[发明专利]使用干涉法的用于二维光程分布的绝对测量的装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于二维光程分布的绝对测量的装置，以及，特别地但不唯一地涉及用于测量三维轮廓的这种装置。

背景技术

使用干涉法测量绝对光程差是已知的。干涉法是一种用于测量物体和参考表面之间距离的完善的光学技术，精确度能达到光的波长的几分之一。虽然有些时候用在逐点或逐线的配置中，但其用于以干涉图的形式提供二维信息时是最强大的。商用的示例包括光源元件测试、使用散斑干涉法的位移场测量以及使用扫描白光干涉法(SWLI)的小尺寸机械和电子器件的轮廓测定法。

用于根据双光束干涉仪的光强分布的一般方程由下式给出：

I(x，y，k)＝I₀(x，y)+I₁(x，y)cos[kz(x，y)+φ₀]                (1)

其中，x和y是图像平面坐标系，z是物体和参考表面之间的光程差，φ₀是波之间的相位差，k是波数2π/λ，其中λ是光束的波长，以及I₀和I₁分别是直流(I₀)和调制(I₁)强度。如果使用例如激光器的窄带光源，方程(1)可应用于不同类型的双光束干涉仪(例如，迈克尔逊、马赫-泽德，等)，不论波前是平滑还是有散斑的。

一种已知的分析使用单波长干涉仪生成的干涉图的方法是引入已知的相位差φ₀。通过随着时间改变φ₀，记录一系列干涉图，可记下一组方程，从中可提取出包络的相位分布φ_w＝W{kz(x，y)}，其中W表示在-π至π的范围上包络给定的相位值的包络操作。¹另一方面，真正的光程差函数z(x，y)与展开的相位分布φ_u成正比：

z(x，y)＝φ_u(x，y)/k                            (2)

反过来，φ_u与φ_w相关，关系如下：

φ_u(x，y)＝φ_w(x，y)+2πv(x，y)                 (3)

其中，v(x，y)是整数场变量。

相位展开的过程，即确定v(x，y)场，对光程差沿着x和y平滑变化的情形是非常简单的。然而，大多数时候并不是这种情况。一旦空间相位梯度超过每像素一个π值，则仅基于相位数据，v(x，y)没有唯一的解，因而相位展开是不可能的。即使相位场是连续的，相位分布的展开对2π的常量整数倍也是不确定的。这被称为现有单波长干涉法的唯一性问题。

第二难题是，测量多个干涉图(或光强图像)和执行它们之间的相位漂移需要的有限的获取时间。外界扰动(振动，湍流，等)在施加的相位差中会导致大的误差，因而在测量的相位上也导致了大的误差。^2，3通过使用空间的(与时间的相反)相位漂移技术和脉冲激光照明，可有效地消除第二难题。然而，这些技术并没有克服唯一性问题。

解决前述对于唯一性问题的部分措施是记录两个波长λ₁和λ₂上的干涉图。鉴于采用单波长干涉仪，光程差对λ的整数倍是未知的，采用双波长，光程差对合成波长λ_s的整数倍是未知的，合成波长由下式给出：

λ_s＝λ₁λ₂/|λ₁-λ₂|                                    (4)

虽然这种方法可将清楚的光程差提高一个量级，但在可见波长上这仍相应于亚10μm级的清楚的光程差范围。通过减少|λ₁-λ₂|增加λ_s，则增加了展开误差的风险，因此需要更多数量的光强测量值来获得足够的信噪比。获得足够的数据点需要的时间意味着这种全场双波系统对外界扰动是非常敏感的。

另一解决方案涉及在被称为波长扫描干涉法(WSI)的技术中使用可调激光源。使用视频摄像机来记录在一组离散波长上的干涉图序列。^4-6与双波长干涉法相比，多波长方法提供了显著地更好的动态范围，但需要记录较长时间的序列仍使得该技术易受外界扰动。