CN113203706B - 一种线扫描分光白光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种线扫描分光白光干涉仪，光源部分包括SLD光源，SLD光源出光端与准直器连接；准直器出光端发出的光束通过第一柱透镜后进入分光棱镜，并分两路分别进入参考臂和样品臂；参考臂和样品臂返回的反射光通过分光棱镜后进入第二远心镜头，之后进入光谱仪；参考臂依次设有第二柱透镜、消色差透镜、反光镜；样品臂中设有第一远心镜头、测量样品和一维平移台；本发明优点在于，采用SLD光源相干长度短、功率高；柱面镜产生线阵光束，可完成线扫检测，提升检测精度；消色差镜和远心镜头可以是两个不同焦距的镜头，不需要参考臂和样品臂满足等光程条件；远心镜头可以避免死角，具备高定为精度、高能量均匀性优点。

Description

一种线扫描分光白光干涉仪

技术领域

本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种线扫描分光白光干涉仪。

背景技术

干涉仪是通过两束相干光之间光程差的变化精确测量几何高度变化或折射率变化的精密仪器。两束相干光间光程差的任何变化会非常灵敏地导致干涉条纹的移动，所以通过干涉条纹的移动变化可测量几何长度或折射率的微小改变量，从而测得与此有关的其他物理量，测量精度之高是任何其他测量方法所无法比拟的。现阶段出现了以白光做光源的干涉仪，其相干长度短，对应样品表面高度测量更加精确，能够还原被测样品的整体形貌，分光白光干涉仪相比传统白光干涉技术不需要景深方向扫描，测量速度得到极大提升。该技术可以测量绝对距离、薄膜特性等。

现有分光白光干涉仪每次只能测量一个点，需要高精度平台的移动测量样品表面全貌，高精度移动平台价格昂贵且移动速度慢。而且现有技术分光部分采用45度柱形反射镜，该反射镜的使用对样品臂产生一定的遮挡，容易导致样品臂物镜成像对比度下降；该反射镜不易于机械结构装调，结构调整架也会对样品臂有一定遮挡，尤其当样品表面反光较弱的情况下，很难产生有效的干涉条纹。而且现有技术中样品物镜和聚焦透镜均是采用普通消色差物镜。当样品反射光为镜面反射时，样品物镜不能接收到离轴视野下足够多的反射光线，达不到探测效果；聚焦透镜将光栅分光后光线聚焦到探测器，容易造成能量不均匀，对检测结果误判。

中国专利CN112325765A一种面阵点扫描分光白光干涉仪，SLD光源发射宽带光谱，光依次通过隔离器、光纤耦合器，光纤端出射光经过准直器进行准直，被准直光入射到分光棱镜，一束光反射经过第三透镜聚焦到反射镜作为参考臂，一束光入射到XY扫描振镜，由扫描振镜反射出具备一定视场角的光线入射到第四透镜，由第四透镜聚焦到样品实现面阵扫描。其中XY扫描振镜放置在第四透镜的物方焦平面位置，使得第四透镜聚焦光线为像方远心光路。上述技术方案通过增加XY扫描振镜，代替了原有的移动平台，实现了面阵式的扫描形式。但是XY扫描振镜依然需要两组机械转动单元，以分别控制振镜摆动，从而实现扫描，这就增加了误差，也就影响了精度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种线扫描分光白光干涉仪，能够解决上述问题。

为此目的，本发明由如下技术方案实施。

一种线扫描分光白光干涉仪，包括：光源部分、准直器、分光棱镜、参考臂、样品臂、光谱仪；

光源部分包括SLD光源，所述SLD光源出光端与所述准直器连接；所述准直器出光端发出的光束通过第一柱透镜后进入所述分光棱镜，并分两路分别进入所述参考臂和所述样品臂；所述参考臂和所述样品臂返回的反射光通过所述分光棱镜后进入第二远心镜头，之后进入所述光谱仪；

所述参考臂中沿光路依次设有第二柱透镜、消色差透镜、反光镜；

所述样品臂中沿光路依次设有第一远心镜头、测量样品；所述测量样品放置于一维平移台上。

进一步，所述光谱仪中沿光路依次设有狭缝、第三远心镜头、光栅、第四远心镜头、相机；所述相机的信号输出端电连上位机。

更进一步，所述第三远心镜头和所述第四远心镜头结构相同，包括依次排列的P1透镜、P2透镜、P3透镜、P4透镜、P5透镜；其中，所述P1透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差；所述P2透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差和色差；所述P3透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除倍率色差；所述P4透镜为具有正光焦度的透镜，所述P5透镜为具有正光焦度的透镜，所述P4透镜和所述P5透镜用于消除畸变和场曲。

进一步，所述准直器为衍射极消色差镜。

进一步，所述第一柱透镜为消色差柱透镜，光束经过所述第一柱透镜聚焦后呈线状光斑。

进一步，所述第一远心镜头和所述第二远心镜头结构相同，包括依次排列的O1透镜、O2透镜、O3透镜、O4透镜；其中，所述O1透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差、彗差、像散和畸变；所述O2透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差、色差和畸变；所述O3为具有正光焦度的透镜，用于消除像散和畸变；所述O4为具有正光焦度的透镜，用于消除像散和场曲。

进一步，所述光源部分为波长范围为810nm-870nm的近红外宽带光源。

进一步，所述光源部分还包括红光LD、耦合器；所述红光LD通过所述耦合器后，依次经过所述准直器、第一柱透镜、分光棱镜、第一远心镜头聚焦于所述测量样品的表面。

进一步，所述一维平移台运动方向与聚焦于所述测量样品表面光斑的长度方向垂直。

本发明具有如下优点：

1、本发明采用SLD光源，具有宽光谱带宽、能量稳定、相干长度短、高功率的优点，更适合应用于白光干涉；柱面镜的使用使系统产生线阵光束，只需一维平移台实现一个方向运动即可完成面的扫描，减少机械误差，提升检测精度；

2、消色差镜和远心镜头可以是两个不同焦距的镜头，不需要参考臂和样品臂满足等光程条件；远心镜头可以有效接收样品表面反射的漫反射光和镜面反射光,具有避免死角、高定为精度、高能量均匀性优点；

进一步，光谱仪内的远心镜头可以将光能均匀分布聚焦到相机表面，避免误判；具有分光能力的光谱仪作为采集端，光栅将白光分光成窄带光，最后汇聚到相机收集，相比传统白光干涉仪有更长的相干长度，即有更大的检测景深范围，不需要Z向高精度平台扫描。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例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是本发明的一个或几个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，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的附图。

图1为本发明结构简图；

图2为本发明实施例1中光源部分到样品臂及参考臂光路图；

图3为本发明实施例1中第一远心镜头后聚焦线光斑；

图4为本发明实施例1中消色差透镜后聚焦线光斑；

图5为本发明实施例1中样品表面反射光聚焦到狭缝的光路图；

图6为本发明实施例1中反光镜反射光聚焦到狭缝的光路图；

图7为本发明实施例1中光谱仪光路图；

图8为本发明实施例1中光谱仪在波长810nm的MTF曲线图；

图9为本发明实施例1中光谱仪在波长840nm的MTF曲线图；

图10为本发明实施例1中光谱仪在波长870nm的MTF曲线图。

图中：

1-光源部分；2-准直器；3-第一柱透镜；4-分光棱镜；5-参考臂；6-样品臂；7-第二远心镜头；8-光谱仪；501-第二柱透镜；502-消色差透镜；503-反光镜；601-一维平移台；602-第一远心镜头；603-测量样品；801-狭缝；802-第三远心镜头；803-光栅；804-第四远心镜头；805-相机。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请实施例中的特征可以相互组合。

还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图，对本发明做进一步说明。

一种线扫描分光白光干涉仪，如图1所示，主要包括：光源部分1、准直器2、分光棱镜4、参考臂5、样品臂6、光谱仪8；

光源部分1包括SLD光源，SLD光源出光端与准直器2连接；优选地，光源部分1为波长范围为810nm-870nm的近红外宽带光源。

优选地，准直器2为衍射极消色差镜，准直器2出光端发出的光束通过第一柱透镜3后进入分光棱镜4，并分两路分别进入参考臂5和样品臂6。

其中，参考臂5中沿光路依次设有第二柱透镜501、消色差透镜502、反光镜503；这样设计的目的在于通过第二柱透镜501将入射参考臂的光束恢复为平行光束，在通过消色差透镜502调节在反光镜503表面形成圆形光斑，这样可以使用面积较小的反光镜，同时减小参考范围，避免大范围或条状区域反射因镜面加工误差扩大最终检测误差。

样品臂6中沿光路依次设有第一远心镜头602、测量样品603，其中，测量样品603放置于一维平移台601上。优选地，第一远心镜头602和第二远心镜头7结构相同，均为小像差远心镜头，包括依次排列的O1透镜、O2透镜、O3透镜、O4透镜；其中，O1透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差、彗差、像散和畸变；O2透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差、色差和畸变；O3为具有正光焦度的透镜，用于消除像散和畸变；O4为具有正光焦度的透镜，用于消除像散和场曲。光束从光源发出后，经过第一柱透镜3、分光棱镜4之后进入样品臂6，并在测量样品603表面形成线状光斑，进一步完成平面检测只需通过一维平移台601移动即可完成扫描，具体可选择垂直于光斑长度方向移动，这样单位时间内扫描面积最大，也可以根据实际需求选取不同方向平移。

参考臂5和样品臂6返回的反射光通过分光棱镜4后进入第二远心镜头7，之后进入光谱仪8；优选地，光谱仪8中沿光路依次设有狭缝801、第三远心镜头802、光栅803、第四远心镜头804、相机805；相机805的信号输出端电连上位机。进一步，第三远心镜头802和第四远心镜头804结构相同，均为小像差远心镜头，包括依次排列的P1透镜、P2透镜、P3透镜、P4透镜、P5透镜；其中，P1透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差；P2透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差和色差；P3透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除倍率色差；P4透镜为具有正光焦度的透镜，P5透镜为具有正光焦度的透镜，P4透镜和P5透镜用于消除畸变和场曲。经过狭缝801滤波后的光由小像差的第三远心镜头802准直入射到光栅803，第三远心镜头802工作F数小于第二远心镜头7，光栅803的分光由小像差第四远心镜头804聚焦到相机805的感光元件上。

优选地，为了便于操作人员目视样品时，可观察扫描区域，其光源部分1还包括红光LD、耦合器；红光LD通过耦合器后，依次经过准直器2、第一柱透镜3、分光棱镜4、第一远心镜头602聚焦于测量样品603的表面，通过观察样品表面的激光条，确定当前扫描区域。

实施例1

本实施例中，具体设置参数如下：

光源部分1的SLD光源采用功率25mw，波长810-870nm的近红外宽带光源，数值孔径0.13，芯径5um；

准直器2采用衍射极消色差镜，焦距50mm；

第一柱透镜3通光口径13mm，焦距50mm；第二柱透镜501和第一柱透镜3相同；

分光棱镜4分光比50：50；

消色差透镜502的焦距为32.5mm；

反光镜503镀近红外高反射膜，反射率>99.5％；

小像差的第一远心镜头602入瞳直径为13mm，焦距46mm，F数3.5，聚焦线长12mm，线宽25um；

第二远心镜头7和第一远心镜头602采用相同镜头，1:1将线长12mm聚焦到狭缝801；

狭缝801长度12mm，宽度20um；

小像差的第三远心镜头802入瞳直径26mm，焦距79mm，F数3；

第四远心镜头804和第三远心镜头802采用相同镜头，1:1将狭缝长度12mm聚焦到相机，并且在狭缝垂直方向分光13mm(工作波长810-870nm)；

光栅803为1800lp透射光栅，闪耀角49.2度；相机有效靶面尺寸12*13mm，像元尺寸9um。

该系统扫描线宽12mm，光谱分辨率0.08nm，具有较高分辨率。

工作过程如下：

由SLD发射光线到达反光镜以及样品光路图如图2所示，出射的光线通过第一柱透镜602，再进入第一远心镜头602在测量样品603表面聚焦形成线光斑如图3所示，具体线长为12mm，线宽为25um。

而进入参考臂5的光束，通过第二柱透镜501恢复为平行光束，经消色差透镜502聚焦光斑如图4所示，光斑直径为8um。

样品表面反射光线经由第一远心镜头602和第二远心镜头7放大倍率1:1聚焦到狭缝801，可知聚焦狭缝的光斑也如图3所示，具体光路图如图5所示：

反光镜503的反射光线由消色差透镜502、第二柱透镜501、第二远心镜头7聚焦到狭缝801，同理可知光斑也如图3所示，光路图如图6所示：

进入光谱仪8的狭缝801之后，具体光路图如图7所示，依次经过小像差的第三远心镜头802、光栅803、小像差的第四远心镜头804，最后入射至相机805的感光传感器表面形成电信号，并由计算机处理形成相应的干涉图像。

光谱仪不同波长810nm、840nm、870nm三组情况下的MTF曲线分别如图8、9、10所示，在相机奈奎斯特频率55lp/mm MTF均大于0.65(一般地，MTF大于0.1相机即可分辨)，具有较高分辨率。

以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种线扫描分光白光干涉仪，包括：光源部分(1)、准直器(2)、分光棱镜(4)、参考臂(5)、样品臂(6)、光谱仪(8)；

其特征在于，光源部分(1)包括SLD光源，所述SLD光源出光端与所述准直器(2)连接；所述准直器(2)出光端发出的光束通过第一柱透镜(3)后进入所述分光棱镜(4)，并分两路分别进入所述参考臂(5)和所述样品臂(6)；所述参考臂(5)和所述样品臂(6)返回的反射光通过所述分光棱镜(4)后进入第二远心镜头(7)，之后进入所述光谱仪(8)；

所述参考臂(5)中沿光路依次设有第二柱透镜(501)、消色差透镜(502)、反光镜(503)；

所述样品臂(6)中沿光路依次设有第一远心镜头(602)、测量样品(603)；所述测量样品(603)放置于一维平移台(601)上；

所述光谱仪(8)中沿光路依次设有狭缝(801)、第三远心镜头(802)、光栅(803)、第四远心镜头(804)、相机(805)；所述相机(805)的信号输出端电连上位机。

2.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述第三远心镜头(802)和所述第四远心镜头(804)结构相同，包括依次排列的P1透镜、P2透镜、P3透镜、P4透镜、P5透镜；其中，所述P1透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差；所述P2透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差和色差；所述P3透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除倍率色差；所述P4透镜为具有正光焦度的透镜，所述P5透镜为具有正光焦度的透镜，所述P4透镜和所述P5透镜用于消除畸变和场曲。

3.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述准直器(2)为衍射极消色差镜。

4.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述第一柱透镜(3)为消色差柱透镜，光束经过所述第一柱透镜(3)聚焦后呈线状光斑。

5.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述第一远心镜头(602)和所述第二远心镜头(7)结构相同，包括依次排列的O1透镜、O2透镜、O3透镜、O4透镜；其中，所述O1透镜为具有正光焦度的透镜，用于消除球差、彗差、像散和畸变；所述O2透镜为具有负光焦度的透镜，用于消除球差、彗差、色差和畸变；所述O3为具有正光焦度的透镜，用于消除像散和畸变；所述O4为具有正光焦度的透镜，用于消除像散和场曲。

6.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述光源部分(1)为波长范围为810nm-870nm的近红外宽带光源。

7.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述光源部分(1)还包括红光LD、耦合器；所述红光LD通过所述耦合器后，依次经过所述准直器(2)、第一柱透镜(3)、分光棱镜(4)、第一远心镜头(602)聚焦于所述测量样品(603)的表面。

8.根据权利要求1所述的线扫描分光白光干涉仪，其特征在于，所述一维平移台(601)运动方向与聚焦于所述测量样品(603)表面光斑的长度方向垂直。

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