基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置及方法
【專利摘要】本發明一種基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置及方法，利用由數字微鏡陣列、成像單元、半透半反鏡、白光光源、干涉顯微物鏡、待測物體、工件臺、控制單元、光譜儀、光纖、光纖耦合單元組成的裝置，將擴束準直白光通過半透半反鏡將白光分別投射到待測物體表面和干涉顯微鏡內部的參考鏡表面并反射光發生干涉，再經過半透半反鏡，獲得干涉光強并經成像單元成像到數字微鏡陣列表面；逐一控制數字微鏡陣列的像素對應微鏡偏轉角度，使不同像素對應干涉光強逐一進入光纖耦合單元，光譜儀獲得干涉光強對應的光譜信息傳入控制單元并對干涉光強對應的光譜分布進行相位解析，求得待測物體表面相對高度。本發明結構簡化，測量精度高、抗干擾能力強。
【專利說明】基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于光學精密檢測【技術領域】，涉及一種光學非接觸測量方法，特別是一種基于白光頻域分析的微納結構表面貌的測量裝置及方法。
【背景技術】
[0002]隨著MEMS等微納器件的廣泛應用，為保證器件性能，對微納結構形貌測量技術提出了很高的要求。現有微結構形貌測量技術中，白光干涉技術憑借其測量范圍大、精度高等優點成為主流技術。然而，現有的基于白光干涉原理對微納結構形貌進行測量的技術，大多通過z向移動工件臺或干涉顯微鏡等方式，對待測物體進行z向上的掃描，通過判斷掃描過程中光強最大值，實現對待測物體相對高度的檢測。現有測量方法精度受Z向驅動機構定位精度影響較大，并且以光強作為探測對象，存在易受外界環境雜散光以及待測物體表面折射率變化影響等問題。
【發明內容】
[0003](一 )要解決技術的問題
[0004]本發明的目的在于對解決現有白光干涉測量技術存在的問題，提供一種無需進行z向掃描，并具有高抗干擾能力及高測量精度的基于白光干涉原理的微納結構形貌測量裝置及方法。
[0005]( 二 )技術方案
[0006]為實現本發明的目的，本發明第一方面，提供一種基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置，該裝置包括:數字微鏡陣列、成像單元、半透半反鏡、白光光源、干涉顯微物鏡、待測物體、工件臺、控制單元、光譜儀、光纖、光纖耦合單元；其中:數字微鏡陣列、成像單元、半透半反鏡、干涉顯微物鏡及待測物體依序位于微納結構形貌測量裝置的光軸上；數字微鏡陣列位于成像單元和光纖耦合單元之間，數字微鏡陣列的表面與光纖耦合單元的光軸之間具有一角度，且成像單元的成像面與光纖耦合單元的耦合面相互垂直；半透半反鏡的半透半反面與干涉顯微物鏡的光軸之間具有一角度；白光光源輸出的平行光束與干涉顯微物鏡的光軸垂直；待測物體設于干涉顯微物鏡的成像面上；工件臺位于待測物體上；控制單元的數據端與光譜儀的數據端連接；光纖的兩端分別連接光纖耦合單元的輸出端和光譜儀的數據端連接；光纖耦合單元的耦合面位于數字微鏡陣列的輸出光束上；光源發出的白光經擴束準直后，通過半透半反鏡投射到干涉顯微物鏡上，干涉顯微鏡將白光分別投射到待測物體表面和干涉顯微鏡內部的參考鏡表面，使待測物體表面及參考鏡表面的反射光發生干涉，再次經過半透半反鏡，獲得干涉光強并經成像單元后成像至數字微鏡陣列的表面；逐一控制數字微鏡陣列像素對應微鏡偏轉角度，使不同像素對應的干涉光強逐一進入光纖耦合單元，光譜儀接收并獲得干涉光強對應的光譜信息，并傳入控制單元進行光譜分布相位解析，實現對數字微鏡陣列上每一像素點對應待測物體表面相對高度的檢測。[0007]為實現本發明的目的，本發明第二方面，提供一種基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法所采取的技術方案是:光源發出的白光經擴束準直后，通過半透半反鏡投射到干涉顯微物鏡上，干涉顯微鏡將白光分別投射到待測物體表面和干涉顯微鏡內部的參考鏡表面，使待測物體表面及參考鏡表面的反射光發生干涉，再次經過半透半反鏡，獲得干涉光強并經成像單元后成像至數字微鏡陣列的表面；逐一控制數字微鏡陣列的像素對應微鏡偏轉角度，使不同像素對應的干涉光強逐一進入光纖耦合單元，光譜儀獲得干涉光強對應的光譜信息，傳入控制單元并對干涉光強對應的光譜分布進行相位解析，實現對數字微鏡陣列上每一像素點對應待測物體表面相對高度的檢測。
[0008]優選實施例，所述控制數字微鏡陣列各個微鏡偏轉角度是控制數字微鏡陣列的某一像素對應微鏡的偏轉角度，使投影在數字微鏡陣列上的干涉光強進入光纖耦合單元。
[0009]優選實施例，所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，還包括:利用工件臺帶動待測物體做x、y方向平面運動，對待測物體不同區域進行檢測，通過數據拼接實現大尺寸待測物體表面高度測量。
[0010]優選實施例，所述光譜分布相位解析是使用相移法、傅里葉變換法、小波變換法中的一種。
[0011]優選實施例，使用所述光譜分布獲得物體高度的步驟包括:所述光譜分布的波長為λ值，其對應相位值為Φ，對2 JI / λ、φ進行一次項擬合，獲得相位值關系，Φ = 2 JI k/λ，擬合參數k即為該光譜分布對應待測物體的高度。
[0012]優選實施例，放置待測物體的工件臺在二維平面內通過電動或手動方式任意自由移動。
[0013]優選實施例，所述數字微鏡陣列可通過控制單元8進行控制，控制單元可直接控制數字微鏡陣列上每個像素單元對應微鏡的偏轉角度。
[0014]優選實施例，所述一次項擬合采用最小二乘法優化算法、B樣條優化算法、擬牛頓優化算法中的一種。
[0015](三)有益效果
[0016]本發明通過對白光干涉光強的光譜信息進行分析實現對待測物體高度的檢測，減小了外界雜散光等對測量精度的影響，提高了檢測系統抗干擾能力。并且，該方法無需z向掃描，即可完成對待測物體高度的檢測，簡化了系統結構，提高了測量速度，消除了 z向定位誤差對測量精度的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置的結構示意圖；
[0018]圖2為干涉光強的光譜分布示意圖。
【具體實施方式】
[0019]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0020]如附圖1所示為本發明基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置結構示意圖，數字微鏡陣列(DMD) 1、成像單元2、半透半反鏡3、白光光源4、干涉顯微物鏡5、待測物體6、工件臺7、控制單元8、光譜儀9、光纖10、光纖耦合單元11 ;數字微鏡陣列1、成像單元2、半透半反鏡3、干涉顯微物鏡5及待測物體6依序位于微納結構形貌測量裝置的光軸上；數字微鏡陣列I位于成像單元2和光纖耦合單元11之間，數字微鏡陣列I的表面與光纖耦合單元11的光軸之間具有33° ±5°角度，且成像單元2的成像面與光纖耦合單元11的耦合面相互垂直；半透半反鏡3的半透半反面與干涉顯微物鏡5的光軸之間具有45°角度；白光光源4輸出的平行光束與干涉顯微物鏡5的光軸垂直；待測物體6設于干涉顯微物鏡5的成像面上；工件臺7位于待測物體6上；控制單元8的數據端與光譜儀9的數據端連接；光纖10的兩端分別連接光纖耦合單元11的輸出端和光譜儀9的數據端連接；光纖耦合單元11的耦合面位于數字微鏡陣列I的輸出光束上。
[0021]利用圖1示出的基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置，實現微納結構形貌測量方法包括步驟如下:白光光源4發出的光經擴束準直后，通過半透半反鏡3投射到干涉顯微物鏡5上，由干涉顯微物鏡5將入射光分為兩束，一束成像到待測物體6的表面，另一束成像到干涉顯微物鏡5的內部參考鏡表面。這兩束光分別經待測物體6的表面以及參考鏡表面反射后發生干涉，再次經過半透半反鏡3后，獲得干涉光強；由成像單元2將干涉光強成像到數字微鏡陣列I的表面，通過控制單元8對數字微鏡陣列I上某一像素對應的微鏡的偏轉角度進行控制，使該微鏡表面的干涉光強進入光纖耦合單元11，并由光纖10傳輸至光譜儀9，光譜儀9獲得該干涉光強對應的光譜信息，并傳入控制單元8并對干涉光強對應的光譜分布進行相位解析，從而獲得待測物體表面相對高度。
[0022]令此時數字微鏡陣列I上某一像素點干涉光強對應的待測物體6的表面與干涉顯微鏡5的內部參考鏡之間的光程差為d,此時光譜儀9獲得的信號I (λ)可以表不為:
[0023]
【權利要求】
1.一種基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置，該裝置包括數字微鏡陣列、成像單元、半透半反鏡、白光光源、干涉顯微物鏡、待測物體、工件臺、控制單元、光譜儀、光纖、光纖耦合單元；其中:數字微鏡陣列、成像單元、半透半反鏡、干涉顯微物鏡及待測物體依序位于微納結構形貌測量裝置的光軸上；數字微鏡陣列位于成像單元和光纖耦合單元之間，數字微鏡陣列的表面與光纖耦合單元的光軸之間具有一角度，且成像單元的成像面與光纖耦合單元的耦合面相互垂直；半透半反鏡的半透半反面與干涉顯微物鏡的光軸之間具有一角度；白光光源輸出的平行光束與干涉顯微物鏡的光軸垂直；待測物體設于干涉顯微物鏡的成像面上；工件臺位于待測物體上；控制單元的數據端與光譜儀的數據端連接；光纖的兩端分別連接光纖耦合單元的輸出端和光譜儀的數據端連接；光纖耦合單元的耦合面位于數字微鏡陣列的輸出光束上；光源發出的白光經擴束準直后，通過半透半反鏡投射到干涉顯微物鏡上，干涉顯微鏡將白光分別投射到待測物體表面和干涉顯微鏡內部的參考鏡表面，使待測物體表面及參考鏡表面的反射光發生干涉，再次經過半透半反鏡，獲得干涉光強并經成像單元后成像至數字微鏡陣列的表面；逐一控制數字微鏡陣列像素對應微鏡偏轉角度，使不同像素對應的干涉光強逐一進入光纖耦合單元，光譜儀接收并獲得干涉光強對應的光譜信息，并傳入控制單元進行光譜分布相位解析，實現對數字微鏡陣列上每一像素點對應待測物體表面相對高度的檢測。
2.根據權利要求1所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置，其特征在于:所述數字微鏡陣列表面與光纖耦合的單元光軸之間具有33° ±5°角度；所述半透半反鏡的半透半反面與干涉顯微物鏡的光軸之間具有45°角度。
3.一種使用利要求I所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量裝置的微納結構形貌測量方 法，其特征在于:光源發出的白光經擴束準直后，通過半透半反鏡投射到干涉顯微物鏡上，干涉顯微鏡將白光分別投射到待測物體表面和干涉顯微鏡內部的參考鏡表面，使待測物體表面及參考鏡表面的反射光發生干涉，再次經過半透半反鏡，獲得干涉光強并經成像單元后成像至數字微鏡陣列的表面；逐一控制數字微鏡陣列的像素對應微鏡偏轉角度，使不同像素對應的干涉光強逐一進入光纖耦合單元，光譜儀獲得干涉光強對應的光譜信息，傳入控制單元并對干涉光強對應的光譜分布進行相位解析，實現對數字微鏡陣列上每一像素點對應待測物體表面相對高度的檢測。
4.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:所述控制數字微鏡陣列各個微鏡偏轉角度是控制數字微鏡陣列的某一像素對應微鏡的偏轉角度，使投影在數字微鏡陣列上的干涉光強進入光纖耦合單元。
5.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:還包括:利用工件臺帶動待測物體做X、y方向平面運動，對待測物體不同區域進行檢測,通過數據拼接實現大尺寸待測物體表面高度測量。
6.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:所述光譜分布相位解析是使用相移法、傅里葉變換法、小波變換法中的一種。
7.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:使用所述光譜分布獲得物體高度的步驟包括:所述光譜分布的波長為λ值，其對應相位值為Φ ,對2 31 / λ、φ進行一次項擬合,獲得相位值關系，Φ = 2 31 k/ λ ,擬合參數k即為該光譜分布對應待測物體的高度。
8.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:放置待測物體的工件臺在二維平面內通過電動或手動方式任意自由移動。
9.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:所述數字微鏡陣列通過控制單元進行控制，控制單元可直接控制數字微鏡陣列上每個像素單元對應微鏡的偏轉角度。
10.根據權利要求3所述基于數字掃描白光干涉的微納結構形貌測量方法，其特征在于:所述一次項擬合采用最小二乘法優化算法、B樣條優化算法、擬牛頓優化算法中的一種。
【文檔編號】G01B11/24GK103900493SQ201410157861
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】唐燕, 何渝, 趙立新, 朱江平, 胡松 申請人:中國科學院光電技術研究所