捷性；另外，通过控制驱动模块30以预设步长驱动干涉物镜40移动的同时同步控制采样模块50对待测样品70进行均匀采样，能够提升干涉物镜40的扫描步长和采样模块50采样的同步性，进而能够提升构建的采样帧数和白光干涉信号的信号强度的关系曲线的准确性，进而能够使计算出的光源110的中心波长更精确，进而能够提升测量装置1后续的测量精度。
虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。
Claims (10)
1.一种光源中心波长的测量方法，为基于光干涉测量技术对光源的中心波长进行测量的测量方法，其特征在于，所述测量方法包括：使用所述光源发出测量光束至待测样品；控制驱动模块以预设步长驱动干涉物镜移动的同时同步控制采样模块对所述待测样品进行均匀采样，其中，所述采样模块采集所述测量光束经所述待测样品反射的在所述干涉物镜中形成的反射光束以获得用于形成关于所述待测样品的多帧图像的光干涉信号；构建所述多帧图像的采样帧数和所述光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对所述关系曲线中每帧图像的所述信号强度进行数字正交解调以得到所述关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的所述多帧图像的幅值序列构建所述关系曲线的包络高斯曲线，并获得所述包络高斯曲线的峰值位置；并且在所述峰值位置附近得到所述多帧图像的图像帧序和在每帧图像处所述关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据所述拟合斜率求出所述光源的中心波长。
2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，
所述信号强度与所述干涉物镜的位移之间的关系式为：
其中，λ为所述光源的中心波长，I(z)为所述信号强度，I bg为背景光强，γ为调制系数，
为所述包络高斯曲线，z为所述干涉物镜的位移，z 0为中心波长光程差为零的扫描位置，σ的表达式为：
其中，Δλ为λ的增量，W c为所述光源的相干长度，且
，所述光干涉信号随所述干涉物镜的位移的相位分布为：
其中，θ(z)为所述相位分布。
3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，
预设初始光源波长为λ init，驱动所述干涉物镜对所述待测样品进行扫描，所述干涉物镜的扫描步长与所述初始光源波长之间的关系式为：
其中，Δz为所述扫描步长，N为周期相移帧数，2N表示在一个信号周期内所述采样模块拍摄的次数；
所述干涉物镜的位移与所述扫描步长之间的关系式为：
其中，i为所述干涉物镜扫描位置的所述图像帧序。
4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，
在每个所述图像帧序处，在一个信号周期内对所述信号强度进行数字正交解调，得：
其中，i为所述图像帧序，R(i)为第一调制信号，Q(i)为第二调制信号，I n代表在图像帧序为n时的图像所代表的灰度值，所述关系曲线在每个所述图像帧序处的所述幅值和所述相位：
其中，a i为所述幅值，θ i为所述相位。
5.如权利要求4所述的测量方法，其特征在于，
使用最小二乘法对所述幅值序列进行高斯拟合以得到所述包络高斯曲线，其中，所述幅值序列为(a 1 ,a 2, …… , a M)，a M代表所述图像帧序为M时的所述幅值。
6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，
所述包络高斯曲线的表达式为：
其中，A、B、C为高斯曲线参数，
对所述包络高斯曲线的表达式两边取自然对数，得：
使用最小二乘法拟合所述包络高斯曲线，得：
其中，m1至m2表示参与所述包络高斯曲线拟合的所述图像帧序的范围。
7.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，
m1至m2范围确定的方法为：
确定所述幅值序列中的最大幅值位置；
以所述最大幅值位置为中心，在所述最大幅值位置附近获取所述图像帧序的范围为m1至m2的数据集合。
8.如权利要求6所述的测量方法，其特征在于，
分别对所述高斯曲线参数求偏导并写为方程为EX=F的矩阵形式，根据拟合得到的所述包络高斯曲线，得所述包络高斯曲线的峰值位置的表达式为：
其中，P0为所述峰值位置。
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征在于，
取所述峰值位置附近范围的J个点进行线性相位拟合，
通过所述光干涉信号随所述干涉物镜的位移的相位分布的表达式：
得到所述光干涉信号的相位相对于所述干涉物镜的位移的斜率为：
进而得到所述光源的中心波长：
其中，“
”代表相乘，k为斜率，θ 0表示初始相位分布。
10.一种光源中心波长的测量装置，为基于光干涉测量技术对光源的中心波长进行测量的测量装置，其特征在于，所述测量装置包括发生模块、时序同步发生器、驱动模块、干涉物镜、采样模块、以及数据处理模块；所述发生模块用于经所述干涉物镜向待测样品发出测量光束；所述时序同步发生器用于控制所述驱动模块以预设步长驱动所述干涉物镜移动的同时同步控制所述采样模块对所述待测样品进行均匀采样，其中，所述采样模块采集所述测量光束经所述待测样品反射的在所述干涉物镜中形成的反射光束以获得用于形成关于所述待测样品的多帧图像的光干涉信号；所述数据处理模块用于：构建所述多帧图像的采样帧数和所述光干涉信号的信号强度的关系曲线，并对所述关系曲线中每帧图像的所述信号强度进行数字正交解调以得到所述关系曲线中每帧图像处的幅值和相位；利用得到的所述多帧图像的幅值序列构建所述关系曲线的包络高斯曲线，并获得所述包络高斯曲线的峰值位置；在所述峰值位置附近得到所述多帧图像的图像帧序和在每帧图像处所述关系曲线的相位的拟合斜率，进而根据所述拟合斜率求出所述光源的中心波长。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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