基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置

本发明涉及光学测量领域，尤其涉及一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法与装置。

背景技术：

1、在光学仪器和半导体器件等精密器件的生产中，非接触的表面三维测量是重要且必要的。在光学测量方法中，利用色差的测量方案可以在不进行轴向扫描的情况下获得物体表面的轴向位置信息，实现快速的三维测量。这个方案的实现基于的原理是，当色散后的光打在物体表面上，对不同波长的光的反射对应不同的轴向位置信息，故可以通过对探测到的光谱进行分析，确定物体表面高度。

2、在此前的研究中，一种新颖的方法已被发掘，通过将不同波长的光以照明调制的形式聚焦在待测面法线方向上，可以精准地实现对物体表面高度的测量。这个方法有效地避免了内部漫反射所导致的误差。但是，该方法测量的精度有限，无法为精度要求较高的测量任务提供更为可靠和精确的解决方案。并且通过色散部件实现将不同波长的光聚焦在被测面的法线方向上往往较为困难且效果不佳。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对现有技术的不足，实现一种高分辨率的非接触式表面测量的方法，以及实现这个方法的装置。

2、本发明涉及一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量方法，该方法具体步骤如下：

3、s1、对宽谱激光光源进行波前相位调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面法线方向的不同高度上；

4、s2、从被测量的物体表面法线的镜面反射方向上接受光辐射，根据接收到的光辐射确定强度最高的波长λc0；

5、s3、在λc0附近选取k个位置构造光谱暗斑，依次照明样品，进行一次或多次光谱暗斑定位，确定精确的中心波长λfinal；

6、s4、根据中心波长λfinal来确定被测物体表面的高度。

7、进一步地，所述光谱暗斑定位方法具体为：

8、一个光谱暗斑的光谱分布为i(λ-λc)，这个暗斑关于λ＝λc对称且在λ＝λc处有极小值，即定义这个光谱暗斑位置为λc，宽度为w；

9、在定位过程中，选取至少2个点进行定位，对于选取的k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，在这些光谱暗斑位置采集到的信号光子数分别为n0,n1,n2……nk-1，总光子数为n；

10、这些位置上暗斑光谱分布记为:

11、ii(λ)＝i(λ-λi),i＝0,1,2……k-1；

12、定义每个位置的分布系数为:

13、

14、则根据上述信息可以计算得到定位分布的概率函数(似然函数)：

15、

16、通过最大似然估计法取得分布概率最高的光谱位置λmle：

17、

18、该式在k＝2取两个点的时候会有两个解，k＝3时才有唯一解；

19、对应的定位精度σcrb为：

20、。

21、进一步地，单次光谱暗斑定位的具体操作方法为：

22、对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为l1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的光谱暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为f0,f1,f2……fk-1，信号强度f与光子数n成正比；根据信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σcrb1；对于单次定位λc1即为最终的λfinal。

23、进一步地，多次光谱暗斑定位的具体操作方法为：

24、对于已确定的中心波长λc0，在该波长位置附近对称的以最大宽度为l1选取k个光谱暗斑位置，记为λ0,λ1,λ2……λk-1，构造中心位于λ0,λ1,λ2……λk-1的暗斑，依次轮流照明样品，采集收集到的信号强度记为f0,f1,f2……fk-1，信号强度f与光子数n成正比；根据信号强度计算出中心波长λc1以及定位精度σcrb1；

25、以λc1为下一次暗斑定位的中心波长，基于定位精度σcrb1设置下一次扫描最大宽度，例如以l2＝3σcrb1为下一次扫描最大宽度，重复上述操作，进行暗斑定位的迭代，选取的光谱暗斑位置个数k保持不变；迭代的终止为迭代了指定次数或第s次获得的σcrbs值小于精度要求时停止，迭代终止时的λcs即为最终的λfinal。

26、进一步地，计算时需要代入的i(λ)为暗斑光谱分布，需要通过预先标定得到。暗斑光谱分布为需要在中心处有极小值的光谱分布曲线，关于中心对称，且在中心两侧的光谱曲线单调；光谱分布中心处的极小值与整个分布最大值的比值越大，在同样信号强度的情况下定位精度更差；关于中心对称性不佳的光谱分布曲线仍然可以用于定位，但是会影响定位精度。

27、进一步地，选取的光谱暗斑位置是在(λc0-l1/2,λc0+l1/2]的范围内等间隔的选取k个点，λ0＝λc0-l1/2,λk-1＝λc0+l1/2；

28、其中，第一次选取的最大宽度l1根据需求选取，对于单次光谱暗斑定位操作，l1越大则定位精度σcrb1数值越大，l1越大则定位精度σcrb1数值越小。对于多次光谱暗斑定位操作，l1越大则达到相同定位精度所需的迭代次数越多。

29、进一步地，所述构造k个光谱暗斑依次轮流照明样品中，曝光方式为采取固定检测的曝光时间或采取极短的曝光时间并多次曝光；

30、所述采取固定检测的曝光时间为所有k个位置以设定的较长的固定曝光时间各探测一次，以k次探测结果的光强总和作为总光子数n的计算依据，或以k次探测结果的光子数总和作为总光子数n；

31、所述采取极短的曝光时间并多次曝光为以设定的极短的的固定曝光时间依次轮流重复扫描这k个点，直到累计的光子数总和达到固定值n，用于在信号更弱的情况下更快的达到较高定位精度。

32、进一步地，所述s4具体为通过标定或计算手段获得光波长与高度的映射关系，从而根据测得的λfinal计算出待测样品高度。

33、根据本发明说明书的第二方面，提供了一种基于宽谱激光和波前编码的高分辨率表面测量装置，该装置包括：宽谱激光光源、光谱暗斑调制单元、相位调制单元、相位恢复单元、检测器和信号处理单元；

34、所述光谱暗斑调制单元为实现构造光谱强度分布上的光谱暗斑的器件；该单元对入射的照明光源的光谱分布进行调制，构造不同位置的光谱强度分布上的光谱暗斑；

35、所述相位调制单元为实现对光源进行波前位相编码的器件；对光源进行波前位相位编码，使得不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面的法线方向的不同高度上；

36、所述相位恢复单元从被测量的物体接受光辐射，并将被调制的相位恢复为平行光进入检测器；

37、所述检测器为实现对探测信号光谱分布进行检测的检测元件或多个元件组合成的检测模块；

38、所述信号处理单元对检测到的不同波长探测光的强度进行分析，根据检测结果对光谱暗斑调制单元进行控制。

39、进一步地，当检测器中的核心探测元件使用不检测光谱信号而只给出探测到的光子数的单点探测元件时，使用多个元件组合成的检测模块实现所述检测器的功能。检测模块中使用50％分束镜将相位恢复单元后的信号分为光强相等的两束，在其中一路中加入一片透射光谱函数单调的滤波片，两束光分别入射到两个参数完全相同的单点探测元件第一检测元件和第二检测元件上；用第一检测元件和第二检测元件采集到的信号做比，比值信号即强度最高的波长的透射率，因此获得光谱分布强度最高的波长λc0。

40、本发明的有益效果是：

41、本发明的光源使用宽谱激光，是波长连续的相干光源，使系统光能利用率更高且易于相位调制；

42、本发明使用相位调制的方法对照明光进行调制，将不同波长的照明光聚焦到被测量物体表面的法线方向的不同高度，相对于现有的色散元件实现该操作更易于实现，无需定制，成本更低，便于系统调整，有利于减小系统的轴外相差以获得更高的分辨率和信噪比；

43、本发明引入了光谱暗斑定位的方法，有利于在成像信号较弱时获得更高的成像定位精度，并且能减小装置中不同波长的光通过器件时反射或透射效率不一致带来的对定位精度的影响。