[发明专利]合成波干涉纳米表面三维在线测量系统及方法

权利要求书

1.一种利用光线扫描的合成波干涉纳米表面三维在线测量系统，其特征在于：利用一系列并行的合成波组成的平行光片扫描被测器件表面进行线扫描测量，测量光路与参考光路共路构成共路干涉系统；该系统是由超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、双周期光栅G、准直透镜L1、分光镜BS、平柱聚焦透镜L2、纵向微动工作台M1、横向微动工作台M2、高速线阵CCD、相位测量、信号发生器、A/D转换卡、计算机、结果输出、驱动控制组成；利用一个中心波长为850nm谱宽40nm的超辐射发光二极管SLD、光纤自准直透镜Z、双周期光栅G、分光镜BS、平面镀了半透半反膜的平柱聚焦透镜L2构成一个共路干涉仪，使环境振动和温度漂移对测量系统的影响得到共模抑制，从而使该测量系统适用于在线测量。

2.根据权利要求1所述的一种利用光线扫描的合成波干涉纳米表面三维在线测量系统，其特征在于：双周期光栅G，在一块玻璃平板上的同一部位刻制两种不同周期的光栅，每一种周期的光栅对同一种波长的同一级次的色散角不同，所以当某一波长入射到此双周期光栅G上时，在同一色散级次存在两个色散角不同的色散光束，从而使此双周期光栅G具有双色散特性。

3.一种利用光线扫描的合成波干涉纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：利用超辐射发光二极管SLD发出谱宽40nm的光经过光纤自准透镜Z后准直成平行光束，双周期光栅G将此平行光束色散成两个波长在空间连续均匀分布的扇形光片，经准直透镜L1准直后成为两个横向错位并部分重叠的平行光片，这两个平行光片在空间重叠的部分形成由一系列并行的合成波组成的平行光片；此合成波平行光片透过分光镜BS后垂直入射到平柱聚焦透镜L2上，平柱聚焦透镜L2的平面镀有半透半反膜，合成波平行光片一半的光强被反射，沿原路返回，此部分光作为参考光；另一半的光强透射，被聚焦成一条宽度小于1μm的光线，此光线扫描被测器件表面，由被测表面反射回系统中并与参考光相遇发生干涉，合成波干涉信号经过分光镜BS反射由高速线阵CCD探测，CCD不同的像素探测到被测表面不同被测点反射回的光与参考光相遇产生的干涉信号；被测表面的纵向(垂直于被测表面)信息载于干涉信号的相位变化中，解调出CCD每个像素干涉信号的相位变化量，即测量出被测表面上对应被测点的纵向变化量；为解调干涉信号的相位变化量，信号发生器发出锯齿波信号经驱动控制环节驱动纵向微动工作台M1匀速纵向扫描实现对测量光路光程的调节，调节工作台的初始位置以及锯齿波信号幅值，使纵向微动工作台M1扫描过程中锯齿波信号与CCD的某一个像素的干涉信号同频率同相位地变化；如果被测表面是理想平面，CCD的其它像素的干涉信号也与锯齿波信号同频率同相位；如果被测表面是具有凸台和深槽结构的表面，存在Δh的纵向变化，那么干涉信号与锯齿波信号的相位差为其中合成波长${\mathrm{\λ}}_s=\frac{{\mathrm{\λ}}_1{\mathrm{\λ}}_2}{{\mathrm{\λ}}_1-{\mathrm{\λ}}_2};$经相位测量环节测出其相位差A，经过A/D转换卡作模数转换，再由计算机作数据处理，即测量出对应被测点的纵向变化值Δh，对线阵CCD的每个像素输出的干涉信号依次进行这样的处理，即完成被测表面的二维测量；驱动控制驱动横向微动工作台M2，实现光线横向扫描被测表面，再逐个对线阵CCD每个像素输出的干涉信号作相同的处理，即完成被测表面的三维测量。

4.根据权利要求3所述的一种利用光线扫描的合成波干涉纳米表面三维在线测量方法，其特征在于：利用合成波干涉的方法扩大量程，使系统的测量量程突破了光波波长的限制，量程决定于合成波长λ_s，本系统的测量量程为λ_s/2，通过调节双周期光栅G的两个光栅周期，可调节合成波长λ_s的大小，以得到不同大小的测量量程；测量量程可达600～1000μm，分辨率优于5nm，适用于具有凸台和深槽结构的纳米表面三维在线测量。