[发明专利]一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统

权利要求书

1.一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，包括来自宽光谱光源的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；通过控制系统驱动微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；采用时域频域联合分析方法，基于干涉条纹图像求解得到每个像素点的表面形貌高度，从而测量出被测物体三维表面形貌；

其特征在于，所述时域频域联合分析方法包括以下步骤：

S1、对被测微纳结构进行纵向扫描采样，获取一系列宽光谱干涉条纹图像，并针对图像中每个像素点提取其对应的纵向扫描光强信号；

S2、对每个像素点的扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，并通过调制度极大值点确定出靠近零光程差的采样点位置；

S3、以靠近零光程差的采样点位置为中心点，从原始扫描信号中提取一段相对于中心点对称的扫描信号，确定该对称扫描信号的扫描起始点位置；

S4、对提取出的对称扫描信号进行空间频域分析，并利用频谱相位信息确定零光程差点的相对位置，即确定零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离；

S5、结合原始信号中调制度极大值点的位置以及对称信号中零光程差点相对于对称信号起始点的偏移距离，联合求解得到每个像素点的表面形貌高度。

2.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括对光强分布I(x，y，z)进行傅里叶变换，通过滤波窗口提取正频旁瓣信息并进行傅里叶逆变换，进而得到信号的包络函数，包络函数的极大值点也就是调制度极大值点的采样点位置。

3.根据权利要求2所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述光强分布I(x，y，z)表示为：

式中，I_background代表背景光强，I_M代表干涉信号光强调制度，Δ代表测量光束与参考光束之间的光程差，λ₀代表中心波长。

4.根据权利要求2所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述调制度曲线的表达公式包括：

其中，F代表调制度曲线，M代表干涉信号正频旁瓣信息；I_M代表干涉信号光强调制度；Δ代表测量光束与参考光束之间的光程差；λ₀代表中心波长。

5.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述中心点位置为距离零光程差点最近的采样点位置，即干涉信号光强调制度I_M的极大值点位置。

6.根据权利要求1所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括对相对于中心点对称的扫描信号进行傅里叶变换，获取其相应频谱相位信息，提取频谱幅值极大值点附近3个或5个点的频谱相位信息，并进行最小二乘法拟合，即可求得相位与频谱之间的线性关系；根据该线性关系，计算中心波数所对应的相位信息即可获得对称扫描信号中，零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离。

7.根据权利要求6所述的一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，其特征在于，所述零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离表示为：

其中，h_r表示零光程差点位置相对于扫描起始点N_start的偏移距离；λ₀代表中心波长。