[发明专利]一种测量物体表面形貌的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及激光光学成像技术，尤其涉及一种新型的非接触式测量物体表面形貌的方法。

【背景技术】

针对激光无损切割、激光表面喷涂、激光表面毛化与抛光、特种合金焊接等新兴技术的检测和评估，图像分析、数据处理等技术的要求不断提高，材料表面形貌的检测技术也发生了根本性的变化。不但从最初的二维轮廓界面的测量评定发展到定量化三维表面形貌的测量评定，而且从传统的对平面表面形貌的测量评定，发展到对曲面表面形貌的测量评定。然而,大多数传统形貌测量仪器由于本身在设计方案上的局限性，无法兼顾时间分辨率和空间分辨率。高分辨、快响应的显微成像检测技术亟待发展。目前国内外适用于材料表面形貌成像测量的仪器多数采用的是接触式测量方式，利用探针或是探珠直接接触物体表面，获取其表面凹凸形貌信息。这类触针式测量仪的好处在于其成像直观可靠、操作简单、通用性强，但被测表面易被触针划伤而使测量数据失真，触针磨损也会引起横向分辨率降低从而导致测量结果不准确；同时，受触针尖端圆弧半径的影响，触针难以测出高质量表面的实际轮廓谷底，从而降低了测量精度。通常这种接触式形貌测量仪的精度在1微米量级。另外，现行的表面形貌测量装置还有扫描显微镜测量仪，该装置通过计算机图像监视器或CRT显示控制器观测被测表面图像，其分辨率较高，但是测量范围小，使用范围限于原子级或纳米级表面的测量，测量条件较苛刻。

本发明即针对上述问题研究而提出。

【发明内容】

本发明要解决的技术问题是提供一种测量物体表面形貌的方法，该方法采用飞秒激光光梳光源，为新型的非接触式光学表面形貌成像方法，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。

为解决上述技术问题，本发明一种测量物体表面形貌的方法，采用步骤如下：

①、采用双光梳拍频探测技术和空间啁啾技术，包括采用两台不同重复频率的用于双光梳拍频探测的光梳，一台为发射端光梳用作产生探测光束，另一台为本地振荡光梳用作产生参考光束，被测物体置于二维纳米移动平台上；

②、将步骤①中产生的探测光束经过空间啁啾技术处理后经显微物镜聚焦射向被测物体表面，探测光束在被测物体表面产生反射；

③、将步骤②中经反射的探测光束沿原光路返回，射向半透半反镜后反射，再与步骤①产生且穿透半透半反镜的参考光束在高速响应的光电探测器上进行双光梳频谱标识探测，通过测量不同频率成分的光场强度，得知探测光斑内不同位置的凹凸信息；

④、启动二维精密纳米移动电机带动纳米移动平台及被测物体移动，重复步骤①②③，对被测物体在XY平面内的自动扫描成像，全面测量被测物体表面形貌信息。

所述双光梳拍频探测技术是将发射端光梳与本地振荡光梳分别产生的探测光束和参考光束相干外差拍频测量，所述探测光束和参考光束存在一个微小的重复频率差Δf，发射端光梳与本地振荡光梳的拍频信号根据彼此两个系列的光梳齿的几何加减关系，以Δf的频率差分布在射频波段。

所述空间啁啾技术是利用光学色散元件对探测光束在光学色散元件空间色散作用下，不同频率的光波按波长长短依次均匀分布在光斑的不同位置，所述光学色散元件为光栅。

所述双光梳频谱标识探测是利用参考光束与空间啁啾的探测光束进行拍频探测，并将其拍频信号用于频谱标识，测定被测物体表面形貌位置对应的表面凹凸平整度。

所述发射端光梳与本地振荡光梳采用具备脉冲重复频率和脉冲载波包络相位的精确锁定的成像探测光源。

所述发射端光梳与本地振荡光梳采用飞秒激光光梳光源，其具有良好的空间相干性和方向性，可直接无接触式、无损伤被测物体表面，同时光梳光源频率不确定度小，可以确保测量的准确度和精度。

频谱标识是将具有空间啁啾的探测光束聚焦于被测物体表面，光斑在被测物体表面的照射区被探测光束中不同频率的光成分所标记，通过测量不同频率的光场信息，即可得到该频率对应的空间位置的被测物体表面凸凹平整度。事实上，频谱标识是将光束的强度-频率关系I(ω)对应于强度-空间坐标关系I(X)，其中ω为光频率，X为某一光频率成分在X方向的坐标；频谱标识的空间分辨精度取决于探测光束可分辨的频率精度。