CN101520306B - 基于空间载波的干涉共焦测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于空间载波的干涉共焦测量装置与方法属于表面形貌测量技术领域；该装置包括：激光器、准直聚焦物镜、针孔、准直扩束物镜、偏振分光镜、四分之一波片、分光镜、探测聚焦物镜、第二微驱动器、收集物镜；沿激光器主光轴方向的分光镜后面依次配置辅助参考镜和第一微驱动器，主参考镜配置在分光镜与探测聚焦物镜之间，在收集物镜的焦点处，放置CCD相机，主控计算机与CCD相机、第一微驱动器连接；采用二次共焦方法，建立位移相位关系，通过倾斜辅助参考镜，引入载波信号，获得载波干涉图，利用空间载波移相算法求解被测表面相位信息，最后拟合出表面形貌和三维轮廓，适用于微结构三维形貌的动态、快速、高精度测量。

Description

基于空间载波的干涉共焦测量装置与方法

技术领域

本发明属于表面形貌测量技术领域，特别涉及一种用于微结构光学元件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽及表面形状测量的超精密、动态、高速共焦测量装置与方法。

背景技术

共焦点扫描测量是微光学、微机械、微电子领域中测量三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的重要技术手段之一。1957年M.Minsky提出共焦扫描测量的基本技术思想，即通过引入针孔探测器抑制杂散光，实现轴向层析。此后，在M.Minsky提出的共焦扫描成像技术基础上衍生出光纤共焦显微测量、差动共焦扫描测量等多种类型的共焦测量原理。

光纤共焦显微测量、差动共焦扫描测量方法与Minsky提出的共焦测量方法的共同之处在于，二者都是基于位移-光强变化关系的测量方法。基于位移-光强变化关系的共焦测量方法，存在易受测量光信号强度易受测量表面反射率差异、测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，这种影响直接导致已经标定的信号强度和位移输出关系曲线产生变化，因而会带来较大的测量误差，这种测量原理缺陷约束了共焦测量技术在反射率变化较大的表面的和曲面轮廓测量中的应用。

中国专利公开号101275822，发明的名称为基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置，公开了一种基于时间移相干涉的二次共焦测量方法与装置。利用共焦点探测器的轴向层析作用，通过两次移相干涉获得两种共焦状态下的相位信息，从而实现离焦位移的解析求解。基于移相干涉的共焦测量方法的本质是将位移变化转换成位相变化，以实现微结构和微位移测量；该方法克服了传统共焦测量技术易受测量表面反射率差异、测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足。

但是，时间移相干涉需要采集四幅干涉图，才能根据移相算法获得被测面相位。由于四幅干涉图是在同一位置不同时刻获得的，耗时较长，易受环境振动和空气扰动等因素影响，只适于静态测量；另外，多步移相通过PZT微位移驱动来实现，机构运动误差直接影响移相精度，从而限制了测量精度的提高。

发明内容

为克服时间移相干涉共焦测量，耗时较长，易受环境振动和空气扰动等因素影响的不足，本发明提出一种基于空间载波的干涉共焦测量装置与方法；采用二次共焦方法，获得两种共焦状态下的离焦-相位关联方程，从而实现相位-位移关系的解析求解；采用空间载波移相干涉技术，倾斜辅助参考镜，引入空间载波相移所需的载波信号，将载波信号引入到测量光与参考光产生的干涉图中，通过空间载波相移算法来解析相位信息，从而求解出被测物面的表面轮廓和三维形貌。

本发明既保留了移相共焦检测方法不受测量表面反射率差异和测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的优点，又克服了时间移相共焦检测中需要多步移相，耗时长，受环境影响大的缺点，适用于微结构三维形貌的超精密、动态、高速测量。本发明的目的是这样实现的：

本发明所述装置包括：激光器、准直聚焦物镜、针孔、准直扩束物镜、偏振分光镜、四分之一波片、分光镜、探测聚焦物镜、第二微驱动器、收集物镜；沿激光器主光轴方向的分光镜后面依次配置辅助参考镜和第一微驱动器，主参考镜配置在分光镜与探测聚焦物镜之间，在收集物镜的焦点处，放置CCD相机，主控计算机与CCD相机、第一微驱动器连接。

本发明还提供了一种基于空间载波的干涉共焦测量方法，该方法包括以下步骤：

1)采用二次共焦方法，获得两种共焦状态下的相位信息，实现离焦位移的解析求解，建立相位-位移关系；

2)倾斜辅助参考镜，引入载波信号，将载波信号引入测量光与参考光的干涉图中，使CCD相机上连续像素点获得一个大的相移值，产生载波干涉图；

3)通过空间载波相移算法来解析被测物面相位信息；对含有载波信号的干涉图进行二维傅立叶变换，使载波干涉图中各频率在频谱图上展开；通过频域滤波，截取所需频率，再经过傅立叶逆变换，获得被测物面相位信息，从而求解出被测物面的表面轮廓和三维形貌信息。

该方法基于位移和移相干涉相位转换原理，而不是位移-强度转换关系，因此克服了传统共焦测量技术易受表面反射率差异、被测面倾斜影响的不足，可应用于反射率差异较大的表面及曲面轮廓的超精密非接触测量。

该方法采用空间载波相移技术，避免了移相干涉测量中需要多步移相、耗时较长、易受环境振动和空气扰动等因素影响、只适于静态测量的不足，适用于微结构三维形貌的动态、快速、高精度测量。

本发明创新性在于：针对现有传统共焦测量技术易受测量表面反射率差异、测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，以及基于移相干涉的二次共焦测量方法耗时较长的缺点，采用二次共焦方法，获得两种共焦状态下的相位位移关联方程，从而实现离焦位移的解析求解，建立位移-相位关系；采用空间载波移相干涉技术，倾斜辅助参考镜，引入空间载波相移所需的载波信号，将载波信号引入到测量光与参考光产生的干涉图中，通过空间载波相移算法来解析相位信息，从而求解出被测物面的表面轮廓和三维形貌。

本发明的良好效果在于：

1)采用空间载波相移技术，避免了移相干涉测量中需要多步移相，耗时较长，易受环境振动和空气扰动等因素影响；

2)基于位移和移相干涉相位转换原理，克服了表面反射率差异、被测面倾斜的影响，可应用于反射率差异较大的表面及曲面轮廓的超精密非接触测量；

3)克服了传统共焦检测只适于静态测量的不足，适用于微结构三维形貌的动态、快速、高精度测量。

附图说明

图1为所述基于空间载波的干涉共焦测量装置结构示意图。

图2为所述基于空间载波的傅立叶变换相位提取方法示意图

图中：1激光器、2准直聚焦物镜、3针孔、4准直扩束物镜、5偏振分光镜、6四分之一波片、7分光镜、8辅助参考镜、9第一微驱动器、10主参考镜、11探测聚焦物镜、12第二微驱动器、13收集物镜、14CCD相机、15主控计算机

具体实施方式：

结合附图对本发明进行详细描述：

如图1所示，本发明的基于空间载波的干涉共焦测量装置包括：激光器1、准直聚焦物镜2、针孔3、准直扩束物镜4、偏振分光镜5、四分之一波片6、分光镜7、探测聚焦物镜11、第二微驱动器12、收集物镜13；沿激光器1主光轴方向的分光镜7后面依次配置辅助参考镜8和第一微驱动器9，主参考镜10配置在分光镜7与探测聚焦物镜11之间，在收集物镜13的焦点处，放置CCD相机14，主控计算机15与CCD相机14、第一微驱动器9连接。

其中，所述激光器1发出线偏振光束，经过由准直聚焦物镜2、针孔3、准直扩束物镜4构成的准直扩束镜组后成为近似理想平面波；再经过偏振分光镜5和四分之一波片6之后成为圆偏振光束；经过分光镜7分为两束光，第一束光由分光镜7透射，经过辅助参考镜8反射，作为辅助参考光，经分光镜7反射，经收集物镜13会聚在CCD相机14探测面上；第二束光由分光镜7反射，在主参考镜10的参考面上分为两部分；一部分光反射，作为主参考光，透过分光镜7后，经收集物镜会13聚在CCD相机14探测面上；一部分光透射，作为测量光，经探测聚焦物镜11、会聚在测量表面上，经过测量表面反射后，经过探测聚焦物镜11、主参考镜10、分光镜7，最后经收集物镜13会聚进入CCD相机14，与主参考光、辅助参考光发生干涉，干涉图像由主控计算机15存储处理。

第一微驱动器9的作用是倾斜辅助参考镜8以引入载波信号，该载波信号为辅助参考光与主参考光相干涉的结果；第二微驱动器12的的作用是移动探测聚焦物镜11，产生相对于初始测量共焦状态而言的第二种共焦状态，从而获得离焦量与相位求解的关联方程，实现相位-离焦量关系的求解计算。第一微驱动器9和第二微驱动器12由主控计算机15控制。

本发明具体实施步骤：

第一步，采用二次共焦方法，获得两种共焦状态下的相位信息，从而实现离焦位移的解析求解，建立相位-位移关系；

第二步，倾斜辅助参考镜8，引入载波信号，该载波信号为辅助参考光与主参考光相干涉的结果；将载波信号引入测量光与参考光的干涉图中，使CCD相机14上连续像素点获得一个大的相移值，产生载波干涉图；

第三步，通过空间载波相移算法来解析被测物面相位信息；对含有载波信号的干涉图进行二维傅立叶变换，由于辅助参考镜8倾斜引入的空间载波的调制作用，载波干涉图中各频率在频谱图上展开；辅助参考镜8的倾斜量越大，倾斜条纹越多，各频率频谱越容易分开；通过频域滤波，截取所需频率，再经过傅立叶逆变换，获得被测表面相位信息，从而拟合出被测表面轮廓和三维形貌。

空间载波位相移技术是在条纹图中加入一个大的倾斜，从而使连续像素点获得一个大的相移值，适用于高速测量。载波信号是由倾斜辅助参考镜8引入的，该载波信号为辅助参考镜8与主参考镜10反射的参考光的干涉结果。常用的五点公式表述如下

$I_i(x,y)=a+b\cos [2\mathrm{\π}{f}_0(x+\frac{i-1}{4f_0})+\mathrm{\φ}(x,y)],i=\mathrm{1,2,3,4,5}---\left(1\right)$

所以CCD上某像素上的相位

$\mathrm{\φ}(i,j)={\tan }^{-1}\left[\frac{2(I_2-I_4)}{2I_3-I_1-I_5}\right]---\left(2\right)$

其中I₁、I₂、I₃、I₄、I₅为相邻像素点的光强。

进一步减去倾斜值，再把位相恢复到2π范围内；最后进行位相解包裹得到最终结果。

想要得到每次测量结果的精确相位信息，需要对含有载波信号的干涉图进行二维傅立叶变换，其干涉强度分布可改写为

g(x，y)＝a(x，y)+c(x，y)exp(2πif₀x)+c^*(x，y)exp(-2πif₀x)    (3)

c(x，y)＝b(x，y)exp[iφ(x，y)]/2    (4)

式中，*代表复共轭。对g(x，y)的变量x进行快速傅立叶变换(FFT)得：

G(f，x)＝A(f，y)+C(f-f₀，y)+C^*(f+f₀，y)    (5)

由于辅助参考镜8倾斜引入的光载波的调制作用，上式中3项在频谱面上分开。辅助参考镜8的倾斜量越大，倾斜条纹越多，各频率频谱越容易分开。

利用频率中心为f₀的滤波器获得旁瓣谱项C(f-f₀，y)，并通过频移得到C(f，y)，再进行傅里叶逆变换得到被测面相位c(x，y)，如图2所示。这样由(4)式可得

$\mathrm{\φ}(x,y)={\tan }^{-1}\frac{\mathrm{Re}\left[c(x,y)\right]}{\mathrm{Im}\left[c(x,y)\right]}---\left(6\right)$

Claims (2)

1.一种基于空间载波的干涉共焦测量装置，包括：激光器(1)、准直聚焦物镜(2)、针孔(3)、准直扩束物镜(4)、偏振分光镜(5)、四分之一波片(6)、分光镜(7)、辅助参考镜(8)、第一微驱动器(9)、探测聚焦物镜(11)、第二微驱动器(12)、收集物镜(13)；其特征在于，沿激光器(1)主光轴方向的分光镜(7)后面依次配置辅助参考镜(8)和第一微驱动器(9)，主参考镜(10)配置在分光镜(7)与探测聚焦物镜(11)之间，探测聚焦物镜(11)配置在第二微驱动器(12)上，在收集物镜(13)的焦点处放置CCD相机(14)，主控计算机(15)与CCD相机(14)、第一微驱动器(9)连接，其中，所述激光器(1)发出线偏振光束，经过由准直聚焦物镜(2)、针孔(3)、准直扩束物镜(4)构成的准直扩束镜组后成为近似理想平面波；再经过偏振分光镜(5)和四分之一波片(6)之后成为圆偏振光束；经过分光镜(7)分为两束光，第一束光由分光镜(7)透射，经过辅助参考镜(8)反射，作为辅助参考光，经分光镜(7)反射，经收集物镜(13)会聚在CCD相机(14)探测面上；第二束光由分光镜(7)反射，在主参考镜(10)的参考面上分为两部分；一部分光反射，作为主参考光，透过分光镜(7)后，经收集物镜(13)会聚在CCD相机(14)探测面上；一部分光透射，作为测量光，经探测聚焦物镜(11)会聚在测量表面上，经过测量表面反射后，经过探测聚焦物镜(11)、主参考镜(10)、分光镜(7)，最后经收集物镜(13)会聚进入CCD相机(14)，与主参考光、辅助参考光发生干涉，干涉图像由主控计算机(15)存储处理。

2.一种基于空间载波的干涉共焦测量方法，该方法包括以下步骤：

1)采用二次共焦方法，获得两种共焦状态下的相位信息，实现离焦位移的解析求解，建立相位-位移关系；

其特征在于：

2)倾斜辅助参考镜，引入载波信号，该载波信号为辅助参考光与主参考光相干涉的结果，将载波信号引入测量光与参考光的干涉图中，使CCD相机上连续像素点获得一个大的相移值，产生载波干涉图；

3)通过空间载波相移算法来解析被测物面相位信息；对含有载波信号的干涉图进行二维傅立叶变换，使载波干涉图中各频率在频谱图上展开；通过频域滤波，截取所需频率，再经过傅立叶逆变换，获得被测物面相位信息，从而求解出被测物面的表面轮廓和三维形貌信息。 

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