[发明专利]基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置及方法

权利要求书

1.一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，其特征在于，包括光源系统、分光元件（8）、二维平移台（10）、第一反射镜（11）、光谱仪（14）和信号处理系统，所述光源系统包括飞秒光纤激光器（1），所述飞秒光纤激光器（1）的重复频率和偏置频率被锁定至原子钟上形成光学频率梳；所述光源系统发出的光束经分光元件（8）分为两束后，一束作为参考光束垂直入射至第一反射镜（11）；一束作为探测光束入射至放置在二维平台（10）上的待测样品（9）表面；参考光束和探测光束分别被反射后返回分光元件（8），在分光元件（8）处重合并发生干涉，干涉信号进入光谱仪（14）后，经所述信号处理系统计算得到待测样品的三维形貌；所述信号处理系统（Ⅲ）包括信号处理软件（15）和显示屏（16），信号处理软件（15）用于对从光谱仪（14）获得的干涉信号进行快速傅里叶变换后，得到傅里叶变换光谱图，并计算干涉信号的展开相位的斜率，并根据展开相位的斜率计算得到参考光束与测量光束的光程差，还用于根据不同坐标处的光程差生成待测样品的三维形貌后传输到显示屏（16）显示。

2.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，其特征在于，所述光源系统还包括掺饵光纤放大器（2），倍频模块（3），f-2f干涉仪（4）和电路锁定单元（5）和GPS模块（6）；所述飞秒光纤激光器（1）出射的飞秒激光经过掺饵光纤放大器（2）放大后一部分经过倍频模块（3）进行激光倍频后输出，一部分进入f-2f干涉仪（4）用来检测偏置频率，所述电路锁定单元（5）用于进行光学频率梳的重复频率和偏置频率的锁定，所述GPS模块（6）用于连接原子钟给电路锁定单元提供锁定参考频率。

3.根据权利要求2所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，其特征在于，所述飞秒光纤激光器（1）出射的飞秒激光波长为1560nm，脉冲的重复频率为250MHz，精度为10^-14Hz，所述电路锁定单元通过改变飞秒光纤激光器（1）上的压电陶瓷电压来改变腔长，进而锁定激光脉冲的重复频率；f-2f干涉仪（3）用于探测光学频率梳的偏置频率。

4.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，其特征在于，还包括第二反射镜（7）、第三反射镜（12）和透镜（13），所述第二反射镜（7）设置在光学频率梳光源的输出端与分光元件（8）之间，所述第三反射镜（12）和透镜（13）设置在分光元件（8）与光谱仪（14）之间。

5.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，其特征在于，所述光谱仪的波长范围为600-1700nm，波长精度为±0.01nm，波长分辨率为0.02nm。

6.一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的方法，其特征在于，采用权利要求1~5任一项所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的装置，包括以下步骤：

S1、干涉信号获得：通过光谱仪采集参考光束和探测光束在分光元件（8）处形成的干涉条纹；

S2、傅里叶变换分析：将获得的干涉信号进行快速傅里叶变换分析，获得傅里叶变换光谱图，然后计算获得干涉信号的展开相位的斜率k；

S3、计算光程差：计算公式为：

；

其中，c=3×10⁸m/s，表示光速，n表示空气折射率，d表示探测光束与参考光束的光程差；

S4、形貌表征：在两轴平面中以固定步距移动待测样品进行扫描，重复S1-S3的步骤，在x-y二维方向上获得待测样品不同位置处参考光束与测量光束的光程差d，然后在x-y-d三维坐标系里绘制光程差的变化，以获得待测样品不同位置的表面分布情况，从而实现待测样品的三维成像。

7.根据权利要求6所述的一种基于光学频率梳干涉测量法进行三维成像的方法，其特征在于，所述步距为0.5μm。