專利名稱：一種測量物體表面形貌的方法
一種測量物體表面形貌的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及激光光學成像技術，尤其涉及一種新型的非接觸式測量物體表面形貌的方法。
背景技術：
針對激光無損切割、激光表面噴涂、激光表面毛化與拋光、特種合金焊接等新興技術的檢測和評估，圖像分析、數據處理等技術的要求不斷提高，材料表面形貌的檢測技術也發(fā)生了根本性的變化。不但從最初的二維輪廓界面的測量評定發(fā)展到定量化三維表面形貌 的測量評定，而且從傳統(tǒng)的對平面表面形貌的測量評定，發(fā)展到對曲面表面形貌的測量評定。然而，大多數傳統(tǒng)形貌測量儀器由于本身在設計方案上的局限性，無法兼顧時間分辨率和空間分辨率。高分辨、快響應的顯微成像檢測技術亟待發(fā)展。目前國內外適用于材料表面形貌成像測量的儀器多數采用的是接觸式測量方式，利用探針或是探珠直接接觸物體表面，獲取其表面凹凸形貌信息。這類觸針式測量儀的好處在于其成像直觀可靠、操作簡單、通用性強，但被測表面易被觸針劃傷而使測量數據失真，觸針磨損也會引起橫向分辨率降低從而導致測量結果不準確；同時，受觸針尖端圓弧半徑的影響，觸針難以測出高質量表面的實際輪廓谷底，從而降低了測量精度。通常這種接觸式形貌測量儀的精度在I微米量級。另外，現行的表面形貌測量裝置還有掃描顯微鏡測量儀，該裝置通過計算機圖像監(jiān)視器或CRT顯示控制器觀測被測表面圖像，其分辨率較高，但是測量范圍小，使用范圍限于原子級或納米級表面的測量，測量條件較苛刻。本發(fā)明即針對上述問題研究而提出。

發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種測量物體表面形貌的方法，該方法采用飛秒激光光梳光源，為新型的非接觸式光學表面形貌成像方法，實現更高分辨精度的超靈敏光學表面形貌探測，可對被測物體表面實現大面積超靈敏快速成像。為解決上述技術問題，本發(fā)明一種測量物體表面形貌的方法，采用步驟如下①、采用雙光梳拍頻探測技術和空間啁啾技術，包括采用兩臺不同重復頻率的用于雙光梳拍頻探測的光梳，一臺為發(fā)射端光梳用作產生探測光束，另一臺為本地振蕩光梳用作產生參考光束，被測物體置于二維納米移動平臺上；②、將步驟①中產生的探測光束經過空間啁啾技術處理后經顯微物鏡聚焦射向被測物體表面，探測光束在被測物體表面產生反射；③、將步驟②中經反射的探測光束沿原光路返回，射向半透半反鏡后反射，再與步驟①產生且穿透半透半反鏡的參考光束在高速響應的光電探測器上進行雙光梳頻譜標識探測，通過測量不同頻率成分的光場強度，得知探測光斑內不同位置的凹凸信息；④、啟動二維精密納米移動電機帶動納米移動平臺及被測物體移動，重復步驟①②③，對被測物體在XY平面內的自動掃描成像，全面測量被測物體表面形貌信息。
所述雙光梳拍頻探測技術是將發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳分別產生的探測光束和參考光束相干外差拍頻測量，所述探測光束和參考光束存在一個微小的重復頻率差Af，發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳的拍頻信號根據彼此兩個系列的光梳齒的幾何加減關系，以Δf的頻率差分布在射頻波段。所述空間啁啾技術是利用光學色散元件對探測光束在光學色散元件空間色散作用下，不同頻率的光波按波長長短依次均勻分布在光斑的不同位置，所述光學色散元件為光柵。所述雙光梳頻譜標識探測是利用參考光束與空間啁啾的探測光束進行拍頻探測，
所述發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳采用具備脈沖重復頻率和脈沖載波包絡相位的精確鎖定的成像探測光源。所述發(fā)射端光梳與本地振蕩光梳采用飛秒激光光梳光源，其具有良好的空間相干性和方向性，可直接無接觸式、無損傷被測物體表面，同時光梳光源頻率不確定度小，可以確保測量的準確度和精度。頻譜標識是將具有空間啁啾的探測光束聚焦于被測物體表面，光斑在被測物體表面的照射區(qū)被探測光束中不同頻率的光成分所標記，通過測量不同頻率的光場信息，即可得到該頻率對應的空間位置的被測物體表面凸凹平整度。事實上，頻譜標識是將光束的強度-頻率關系I ( ω )對應于強度-空間坐標關系I (X)，其中ω為光頻率，X為某一光頻率成分在X方向的坐標；頻譜標識的空間分辨精度取決于探測光束可分辨的頻率精度。本發(fā)明一種測量物體表面形貌的方法，該方法采用飛秒激光光梳光源，為新型的非接觸式光學表面形貌成像方法，結合了雙光梳拍頻探測技術和脈沖空間啁啾技術，將空間位置信息測量轉換為對探測光頻譜可分辨測量，實現更高分辨精度的超靈敏光學表面形貌探測；利用光梳光源穩(wěn)定的相位-頻率關系，通過相干測量方式提高儀器的成像靈敏度；同時利用光梳外差拍頻探測和頻譜相干標識技術對表面形貌可實現高分辨率成像；采用雙光梳及納米移動平臺對被測物體自動掃描，并結合對探測光斑的空間擴束功能，可對被測物體表面實現大面積超靈敏快速成像。

下面結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
作進一步詳細說明，其中圖I為本發(fā)明對被測物體表面形貌測量原理示意圖。
具體實施方式下面結合附圖對本發(fā)明的實施方式作詳細說明。首先，發(fā)射端光梳I和本地振蕩端光梳6的載波包絡相位和重復頻率同時精密鎖定。讓兩臺光梳具有一個微小重復頻率差量，并將兩臺光梳同時鎖定在同一個頻率標準上，保證兩臺光梳之間有最小的相對頻率抖動,所述發(fā)射端光梳I和本地振蕩端光梳6采用飛秒激光光梳光源，其具有良好的空間相干性和方向性，可直接無接觸式、無損傷被測物體表面，同時光梳光源頻率不確定度小，可以確保測量的準確度和精度。然后，利用空間啁啾技術，使探測光束通過光學色散元件2，所述光學色散元件2為一對相互平行的光柵，在光柵空間色散的作用下，使不同頻率的光波會按照波長長短依次均勻分布在光斑的不同位置，最終使探測光束具有空間啁啾分布特性。接著，利用頻譜標識將探測光束經顯微物鏡3聚焦于被測物體表面，此時探測光斑在物體表面的照射區(qū)被探測光束中不同頻率的光成分所標記；同時，通過同一顯微物鏡3收集沿原光路返回的反射光束，利用參考光束與探測光束經半透半反鏡8的反射光束在光電探測器7上進行拍頻探測。拍頻頻率就是參考光束與探測光束經半透半反鏡8反射的反射光束的光學頻率差，由于發(fā)射端光梳I與本地振蕩光梳6的重復頻率不同，且含有多個頻率成分，所以拍頻頻譜會出現一系列的拍頻信號，每一臺信號之間的頻率間隔就是發(fā)射端光梳I與本地振蕩光梳6的重復頻率差。通過依次比對參考光束與反射光束，及未經過被測物體表面的探測光束產生的對應拍頻信號之間的強度變化，即可以確定光斑區(qū)域內每一個頻率標識的空間位置的凹凸信息。 最后，啟動二維精密納米移動電機5帶動納米移動平臺4及被測物體移動，逐次在XY空間內掃描被測物體表面，即可得到被測物體表面形貌特征圖像信息。對產生探測光束的發(fā)射端光梳I的飛秒激光光梳光源應滿足(I)重復頻率fr精確鎖定。( 2 )載波包絡相位零頻 精確鎖定。(3)飛秒激光光梳光源重復頻率frl=100. 000132MHz，鎖定精度Λ frKlmHz ;載波包絡相位零頻f01=20MHz，鎖定精度AfOKlOmHz ;激光器的中心波長λ =1031nm，光譜寬度為Λ入=10_，即包含縱模頻率的個數約為#(· (Δ λ/λ 2)/fr=7 X 104，其中c為真空光速。對于產生參考光束的本地振蕩光梳6的飛秒激光光梳光源應滿足(I)飛秒激光光梳光源的重復頻率fr和載波包絡相位零頻fO同時被精確鎖定。(2)重復頻率fr2=100. 005303MHz,重復頻率抖動小于ImHz ;載波包絡相位零頻f02=f01=20MHz，鎖定精度為Af02〈10mHz，中心波長1031nm，光譜寬度為Λ λ =10nm。對空間頻率啁啾的實現要求探測光束以光柵一級衍射光最強時的角度射入一個平行放置的光柵對，其出射光束在光柵色散作用下出現空間-波長，即空間-頻率分布，光斑的最左端為長波，最右端為短波，兩端中間按波長從長到短依次分布。探測光束含縱模個數為7X104個，所以光斑被空間分割成了原光斑大小的7X104分之一。在本實施例中原光斑的直徑為10mm，在此情況下，每一個光頻率對應的小光斑的直徑約為IOmm/(7X 104)=140nm。這也是理想情況下被測物體表面形貌測量的最小分辨精度。對雙光梳頻譜標識別的實現，應滿足(I)探測光束經被測物體表面反射后與參考光束經過半透半反鏡8在光電探測器7上滿足空間重合，之后產生拍頻信號。(2)在頻譜O 2 · frl的范圍內，拍頻信號的頻率間隔為發(fā)射端光梳I與本地振蕩光梳6彼此對應的縱模頻率差，即為Σ (n *fr2+f0)- Σ (n *frl+f0) = Σ η · (fr2_frl) = Σ η ·Λ fr，其中η為正整數，Afr=5. 171kHz為兩個光梳的重復頻率差。(3)拍頻信號的每一根頻率齒代表了被測物體表面的一個位置坐標，這個位置坐標上的凹凸程度ΛΖ將會引起探測光束與參考光梳之間的相位差Λ φ，Β卩Λ Φ = (ΔΖ/λ) · (2π)。相位差Λ φ會引起拍頻信號的振幅變化AEJP AE=El · Ε2 · exp ( Λ φ)，其中El和E2分別為探測光束和參考光束的振幅。所以，通過測量拍頻信號的強度變化即可獲得被測物體表面某一位置坐標上的凹凸情況。(4)利用帶寬小于5. 171kHz,中心頻率可調的電路濾波器，在頻率上掃描探測到的拍頻信號，依次讀取頻率為Δ fr，2 Λ fr, 3 Δ fr,…，η Λ fr,的頻譜強度，即可獲得被測物體表面對應位置的凹凸情況。本發(fā)明一種測量物體表面形貌的方法，發(fā)射端光梳I產生探測光束,并射向平行光柵，探測光束經平行光柵反射后穿透射過半透半反鏡8射向顯微物鏡3，探測光束經顯微物鏡3聚焦后射向放置在二維納米移動平臺4上的被測物體；所述射向被測物體的探測光 束沿原光路返回，探測光束經過顯微物鏡3后平行射向半透半反鏡8，半透半反鏡8將探測光束反射射向光電探測器7 ;與此同時，所述本地振蕩光梳6產生參考光束，參考光束穿透 半透半反鏡8也射向光電探測器7對被測物體表面形貌進行探測。
權利要求
1.一種測量物體表面形貌的方法，步驟如下 ①、采用雙光梳拍頻探測技術和空間啁啾技術，包括采用兩臺不同重復頻率的用于雙光梳拍頻探測的光梳，一臺為發(fā)射端光梳(I)用作產生探測光束,另一臺為本地振蕩光梳(6)用作產生參考光束，被測物體置于二維納米移動平臺(4)上； ②、將步驟①中產生的探測光束經過空間啁啾技術處理后經顯微物鏡(3)聚焦射向被測物體表面，探測光束在被測物體表面產生反射； ③、將步驟②中經反射的探測光束沿原光路返回，射向半透半反鏡(8)后反射，再與步驟①產生且穿透半透半反鏡(8)的參考光束在高速響應的光電探測器(7)上進行雙光梳頻譜標識探測，通過測量不同頻率成分的光場強度，得知探測光斑內不同位置的凹凸信息； ④、啟動二維精密納米移動電機(5)帶動納米移動平臺及被測物體移動，重復步驟 ①②③，對被測物體在XY平面內的掃描成像，全面測量被測物體表面形貌信息。
2.根據權利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述雙光梳拍頻探測技術是將發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)分別產生的探測光束和參考光束相干外差拍頻測量，所述探測光束和參考光束存在一個微小的重復頻率差△￡，發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)的拍頻信號根據彼此兩個系列的光梳齒的幾何加減關系，以Af的頻率差分布在射頻波段。
3.根據權利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述空間啁啾技術是利用光學色散元件(2)對探測光束在光學色散元件空間色散作用下，不同頻率的光波按波長長短依次均勻分布在光斑的不同位置,所述光學色散兀件為光柵。
4.根據權利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述雙光梳頻譜標識探測是利用參考光束與空間啁啾的探測光束進行拍頻探測，并將其拍頻信號用于頻譜標識，測定被測物體表面形貌位置對應的表面凹凸平整度。
5.根據權利要求I所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)采用具備脈沖重復頻率和脈沖載波包絡相位的精確鎖定的成像探測光源。
6.根據權利要求5所述一種測量物體表面形貌的方法，其特征在于所述發(fā)射端光梳(I)與本地振蕩光梳(6)米用飛秒激光光梳光源。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種測量物體表面形貌的方法，該方法采用飛秒激光光梳光源，為新型的非接觸式光學表面形貌成像方法，結合了雙光梳拍頻探測技術和脈沖空間啁啾技術，將空間位置信息測量轉換為對探測光頻譜可分辨測量，實現更高分辨精度的超靈敏光學表面形貌探測；利用光梳光源穩(wěn)定的相位-頻率關系，通過相干測量方式提高儀器的成像靈敏度；同時利用光梳外差拍頻探測和頻譜相干標識技術對表面形貌可實現高分辨率成像；采用雙光梳及納米移動平臺對被測物體自動掃描，并結合對探測光斑的空間擴束功能，可對被測物體表面實現大面積超靈敏快速成像。
文檔編號G01B11/24GK102967274SQ20121045549
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月14日 優(yōu)先權日2012年11月14日
發(fā)明者梁崇智, 曾和平, 閆明 申請人:廣東漢唐量子光電科技有限公司