[发明专利]一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法

权利要求书

1.一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量方法，应用于基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置中；所述装置包括计算机(1)、光强可控式白光光源(2)、第一透镜(3)、滤光片旋转盘(4)、分光棱镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(8)、CCD相机(9)、空间光调制器SLM(11)、第四透镜(12)；

所述计算机(1)控制所述光强可控式白光光源(2)发出的白光经过所述第一透镜(3)和滤光片旋转盘(4)上的滤光片后变为单色光，单色光经过所述分光棱镜(5)后分成两束；一束经过所述第二透镜(6)后射向被测对象(7)，另一束经过所述第三透镜(8)、空间光调制器SLM(11)及所述空间光调制器SLM(11)反射后与由被测对象(7)反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜(12)成像到所述CCD相机(9)；

其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：计算机(1)控制输入到空间光调制器SLM(11)中的灰度值；

步骤2：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源(2)光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，然后采集干涉图像；

其具体实现包括以下子步骤：

步骤2.1：所述计算机(1)首先选用一种窄带滤光片，所述光强可控式白光光源(2)发出的白光经过所述第一透镜(3)和滤光片旋转盘(4)上的滤光片后变为单色光λ₁，单色光λ₁经过所述分光棱镜(5)后分成两束；一束经过所述第二透镜(6)后射向被测对象(7)，另一束经过所述第三透镜(8)、空间光调制器SLM(11)及所述空间光调制器SLM(11)反射后与由被测对象(7)反射回的光进行干涉，干涉图经过所述第四透镜(12)成像到所述CCD相机(9)，获得λ₁的干涉图像；

步骤2.2：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₂，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₂的干涉图像；

步骤2.3：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₃，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₃的干涉图像；

步骤2.4：所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)选取另一种波长滤光片，得到单色光λ₄，再利用上述步骤2.1的原理获得λ₄的干涉图像；

步骤3：采集完四种不同波长(λ₁、λ₂、λ₃、λ₄)的干涉图像后，再利用图像处理算法计算出被测对象(7)每点的高度信息，从而得到被测对象的表面形貌。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述空间光调制器SLM(11)为纯相位调制式液晶空间光调制器SLM，配置有由所述计算机(1)控制的空间光调制器SLM的驱动器(10)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述CCD相机(9)采集的图像输入所述计算机(1)中。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的方法，其特征在于：所述滤光片旋转盘(4)上设置有若干滤光片；所述计算机(1)控制滤光片旋转盘(4)角度选择不同滤光片，并控制所述光强可控式白光光源(2)光强使得经不同滤光片后的光强保持一致，采集干涉条纹图像并进行相位求解得到出被测对象。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤3中所述利用图像处理算法计算出被测对象(7)每点的高度信息，其具体实现过程是：

步骤3.1：利用单色光λ_i测量，该点的高度h为：

其中，n_i为干涉级次，φ_i为干涉相位，在(-π,π)之间，i＝1、2、3、4；

步骤3.2：首先选择波长相差较小的两波长λ₁、λ₂，保证同一点，两波长具有相同干涉两级，即n₁＝n₂；

此时两种波长下的高度h具有以下关系：

经计算，消除级次n后有

考虑满足相位差φ₁-φ₂±2π∈(-π,π)，因此双波长的测量范围为

步骤3.3：再选另两种波长差梯度变化的两种单色波(λ₃、λ₄)；利用近波长(λ₁、λ₂)确定大致高度，再用中波长(λ₁、λ₃)和远波长(λ₁、λ₄)在小尺度内进一步提高精度；

步骤3.4：最后利用单波长相位计算最后测量结果，最后通过单波长相位计算作为最终测量结果。