[发明专利]基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种微分干涉测量系统及方法，尤其涉及一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法。

背景技术

激光器自问世以来，基于其光束的方向性好和相干性强等优质特性被广泛应用于光学测量中作为照明光源。但随着产品性能的不断提高，对表面的平整度要求也越来越严格，在测量高平滑的表面时，激光器就会显现出一些弊端，当光束在系统中传播时，被各光学元件中的杂质、缺陷、甚至空气中的尘埃散射的杂散光在接收屏上也会发生干涉，形成相干噪声或散斑噪声，这些噪声通过算法处理很难消除，而且严重的影响了测量结果，尤其对高平滑表面进行测量时，甚至会吞没表面的形貌信息，难以实现测量的目的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统及方法，克服现有技术激光光束在系统传播容易发生干涉，形成相干噪声或散斑噪声的技术问题。

本发明的技术方案是：构建一种基于LED光源高精度的微分干涉测量系统，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光，所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器，所述采集单元通过所述CCD图像探测传感器采集光强图，所述重构单元根据所述采集单元采集的光强图重构待测样品的表面。

本发明的进一步技术方案是：采用LED弱相干光作为照明光源，有效地抑制了相干噪声及散斑噪声的产生，提高了测量结果的信噪比，使系统的测量结果可以更真实的反应被测表面形貌信息，而且系统的可重复测量的能力得到增强。

本发明的技术方案是：提供一种基于LED光源高精度的微分干涉测量方法，包括LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器、采集干涉光强图的采集单元、重构待测样品表面的重构单元，所述LED光源、聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片、起偏器依次设置在第一光轴上，所述待测样品、单轴晶体、分光棱镜、1/4波片、检偏器、成像透镜、CCD图像探测传感器依次设置在第二光轴上，所述第一光轴与所述第二光轴通过所述分光棱镜垂直连接，基于LED光源高精度的微分干涉测量方法包括如下步骤：

形成线偏振光：所述LED光源发出的光依次经过所述聚焦透镜、可调光阑、滤波器、准直透镜、干涉滤光片后形成平行于第一光轴传播的均匀光束，所述均匀光束经所述起偏器后形成线偏振光；

干涉成像：所述线偏振光经所述分光棱镜反射进入所述单轴晶体后被微分剪切成两束振动方向互相垂直的线偏振光照射在待测样品表面上，待测样品表面的反射光经所述单轴晶体合成一束光经分光棱镜、1/4波片和检偏器后由所述成像透镜在所述CCD图像探测传感器；

采集图像：依次采集至少三幅相位延迟π/2的待测样品表面的干涉光强图并提取出相位；

重构：采用数值积分算法对提取出的相位信息进行处理，重构出待测样品表面的形貌。

本发明的进一步技术方案是：在采集图像步骤中，将干涉光强图谱宽内所有波长光相干叠加：

式中，λ₀为中心波长，i_s，i_r为两束相干光的光功率密度，为被测表面的相位信息，为每次引入的相位延迟。

本发明的进一步技术方案是：在采集图像步骤中，提取出相位为：

其中：Δλ为干涉光的谱宽，为被测表面的相位信息。

本发明的进一步技术方案是：在重构步骤中，将被测信息沿X方向量化了，采用数值积分算法重构被测表面高度信息为：