CN105136066B - 使用干涉测量法测量振荡的方法 - Google Patents

Abstract

公开了一种使用干涉测量法测量振荡的方法，该方法包括获取图像的步骤、计算移动宽度的步骤，计算振幅的步骤以及计算周期的步骤。获取图像的步骤包括针对以预定周期振荡的物体，每隔特定时间间隔顺序地获取物体的图像。计算移动宽度的步骤包括计算多个所获取的图像内的莫尔图案的左右移动宽度。计算振幅的步骤包括基于莫尔图案的相邻图案之间的距离、发射到物体的光的波长以及莫尔图案的左右移动宽度来计算物体的振幅。计算周期包括基于返回时间计算物体的周期，其中在该返回时间期间，莫尔图案在其左右移动宽度内从初始位置开始并且返回到初始位置。

Description

使用干涉测量法测量振荡的方法

技术领域

本发明涉及使用干涉测量法测量振荡的方法，并且更具体地涉及下述使用干涉测量法测量振荡的方法：在该方法中，使用干涉仪测量影响物体的振荡的特性。

背景技术

干涉仪指的是这样的仪器：该仪器在将光发射到要测量的物体的表面和参考表面上之后，产生由经反射或经透射的两束光引起的干涉条纹，并且通过测量和分析所述干涉条纹来获得关于该物体的表面形状的信息。

由于这样的干涉仪易于测量物体的形状，所以其已在工业领域中广泛使用。整个工业领域中技术的迅速发展最近已将显微机械加工引入半导体、微型机电系统(MEMS)、平板显示器、光学部件等领域中，并且显微机械加工目前正进入需要纳米级超精密制造技术的阶段。此外，要处理的物体的形状也已经从简单形式变成复杂形式。因此，测量微形状已经变得越来越重要。

对于该干涉仪，移相干涉技术(PSI)已被广泛使用，在该移相干涉技术(PSI)中，通过将相位在干涉图形的一个波长内移动尽可能适当的推进距离来获得参考相位，并且将该参考相位转换为高度。该干涉测量法主要用于测量具有静态特性的物体的形状，即静止物体的形状。

如果当使用PSI测量物体的形状时物体以预定周期振荡，则存在不便，原因是必须安装用于确定物体的振荡特性的单独的振荡测量器。例如，已经安装了用于通过分析下述变化来测量物体的振荡的振荡测量器：在加速计直接接触振荡物体之后加速计的机械变化或电学变化，或者已经安装了用于向物体投射激光束并通过分析激光测量器中的激光束的变化来测量物体的振荡的振荡测量器。

这样，用于测量物体的形状的干涉仪包括单独的振荡测量器，因此，整个系统具有复杂的结构。此外，由于从振荡测量器输出的所测量的振荡数据与从干涉仪输出的所测量的形状数据不兼容，所以系统整体的吞吐量增加，因此整个系统的负载也增加。

发明内容

因此，构想出本发明以解决上述问题，并且本发明的一个方面是提供使用干涉测量法测量振荡的方法，其中用于测量物体的形状的干涉仪被用于确定以预定周期振荡的物体的振荡特性，从而简化用于测量物体的系统的结构并且降低系统的数据处理负载。

在根据本发明的实施方式中，提供了一种使用干涉测量法测量振荡的方法，其中，干涉仪向物体发射光以形成干涉条纹，并且获取干涉条纹的图像以测量该物体，该方法包括：针对以预定周期振荡的物体，每隔特定时间间隔顺序地获取物体的图像；计算多个所获取的图像内的莫尔图案的左右移动宽度；基于莫尔图案中的相邻图案之间的距离、发射到物体的光的波长以及莫尔图案的左右移动宽度来计算物体的振幅；以及基于返回时间来计算物体的周期，其中在该返回时间期间，莫尔图案在其左右移动宽度内从初始位置开始并且返回到初始位置。

计算振幅可以包括通过以下表达式来计算物体的振幅：

x:λ/2＝y:2A

其中，x为莫尔图案中的相邻图案之间的距离，λ为发射到物体的光的波长，y为莫尔图案的左右移动宽度，以及A为物体的振幅。

计算周期可以包括基于在返回时间内获取的图像的数目与用于获取图像的特定时间间隔之间的相乘结果来计算物体的周期。

附图说明

结合附图，根据示例性实施方式的以下描述，本发明的以上和/或其它方面将变得明显并且更容易理解，在附图中：

图1是示意性地示出用于实现根据本发明的实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法的干涉测量法的视图；

图2是示出根据本发明的实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法中使物体振荡并获得物体的图像的步骤的视图；以及

图3是用于说明根据本发明实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法中的计算振幅的步骤以及计算周期的步骤的视图。

具体实施方式

在下文中，将参照附图来描述根据本发明的使用干涉测量法测量振荡的方法的示例性实施方式。

图1是示意性地示出用于实现根据本发明的实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法的干涉测量法的视图；图2是示出根据本发明的实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法中使物体振荡并获得物体的图像的步骤的视图；以及图3是用于说明根据本发明的实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法中的计算振幅的步骤和计算周期的步骤的视图。

参照图1，用于实现根据本发明的实施方式的使用干涉仪测量振荡的方法的干涉仪10包括光源11、测量头12以及图像获取器14。

光源11可以包括用于产生白光的白色光源或者用于产生单色光的单色光源。例如，卤素灯、发光二极管(LED)等可以用作白色光源，而二极管激光器等可以用作单色光源。

测量头12将来自光源的光对准以预定周期振荡的物体1和参考镜23，并且基于从物体1反射的光和从参考镜23反射的参考光产生干涉条纹。根据本实施方式，测量头12包括聚合透镜21、分束器22以及参考镜23。

参照图1，聚合透镜21将光聚合到物体1，使得从光源11发射的光能够通过聚合透镜21向分束器22行进。

分束器22对通过聚合透镜21的光进行反射或透射。从分束器22反射的光行进至参考镜23，而透射过分束器22的光行进至物体1，然后再次从物体1反射。

参考镜23产生与从物体1反射的光具有光程差的参考光。参考镜23被布置在聚合透镜21与分束器22之间，并且将从分束器22反射的入射光返射回分束器22。

从物体1反射的光和由参考镜23产生的参考光形成干涉条纹，并且由图像获取器14来检测干涉条纹。

图像获取器14获取由测量头12形成的干涉条纹的图像，并且该图像获取器14被布置在以预定周期振荡的物体1的上方。

一般地，图像获取器14采用具有适用于要测量的区域的若干像素的电荷耦合器件(CCD)摄像机。此外，聚合透镜25可以被布置在图像获取器14的前方并且对从主分束器24行进的干涉光进行聚合。

将根据本发明的实施方式来描述使用上述干涉仪10、基于干涉测量法测量振荡的方法。

参照图1至图3，根据本发明的实施方式的使用干涉测量法测量振荡的方法通过干涉仪来测量影响物体的振荡的特性，并且该方法包括获取图像的步骤、计算移动宽度的步骤，计算振幅的步骤以及计算周期的步骤。

在获取图像的步骤中，针对以预定周期振荡的物体1，每隔规则时间间隔顺序地获取物体1的图像。图2示出了在物体1上下振荡的同时顺序地获取的物体1的图像。

参照图2的(a)，当物体1位于上限位置a1时获取物体1的图像I1。所获取的物体1的图像I1具有对应于物体1的形状的莫尔图案。

参照图2的(b)，当物体物1向下移动并且位于中间位置a2时获取物体1的图像I2。与图2的(a)中所示的图像相比，(b)中所获取的物体1的图像I2内的莫尔图案的特定图案31向右移动了预定距离。如果物体1向下移动并且因此测量头12与物体1之间的相对距离增加，则在物体1的表面上形成的莫尔图案被改变和反射，仿佛莫尔图案的特定图案31向右移动一样。

参照图2的(c)，当物体1向下移动并且位于下限位置a3时获取物体1的图像I3。与图2的(b)中所示的图像相比，(c)中所获取的物体1的图像I3内的莫尔图案的特定图案31进一步向右移动了预定距离。也就是说，随着物体1向下移动并且因此测量头12与物体1之间的相对距离增加，莫尔图案的特定图案31进一步向右移动。

参照图2的(d)，当物体物1向上移动并且再次位于中间位置a2时获取物体1的图像I4。与图2的(c)中所示的图像相比，(d)中所获取的物体1的图像I4内的莫尔图案的特定图案31以相反的方向，即向左移动了预定距离。也就是说，随着物体1向上移动并且因此测量头12与物体1之间的相对距离减小，莫尔图案的特定图案31向左移动。

参照图2的(e)，当物体1向上移动并且再次位于上限位置a1时获取物体1的图像I5。与图2的(d)中所示的图像相比，(e)中所获取的物体1的图像I5内的莫尔图案的特定图案31向左移动了预定距离。也就是说，随着物体1向上移动并且因此测量头12与物体1之间的相对距离进一步减小，莫尔图案的特定图案31进一步向左移动。

参照图2的(a)和(e)，在物体1上下振荡的同时，物体1从初始位置，即上限位置a1开始并且再次返回到初始位置，即上限位置a1。此时，莫尔图案的特定图案31同样在所获取的物体1的图像I1至I5内从初始位置P1开始并且再次返回到初始位置P1。

不是仅在物体1位于上限位置a1、中间位置a2以及下限位置a3时获取物体1的图像I1至I5。可替选地，可以在上限位置a1与中间位置a2之间每隔特定时间间隔顺序地获取物体的图像，并且可以在中间位置a2与下限位置a3之间每隔特定时间间隔顺序地获取物体的图像。图2示出了当物体1位于上限位置a1、中间位置a2以及下限位置a3时的图像I1至I5对应于每隔特定时间间隔获取的多个图像中的一些图像。

在计算移动宽度的步骤中，计算在多个所获取的图像内的莫尔图案的左右移动宽度(y)。

参照图2和图3，分析在获取图像的步骤中获取的多个图像，并且因此可以理解的是，莫尔图案的特定图案31在物体1振荡的同时从初始位置P1开始向右移动，并且在某时间点向左移动并且返回到初始位置P1。在本说明书中，将初始位置P1与回转位置P2之间的距离定义为莫尔图案的左右移动宽度y，其中在所述回转位置P2处，莫尔图案的特定图案31在移动方向上从向右变成向左，并且通过跟踪每隔特定时间间隔获取的多个图像内的莫尔图案的特定图案31的移动路径来计算莫尔图案的左右移动宽度y。

可以通过从每隔特定时间间隔获取的多个图像中提取莫尔图案的光强度曲线来跟踪莫尔图案的特定图案31的移动路径。在本发明的该实施方式中，莫尔图案的左右移动宽度y是莫尔图案的相邻图案31和32之间的距离x的1.5倍。

在计算振幅的步骤中，基于莫尔图案的相邻图案31与32之间的距离x、发射到物体1的光的波长λ以及莫尔图案的左右移动宽度y来计算物体1的振幅A。

可以基于图像获取器中的视场(FOV)的尺寸以及图像中的相邻图案31与32之间的像素的数目来计算莫尔图案中的相邻图案31与32之间的距离x。如果用于使用干涉测量法测量振荡的方法的干涉仪为反射干涉仪，则莫尔图案中的相邻图案31和32之间的距离x对应于发射至物体1的光的波长λ的1/2。

此外，因为物体的振幅A与莫尔图案中的特定图案31的左右移动宽度y成正比，所以能够基于莫尔图案中的特定图案31的左右移动宽度y来提取关于物体的振幅A的信息。如图3所示，初始位置P1处的莫尔图案的特定图案31对应于点41a，其中在所述点41a处物体1的振荡曲线41具有0相位，并且回转位置P2处的莫尔图案的特定图案31对应于点41b，其中在点41b处物体1的振荡曲线41具有π相位。因此，物体的振幅A对应于莫尔图案中的特定图案31的左右移动宽度的一半。

因此，通过以下表达式来计算物体的振幅A。

x：λ/2＝y：2A

其中，x为莫尔图案中的相邻图案31与32之间的距离，λ为发射到物体1的光的波长，y为莫尔图案的左右移动宽度，以及A为物体1的振幅。

通过上述比例表达式，能够计算出物体的振幅A。

在计算周期的步骤中，基于返回时间计算物体的周期T，其中在该返回时间期间，莫尔图案在其左右移动宽度y内从初始位置P1开始并且返回到初始位置P1。

参照图2和图3，莫尔图案的特定图案31在莫尔图案的左右移动宽度y内从初始位置P1开始并且经由回转位置P2再次返回到初始位置P1，这意味着当上下振荡时，物体1从初始位置开始并且返回到该初始位置。因此，可以基于莫尔图案中的特定图案31的返回时间来计算物体的周期T。

如图2所示，如果分析在获取图像的步骤中每隔特定时间间隔获取的图像，则能够提取莫尔图案的特定图案31位于初始位置P1的图像以及莫尔图案的特定图案31返回到初始位置P1的图像。因此，如果将在莫尔图案的特定图案31返回到初始位置P1花费的返回时间内获取的图像的数目与特定时间间隔相乘，则得到物体1的周期T。例如，如果每隔0.2秒的时间间隔获取物体1的图像并且在返回时间内获取的图像的数目为10，则该物体的周期T为2秒。

如上所述，根据本发明的实施方式的使用干涉测量法测量振荡的方法采用用于测量物体的形状的干涉仪，使得不仅能够分析物体的形状，还能够分析物体的振荡特性，从而具有简化用于测量物体的系统的结构的效果。

此外，因为分析振荡特性所需要的数据与测量形状所需要的数据相兼容，所以根据本发明的实施方式的使用干涉测量法测量振荡的上述方法具有降低测量系统的数据处理负载的效果。

根据本发明的实施方式，使用干涉测量法测量振荡的方法能够简化用于测量物体的系统的结构。

此外，根据本发明的实施方式，使用干涉测量法测量振荡的方法能够降低测量系统的数据处理负载。

虽然已经示出并描述了本发明的一些示例性实施方式，但是本领域的技术人员将理解的是，在不脱离本发明原理和精神、所附的权利要求及其等同物中限定的本发明的范围的情况下，可以在这些实施方式中做出改变。

Claims (2)

1.一种使用干涉测量法测量振荡的方法，其中，干涉仪向物体发射光以产生干涉条纹，并且所述干涉仪获取所述干涉条纹的图像以测量所述物体，所述方法包括：

针对以预定周期振荡的所述物体，每隔特定时间间隔顺序地获取所述物体的图像；

计算多个所获取的图像内的莫尔图案的左右移动宽度；

基于所述莫尔图案中的相邻图案之间的距离、发射到所述物体的光的波长以及所述莫尔图案的所述左右移动宽度来计算所述物体的振幅；以及

基于返回时间计算所述物体的周期，其中在所述返回时间期间，所述莫尔图案在所述莫尔图案的所述左右移动宽度内从初始位置开始并且返回到所述初始位置；

其中，计算所述振幅包括通过以下表达式来计算所述物体的所述振幅：

x:λ/2＝y:2A

其中，x为所述莫尔图案中的所述相邻图案之间的距离，λ为发射到所述物体的所述光的波长，y为所述莫尔图案的所述左右移动宽度，以及A为所述物体的振幅。

2.根据权利要求1所述的使用干涉测量法测量振荡的方法，其中，计算所述周期包括基于在所述返回时间内获取的图像的数目与用于获取所述图像的所述特定时间间隔之间的相乘结果来计算所述物体的所述周期。