CN112902846B - 一种应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，包括标定过程和测试过程，可以实时获取当前位置的光程差并显示，方便调试与提高测量精度；使用电压变化量作为拟合参数，可消除光源功率、倾斜角改变等原因导致的绝对电压变化；提出的方法仅与SLD光源的光谱形状有关，有较好的重复性；提出的方法应用于波长调制抗振干涉系统，无需添加额外器件即可完成当前位置的实时测量，丰富了系统的功能。

Description

一种应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法

技术领域

本发明属于光学显微干涉领域，涉及一种干涉系统中的位置粗获取方法，可用于实时检测样品的当前测量位置。特别是涉及一种应用于波长调制抗振干涉系统中的位置粗获取方法。

背景技术

光学显微干涉法具有纳米级精度和非接触测量的特点，被广泛应用于微结构和纳米结构测量。常用的干涉方法包括相移干涉法(PSI)、白光垂直扫描干涉法(VSI)、波长调制干涉法等，其中PSI和VSI一般通过移动压电陶瓷完成相移，但机械相移会引入额外的机械误差，并且测量速度较慢。而波长调制干涉包含波长扫描干涉和波长移相干涉，其通过改变光源波长来完成相移，测量速度快，无机械扫描，具有在线和高精度测量的潜力。

在波长调制干涉测试中，往往需要已知当前测量位置信息。如在波长扫描干涉中，常采用傅里叶变换法提取干涉相位，进而得到样品表面形貌。为防止傅里叶变换后幅值峰重叠，系统往往需要偏离零光程差(OPD)位置，且由于傅里叶变换法无法判断正负方向，故并不能跨越零光程差进行测量，需已知当前测量位置。在波长移相干涉系统中，相移量由波长步进量和干涉位置同时决定。当波长步进量不变时，不同测量位置处的相移量不同。因此，已知当前测量位置至关重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，可实时获得并显示当前测量位置的方法，方便系统调试，提高测量精度。

实现本发明目的的技术方案为：

一种应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，包括标定过程和测试过程，其中标定过程包含如下步骤：

1)初始化系统，上位机控制闭环压电陶瓷促动器PZT大范围间断扫描，利用光电探测器输出超辐射发光二极管SLD干涉信号数据并保存；

2)通过提取极大值点的方式提取干涉信号的上包络，寻找干涉上包络的最大值，并在其两侧1μm范围内采用三次样条插值的方法精确确定零光程差位置；

3)利用干涉光强最大值对干涉上包络进行归一化处理，然后将光强最大值对应位置设为零光程差，更改位置表达方式；

4)利用基于最小二乘的高斯函数拟合的方法对当前测量位置和干涉上包络进行拟合，得到其函数关系式；

测试过程包含如下步骤：

1)初始化系统，计算机控制闭环压电陶瓷促动器PZT大范围连续扫描，利用光电探测器和DSP控制器采集并保存SLD干涉信号数据；

2)利用DSP控制器寻找全局最大光强对应的最大电压，并传输给上位机；

3)利用DSP控制器让开环PZT进行小范围扫描，并寻找局部最大光强对应的最大电压，并传输给上位机；

4)上位机利用DSP传输的数据求得电压相对量，代入标定获得的函数表达式，计算当前测量位置并显示；

5)当重新调整样品位置时，若倾斜角改变，则重新执行步骤2)、3)、4)，若倾斜角未改变，则仅执行步骤3)、4)即可。

所述的，标定过程步骤1)包括：

(1.1)打开SLD光源、光电探测器、PZT控制器，通过观察示波器上光电探测器输出，调节载物台至示波器上出现干涉条纹，并接近零光程差位置；

(1.2)通过上位机控制闭环压电陶瓷促动器PZT，在调整位置两侧进行大范围间断扫描；

(1.3)利用数据采集卡采集探测器输出电压数据并保存至上位机。

所述的，第(1.1)步所述的调整载物台至示波器上出现干涉条纹且接近零光程差位置，是调节载物台沿光轴方向的位置，至示波器中的电压出现近似正弦趋势变化，即出现干涉条纹，并通过判断亮条纹对应的电压幅值大小近似判断是否接近零光程差位置。

所述的，标定过程步骤3)中所述的归一化处理以电压相对量作为变量，其计算公式为

其中U_r为电压相对量，U为不同位置处的光探测器输出绝对电压值，U_m为整个扫描过程中探测器输出的绝对电压最大值，对应零光程差位置。

所述的，标定过程步骤4)所述的高斯拟合公式为：

其中a₁,a₂,b₁,b₂,c₁,c₂为高斯拟合系数，x为当前测量位置，U_r为电压相对量。

所述的，测试过程步骤1)包括：

(1.1)打开SLD光源、光电探测器、PZT控制器，通过观察示波器上光电探测器输出，调节载物台至示波器上出现干涉条纹，并接近零光程差位置；

(1.2)通过上位机控制闭环压电陶瓷促动器，在调整位置两侧进行大范围连续扫描；

(1.3)利用DSP控制器中的ADC采集光电探测器输出并保存在DSP微处理器中。

所述的，测试过程步骤3)包括：

(1.1)利用DSP控制器中DAC产生线性变化电压，以驱动开环PZT线性小范围扫描，略大于SLD光源中心波长的一半；

(1.2)开环PZT扫描过程中，ADC不断采集探测器输出电压并保存为一个数组，扫描完成后判断电压最大值，即局部最大值，并传输给上位机。

本发明的优点和有益效果：

本发明的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，可以实时获取当前测量位置信息并显示，方便调试与提高测量精度；使用电压变化量作为拟合参数，可消除光源功率、倾斜角改变等原因导致的绝对电压变化；提出的方法仅与SLD光源的光谱形状有关，有较好的重复性；提出的方法应用于波长调制抗振干涉系统，无需添加额外器件即可完成当前位置的实时测量，丰富了系统的功能。

附图说明

图1是本发明应用于波长调制抗振干涉系统的结构示意图；

图2是本发明的位置粗获取方法的标定过程流程图；

图3是本发明的位置粗获取方法的测试过程流程图；

图4a是SLD干涉信号及其干涉上包络；

图4b是提取的干涉上包络与高斯拟合函数的对比图；

图5是本发明计算所得位置与波长扫描干涉计算所得位置的偏差图；

图1中：1为高亮度宽带光源、2为第一准直透镜、3为声光可调滤波器(AOTF)4为耦合透镜、5为多模光纤、6为SLD光源、7为第二准直透镜、8为第一热镜、9为分光棱镜、10为物镜、11为样品、12为参考反射镜、13为聚焦透镜、14为第二热镜、15为CCD相机、16为光电探测器、17为DSP控制器、18为开环PZT1、19为闭环PZT2、20为上位机、21为AOTF驱动器

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法做出详细说明。

位置粗获取方法使用的检测系统如图1所示，超辐射发光二极管(SLD)6产生光，通过准直透镜7、第一热镜8进入Linnik结构干涉系统，形成干涉后经第二热镜14分离SLD干涉信号，通过光电探测器16采集干涉信号，最终送入DSP控制器17进行处理，处理完成后传输给上位机20。所述的Linnik结构干涉系统包括分光棱镜9、两个相同的物镜10、放置样品的载物台11和固定在两个压电陶瓷促动器PZT，工作于开环状态的PZT18，工作于闭环状态的PZT19上的反射镜。所述的DSP控制器包括16位模数转换器AD7606、TMS320F28335微处理器最小系统、16位数模转换器DAC8552。

位置粗获取方法的主要步骤包括标定过程和测试过程。标定过程仅需在第一次使用系统时执行一次，目的是为了获得亮条纹光强对应电压相对量-测量位置的函数关系式，

标定过程主要包含以下步骤：

1)初始化系统，上位机控制闭环压电陶瓷促动器大范围间断扫描，利用光电探测器输出超辐射发光二极管SLD干涉信号数据并保存；

2)通过提取极大值点的方式提取干涉信号的上包络，寻找干涉上包络的最大值，并在其两侧1μm范围内采用三次样条插值的方法精确确定零光程差位置；

3)利用干涉光强最大值对干涉上包络进行归一化处理，然后将光强最大值对应位置设为零光程差，更改位置表达方式；

4)利用基于最小二乘的高斯函数拟合的方法对当前测量位置与干涉上包络进行拟合，得到其函数关系式。

步骤1)包括：

(1.1)打开SLD光源、光电探测器、PZT控制器等器件，通过观察示波器上光电探测器输出，调节载物台至示波器上出现干涉条纹，并接近零光程差位置；

(1.2)通过上位机控制闭环压电陶瓷促动器PZT，在调整位置两侧进行大范围间断扫描，扫描步距为40nm，共扫描40μm，所需时间约为40秒；

(1.3)利用数据采集卡采集探测器输出电压数据并保存至上位机。

第(1.1)中调整载物台至示波器上出现干涉条纹且接近零光程差位置，主要是调节载物台沿光轴方向的位置，至示波器中的电压出现近似正弦趋势变化，即出现干涉条纹，并通过判断亮条纹对应的电压幅值大小可近似判断是否接近零光程差位置。

步骤3)中所述的归一化处理的目的在于去除SLD光源功率与倾斜角的影响，以电压相对量作为变量，其计算公式为

其中U_r为电压相对量，U为不同位置处的光探测器输出绝对电压值，U_m为整个扫描过程中探测器输出的绝对电压最大值，对应零光程差位置。

步骤4)所述的高斯拟合公式为

其中a₁,a₂,b₁,b₂,c₁,c₂为高斯拟合系数，x为当前测量位置，U_r为电压相对量。

位置粗获取方法中的测试过程用于实际的干涉测量，可以在上位机中实时显示当前测量位置信息，测试过程包含以下步骤：

1)初始化系统，计算机控制闭环PZT大范围连续扫描，利用光电探测器和DSP控制器采集并保存SLD干涉信号数据；

2)利用DSP控制器寻找全局最大光强对应的最大电压，并传输给上位机；

3)利用DSP控制器让开环PZT进行小范围扫描，并寻找局部最大光强对应的最大电压，并传输给上位机；

4)上位机利用DSP传输的数据求得电压相对量，代入标定获得的函数表达式，计算当前测量位置并显示；

5)当重新调整样品位置时，若倾斜角改变，则重新执行步骤2)、3)、4)，若倾斜角未改变，则仅执行步骤3)、4)即可。

步骤1)包括：

(1.1)打开SLD光源、光电探测器、PZT控制器等器件，通过观察示波器上光电探测器输出，调节载物台至示波器上出现干涉条纹，并接近零光程差位置；

(1.2)通过上位机控制闭环压电陶瓷促动器，在调整位置两侧进行大范围连续扫描，共扫描40μm，所需时间约为2秒；

(1.3)利用DSP控制器中的ADC采集光电探测器输出并保存在DSP微处理器中。

步骤3)包括：

(1.1)利用DSP控制器中DAC产生线性变化电压，以驱动开环PZT线性小范围扫描，略大于SLD光源中心波长的一半；

(1.2)开环PZT扫描过程中，ADC不断采集探测器输出电压并保存为一个数组，扫描完成后判断电压最大值，即局部最大值，并传输给上位机。

为验证本发明的准确性，将所述方法计算得到的当前测量位置与波长扫描干涉计算的当前测量位置进行对比。实验中，以平整的反射镜为样品，利用两种方法在样品同一位置进行测量，图5展示了本发明的准确性，与波长扫描干涉计算位置的偏差均小于1微米。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：包括标定过程和测试过程，其中标定过程包含如下步骤：

1)初始化系统，上位机控制闭环压电陶瓷促动器PZT大范围间断扫描，利用光电探测器输出超辐射发光二极管SLD干涉信号数据并保存；

2)通过提取极大值点的方式提取干涉信号的上包络，寻找干涉上包络的最大值，并在其两侧1μm范围内采用三次样条插值的方法精确确定零光程差位置；

3)利用干涉光强最大值对干涉上包络进行归一化处理，然后将光强最大值对应位置设为零光程差，更改位置表达方式；

4)利用基于最小二乘的高斯函数拟合的方法对当前测量位置与干涉上包络进行拟合，得到其函数关系式；

测试过程包含如下步骤：

1)初始化系统，计算机控制闭环压电陶瓷促动器PZT大范围连续扫描，利用光电探测器和DSP控制器采集并保存SLD干涉信号数据；

2)利用DSP控制器寻找全局最大光强对应的最大电压，并传输给上位机；

3)利用DSP控制器让开环PZT进行小范围扫描，并寻找局部最大光强对应的最大电压，并传输给上位机；

4)上位机利用DSP传输的数据求得电压相对量，代入标定获得的函数表达式，计算当前测量位置并显示；

5)当重新调整样品位置时，若倾斜角改变，则重新执行步骤2)、3)、4)，若倾斜角未改变，则仅执行步骤3)、4)即可；

所述波长调制抗振干涉系统通过超辐射发光二极管SLD(6)产生光，通过准直透镜(7)、第一热镜(8)进入Linnik结构干涉系统，形成干涉后经第二热镜(14)分离SLD干涉信号，通过光电探测器(16)采集干涉信号，最终送入DSP控制器(17)进行处理，处理完成后传输给上位机(20)，所述的Linnik结构干涉系统包括分光棱镜(9)、两个相同的物镜(10)、放置样品的载物台(11)和固定在两个压电陶瓷促动器PZT上的反射镜，所述的DSP控制器包括16位模数转换器AD7606、TMS320F28335微处理器最小系统、16位数模转换器DAC8552。

2.根据权利要求1所述的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：标定过程步骤1)包括：

(1.1)打开SLD光源、光电探测器、PZT控制器，通过观察示波器上光电探测器输出，调节载物台至示波器上出现干涉条纹，并接近零光程差位置；

(1.2)通过上位机控制闭环压电陶瓷促动器PZT，在调整位置两侧进行大范围间断扫描；

(1.3)利用数据采集卡采集探测器输出电压数据并保存至上位机。

3.根据权利要求2所述的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：第(1.1)步所述的调 节 载物台至示波器上出现干涉条纹且接近零光程差位置，是调节载物台沿光轴方向的位置，至示波器中的电压出现近似正弦趋势变化，即出现干涉条纹，并通过判断亮条纹对应的电压幅值大小近似判断是否接近零光程差位置。

4.根据权利要求1所述的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：标定过程步骤3)中所述的归一化处理以电压相对量作为变量，其计算公式为：

其中U_r为电压相对量，U为不同位置处的光探测器输出绝对电压值，U_m为整个扫描过程中探测器输出的绝对电压最大值，对应零光程差位置。

5.根据权利要求1所述的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：标定过程步骤4)所述的高斯拟合公式为：

其中a₁,a₂,b₁,b₂,c₁,c₂为高斯拟合系数，x为当前测量位置，U_r为电压相对量。

6.根据权利要求1所述的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：测试过程步骤1)包括：

(1.1)打开SLD光源、光电探测器、PZT控制器，通过观察示波器上光电探测器输出，调节载物台至示波器上出现干涉条纹，并接近零光程差位置；

(1.2)通过上位机控制闭环压电陶瓷促动器，在调整位置两侧进行大范围连续扫描；

(1.3)利用DSP控制器中的ADC采集光电探测器输出并保存在DSP微处理器中。

7.根据权利要求1所述的应用于波长调制抗振干涉系统的位置粗获取方法，其特征在于：测试过程步骤3)包括：

(1.1)利用DSP控制器中DAC产生线性变化电压，以驱动开环PZT线性小范围扫描，略大于SLD光源中心波长的一半；

(1.2)开环PZT扫描过程中，ADC不断采集探测器输出电压并保存为一个数组，扫描完成后判断电压最大值，即局部最大值，并传输给上位机。

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