[发明专利]基于平面光栅分光的线型显微干涉光谱测量系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于平面光栅分光的线型显微干涉光谱测量系统，包括光源单元、干涉单元、光路分光单元、监控单元、光谱成像单元和数据处理单元，该系统截取了透过狭缝的干涉光，在经过光栅后被分解成单色光，对成像于高速相机上的光谱图像进行分析处理，本发明可快速获取样品轮廓信息，实现高精度表面形貌测量。

技术领域

本发明属于光学精密测量领域，涉及到一种基于平面光栅分光的线型显微干涉光谱测量系统与方法。

背景技术

随着超精密加工技术的发展，精密检测技术也在更多研究人员的关注中快速进步。相对于传统的检测技术，精密检测技术更关注的是微纳米尺寸的器件，测量对象包括几何参数，如结构的长、宽、高、深宽比；动态参数，如加速度、谐振频率；材料特性，如杨氏模量、硬度；力学特性，如应力分布、应变等。目前，超精密检测领域已经开发出许多检测技术和设备，按照测量方式分为接触式和非接触式，接触式测量如原子力显微镜，是让探针沿着样品表面轮廓进行扫描，使用方便，测量范围大，但是由于始终接触样品表面，容易对样品造成损害。非接触式测量一般基于光学原理，其中的代表方法是光学显微干涉法，它是光学干涉法和光学显微法的结合，具有高精度、快速、无损的特点。其主要包括单色光相移干涉和白光扫描干涉，单色光相移干涉仅适用于表面较为平坦的样品，白光扫描干涉克服了相位不确定的问题，但需要进行大量程扫描，在此基础上又发展了白光光谱干涉，利用光谱相位信息求解出样品表面形貌信息，其综合了光谱的速度和白光干涉的精度，在微纳器件的测量中具有重要的地位。

获得光谱的方式一是根据光的色散原理，利用光栅、棱镜和滤光片等分光元件将一束复色光分解成不同波长的单色光，利用光栅和棱镜分光的光谱仪称为色散型光谱仪，利用滤光片分光的光谱仪称为滤光片型光谱仪；另一种方式是根据光的干涉原理，改变干涉路径差，得到一系列不同位置的扫描图，对其进行傅里叶变换，从而得到不同频率的光谱图，根据该原理制成的光谱仪称为傅里叶型光谱仪。

在实际应用中，如海洋光学公司的HR2000+,属于色散型光谱仪，多用于光纤式白光光谱干涉，但由于其是由光纤进行输入，光纤的口径较小，最后得到的结果是平均后的单点数据，如果需要得到样品表面轮廓，仍需要对其进行一维扫描，测量时间增加，使其受外界环境干扰影响增大，而且光谱仪价格昂贵，也不利于小型集成化。

发明内容

为克服技术的不足，提出了基于平面光栅分光的线型显微干涉光谱测量系统与方法，该系统截取了透过狭缝的干涉光，在经过光栅后被分解成单色光，对成像于高速相机上的光谱图像进行分析处理，可快速获取样品的表面形貌信息。

为此，本发明采取的技术方案是：

提出一种基于平面光栅分光的线型显微干涉光谱测量系统，包括光源单元、干涉单元、光路分光单元、监控单元、光谱成像单元和数据处理单元。

其中所述光源单元进行光源输入，起照明作用；

所述干涉单元为Michelson干涉结构，通过改变测量端和参考端之间的光程差，产生携带样品表面信息的干涉光；

所述光路分光单元将干涉光分成两路，一路输入监控单元，另一路输入光谱成像单元；

所述监控单元实现对样品的实时观察，方便调整参考镜角度；

所述光谱成像单元是对经过狭缝后的长条形的干涉光进行波长分解，形成光谱图像，成像于高速相机上。

所述数据处理单元是对光谱成像单元的光谱图像进行分析处理，从而获得样品轮廓信息。

所述干涉单元由物镜、分光棱镜、参考镜、载物台、一维扫描电机、压电陶瓷定位器组成，其中；物镜、分光棱镜、参考镜构成了Michelson干涉物镜