一种偏振相机差动白光干涉测量装置

1.本发明涉及白光干涉技术领域，尤其涉及一种偏振相机差动白光干涉测量装置。


背景技术：

2.超精密加工技术是指亚微米级和纳米级精度的加工技术，亚微米级加工表面粗糙度ra在0.005μm-0.03μm之间，纳米加工表面粗糙度ra≤0.005μm。随着电子、机械、材料、光学等工业的进步与发展，零件加工的需求不断增长，对加工表面的的三维形貌检测要求日益提高，高精度的三维形貌检测可以在加工过程中发现零件表面问题，帮助改进加工工艺，提高零件表面加工质量，并最终确定零件的合格与否。
3.常见的表面检测方法有机械探针法、扫描隧道显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、光学探针法、光学三角法、光学显微干涉法等。其中白光干涉法因其测量精度高、量程大、速度快、范围大、与样品非接触、可测量非连续表面等特点被广泛应用，白光干涉技术的发展历史悠久，目前主要有三种结构系统，分别是michelson型、linnk型、mirau型。
4.如图1所示为现有技术中linnk型显微干涉系统的结构示意图，入射光从左侧入射，被分光棱镜分为两束，一束经过显微物镜聚焦后照射到样品上，反射光经过显微物镜后又变成平行光，另一束光经过显微物镜后被参考反射镜反射，反射光经过显微物镜后与样品的反射光产生干涉，干涉光经过集光镜后在ccd上成像。该系统在使用时，容易受到环境干扰与噪声的影响，当噪声较大时，三维形貌测量精度会大幅降低。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种偏振相机差动白光干涉测量装置，该装置结构简单，只需要利用单相机同步图像收集模块就可以采集到p偏振光和s偏振光干涉图像，再利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量，从而增强了白光干涉仪光路的抗噪声能力，并提高了三维形貌恢复算法的精度。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种偏振相机差动白光干涉测量装置，所述装置包括白光光源、可变光阑、第一透镜组、分光棱镜组、第二透镜组、偏振相机、偏振分光棱镜、第三透镜组、第一参考反射镜、第四透镜组、样品台、第五透镜组、第二参考反射镜，其中：
8.白光光源发出的光经过可变光阑和第一透镜组后，到达分光棱镜组；
9.分光棱镜组将入射光分为两束，一束经过第四透镜组后达到样品台，另一束在经过偏振分光棱镜后被分成p偏振光和s偏振光两路；
10.其中，p偏振光经过第三透镜组后，被第一参考反射镜反射；s偏振光经过第五透镜组后，被第二参考反射镜反射；
11.p偏振光和s偏振光被反射后从偏振分光棱镜出射，并与从样品台反射回来的光在分光棱镜组处产生干涉；
12.干涉光从分光棱镜组出射后到达由第二透镜组和偏振相机组成的单相机同步图像收集模块中，并经过第二透镜组后被偏振相机采集到p偏振光和s偏振光的干涉图像；
13.利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量；
14.其中，所述偏振相机通过在单像素上刻画线栅来同步采集不同偏振的图像，单像素上刻划有四种刻划方向的微偏振片，能同步采集0
°
、45
°
、90
°
、135
°
偏振方向的图像；
15.所述样品台、第一参考反射镜、第二参考反射镜都配有高精度的压电陶瓷驱动器；利用所述样品台的压电陶瓷驱动器在测量过程中等间距地移动待测样品，实现机械移相。
16.由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置结构简单，只需要利用单相机同步图像收集模块就可以采集到p偏振光和s偏振光干涉图像，再利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量，从而增强了白光干涉仪光路的抗噪声能力，并提高了三维形貌恢复算法的精度。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
18.图1为现有技术中linnk型显微干涉系统的结构示意图；
19.图2为本发明实施例提供的偏振相机差动白光干涉测量装置结构示意图；
20.图3为本发明实施例所述单相机异步图像收集模块的结构示意图；
21.图4为本发明所举实例采集的干涉信号示意图。
具体实施方式
22.下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本发明的限制。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
23.如图2所示为本发明实施例提供的偏振相机差动白光干涉测量装置结构示意图，所述装置包括白光光源1、可变光阑2、第一透镜组3、分光棱镜组4、第二透镜组5、偏振相机6、偏振分光棱镜7、第三透镜组8、第一参考反射镜9、第四透镜组10、样品台11、第五透镜组12、第二参考反射镜13，其中：
24.白光光源1发出的光经过可变光阑2和第一透镜组3后，到达分光棱镜组4；
25.分光棱镜组4将入射光分为两束，一束经过第四透镜组10后达到样品台11，另一束在经过偏振分光棱镜7后被分成p偏振光和s偏振光两路；
26.其中，p偏振光经过第三透镜组8后，被第一参考反射镜9反射；s偏振光经过第五透镜组12后，被第二参考反射镜13反射；
27.p偏振光和s偏振光被反射后从偏振分光棱镜7出射，并与从样品台11反射回来的光在分光棱镜组4处产生干涉；
28.干涉光从分光棱镜组4出射后到达由第二透镜组5和偏振相机6组成的单相机同步图像收集模块14中，并经过第二透镜组5后被偏振相机6采集到p偏振光和s偏振光的干涉图像；
29.利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量；
30.其中，所述偏振相机6通过在单像素上刻画线栅来同步采集不同偏振的图像，单像素上刻划有四种刻划方向的微偏振片，能同步采集0
°
、45
°
、90
°
、135
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偏振方向的图像；本实施例只需要其中相互垂直的两组图像，即p偏振方向和s偏振方向；
31.所述样品台11、第一参考反射镜9、第二参考反射镜13都配有高精度的压电陶瓷驱动器；利用所述样品台11的压电陶瓷驱动器在测量过程中等间距地移动待测样品，实现机械移相。
32.具体实现中，所述利用所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值来获得零光程差点，实现对样品台上所放置待测样品的三维形貌测量，具体过程为：
33.首先在样品台上放置待测样品；
34.利用压电陶瓷驱动器驱动样品台移动，在对待测样品等间距扫描过程中，利用单相机同步图像收集模块14收集p偏振光和s偏振光干涉图像；
35.将p偏振光和s偏振光干涉图像相减得到差值信号，将差值信号中值点位置附近五个点的值使用最小二乘法进行直线拟合，计算拟合直线过零点的位置值，该值为差动白光干涉的零光程差点；
36.根据该零光程差点的值计算出待测样品的实际高度，从而实现对待测样品的三维形貌测量。
37.另外，所述第一参考反射镜9和第二参考反射镜13需要存在微小光程差，即从偏振分光棱镜7的两个偏振光出射端面分别到两个参考反射镜的距离有微小差异，具体来说：
38.为了实现参考反射镜差动探测，首先将校准样品放置在样品台11上，将偏振分光棱镜7到第二参考反射镜13的光遮住，对校准样品进行扫描得到一组干涉图像，取干涉图像中一点，计算扫描过程中零光程差点的位置；
39.再将偏振分光棱镜7到第一参考反射镜9的光遮住，将样品台返回原始扫描位置，对校准样品进行扫描得到另一组干涉图像，对干涉图像的相同点计算扫描过程中零光程差点的位置；
40.根据两个零光程差点位置的差值，计算出两个参考反射镜距离偏振分光棱镜7的差值；
41.然后利用压电陶瓷驱动器移动第一参考反射镜9和第二参考反射镜13，使两个参考反射镜距离偏振分光棱镜7的距离相同；
42.根据计算的差动距离，使用压电陶瓷驱动器，使第一参考反射镜9远离偏振分光棱镜7一定的距离，第二参考反射镜13靠近偏振分光棱镜7一定的距离，此时就能实现差动白光干涉。
43.具体实现中，第一参考反射镜9和第二参考反射镜13的差动距离对差动白光干涉的三维形貌恢复算法有一定影响，在样品等间距扫描过程中，相机会采集到p偏振和s偏振两组干涉信号，将两路干涉信号相减会得到一组差值信号；差动距离的大小，将影响差值信
号的斜率大小；当差值信号斜率最大时，此时求解零光程差点的准确性最高。因此将差值信号斜率最大时的参考反射镜差动距离作为第一参考反射镜9和第二参考反射镜13的最佳差动距离；其中，所述差值信号是所采集的p偏振光和s偏振光干涉图像的差值。
44.另外，所述单相机同步图像收集模块14能由单相机异步图像收集模块15代替，如图3所示为本发明实施例所述单相机异步图像收集模块的结构示意图，所述单相机异步图像收集模块15具体包括偏振片16、第八透镜组17、第三ccd相机18，其中：
45.若采用单相机异步图像收集模块15，则干涉光从分光棱镜组4出射后到达偏振片16，然后经过第八透镜组17后在第三ccd相机18上成像；
46.在等间距采样时，每移动一段距离，第三ccd相机18先采集p偏振光的干涉图像，然后将偏振片16旋转一定角度，第三ccd相机18再采集s偏振光的干涉图像，再将偏振片16转回原角度，进行下一次扫描采样；
47.通过不断旋转偏振片16进行异步图像收集，就能采集到p偏振光和s偏振光的干涉图像。
48.值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
49.举例来说，如图4所示为本发明所举实例采集的干涉信号示意图，在样品等间距扫描过程中，采集到p偏振和s偏振两组干涉信号，如图4所示，虚线为p偏振信号，点划线为s偏振信号，图中的横坐标为等间距采样的步数，纵坐标为采样的光强值；将两路干涉信号的光强值相减，可以一组干涉差值信号，如图4中实线所示。
50.现有技术其他的三维形貌恢复算法，通过极值法、重心法、白光相移法等方法在干涉信号上求解零光程差点，它们都是基于一组干涉信号进行求解，并且求解的零光程差点位于曲线上；本发明实施例通过增加一路干涉信号，使两路干涉信号相减在消除直流分量的同时，也去除了两路干涉信号中的相同噪声，并构造出多个零点，其中一个零点就是零光程差点，从而提高了三维形貌恢复算法的精度。
51.同时，本发明实施例所述装置结构更加简单，只需要利用单相机同步图像收集模块就可以采集到p偏振光和s偏振光干涉图像，体积更小、采集效率更高。
52.以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。