[发明专利]一种表面轮廓成像装置及成像方法

说明书

本发明公开了一种表面轮廓成像装置及方法，涉及光学干涉检测技术，低相干光源发出的光束进入耦合器再进入扫描模块，经过扫描模块后的光束进入3D成像模块；3D成像模块中的分光棱镜将光束分成样品光和参考光，参考光进入参考光模块；由样品和参考光模块反射的光束经原路返回至耦合器，返回至耦合器的光束从耦合器的另一端进入光谱仪形成干涉光谱；由计算机处理形成样品表面的3D轮廓分布；2D成像模块采集样品表面2D图像并将信号传至计算机。本发明使用相对较窄的低相干光源，实现大测量范围高分辨率测量及成像，且成本低；2D成像和3D成像结果融合，实现3D结构和2D彩色双模式成像。

技术领域

本发明涉及光学干涉检测技术，尤其是涉及一种表面轮廓成像装置及成像方法。

背景技术

表面轮廓成像在工业产品检测、机械制造、半导体电子工业等领域均有非常重要的应用，是保证和提高机械、电子及光学系统性能、质量和寿命的关键因素之一。光学干涉技术具有非接触及分辨率高的优点，可以达到纳米及亚纳米的分辨率，但是其纵向测量范围(以下简称为测量范围)受到限制，如相移干涉法，只适合于表面高度变化较小的情况。

光学相干层析(optical coherence tomography,OCT)利用相干长度较短的低相干光源，具有深度分辨能力。OCT可分为时域OCT(TDOCT)和谱域OCT(SDOCT)。SDOCT虽然具有深度分辨能力，但是存在测量范围和分辨率之间的矛盾，利用频率可以实现较大测量范围(毫米数量级)，但是精度较低(十几微米)；使用相位，分辨率达到纳米及亚纳米，但是测量范围较小(几十微米)。目前，基于TDOCT的垂直扫描干涉技术已经是一种成熟的表面轮廓成像方法，但是垂直扫描干涉技术需要进行探测臂或参考臂的深度扫描，限制了成像速度，为应用带来不便。SDOCT不需要进行深度扫描，可以实现高速检测及成像。传统SDOCT的解调方法是傅里叶变换(FFT)，频率和深度成正比， FFT的理论分辨率由光谱仪带宽决定，等于，为光谱仪所对应的波数宽度，需要超宽带低相干光源才能实现微米分辨率，无法实现纳米级分辨率，而且超宽带低相干光源价格昂贵。在SDOCT，也可以利用相位信息，通过相位去卷绕，提高测量范围，但这种方法需要进行多次迭代运算，速度较慢。另外，在去卷绕方法中，由于探测光的波长较短(亚微米)，测量范围超过半波长，即产生相位卷绕，因此在大范围测量中(毫米数量级)，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，因此误差较大。

中国专利CN109297595B公开了一种光学相干层析相位解卷绕的方法及装置，其成像范围为2π/Δk，一般为几微米到几十微米，成像范围比较小；而且这种方法需要进行多次迭代运算，速度较慢；同时该发明利用相位去卷绕增加测量范围的方法，但是由于非卷绕范围为二分之一波长，为几百个纳米，因此在大范围测量中，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，误差较大。

中国专利CN106580258B公开了一种宽谱高分辨率光学相干层析成像系统，该发明使用的是时域方法，在进行每一点检测时，需要参考臂深度扫描，限制了成像速度，为应用带来不便；同时，该方法通过使用超宽带光源提高分辨率，超宽带光源价格昂贵，限制了其在表面轮廓成像的应用。

综上所述，仍存在以上技术问题。

发明内容

为了解决在大范围测量中(毫米数量级)，由于较大噪声存在，噪声对去卷绕的影响较大，误差较大的问题，本发明提供了一种表面轮廓成像装置及解调方法。

为了实现使用相对较窄的低相干光源，实现大测量范围(毫米数量级)高分辨率(纳米数量级)测量及成像的目的，本发明采用的技术方案如下：

一种表面轮廓成像装置，包括低相干光源，耦合器，扫描模块，3D成像模块，参考光模块，样品，光谱仪，计算机，2D成像模块；

所述低相干光源、耦合器、扫描模块、3D成像模块和样品依次设置，其中，所述低相干光源与耦合器光纤连接；所述耦合器与扫描模块光纤连接；