專利名稱：濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用以實時求出被檢測表面形貌的光學干涉鄰
動態(tài)表面形貌檢測的動態(tài)干涉測量系統(tǒng)。具體來說，本發(fā)明涉及 統(tǒng)，消除了時域干涉測量儀的外界干擾及移相器引入的誤差。
背景技術(shù)：
在光學元件生產(chǎn)、集成電路硅片表面加工、生物醫(yī)學、精密制造等領(lǐng)域中，表面形 貌對器件的性能、成品率、壽命等有重大影響，甚至影響人體健康。近幾年，在制造業(yè)生產(chǎn)線 中移動的被檢測物體，以在線(實時)狀態(tài)進行光學干涉測量的需求正在逐漸增高。如用 于液晶顯示器或等離子體顯示器等薄膜材料的制造、硅片加工等進行在線測量，并將測量 結(jié)果反饋到制造條件的控制。因此，在生產(chǎn)過程中承擔著極其重要的檢驗任務，特別是在大 尺寸高精度器件檢測中尤其如此。目前，作為表面形貌檢測方法主要有傳統(tǒng)移相法、4D干 涉法。傳統(tǒng)移相法主要是步進移相法和連續(xù)移相法。步進移相法精度高、靈敏度高、速度快 等優(yōu)點，但極易受外界振動的影響，且精確移相控制難(Joanna Schmit，F(xiàn)lorin Muntea皿. Limitations of iterative leastsquares methods in phase shifting interferometry in the presence ofvibrations [C] Proc. SPIE， 2005， 5965 :0z_l 0z_ll)。連續(xù)移相f去 主要有正弓玄移相法(0. Sasaki ，H. Okazki. Sinusoidal phase modulating interf erometry forsurface profile memeasu-memeasur-ement[J]. Appl. Opt. ，25(18) ，1986 ;何國田，物 體表面形貌納米精度的實時干涉測量裝置及其測量方法，專利200710037264. 4)，該方法 移相簡單、精度高、信噪比高等優(yōu)點，但移相存在非線性誤差，易受外界振動影響，需要高速 CCD等問題。 由上述可知，外界振動對測量產(chǎn)生的影響是造成干涉儀與被測元件之間產(chǎn)生相 對位移的原因。因此，只要在一個振動周期內(nèi)完成量測，就能消除其影響。美國4D公司近 年推出4D干涉測量方法，正是基于這樣的思想形成的。該方法利用光的偏振特性，設計出 特制的掩模板(定向微偏振片陣列)，采用空間移相技術(shù)得出相鄰4個像素相位彼此相差 n /2，達到4步移相目的，即一幅干涉圖即可得出測量結(jié)果。具有抗振、實時檢測的優(yōu)點，適 合于惡劣環(huán)境下的測量。但存在分辨率降低等問題；通過算法提高分辨率，又增加了測量時 間。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述不足，本發(fā)明提供一種可在惡劣環(huán)境下進行在線測量的濾波鑒相式 動態(tài)干涉測量測量系統(tǒng)，只需一幅干涉圖就能得出測量結(jié)果，不降低CCD的分辨率，對測量 環(huán)境沒有特別要求，具有抗干擾能力強、測量精度高、性噪比高、分辨率高、測量時間短等特 點。 本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下 為了解決上述問題，在本發(fā)明提出一種濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，僅在探測
犯量系統(tǒng)，特別是涉及用于 一種抗振實時干涉測量系器容許的曝光時間內(nèi)拍攝一幀干涉圖，得到瞬間被檢測物體的相位信息圖。本測量系統(tǒng) (如圖l所示)由干涉光學系統(tǒng)、光電探測器與濾波鑒相系統(tǒng)構(gòu)成，對被檢測物體進行光學 干涉測量。其干涉光學系統(tǒng)包括光路及移相裝置；濾波鑒相系統(tǒng)包括同步移相控制電路與 信號處理電路。 其中所述光學系統(tǒng)包括光源、分束器、準直擴束鏡、參考鏡、被測物體、光闌、透鏡， 所述光源、分束器、準直擴束鏡、參考鏡、被測物體、光闌、透鏡和光電探測器依次置于光路 中，在參考鏡背面固定一移相裝置 所述光源發(fā)出的光依次經(jīng)過分束器、準直擴束鏡、參考鏡、移相裝置后投射到被測 物體表面上后，其反射光透過參考鏡與參考鏡前表面的反射光相遇發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng) 準直擴束鏡、分束器、參考鏡、透鏡投射到光電探測器的光敏面上將其轉(zhuǎn)換成電信號；
所述光電探測器連接信號處理電路，將電信號輸入信號處理電路濾除其正弦調(diào)制 信號，即得到被測量物體的表面形貌； 所述同步移相控制電路由信號源、分頻器、脈沖發(fā)生器、正弦信號源、合成器、直流
源、電壓放大器構(gòu)成；信號源連接分頻器，經(jīng)N分頻后輸出二路， 一路連接脈沖發(fā)生器，形成
窄脈沖，再與光電探測器相連，控制光電探測器的曝光時間；另一路連接正弦信號源，控制
正弦信號源產(chǎn)生的正弦信號，正弦信號源與直流源連接合成器，使正弦信號與直流源的直
流在合成器中合成后，再連接電壓放大器，電壓放大器最后連接移相裝置，放大驅(qū)動移相裝
置作移相操作，達到正弦移相目的； 所述信號處理電路完成放大、乘法、濾波運算。 所述的移相裝置是由三個壓電陶瓷器件PZT構(gòu)成(PZT1、PZT2、PZT3)，成60。排列
固定在參考鏡背面，推動參考鏡沿光軸方向作正弦運動，對干涉信號相位進行調(diào)制。 所述的光電探測器是一 CCD照像機或光電陣列。光源采用He-Ne激光器或SLD光源。 在本發(fā)明的技術(shù)方案中，用三個PZT構(gòu)成移相器推動參考鏡Reference沿光軸方 向作正弦運動。使得儀器的結(jié)構(gòu)緊湊、移相簡單。配合脈沖發(fā)生器，將正弦信號經(jīng)脈沖發(fā)生 器進行整形，形成控制CCD曝光時間的快門信號，其曝光時間小于100 i！ s。外界振動、空氣 振動等干擾小于300Hz，在如此短的時間內(nèi)，干擾無法疊加到干涉信號中去，從而實現(xiàn)消除 外界干擾的目的。高精度低通多階濾波電路的截止頻率小于100Hz，不受移相器非線性誤差 影響，且消除了高頻干擾。因此，本干涉儀抗振性能強，移相與結(jié)構(gòu)簡單，不會降低CCD的分 辨率，測量速度快，精度高，具有良好的應用前景。


圖1為濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)的框圖；
圖2為同步移相控制電路及信號處理電路框圖。
具體實施例方式
為進一步說明本發(fā)明的上述目的、技術(shù)方案和效果，以下通過實施例結(jié)合上述各 圖對發(fā)明進行詳細的描述。請先參閱圖l所示，它是一抗振的Fizeau干涉測量裝置。
其中以激光器Laser為光源l，它和分束器1、準直擴束鏡3、參考鏡4、移相裝置5 (PZT1、 PZT2、 PZT3)、被測物體6、光闌7、透鏡8、 CCD光電探測器9依次置于光路中。
激光器發(fā)出的光依次經(jīng)過分束器2、準直擴束鏡3、參考鏡4后投射到被測物體6 表面上后，其反射光透過參考鏡4與參考鏡前表面的反射光相遇發(fā)生干涉。干涉信號經(jīng)準 直擴束3、分束器2、光闌7、透鏡8投射到CCD光電探測器9的光敏面上，將其轉(zhuǎn)換成電信 號。該電信號經(jīng)信號處理電路濾除其正弦信號，即得到被測量物體的表面形貌。同步移相 控制電路產(chǎn)生的正弦信號控制光電探測器的曝光時間(如圖2所示)。
所述光源1為相干光源或低相干光源，如He-Ne激光器或SLD光源。
所述分束器2為一半透半反光學器件。
所述準直擴束鏡3為一透鏡組。 所述參考鏡4為一高精度平面鏡，背面粘貼三個PZT(成60°排列)，三個壓電陶 瓷(PZT)構(gòu)成移相裝置5。 所述的移相裝置是由三個壓電陶瓷器件PZT構(gòu)成，成60°排列固定在參考鏡4背 面，推動參考鏡4沿光軸方向作正弦運動，對干涉信號相位進行調(diào)制。
所述被測量物體6為一玻璃鏡面。
所述的7為一可調(diào)光闌。 所述的8為一成像透鏡，將干涉條紋成像在CCD光敏面上。 所述的光電探測器9是一 CCD照像機或光電陣列(分辨率100萬像素，幀頻30幀 /秒)。干涉信號為 S(x， y， t) = S,S。cos[zcos co0t+a 0+a (x， y)] (1) 其中S工為干涉信號直流分量，S。為干涉信號交流分量的振幅。z = 4 Ji a/ A為正
弦相位調(diào)制深度，A為激光的波長。a。為兩干涉臂的初始相位差，a (x，y)為被測量物體
表面形貌引起的相位。 所述濾波鑒相系統(tǒng)10包括同步移相控制電路與信號處理電路，具體如圖2所示
所述1001為一信號源(Agilent33120A)，輸出二路頻率為f的矩形波，一路輸入 A/D轉(zhuǎn)換電路作為采樣脈沖，另一路輸入分頻器1002。 所述分頻器1002是8位分頻器，輸出頻率為f。的方波(f = 8f。)送入正弦信號源 1003的同步端。 所述1003為一低頻正弦信號發(fā)生器(建伍KE麗00D AG203D)，該信號發(fā)生器輸出 正弦信號acos (2 Ji f。+ e )驅(qū)動移相裝置5作正弦運動。 所述1004為合成器，采用一加法器，為移相裝置5提供直流及交流驅(qū)動電壓。
所述1005為一脈沖生成器，脈沖頻率為f。，控制CCD光電探測器9的快門，即控制
CCD光電探測器9的曝光時間(小于100i!s)。其快門開啟頻率同正弦信號頻率相同，且同
止 少。 所述1006為直流源。 所述電壓放大器11將正弦信號進行放大。 所述1201為一乘法器。CCD光電探測器9輸出的干涉信號與信號發(fā)生器1003輸 出的正弦信號分別送入乘法器輸入端。 所述1202為一高精度10階低通濾波器(精度小于0.001db，截止頻率小于 100Hz)。乘法器1003的輸出端與高精度低通多階濾波器1202的輸入端相連。則高精度低通多階濾波器1202輸出信號為 P(x， y) = ksina (x， y) (2) 式中k為系統(tǒng)系數(shù)。 所述12為一形貌計算與顯示裝置。表面形貌計算公式為Kw) = ^^ (3) 顯示裝置為計算機顯示器，且一幅干涉圖就可測得結(jié)果。
所述同步移相控制、信號處理、形貌計算由DSP完成。 以上對本發(fā)明的實施進行了描述，但本發(fā)明不僅限于上面的實施實例。例如，上述 實例的光源可用半導體激光器作光源。調(diào)制方式采用外調(diào)制(PZT)，也可采用內(nèi)調(diào)制(波長 調(diào)制)或光熱調(diào)制。 上述濾波器可用高于十階的低通濾波器，也可用數(shù)字濾波器。
上述濾波方法也可采用軟件濾波。 此外，上述實施實例中是Fizeaua干涉儀，但本發(fā)明方法也可用于諸如泰曼格林 干涉儀、剪切干涉儀之類其他干涉儀。 由于具有上述描述的正弦移相方法、CCD采集方法、低通濾波方法及同步鑒相技 術(shù)，據(jù)此發(fā)明的濾波鑒相式動態(tài)干涉儀，即使樣品表面振動(環(huán)境干擾)或移相裝置的非線 性引入誤差，都可以通過調(diào)整CCD采集時間或高精度低通多階濾器的截止頻率給予消除。 因此，可以進行不受環(huán)境影響的準確干涉測量，這對于處理工業(yè)過程中的現(xiàn)場測量特別有 效，能在復雜環(huán)境下工作，真正實現(xiàn)干涉儀從實驗室走向工業(yè)現(xiàn)場測量領(lǐng)域。
本發(fā)明消除了干涉測量儀的外界干擾及移相裝置引入的誤差。解決了時域相移干 涉儀對外界干擾敏感的共性問題，同時對移相裝置相移要求低、控制簡單。解決了 4D干涉 技術(shù)分辨率降低的難題，并打破其技術(shù)封鎖問題。干涉儀將從實驗平臺走向工業(yè)現(xiàn)場工作。
權(quán)利要求
一種濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其包括干涉光學系統(tǒng)、光電探測器與濾波鑒相系統(tǒng)；所述干涉光學系統(tǒng)包括光路及移相裝置；濾波鑒相系統(tǒng)包括同步移相控制電路與信號處理電路，其特征在于其中所述光學系統(tǒng)包括光源、分束器、準直擴束鏡、參考鏡、被測物體、光闌、透鏡，所述光源、分束器、準直擴束鏡、參考鏡、被測物體、光闌、透鏡和光電探測器依次置于光路中，在參考鏡背面固定一移相裝置所述光源發(fā)出的光依次經(jīng)過分束器、準直擴束鏡、參考鏡、移相裝置后投射到被測物體表面上后，其反射光透過參考鏡與參考鏡前表面的反射光相遇發(fā)生干涉，干涉信號經(jīng)準直擴束鏡、分束器、參考鏡、透鏡投射到光電探測器的光敏面上將其轉(zhuǎn)換成電信號；所述光電探測器連接信號處理電路，將電信號輸入信號處理電路濾除其正弦調(diào)制信號，即得到被測量物體的表面形貌；所述同步移相控制電路由信號源、分頻器、脈沖發(fā)生器、正弦信號源、合成器、直流源、電壓放大器構(gòu)成；信號源連接分頻器，經(jīng)N分頻后輸出二路，一路連接脈沖發(fā)生器，形成窄脈沖，再與光電探測器相連，控制光電探測器的曝光時間；另一路連接正弦信號源，控制正弦信號源產(chǎn)生的正弦信號，正弦信號源與直流源連接合成器，使正弦信號與直流源的直流在合成器中合成后，再連接電壓放大器，電壓放大器最后連接移相裝置，放大驅(qū)動移相裝置作移相操作，達到正弦移相目的；所述信號處理電路完成放大、乘法、濾波運算。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的移相裝 置是采用三個壓電陶瓷構(gòu)成，推動參考鏡沿光軸方向作正弦運動，對干涉信號相位進行調(diào) 制。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其特征在于，所述構(gòu)成移相 裝置的三個壓電陶瓷成60。排列固定在參考鏡背面。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其特征在于，所述光源采用 He-Ne激光器或SLD光源。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其特征在于，所述的光電探 測器是一 CCD照像機或光電陣列。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其特征在于，所述同步移相 控制電路中所述信號源輸出二路頻率為f的矩形波， 一路輸入A/D轉(zhuǎn)換電路作為采樣脈沖，另一路 輸入分頻器；所述分頻器是N位分頻器，輸出頻率為f。的方波(f =附。)，連接正弦信號源的同步端； 所述正弦信號源為一低頻信號發(fā)生器，該信號發(fā)生器輸出一路正弦調(diào)制信號 acos(2 Ji f。t+ e )驅(qū)動移相裝置作正弦運動，另一路作同步信號送信號處理電路。 所述合成器為一加法器，為移相裝置提供直流及交流驅(qū)動電壓；所述脈沖生成器的脈沖頻率為f。，控制光電探測器的快門，即CCD光電探測器的曝光時 間，所述曝光時間小于100i! s，其快門開啟頻率同正弦相位調(diào)制信號頻率相同，且同步； 所述電壓放大器將正弦信號進行放大，輸出給移相裝置(5)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其特征在于，所述信號處理電路包括濾波器、乘法器，所述濾波器為一高精度低通多階濾波器，精度小于0. 001db，截止 頻率小于100Hz ;乘法器的輸出端與濾波器的輸入端相連，濾波器輸出信號為P (x， y) = ksin a (x， y)式中k為系統(tǒng)系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種濾波鑒相式動態(tài)干涉測量系統(tǒng)，其由干涉光學系統(tǒng)、光電探測器與濾波鑒相系統(tǒng)構(gòu)成，對被檢測物體進行光學干涉測量。其干涉光學系統(tǒng)包括光路及移相裝置；濾波鑒相系統(tǒng)包括同步移相控制電路與信號處理電路。本發(fā)明提供的測量系統(tǒng)可在惡劣環(huán)境下進行在線測量，只需一幅干涉圖就能得出測量結(jié)果，不降低CCD的分辨率，對測量環(huán)境沒有特別要求，具有抗干擾能力強、測量精度高、性噪比高、分辨率高、測量時間短等特點。
文檔編號G01B11/24GK101706253SQ200910191609
公開日2010年5月12日 申請日期2009年11月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月26日
發(fā)明者何國田, 冉迎春, 張德勝, 曾智, 曾毅, 馬燕, 龍興明 申請人:重慶師范大學