专利名称：激光散斑干涉测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用激光测量纳米微粒的方法及装置。
背景技术：
激光散斑是激光高相干性在漫射物体粗糙表面相干的一种现象。散斑现象表现为用激光照明漫射表面时，像面呈颗粒状，表面由一些细小的统计分布的亮暗斑所覆盖。起因是物体在被激光照射时，每一点都散射光线。由于激光光源较高相干性，一个物点散射的光和其余物点散射的光相干涉，形成了具有统计规律、看似杂乱的干涉图样。
传统的激光散斑干涉测量方法的实验装置如图1所示，包括激光器1、分光板2、位相延迟装置3、被测样品4、参考样品5、CCD相机6。激光器1发出的光经分光板2后，照在被测样品4和参考样品5上，反射回来的物光和参考光重新经过分光板2进入CCD相机6，形成散斑干涉图形。在这个过程中，参考光三次穿过分光板2，而物光一次穿过分光板2，为了补偿两者的光程差，通常，在分光板2和被测样品4之间加位相延迟装置3。通过这种方法，获得的是被测样品的平面信息。
因为传统的激光散斑干涉测量方法及装置，仅得样品平面位相信息，测量获得的信息量不够丰富，所以，测量精度不高。目前，横向测量精度仅达10um。这就限制了激光散斑干涉测量方法的应用领域，如在纳米技术中，由于微粒尺度一般在纳米量级，要获得纳米微粒的动态行为过程，要求检测方法的横向测量精度应该在1um以下，甚至更小。这就要求我们在检测时能获得更多的信息量，显然，已有的激光散斑干涉测量方法不能满足测量精度的要求，而这些领域用激光散斑干涉测量方法来检测又具有明显的优势。也就是说，已有激光散斑干涉测量方法及其装置存在的主要问题是获得的信息量不够丰富，横向测量精度不够高。
发明的详细内容本发明要解决的技术问题针对已有激光散斑干涉测量方法存在的问题，我们要解决的技术问题是改进已有激光散斑干涉测量方法及装置不能够测量立体位相信息，信息量不够丰富，横向测量精度不够高的问题，为此，本发明将要提供能够测量立体位相信息、扩大信息量、提高横向测量精度、扩大应用范围的激光散斑干涉测量方法及装置。
本发明装置的技术方案如图2所示，它包括激光器、分光板、空间位相扫描板、被测样品、位相扫描反射镜、CCD相机；在麦克尔逊干涉仪的一支光路上依次同轴放置激光器、分光板、空间位相扫描板和被测样品，在分光板和被测样品之间放置空间位相扫描板；另一支光路上在分光板的两侧分别放置位相扫描反射镜和CCD相机，并且使分光板、位相扫描反射镜和CCD相机保持同轴。
本发明的方法由图2可以看出，激光散斑干涉测量步骤如下首先在麦克尔逊干涉装置的一支光路上放置激光器、分光板、空间位相扫描板和被测样品形成一支激光分束干涉光路，在另一支光路上放置位相扫描反射镜和CCD相机形成另一支激光分束干涉光路，调整好激光分束干涉光路；然后给被测样品施加驱动信号，同时驱动空间位相扫描板和位相扫描反射镜均匀扫描被测样品表面，并横向剪切被测样品表面形成干涉图像；使空间位相扫描板和位相扫描反射镜相互配合，获取被测样品立体位相信息，则实时记录被测样品表面变化；利用空间位相扫描板和位相扫描反射镜的锁相和解锁相对被测样品形成空间干涉成像的散斑条纹图像，并对被测样品同步产生多幅剪切和位相扫描的干涉图像；把散斑条纹图像存进计算机，在显示器上显示出激光散斑干涉图形并分析样品表面微粒在外加信号驱动下的动态行为；把散斑条纹图像从背景光中提取出来，然后对观测到的激光散斑条纹图像进行细分，利用锁相技术使被测样品不同点反射回来的光形成固定的位相差，从而互相干涉形成周期性的干涉图样，利用图像分析软件分析干涉图样就获得被测样品特定区域的表面信息，则完成了激光散斑干涉的测量。
工作过程激光器发出的光，经分光板后变为两束光分别照在被测样品和参考反射镜上，反射回来的物光和参考光重新经过分光板后，进入CCD相机形成散斑干涉图像。
本发明的优点从图2中可以看出，本发明的研究方案与以前方案的不同之处是在物方光路增加了空间位相扫描板和在参考光路增加了位相扫描反射镜。
背景技术：
只是在物方光路放置位相延迟装置用来补偿光程，来保证两束光产生干涉；或利用相移法提高物方纵向(测距)分辨能力，得到的仍是平面信息。而本发明在光路中同时放置空间位相扫描板和位相扫描反射镜可以均匀、大范围地扫描被测样品表面，既有横向剪切的干涉成像，又有纵向分辨力的改善，得到的是立体位相信息。
本发明双位相扫描的激光散斑干涉测量方法及装置显著优点有(1)能测量立体位相信息，扩大信息量。(2)测量精度高。结合图像细分方法，能把横向测量精度从目前的10μm精确到1μm以下，甚至尺度更小。(3)应用范围广，不仅能够实现传统的激光散斑干涉测量，而且能够应用于纳米微粒的动态行为表征。本发明是一种非接触、无损、实时、动态的测量方法，广泛应用于表面粗糙度、位移、形变和应力等方面的测量。不仅能够应用于纳米微粒的测量，还可以作为微电子、微光学元件及半导体制造等领域的检测手段。


图1是背景技术中的激光散斑干涉测量方法及装置图2是本发明双位相扫描的激光散斑干涉测量方法及装置
具体实施例方式本发明的位相扫描激光散斑干涉测量方法已经应用于磁流体光显示屏的检测中。结合图2，说明本发明的应用。它包括激光器1、分光板2、空间位相扫描板3、被测样品4、位相扫描反射镜5、CCD相机6。
激光器1采用30mw的He-Ne激光器或其它类型的激光器；分光板2采用通用的光学分光板；空间位相扫描板3包括同步电机和振子镜，采用同步电机驱动振子镜，或采用锯齿波驱动振子镜，或采用其它驱动方式；被测样品4采用磁流体显示板作为被测样品，尺寸选择为10cm×10cm；位相扫描反射镜5包括同步电机和位相板，采用同步电机驱动位相板，或采用其它驱动方式；CCD相机6采用100万像素的CCD相机。
首先在麦克尔逊干涉装置的一支光路上放置He-Ne激光器、光学分光板、空间位相扫描板和磁流体显示板形成一支激光分束干涉光路，在另一支光路上放置位相扫描反射镜和100万像素的CCD相机形成另一支激光分束干涉光路，调整好激光分束干涉光路；用信号发生器给磁流体显示板施加驱动信号，同时用锯齿波驱动振子镜和用同步电机驱动位相板均匀扫描磁流体显示板表面，并横向剪切磁流体显示板表面，使从磁流体显示板表面横向不同点反射回来的光相互干涉形成干涉图像；使振子镜和位相板相互配合且保持一定的函数关系，获取磁流体显示板立体位相信息，则在磁流体显示板表面形态变化过程中，实时记录其表面形态的变化；利用空间位相扫描板和位相扫描反射镜的锁相和解锁相对磁流体显示板表面形成空间干涉成像的散斑条纹图像，并对磁流体显示板表面同步产生多幅剪切和位相扫描的干涉图像；通过图像采集卡把散斑条纹图像存储进计算机，在显示器上显示出激光散斑干涉图形；利用图像分析软件分析样品表面微粒在外加信号驱动下的动态行为；利用图像处理技术和统计相关理论，即可选用灰度分级法把散斑条纹图像从背景光中提取出来，再把激光散斑条纹图像细。分为10份，使测量精度从目前的10μm精确到1μm；利用锁相技术使磁流体显示板不同点；反射回来的光形成固定的位相差，从而互相干涉形成周期性的干涉图样，利用C语言编制的图像分析软件分析干涉图样就获得磁流体显示板样品被测区域的表面微粒信息，则完成了激光散斑干涉的测量。
权利要求
1.激光散斑干涉测量装置，包括激光器(1)、分光板(2)、被测样品(4)、CCD相机(6)；其特征在于还包括空间位相扫描板(3)、位相扫描反射镜(5)，在麦克尔逊干涉仪的一支光路上依次同轴放置激光器(1)、分光板(2)、空间位相扫描板(3)和被测样品(4)，在分光板(2)和被测样品(4)之间放置空间位相扫描板(3)；另一支光路上在分光板(2)的两侧分别放置位相扫描反射镜(5)和CCD相机(6)，并且使分光板2、位相扫描反射镜(5)和CCD相机(6)保持同轴。
2.激光散斑干涉测量方法，其特征在于首先在麦克尔逊干涉装置的一支光路上放置激光器、分光板、空间位相扫描板和被测样品形成一支激光分束干涉光路，在另一支光路上放置位相扫描反射镜和CCD相机形成另一支激光分束干涉光路，调整好激光分束干涉光路；然后给被测样品施加驱动信号，同时驱动空间位相扫描板和位相扫描反射镜均匀扫描被测样品表面，并横向剪切被测样品表面形成干涉图像；使空间位相扫描板和位相扫描反射镜相互配合，获取被测样品立体位相信息，则实时记录被测样品表面变化；利用空间位相扫描板和位相扫描反射镜的锁相和解锁相对被测样品形成空间干涉成像的散斑条纹图像，并对被测样品同步产生多幅剪切和位相扫描的干涉图像；把散斑条纹图像存进计算机，在显示器上显示出激光散斑干涉图形并分析样品表面微粒在外加信号驱动下的动态行为；把散斑条纹图像从背景光中提取出来，然后对观测到的激光散斑条纹图像进行细分，利用锁相技术使被测样品不同点反射回来的光形成固定的位相差，从而互相干涉形成周期性的干涉图样，利用图像分析软件分析干涉图样就获得被测样品特定区域的表面信息，则完成了激光散斑干涉的测量。
全文摘要
本发明涉及一种用激光测量纳米微粒的方法及装置，麦克尔逊激光干涉光路上放置激光器1、分光板2、空间位相扫描板3、被测样品4、位相扫描反射镜5、CCD相机6，调整好麦克尔逊激光干涉光路，在被测样品表面形态变化过程中，利用空间位相扫描板和位相扫描反射镜实时记录被测样品表面立体位相信息，在CCD相机中形成横向剪切激光散斑干涉图像，通过图像采集卡存储进计算机。再利用统计相关理论和细分技术对图像进行处理。本发明提供能够测量立体位相信息、扩大信息量、提高横向测量精度、扩大应用范围的激光散斑干涉测量方法及装置。它不仅能够应用于纳米微粒的动态行为表征，还可以作为微电子、微光学元件及半导体制造等领域的检测手段。
文档编号G01N21/45GK1696661SQ20041001085
公开日2005年11月16日 申请日期2004年5月12日 优先权日2004年5月12日
发明者王希军 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所