一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法技术

本发明专利技术公开了一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法。本发明专利技术方法操作步骤：利用波长移相干涉技术对超表面进行干涉图的采集处理：干涉图的移相采集及加权平均化处理、干涉图筛选有效区域、干涉图去除背景噪声。基于时域离散傅里叶变换校正移相值：抽取干涉图特征信号、基于多点时域光照互相关系数剔除无效特征信号、时域傅里叶变换求解移相频率。本发明专利技术算法简单，计算量小，求解精度高，对高精度测量超表面具有非常重要的意义。测量超表面具有非常重要的意义。测量超表面具有非常重要的意义。

【技术实现步骤摘要】
一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法


[0001]本专利技术涉及一种对于超表面形貌分布的测量方法，尤其是一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法。即使用波长调谐移相法进行干涉图采集处理以及基于时域离散傅里叶变换发展的移相频率校正的方法。

技术介绍

[0002]使用光学技术和光学原理对被测件的表面形貌进行恢复和重建是一种非接触式的测量方法。基于光学检测技术所发展的测量算法可以实现对被测面的高精度测量，其精度可达纳米甚至亚纳米级。
[0003]超表面可实现对电磁波偏振、振幅、传播模式等特性的有效调控，在光学和电子领域中应用广泛。这种表面一般分布有高度为几百纳米级别的柱状形貌，传统上使用白光干涉测量对该种超表面进行测量。但是白光干涉测量技术具有明显的缺陷：
[0004](1)算法实现较为复杂；
[0005](2)算法精度不高；
[0006](3)逐个像素点进行求解的方法在工业检测中具有较高的计算成本。
[0007]移相干涉测量技术是一类高精度检测技术。基于该种技术，通过干涉仪采集一系列具有不同相位(移相后)的干涉图，通过相关的相位解调算法对采集后的干涉图中的干涉光强分布进行计算可以实现被测面相位分布的求解，从而通过相位和表面形貌分布的线性关系对被测面进行重建。传统上，移相干涉是通过配备有压电陶瓷的机构对干涉仪中的参考镜进行推动从而实现被测面干涉强度信号的移相操作。但是这种方法的局限性在于：(1)通过压电陶瓷机构进行参考镜的推动时，会产生不可避免的应力误差和机械迟滞误差；(2)当对大口径被测件进行测量时，由于所匹配的参考镜也应具有较大的口径，而大质量的参考镜会加大其本身的机械迟滞误差，致使移相不精准，并将最终降低测量精度。

技术实现思路

[0008]为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法，实现超表面的高精度测量，本专利技术算法简单，计算量小，对高精度测量超表面具有非常重要的价值。
[0009]为达到上述专利技术目的，本专利技术的构思是：
[0010]波长调谐移相干涉测量法可通过改变激光器的输出光源波长实现被测波面相位的改变，从而实现移相操作。由于在移相过程中只需要对激光器上施加的电压(温度或者电流)进行控制，无需对参考镜等硬件进行移动，因此这种移相方法具有较高的移相精度，进而可以据此实现高精度的表面测量。另外，这种方法可以根据被测面到达参考镜的光程差和波长调谐量来调整和计算移相值。在这个过程中，传统算法往往基于对腔长和被测元件光学厚度的估算值对相位值进行泰勒展开，并且取低阶项的方式对移相值进行计算，该种方法具有一定的估计误差，不适用于高精度测量情形。
[0011]所提出的技术所针对的测量对象是表面分布有纳米柱结构的超表面。通过一系列干涉图的采集，并且使用所提出的算法进行相位解调，从而对其表面形貌进行重建。在干涉图采集过程中，为了减少振动等不良因素对测量结果的不利影响，采用多帧干涉图加权平均的方式求解并记录干涉图，将采集的干涉图储存到计算机以备后续处理。为了有效降低无效测量区域对求解结果的不利影响，利用数值只含0或1的分析码矩阵对干涉图进行提取有效区域操作。为了减少背景分量和难以完全剔除的背景噪声对于测量结果的不利影响，在干涉图采集时，采用序列长度为2N+3的干涉图采集方法(其中N为移相分割数，可决定移相值为2π/N)，即采集干涉强度信号的2个整周期并附加3帧干涉图，并且将这些干涉图进行分段以便描述。其中帧数为[1:1:2N](以第1帧干涉图为初始，以1帧干涉图为步长，以第2N帧干涉图为最终值，后文表达含义与此含义相同)为第一段干涉图，帧数为[2:1:2N+1]为第二段干涉图，帧数为[3:1:2N+3]为第三段干涉图。由此将2N+3帧干涉图分成三段，其初始干涉图帧数依次相错为1，各段总帧数均为2N帧。对各段干涉图求解其各自光强平均值后，再次进行均值化处理，以此实现对干涉图背景分量和加性噪声的计算。将第一段干涉图(帧数分布为[1:1:2N])作为后续主要测量干涉图对象，令其每帧干涉图均减去上面计算得到的背景分量和加性噪声，以实现消除这两个不良因素对求解结果的影响。为了精确求解移相值并克服异常噪声数据对求解结果的影响，设计了基于多点时域光照强度互相关函数的异常数据剔除方法，并且构造了拓展傅里叶变换算法。
[0012]根据上述专利技术构思，本专利技术采用下述技术方案：
[0013]一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法，其特征在于操作步骤如下：
[0014](1)利用波长移相干涉技术对超表面进行干涉图的采集处理：
[0015](1
‑
1)干涉图的移相采集及加权平均化处理；
[0016](1
‑
2)干涉图筛选有效区域；
[0017](1
‑
3)干涉图去除背景噪声；
[0018](2)基于时域离散傅里叶变换校正移相值：
[0019](2
‑
1)抽取干涉图特征信号；
[0020](2
‑
2)基于多点时域光照互相关系数剔除无效特征信号；
[0021](2
‑
3)时域傅里叶变换求解移相频率。
[0022]本专利技术方法主要实现流程可以概述为：
[0023](1)干涉图采集方案的制定以及实现。使用波长调谐移相干涉仪对具有纳米柱结构的超表面进行干涉图的采集；干涉图的移相次数为2N+3，N为整数或者小数部分为0.5的非整数，总采集帧数为5
×
(2N+3)，即在每次移相后的干涉图采集帧数为5；将每次移相后的5帧干涉图进行加权平均法处理，并以此作为当次移相后的干涉图，由此最终可得2N+3帧移相干涉图。将第k次移相干涉图的光强数据记为I(k)，k＝1～2N+3，k为整数。干涉图的横向和纵向的像素尺寸大小分别记为X
T
、Y
T
；
[0024](2)设置有效测量区域的分析码并进行背景值的求解。该分析码为1个矩阵，矩阵大小与干涉图大小一致，其中有效区域的数值设置为1，无效区域的数值设置为0。每帧干涉图进行后续处理前均需与分析码进行点乘操作，其所得结果干涉图参与后续计算。对与分析码点乘后的2N+3帧干涉图进行分段求解背景值，包括背景分量及加性噪声，并将各段求解的背景值做均值化处理，作为后续去背景操作的基础。所述的分段数量为3段，以第1帧到
第2N帧为第一段，这3段干涉图初始帧数依次相错为1，其段总帧数均为2N帧；
[0025](3)干涉图去均值操作。将上步所得到的经分析码处理后的第一段干涉图减去上步经均值化处理后所得到的背景值，得到近似背景纯净的干涉图，以下称纯净干涉图，符号记为I
’
(k)，此时k值取值范围为1～2N；
[0026](4)特征信号的抽取。将上步得到的2N帧纯净干涉图以图像中心点(X0，Y0)为几何中心，均抽取有效区域内含此点的相邻9个位置的光本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法，其特征在于，其步骤如下：(1)利用波长移相干涉技术对超表面进行干涉图的采集处理：(1
‑
1)干涉图的移相采集及加权平均化处理；(1
‑
2)干涉图筛选有效区域；(1
‑
3)干涉图去除背景噪声；(2)基于时域离散傅里叶变换校正移相值：(2
‑
1)抽取干涉图特征信号；(2
‑
2)基于多点时域光照互相关系数剔除无效特征信号；(2
‑
3)时域傅里叶变换求解移相频率。2.根据权利要求1所述使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法，其特征在于：在所述步骤(1
‑
1)中，使用波长调谐移相干涉技术方法对具有纳米柱结构的超表面进行干涉图采集，干涉图的移相次数为2N+3，N为整数或者小数部分为0.5的非整数，总采集帧数为5
×
(2N+3)，即在每次移相后的干涉图采集帧数为5；将每次移相后的5帧干涉图进行加权平均法处理，并以此作为当次移相后的干涉图，由此获得干涉图总帧数为2N+3；其中第k次移相后采集得到的5帧理论移相值相近的干涉图记为I
r
(k)，r＝1、2、3、4、5，其对应的权值分别为0.1、0.3、0.3、0.3、0.1；最终得到处理后的数据作为第k次移相干涉图光强数据，记为I(k)，其具体表示为：I(k)＝[0.1
×
I1(k)+0.3
×
I2(k)+0.3
×
I3(k)+0.3
×
I4(k)+0.1
×
I5(k)]/(0.1+0.3+0.3+0.3+0.1)。3.根据权利要求1所述使用波长移相法测量超表面形貌分布的方法，其特征在于：在所述步骤(1
‑
2)中，设置分析码矩阵尺寸大小与干涉图尺寸大小相等，且其内数值为1或0；将干涉图与分析码进行点乘操作，以此实现对干涉图有效区域的筛选；设置分析码有效区域为圆形，其矩阵内的数值遵循以下规律：记所要求的的圆形分析码的分析圆心，也即图像中心点为(X0，Y0)，记所要求的的圆形分析码的分析圆半径为R，有以下规律：当干涉图上的点(x,y)，0≥x≥X
T
，0≥y≥Y
T
，x和y均为整数，满足(x
‑
X0)2+(y
‑
Y0)2＜R2时，则将圆形分析码中点(x,y)的数值设置为1；当不满足上述条件时，则将圆形分析码中点(x,y)的数值设置为0；完成上述置0和置1的操作后，将满足(x
‑
X0)2+(y
‑
Y0)2＝R2、满足(x
‑
X0)2+(y
‑
Y0)2＝(R+1)2、满足(x
‑
X0)2+(y
‑
Y0)2＝(R+2)2时的圆形分析码中的点作为检测边缘点进行记录，该检测边缘点作为分析码的边缘界限；在对R进行设置时，应满足R≤min(X
T...

【专利技术属性】
技术研发人员：何婷婷，常林，于瀛洁，魏启宇，王陈，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：