CN101251372A - 基片上微粒高度测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基片上微粒高度测量方法。该方法采用包括微位移平台、带有CCD摄像机的光学显微镜、计算机和平行光光源所构成装置。测量基片上微粒高度过程包括：将一束平行光以与基片上表面成第一固定角度θ1照射基片表面微粒，获第一幅数字图像；移动微位移平台一已知距离，获第二幅数字图像；将一束平行光以与基片上表面成第二固定角度θ2照射基片表面微粒，获第三幅数字图像。由第一幅数字图像和第二幅数字图像测得它们之间的位移D，再由微位移平台移动的已知距离计算光学显微成像系统的放大率β；由第二幅数字图像和第三幅数字图像测得它们之间的位移L，由L/[β(ctg θ2－ctg θ1)]计算出微粒距基片表面的高度值。本发明优点在于过程简单，易于实现。

Description

基片上微粒高度测量方法
技术领域
本发明涉及一种微粒高度测量方法，特别是一种固体基片表面的微粒高度的测量方法，属光学检测技术领域。
背景技术
固体及液体粒子，特别是微小粒子的大小或是尺寸信息对与许多领域都是十分重要的。例如，在工业生产过程中很多材料是以粉体的形式存在和使用的，粉体颗粒的形状及尺寸大小对于产品质量、生产效率以及生产过程控制都会产生非常重要的影响。又如，液体雾化产生的液滴的大小对于包括燃烧过程、环境湿度控制在内的各种应用都是至关重要的。对于微粒直径的测量，已有多种不同的方法，应用较为广泛的是光学方法。这些光学方法包括基于光散射理论的激光粒度仪和相位激光多普勒粒子测量技术。激光粒度仪是利用一束准直的激光束照射到被测粒子上，根据米氏散射理论，由于粒子对光的散射作用将产生与粒子直径有直接关系的散射光分布。通过检测散射光分布即可根据散射模型计算出粒子的分布。为实现有效的散射光分布检测，通常的激光粒度仪采用环状的光探测器阵列。目前也有采用CCD构成激光粒度仪的研究报道。相位激光多普勒粒子测量技术则是利用粒子对两束相交的激光束产生的多普勒信号的相位与粒子直径的关系实现对粒径的测量，其主要特点是能够测量出单个粒子的大小。理论上讲，上述两种方法只适合球形粒子测量，原因是其模型都是建立在球形粒子散射基础上的。对与非球形粒子，上述方法只能给出近似的结果。在很多情况下，固体颗粒的形状是非球形的，甚至是无规则的。在这种情况下，颗粒沿不同取向的尺寸不同，甚至差别很大。这时很难定义颗粒的直径，也就使粒径的测量变得愈加困难。另一方面，随着各种新学科和新技术的出现和发展，对微小结构的精确测量和表征已成为测量技术提出了新的课题。例如，当前快速发展的基于微机电系统(MEMS)的器件，其特征结构尺寸在微米量级。对于这类器件的检测，不仅需要高精度和高分辨率，还要求测量系统具有在线和快速检测功能。此外，在半导体和生物技术领域，经常遇到检测在基片表面制作或生长出的微小结构或生物微粒的问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种基片上微粒高度测量方法，该方法过程简单，易于实现，测量精度高。
本发明是通过以下技术方案加以实现的，一种基片上微粒高度测量方法，该方法采用的装置：包括微位移平台103，微位移平台上面放置固定微粒的基片102，基片上方设置带有CCD摄像机106的光学显微镜105，计算机107控制微位移平台的移动及与CCD摄像机连接，用于照射基片上微粒的平行光光源104所构成，对基片上微粒尺寸测量，其特征在于包括以下过程：将一束平行光以与基片上表面成第一固定角度θ1照射到表面固定微粒的基片表面，待测微粒在基片表面形成阴影，光学显微镜将此阴影成像到CCD摄像机上，计算机采集并存储第一幅数字图像；之后计算机控制微位移平台沿着Y轴移动一已知距离，再由计算机采集并存储第二幅数字图像；之后将一束平行光以与基片上表面成第二固定角度θ2照射待测微粒的基片表面，待测微粒在基片表面形成阴影，光学显微镜将此阴影成像到CCD摄像机上，计算机采集并存储第三幅数字图像；由第一幅数字图像和第二幅数字图像测得它们之间的Y轴方向位移D，再由微位移平台移动的已知距离计算出光学显微成像系统的放大率β；由第二幅数字图像和第三幅数字图像测得它们之间的位移L，由L/[β(ctgθ2-ctgθ1)]计算出待测微粒距基片表面的高度值。
本发明优点在于，利用显微光学成像与斜入射平行光投影相结合，采用数字图像处理和在线实时标定实现对基片上微粒高度的快速测量。具有测量精度高、实时在线标定，方法简单，易于实现，对与粒子的形状无特殊要求的特点，适合于基片表面制作或生长出的微小结构以及由基片采样得到的固体颗粒的尺寸测量。
附图说明
图1为本发明涉及的微粒高度测量装置结构框图。
图中：101为固定在基片上的待测微粒；102为基片；103为微位移平台；104为平行光光源；105为光学显微镜；106为CCD探测器；107为计算机。
图2为待测微粒在基片表面形成阴影示意图。
图中：108为待测微粒在基片表面形成阴影图像。
图3为以平行光与基片上表面成第一固定角度θ1照射微粒时记录的第一幅数字图像。
图4为微位移平台沿着Y轴移动一已知距离后，以平行光与基片上表面成第一固定角度θ1照射微粒时记录的第二幅数字图像。
图5为以平行光与基片上表面成第二固定角度θ2照射时记录的第三幅数字图像。
具体实施方式
如附图1所示，显微镜105采用带CCD摄像机106的台式正置奥林巴斯显微镜，CCD摄像机与一台式计算机107相连。照明平行光104由使用带光纤输出的光源产生，该光源带有两分支光纤。微位移平台103采用线性电动平台，由步进电机驱动，其分辨率为1微米。实验使用微粒粒径在100微米左右的金刚砂作为实验样品，金刚砂随机散布在硅片上。照明光源置于显微镜105左侧，照明角度θ1和θ2分别选取为30°和60°。微位移平台103的移动方向为前后方向，即与照明方向相互垂直的方向。选用20X显微物镜，测量开始前先调节显微镜使其对金刚砂的阴影聚焦，使之CCD上形成清晰的图像，之后测量中保持该状态。在照明角度为30°时，由计算机107采集并保存第一幅数字图像。之后计算机107控制微位移平台103向前移动100微米，由计算机107采集并保存第二幅数字图像。之后将照明角度改为60°，由计算机107采集并保存第三幅数字图像。由第一幅数字图像和第二幅数字图像可以测量出阴影在图像上下方向即Y轴向上的位移D，并由D/100计算成像系统的放大率β；由第二幅数字图像和第三幅数字图像可以测量出阴影在图像左右方向即X轴向上的位移L；再由L/[β(ctg30°-ctg60°)]计算出待测金刚砂距基片表面的高度值。
本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims (1)

1. 一种基片上微粒高度测量方法，该方法采用的装置：包括微位移平台(103)，微位移平台上面放置固定微粒的基片(102)，基片上方设置带有CCD摄像机(106)的光学显微镜(105)，计算机(107)控制微位移平台的移动及与CCD摄像机连接，用于照射基片上微粒的平行光光源(104)所构成，对基片上微粒尺寸测量，其特征在于包括以下过程：将一束平行光以与基片上表面成第一固定角度θ1照射到表面固定微粒的基片表面，待测微粒在基片表面形成阴影，光学显微镜将此阴影成像到CCD摄像机上，计算机采集并存储第一幅数字图像；之后计算机控制微位移平台沿着Y轴移动一已知距离，再由计算机采集并存储第二幅数字图像；之后将一束平行光以与基片上表面成第二固定角度θ2照射待测微粒的基片表面，待测微粒在基片表面形成阴影，光学显微镜将此阴影成像到CCD摄像机上，计算机采集并存储第三幅数字图像；由第一幅数字图像和第二幅数字图像测得它们之间的Y轴方向位移D，再由微位移平台移动的已知距离计算出光学显微成像系统的放大率β；由第二幅数字图像和第三幅数字图像测得它们之间的位移L，由L/[β(ctgθ2-ctgθ1)]计算出待测微粒距基片表面的高度值。
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