CN102967274A - 一种测量物体表面形貌的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了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，结合了双光梳拍频探测技术和脉冲空间啁啾技术，将空间位置信息测量转换为对探测光频谱可分辨测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测；利用光梳光源稳定的相位-频率关系，通过相干测量方式提高仪器的成像灵敏度；同时利用光梳外差拍频探测和频谱相干标识技术对表面形貌可实现高分辨率成像；采用双光梳及纳米移动平台对被测物体自动扫描，并结合对探测光斑的空间扩束功能，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。

Description

一种测量物体表面形貌的方法

【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。

本发明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，结合了双光梳拍频探测技术和脉冲空间啁啾技术，将空间位置信息测量转换为对探测光频谱可分辨测量，实现更高分辨精度的超灵敏光学表面形貌探测；利用光梳光源稳定的相位-频率关系，通过相干测量方式提高仪器的成像灵敏度；同时利用光梳外差拍频探测和频谱相干标识技术对表面形貌可实现高分辨率成像；采用双光梳及纳米移动平台对被测物体自动扫描，并结合对探测光斑的空间扩束功能，可对被测物体表面实现大面积超灵敏快速成像。

【附图说明】

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明，其中：

图1为本发明对被测物体表面形貌测量原理示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图对本发明的实施方式作详细说明。

首先，发射端光梳1和本地振荡端光梳6的载波包络相位和重复频率同时精密锁定。让两台光梳具有一个微小重复频率差量，并将两台光梳同时锁定在同一个频率标准上，保证两台光梳之间有最小的相对频率抖动，所述发射端光梳1和本地振荡端光梳6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。

然后，利用空间啁啾技术，使探测光束通过光学色散元件2，所述光学色散元件2为一对相互平行的光栅，在光栅空间色散的作用下，使不同频率的光波会按照波长长短依次均匀分布在光斑的不同位置，最终使探测光束具有空间啁啾分布特性。

接着，利用频谱标识将探测光束经显微物镜3聚焦于被测物体表面，此时探测光斑在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；同时，通过同一显微物镜3收集沿原光路返回的反射光束，利用参考光束与探测光束经半透半反镜8的反射光束在光电探测器7上进行拍频探测。拍频频率就是参考光束与探测光束经半透半反镜8反射的反射光束的光学频率差，由于发射端光梳1与本地振荡光梳6的重复频率不同，且含有多个频率成分，所以拍频频谱会出现一系列的拍频信号，每一台信号之间的频率间隔就是发射端光梳1与本地振荡光梳6的重复频率差。通过依次比对参考光束与反射光束，及未经过被测物体表面的探测光束产生的对应拍频信号之间的强度变化，即可以确定光斑区域内每一个频率标识的空间位置的凹凸信息。

最后，启动二维精密纳米移动电机5带动纳米移动平台4及被测物体移动，逐次在XY空间内扫描被测物体表面，即可得到被测物体表面形貌特征图像信息。

对产生探测光束的发射端光梳1的飞秒激光光梳光源应满足：

（1）重复频率fr精确锁定。

（2）载波包络相位零频f0精确锁定。

（3）飞秒激光光梳光源重复频率fr1=100.000132MHz，锁定精度Δfr1<1mHz；载波包络相位零频f01=20MHz，锁定精度Δf01<10mHz；激光器的中心波长λ=1031nm，光谱宽度为Δλ=10nm，即包含纵模频率的个数约为N=c·(Δλ/λ2)/fr=7×104，其中c为真空光速。

对于产生参考光束的本地振荡光梳6的飞秒激光光梳光源应满足：

（1）飞秒激光光梳光源的重复频率fr和载波包络相位零频f0同时被精确锁定。

（2）重复频率fr2=100.005303MHz，重复频率抖动小于1mHz；载波包络相位零频f02=f01=20MHz，锁定精度为Δf02<10mHz，中心波长1031nm，光谱宽度为Δλ=10nm。

对空间频率啁啾的实现要求：探测光束以光栅一级衍射光最强时的角度射入一个平行放置的光栅对，其出射光束在光栅色散作用下出现空间-波长，即空间-频率分布，光斑的最左端为长波，最右端为短波，两端中间按波长从长到短依次分布。探测光束含纵模个数为7×104个，所以光斑被空间分割成了原光斑大小的7×104分之一。在本实施例中原光斑的直径为10mm，在此情况下，每一个光频率对应的小光斑的直径约为10mm/(7×104)=140nm。这也是理想情况下被测物体表面形貌测量的最小分辨精度。

对双光梳频谱标识别的实现，应满足：

（1）探测光束经被测物体表面反射后与参考光束经过半透半反镜8在光电探测器7上满足空间重合，之后产生拍频信号。

（2）在频谱0～2·fr1的范围内，拍频信号的频率间隔为发射端光梳1与本地振荡光梳6彼此对应的纵模频率差，即为∑(n·fr2+f0)-∑(n·fr1+f0)=∑n·(fr2-fr1)=∑n·Δfr，其中n为正整数，Δfr=5.171kHz为两个光梳的重复频率差。

（3）拍频信号的每一根频率齿代表了被测物体表面的一个位置坐标，这个位置坐标上的凹凸程度ΔZ将会引起探测光束与参考光梳之间的相位差Δφ，即Δφ=(ΔZ/λ)·(2π)。相位差Δφ会引起拍频信号的振幅变化ΔE，即ΔE=E1·E2·exp(Δφ)，其中E1和E2分别为探测光束和参考光束的振幅。所以，通过测量拍频信号的强度变化即可获得被测物体表面某一位置坐标上的凹凸情况。

（4）利用带宽小于5.171kHz，中心频率可调的电路滤波器，在频率上扫描探测到的拍频信号，依次读取频率为Δfr，2Δfr，3Δfr，…，nΔfr，的频谱强度，即可获得被测物体表面对应位置的凹凸情况。

本发明一种测量物体表面形貌的方法，发射端光梳1产生探测光束，并射向平行光栅，探测光束经平行光栅反射后穿透射过半透半反镜8射向显微物镜3，探测光束经显微物镜3聚焦后射向放置在二维纳米移动平台4上的被测物体；所述射向被测物体的探测光束沿原光路返回，探测光束经过显微物镜3后平行射向半透半反镜8，半透半反镜8将探测光束反射射向光电探测器7；与此同时，所述本地振荡光梳6产生参考光束，参考光束穿透半透半反镜8也射向光电探测器7对被测物体表面形貌进行探测。

Claims (6)

1.一种测量物体表面形貌的方法，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（1）用作产生探测光束，另一台为本地振荡光梳（6）用作产生参考光束，被测物体置于二维纳米移动平台（4）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（3）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（8）后反射，再与步骤①产生且穿透半透半反镜（8）的参考光束在高速响应的光电探测器（7）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（5）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平面内的扫描成像，全面测量被测物体表面形貌信息。

2.根据权利要求1所述一种测量物体表面形貌的方法，其特征在于所述双光梳拍频探测技术是将发射端光梳（1）与本地振荡光梳（6）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（1）与本地振荡光梳（6）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。

3.根据权利要求1所述一种测量物体表面形貌的方法，其特征在于所述空间啁啾技术是利用光学色散元件（2）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。

4.根据权利要求1所述一种测量物体表面形貌的方法，其特征在于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。

5.根据权利要求1所述一种测量物体表面形貌的方法，其特征在于所述发射端光梳（1）与本地振荡光梳（6）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。

6.根据权利要求5所述一种测量物体表面形貌的方法，其特征在于所述发射端光梳（1）与本地振荡光梳（6）采用飞秒激光光梳光源。

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