基於led光源高精度的微分幹涉測量系統及方法
2023-07-28 16:52:41 1
專利名稱：基於led光源高精度的微分幹涉測量系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種微分幹涉測量系統及方法，尤其涉及一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統及方法。
背景技術：
雷射器自問世以來，基於其光束的方向性好和相干性強等優質特性被廣泛應用於光學測量中作為照明光源。但隨著產品性能的不斷提高，對表面的平整度要求也越來越嚴格，在測量高平滑的表面時，雷射器就會顯現出一些弊端，當光束在系統中傳播時，被各光學元件中的雜質、缺陷、甚至空氣中的塵埃散射的雜散光在接收屏上也會發生幹涉，形成相 幹噪聲或散斑噪聲，這些噪聲通過算法處理很難消除，而且嚴重的影響了測量結果，尤其對高平滑表面進行測量時，甚至會吞沒表面的形貌信息，難以實現測量的目的。
發明內容
本發明解決的技術問題是構建一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統及方法，克服現有技術雷射光束在系統傳播容易發生幹涉，形成相干噪聲或散斑噪聲的技術問題。本發明的技術方案是構建一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統，包括LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CCD圖像探測傳感器、採集幹涉光強圖的採集單元、重構待測樣品表面的重構單元，所述LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器依次設置在第一光軸上，所述待測樣品、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CXD圖像探測傳感器依次設置在第二光軸上，所述第一光軸與所述第二光軸通過所述分光稜鏡垂直連接，所述LED光源發出的光依次經過所述聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器後形成線偏振光，所述線偏振光經所述分光稜鏡反射進入所述單軸晶體後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品表面上，待測樣品表面的反射光經所述單軸晶體合成一束光經分光稜鏡、1/4波片和檢偏器後由所述成像透鏡在所述CCD圖像探測傳感器，所述採集單元通過所述CCD圖像探測傳感器採集光強圖，所述重構單元根據所述採集單元採集的光強圖重構待測樣品的表面。本發明的進一步技術方案是採用LED弱相干光作為照明光源，有效地抑制了相干噪聲及散斑噪聲的產生，提高了測量結果的信噪比，使系統的測量結果可以更真實的反應被測表面形貌信息，而且系統的可重複測量的能力得到增強。本發明的技術方案是提供一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，包括LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CCD圖像探測傳感器、採集幹涉光強圖的採集單元、重構待測樣品表面的重構單元，所述LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器依次設置在第一光軸上，所述待測樣品、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CXD圖像探測傳感器依次設置在第二光軸上，所述第一光軸與所述第二光軸通過所述分光稜鏡垂直連接，基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法包括如下步驟形成線偏振光所述LED光源發出的光依次經過所述聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器後形成線偏振光；幹涉成像所述線偏振光經所述分光稜鏡反射進入所述單軸晶體後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品表面上，待測樣品表面的反射光經所述單軸晶體合成一束光經分光稜鏡、1/4波片和檢偏器後由所述成像透鏡在所述CCD圖像探測傳感器；採集圖像依次採集至少三幅相位延遲/2的待測樣品表面的幹涉光強圖並提取出相位；
重構採用數值積分算法對提取出的相位信息進行處理，重構出待測樣品表面的形貌。本發明的進一步技術方案是在採集圖像步驟中，將幹涉光強圖譜寬內所有波長光相干疊加
I = d+ cos(叭—q>) dX式中，X ^為中心波長，is，h為兩束相干光的光功率密度，％為被測表面的相位信息，9 為每次引入的相位延遲。本發明的進一步技術方案是在採集圖像步驟中，提取出相位為
<ps = arctan 匕-其中A入為幹涉光的譜寬，的為被測表面的相位信息。本發明的進一步技術方案是在重構步驟中，將被測信息沿X方向量化了，採用數值積分算法重構被測表面高度信息為H (Xi ,y) = H (-V1 ,j)+Y [sx {x,_,，y) + Sx (Xi，y)]H(x0, y) =0 i = l，2r..n式中，X ^為中心波長，A A為幹涉光的譜寬，H(Xi，y)為被測表面的高度，x、y表示被測量點的位置坐標，Xi表示沿X方向量化的離散點的位置坐標，Sx (x，y)為被測面高度信息沿X方向的斜率
13sinf — Hix^ >')V^
/ \ A0 JiO-, /2 I X J Sx(x,y) =-arctan-；——7-{■——
'4MX少；f 4tt / .
；；cos Hix, v \cl/.
L /i v jjJ
本發明的技術效果是構建一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統及方法，採用LED弱相干光作為照明光源，通過弱相干光信息處理算法，重構被測表面形貌信息，由於LED相干長度短,光束在傳播過程中被散射的雜散光在接收屏上不能發生幹涉,從而避免了相干噪聲或散斑噪聲的產生，進而提高了系統的測量精度。而且LED作為照明光源減小了整體系統的封裝尺寸，使系統的結構更加緊湊。雷射器作為照明光源時，其價格在整個系統中佔了相當的比重，而使用廉價的LED作為光源大大的降低了光學測量系統的成本，可實現批量生產。
圖I為本發明的結構示意圖。圖2為本發明的流程圖。
具體實施例方式下面結合具體實施例，對本發明技術方案進一步說明。如圖I所示，本發明具體實施方式
是構建一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統，包括LED光源I、聚焦透鏡2、可調光闌3、濾波器4、準直透鏡5、幹涉濾光片6、起偏器7、單軸晶體9、分光稜鏡8、I/4波片11、檢偏器12、成像透鏡13、C⑶圖像探測傳感器14、採集幹涉光強圖的採集單元15、重構待測樣品表面的重構單元16，所述LED光源I、聚焦透鏡2、可調光闌3、濾波器4、準直透鏡5、幹涉濾光片6、起偏器7依次設置在第一光軸上，所述待測樣品10、單軸晶體9、分光稜鏡8、1/4波片11、檢偏器12、成像透鏡13、(XD圖像探測傳感器14依次設置在第二光軸上，所述第一光軸與所述第二光軸通過所述分光稜鏡8垂直連接，所述LED光源I發出的光依次經過所述聚焦透鏡2、可調光闌3、濾波器4、準直透鏡
5、幹涉濾光片6後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器7後形成線偏振光，所述線偏振光經所述分光稜鏡8反射進入所述單軸晶體9後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品10表面上,待測樣品10表面的反射光經所述單軸晶體9合成一束光經分光稜鏡8、1/4波片11和檢偏器12後由所述成像透鏡13在所述CXD圖像探測傳感器14，所述採集單元15通過所述CXD圖像探測傳感器14採集光強圖，所述重構單元16根據所述採集單元15採集的光強圖重構待測樣品10的表面。如圖I所示，本發明的優選實施方式是所述LED光源為發光二級管(LED)。所述LED光源出射光的發散角為120°，該出射光被所述聚焦透鏡2會聚在準直透鏡5的焦平面上，在準直透鏡5的物方焦平面上放置所述的針孔濾波器4，對所述LED光源I的像進行空間濾波，隨後經所述的準直透鏡5，出射平行於第一光軸的平行光束，再經幹涉濾光片6，改善光束的時間相干性，從而獲得一束具有一定相干性且光波能量均勻分布的平行光束。所述的可調光闌3通過調節光闌孔徑的大小可以改變照在所述的被測表面上的光斑的大小，同時有去除雜散光的作用。所述濾波器4為針孔濾波器，所述的自製的針孔濾波器的針孔直徑為480m，改善了光束的空間相干性，同時保證了所述的弱相干光透過的光通量。如圖I所示，本發明的優選實施例中所述的幹涉濾光片6的中心透射波長為532. 5nm，透射譜寬為9. 7nm，峰值透射率為62. 4%，改善了光束的時間相干性，同時較高的峰值透射率保證了所述的弱相干光透過的光通量。所述分光稜鏡8為消偏振分光稜鏡。所述單軸晶體9為單軸平晶。如圖I、圖2所示，本發明具體實施方式
是提供一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，包括LED光源I、聚焦透鏡2、可調光闌3、濾波器4、準直透鏡5、幹涉濾光片
6、起偏器7、單軸晶體9、分光稜鏡8、1/4波片11、檢偏器12、成像透鏡13、CXD圖像探測傳感器14、採集幹涉光強圖的採集單元15、重構待測樣品表面的重構單元16，所述LED光源
1、聚焦透鏡2、可調光闌3、濾波器4、準直透鏡5、幹涉濾光片6、起偏器7依次設置在第一光軸上，所述待測樣品10、單軸晶體9、分光稜鏡8、1/4波片11、檢偏器12、成像透鏡13、CXD圖像探測傳感器14依次設置在第二光軸上，所述第一光軸與所述第二光軸通過所述分光稜鏡8垂直連接，基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法包括如下步驟
步驟I :形成線偏振光，即所述LED光源發出的光依次經過所述聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器後形成線偏振光。如圖I所示，具體實施過程如下所述LED光源I發出的光依次經過所述聚焦透鏡
2、可調光闌3、濾波器4、準直透鏡5、幹涉濾光片6後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器7後形成線偏振光。步驟2 :幹涉成像，即所述線偏振光經所述分光稜鏡反射進入所述單軸晶體後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品表面上，待測樣品表面的反射光經所述單軸晶體合成一束光經分光稜鏡、1/4波片和檢偏器後由所述成像透鏡在所述CXD圖像探測傳感器；如圖I所示，具體實施過程如下所述線偏振光經所述分光稜鏡8反射進入所述單軸晶體9後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品10表面上，待測樣品10表面的反射光經所述單軸晶體9合成一束光,經分光稜鏡8、1/4波片11和檢偏器12後由所述成像透鏡13在所述CXD圖像探測傳感器14上形成幹涉圖像。CXD圖像探測傳感器14每採集完一幅圖之後，通過旋轉檢偏器12引入/2的相位延遲，然後CXD圖像探測傳感器14再採集下一幅圖，如此操作，完成至少三幅幹涉光強圖的採集，本實施例以五幅為例進行說明。步驟3 :採集圖像，即依次採集至少三幅相位延遲/2的待測樣品表面的幹涉光強圖並提取出相位。本實施例以五幅為例進行說明。步驟4 :重構，即採用數值積分算法對提取出的相位信息進行處理，重構出待測樣品表面的形貌。採集圖像和重構的具體過程如下由於弱相干光具有一定的頻譜寬度A X，實際幹涉光強圖是譜寬內所有波長光的相干疊加。此時，CCD記錄的光強應該用一個對波長積分的式子表不
I=1^jl+拓 cos^ m(丄)式中，A ^為中心波長，is, ir為兩束相干光的光功率密度，死為被測表面的相位信息，爐為每次引入的相位延遲。假設A A範圍內各波長光功率密度相等，則(I)式可簡寫為
權利要求
1.一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統，其特徵在於，包括LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CXD圖像探測傳感器、採集幹涉光強圖的採集單元、重構待測樣品表面的重構單元，所述LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器依次設置在第一光軸上，所述待測樣品、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CCD圖像探測傳感器依次設置在第二光軸上，所述第一光軸與所述第二光軸通過所述分光稜鏡垂直連接，所述LED光源發出的光依次經過所述聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器後形成線偏振光，所述線偏振光經所述分光稜鏡反射進入所述單軸晶體後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品表面上，待測樣品表面的反射光經所述單軸晶體合成一束光經分光稜鏡、1/4波片和檢偏器後由所述成像透鏡在所述CCD圖像探測傳感器，所述採集單元通過所述CCD圖像探測傳感器採集光強圖，所述重構單元根據所述採集單元採集的光強圖重構待測樣品的表面。
2.一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，其特徵在於，採用LED弱相干光作為照明光源，有效地抑制了相干噪聲及散斑噪聲的產生，提高了測量結果的信噪比，使系統的測量結果可以更真實的反應被測表面形貌信息，而且系統的可重複測量的能力得到增強。
3.一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，其特徵在於，包括LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CXD圖像探測傳感器、採集幹涉光強圖的採集單元、重構待測樣品表面的重構單元，所述LED光源、聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片、起偏器依次設置在第一光軸上，所述待測樣品、單軸晶體、分光稜鏡、1/4波片、檢偏器、成像透鏡、CCD圖像探測傳感器依次設置在第二光軸上，所述第一光軸與所述第二光軸通過所述分光稜鏡垂直連接，基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法包括如下步驟 形成線偏振光所述LED光源發出的光依次經過所述聚焦透鏡、可調光闌、濾波器、準直透鏡、幹涉濾光片後形成平行於第一光軸傳播的均勻光束，所述均勻光束經所述起偏器後形成線偏振光； 幹涉成像所述線偏振光經所述分光稜鏡反射進入所述單軸晶體後被微分剪切成兩束振動方向互相垂直的線偏振光照射在待測樣品表面上，待測樣品表面的反射光經所述單軸晶體合成一束光經分光稜鏡、1/4波片和檢偏器後由所述成像透鏡在所述CCD圖像探測傳感器； 採集圖像依次採集至少三幅相位延遲n/2的待測樣品表面的幹涉光強圖並提取出相位； 重構採用數值積分算法對提取出的相位信息進行處理，重構出待測樣品表面的形貌。
4.根據權利要求3所述基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，其特徵在於，在採集圖像步驟中，將幹涉光強圖譜寬內所有波長光相干疊加
5.根據權利要求3所述基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，其特徵在於，在採集圖像步驟中，提取出相位為 其中Atl為中心波長，Δ λ為幹涉光的譜寬，死為被測表面的相位信息。
6.根據權利要求3所述基於LED光源高精度的微分幹涉測量方法，其特徵在於，在重構步驟中，將被測信息沿X方向量化了，採用數值積分算法重構被測表面高度信息為 H(χ0, y) =0 i = I, 2，…η 式中，λ ^為中心波長，Δ λ為幹涉光的譜寬，H(Xi，y)為被測表面的高度，x、y表示被測量點的位置坐標，Xi表示沿X方向量化的離散點的位置坐標，Sx(x, y)為被測面高度信息沿X方向的斜率
全文摘要
本發明涉及一種基於LED光源高精度的微分幹涉測量系統及方法，採用LED弱相干光作為照明光源，由於其相干長度短，光束在傳播過程中被散射的雜散光在接收屏上不能發生幹涉，從而避免了相干噪聲或散斑噪聲的產生，進而提高了系統的測量精度。LED光源作為照明光源減小了整體系統的封裝尺寸，使系統的結構更加緊湊。雷射器作為照明光源時，其價格在整個系統中佔了相當的比重，而使用廉價的LED作為光源大大的降低了光學測量系統的成本，可實現批量生產。
文檔編號G01B11/24GK102679907SQ201210178838
公開日2012年9月19日 申請日期2012年6月1日 優先權日2012年6月1日
發明者姚勇, 孫雲旭, 盛希晨, 趙勇, 陳伯雙 申請人:哈爾濱工業大學深圳研究生院