[发明专利]白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法及其装置

说明书

技术领域

本发明内容属于光学精细测量技术领域，涉及一种光学非接触测量的方法及其装置，特别是一种利用白光干涉原理测量样品表面形状精细分布的测量方法及其装置。

背景技术

近年来，随着精密制造技术的进步与发展，利用光干涉方法及其装置检测物体表面形状特别是精密光学平面物体表面形状的技术已得到日益广泛的应用。目前本领域已为使用者公知的光干涉测量方法主要有利用单波干涉仪和多波干涉仪两种类型干涉仪测量法，但它们在用于对具有光学平面的试验物体或样品表面形状分布进行非常高精度的测量时，相应还存在有数据采样时间较长、仪器本身的抗干扰能力较差以及测量精度和工作稳定性不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于对现有技术存在的问题加以解决，进而提供一种测量方式简单易行、测量数据准确可靠的白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法，并根据该方法提供一种结构设计合理、使用方便、数据采样时间短、仪器抗干扰能力强、测量精度高和工作稳定性能好的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置。

为实现上述第一项发明目的而提出的白光干涉测量样品表面形状精细分布的方法所包含工作过程的要点是：将一束白光分别投射到试验样品和干涉显微物镜的参考镜表面，从这两个表面反射的两束光再合成一束光投射至成像系统，在成像系统的CCD相机感光面形成两个叠加像的干涉条纹；通过改变样品和干涉显微物镜之间的距离，在CCD相机感光面形成多幅干涉图像，输入计算机后得到一系列白光干涉条纹信号，进而得到振幅调制信号与光源的光谱分布相关的余弦函数的包罗线分布，通过非等间隔时间采样方法采集到若干个振幅调制信号的离散值，根据采集到的振幅调制信号的离散值利用插值算法确定包罗线的中心位置，进而解析出试验样品表面的相对高度。

根据上述测量方法而设计的白光干涉测量样品表面形状精细分布的装置具有一个由白光光源、透镜和半反半透分光镜组成的照明光源系统、一个由CCD相机和透镜组成的光学成像系统和一个由干涉显微物镜和样品放置台组成的垂直扫描系统，半反半透分光镜以45°倾角设置在照明光源系统的光轴方向上，将光源照明光束分为下行反射光和上行或平行透射光两束光，光学成像系统的透镜和CCD相机同轴依次设置在其透射光的光轴方向上，干涉显微物镜包括显微透镜、半反半透参考镜和分光镜，它们依次同轴设置在半反半透分光镜反射光轴的下方，样品放置台设置在干涉显微物镜的下方。控制结构上，该装置CCD相机的信号输出端与一台配备了图像采集卡和相关图像采集软件的计算机的信号输入端连接，计算机的输出工作端可以通过机械传动控制机构驱动干涉显微物镜做上下移动，使干涉显微物镜和试验样品之间形成不同的测量间距。

工作中，由半反半透分光镜反射的光束分别投射到样品和干涉显微物镜的参考镜表面，从这两个表面反射的两束光(参考光和物体光)再次通过半反半透分光镜后合成一束光，并由成像系统在CCD相机感光面形成两个叠加的像。由于两束光相互干涉，在CCD相机感光面会观察到明暗相间的干涉条纹。实际测量时，通过计算机自动控制，垂直扫描系统精密驱动干涉显微物镜从上往下移动，对样品表面进行扫描，使两束光光程差的大小发生改变。CCD相机通过图像采集卡与计算机连接，在扫描过程中的每一个抽样位置，CCD相机都拍摄一幅干涉图像，并将拍摄的图像实时传送给计算机。计算机将这些干涉图像依次整理，形成一系列干涉图像。

本发明所述测量装置所使用的光源为白光光源，包括连续分布单色光。各个单色光自己相干，形成各自独立的干涉条纹，各个单色光的干涉条纹在CCD相机感光面上线性叠加，形成白光干涉条纹。白光干涉条纹的强度与参考光和物体光两束光的光程差密切相关，当两束光的光程差相同时，各单色光干涉条纹具有相同的位相，最终合成的白光干涉条纹强度最大；随着干涉显微物镜与样品间距的变化，两束光的光程差出现了差别，各单色光的位相也相应出现差别，导致白光干涉条纹降低，直至最后消失，最终合成的白光干涉条纹信号具有振幅受到调制信号的余弦函数的分布。振幅调制信号与光源的光谱分布相关，一般具有高斯函数或近似高斯函数分布。高斯函数分布也可以称做余弦函数的包罗线分布，它所出现的位置由样品的高度来决定，所以根据高斯函数分布中心即包罗线分布中心就可以唯一确定样品的高度。