CN101819069A - 具有快速调零系统的白光干涉仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有快速调零系统的白光干涉仪。在白光干涉仪的光路中加入如下系统，即由可调谐激光器所发出的激光经扩束镜扩束后通过装在准直系统后的第三分光镜和第一分光镜并入光路；在会聚透镜和相机之间设置对长波完全反射的二向色镜，探测器的一端接收二向色镜的反射光，另一端经过AD/DA卡与计算机连接。本发明通过采用波长扫描干涉测长实现白光干涉仪的零程差调整，通过分析白光干涉条纹的间隔得到被测表面的倾角，进而实现自动调节。由于上述环节无需大数据量运算，可以将白光干涉仪的调整时间降低到二十秒左右，极大地改善白光干涉仪的检测效率。本发明尤其适用于那些需要分别测量各个位置并进行拼接的大面积表面或者圆周面。

Description

具有快速调零系统的白光干涉仪

技术领域

本发明涉及一种干涉仪，尤其是涉及一种具有快速调零系统的白光干涉仪。

背景技术

当前，MEMS器件、波导材料、半导体晶片、薄膜技术等超精密元器件和材料正处在快速发展阶段，仅MEMS器件的产值2005年即达到50亿美元，并以每年20％的速度高速攀升。与此同时，对这些器件表面的快速高精度检测以保证产品的质量一致性也显得越来越重要，纵向扫描白光干涉仪(VerticalScanning White Light Interferometer，以下简称为白光干涉仪)就是其中最重要的检测手段。现有的白光干涉仪已经具有高达0.01nm的纵向测量分辨率，测量时间也可快至数秒钟，如Taylor Hobson公司的CCI6000、Zygo公司的NewView7000系列以及Veeco公司的Wyko NT3300等。但现有仪器的主要缺点是测量前的调整时间太长，而且每更换一次被测样品或者镜头都要重新调整。根据使用者的操作熟练程度，每次调整过程一般在5分钟到20分钟之间，是测量时间的几十倍之多，成为制约白光干涉仪检测时间的主要瓶颈。过长的调整时间极大地影响了大规模生产中的检测效率，长时间地观察监视屏幕也会导致操作者眼睛疲劳。大型企业往往采购几十台造价昂贵的仪器同时工作才能满足检测需求，人力、物力成本相当可观。

调节白光干涉仪指零，是指调整干涉仪的两臂光程差为零，此时才能观察到清晰强烈的干涉条纹，再调整被测表面的倾斜角度尽量与参考镜平行以使干涉条纹最稀疏。但白光的相干长度只有1-2微米，稍不留神或者调节太快就会错过零程差位置，这是造成白光干涉仪难以指零的主要因素。为了降低调节难度，往往会在光源后面插入一个滤光片增加相干长度，但这种方法的作用也是很有限的，无法明显缩短干涉仪的调整时间。

一个理想的解决办法就是通过某种方式计算出干涉仪的光程差，随后使用精密移动台直接改变干涉仪的其中一个臂长到光程差为零的位置。这就需要一种微米级精度的绝对距离测量技术。显然，激光干涉仪由于其2π相位不确定性问题无法判别相差半波长的整数倍的距离，无法实现绝对距离测量。使用两个或者两个波长以上的单色光做光源的合成波法虽然可以适当增加相位不确定长度，仍然无法从根本上解决问题。

使用波长可以连续改变的可调谐激光器(tunable laser)作为光源的波长扫描干涉仪近来得到了较为广泛的关注，与白光干涉仪不同的是，这种形式的干涉仪在无需进行光程扫描的状态下，只需在改变输出波长的同时记录下来干涉信号的变化就可以计算出干涉仪的两臂绝对相位差，从而求出光程差，不存在上述相位不确定性问题。而且无需机械扫描、容易调整并发现干涉信号，例如，Coe PA等人就采用这种方法监测高辐射环境中的半导体表面变形情况。但这种干涉仪的测量精度只能达到亚微米级，距离白光干涉仪0.01nm的纵向测量分辨率还存在一定的差距。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有快速调零系统的白光干涉仪，首次提出将波长扫描干涉测量技术用于白光干涉仪的指零，融合二者的优点，并解决融合过程所带来的关键问题。先使用波长扫描干涉仪快速计算出光程差，通过步进装置自动调节干涉仪到零程差位置。此外，利用被测表面的倾斜度越小干涉条纹越稀疏的特点，通过图像处理技术计算被测表面的倾斜度并自动调整该倾角以使干涉仪处于最佳工作状态。

本发明采用的技术方案是：

白光光源的白光经可移除窄带滤光片、孔径光阑、视场光阑和准直系统准直后的平行光，经第一分光镜反射进入显微镜物镜，被第二分光镜分成两束，一束打在参考反射镜上，另一束打在被测表面上，两束光在第二分光镜上发生干涉后，经会聚透镜进入CCD相机，经图像采集卡与计算机连接；安装在显微物镜上的压电陶瓷和精密平移台分别经AD/DA卡与计算机连接。由可调谐激光器所发出的激光经扩束镜扩束后通过装在准直系统后的第三分光镜后和第一分光镜并入光路；在会聚透镜和相机之间设置对长波完全反射的二向色镜，探测器的一端接收二向色镜的反射光，另一端经过AD/DA卡与计算机连接。

所述的可调谐激光器采用的是Nanoplus公司生产的分布反馈激光二极管，中心波长在760nm。

本发明具有的有益效果是：

1)将波长扫描干涉测长技术与白光干涉仪巧妙地融合在一起，汲取波长扫描干涉仪易于发现干涉信号及无需机械扫描的优点，用于白光干涉仪的指零，以弥补白光干涉仪很难发现干涉条纹的缺点。

2)在应用上，提出白光干涉仪的半自动或全自动指零方法，通过采用波长扫描干涉测长实现白光干涉仪的零程差调整，通过分析白光干涉条纹的间隔得到被测表面的倾角，进而实现自动调节。由于上述环节无需大数据量运算，可以将白光干涉仪的调整时间降低到二十秒左右，极大地改善白光干涉仪的检测效率。本发明尤其适用于那些需要分别测量各个位置并进行拼接的大面积表面或者圆周面。

附图说明

附图是本发明的结构原理示意图。

图中：1、计算机，2、AD/DA卡，3、由计算机发出的可调谐激光器的波长控制信号，4、CCD相机，5、探测器，6、二向色镜，7、第一分光镜，8、精密平移台，9、压电陶瓷，10、显微物镜，11、被测表面，12、第二分光镜，13、二维角度调节台，14、参考反射镜，15、视场光阑，16、孔径光阑，17、可移除窄带滤光片，18、白光光源，19、第三分光镜，20、扩束镜，21、可调谐激光器，22、图像采集卡。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如附图所示，白光光源的白光经可移除窄带滤光片17、孔径光阑16、视场光阑15和准直系统准直后的平行光，经第一分光镜7反射进入显微镜物镜10，被第二分光镜12分成两束，一束打在参考反射镜14上，另一束打在被测表面11上，两束光在第二分光镜12上发生干涉后，经会聚透镜进入CCD相机4，经图像采集卡22与计算机1连接；安装在显微物镜上的压电陶瓷9和精密平移台8分别经AD/DA卡2与计算机1连接。由可调谐激光器21所发出的激光经扩束镜20扩束后通过装在准直系统后的第三分光镜19并入光路；在会聚透镜和相机之间设置对长波完全反射的二向色镜6，探测器5的一端接收二向色镜6的反射光，另一端经过AD/DA卡2与计算机1连接。

白光干涉仪的调零可以分为以下几步：

1、干涉仪的预调整：

干涉仪的预调整，也就是如何发现波长扫描干涉仪的干涉信号。由于该系统使用了显微物镜，当被测表面离开物镜焦点较长时，从光源发出的光在焦点汇聚后迅速发散，反射回去的光就会变得很微弱，只有当被测表面处于物镜焦点或者猫眼位置(即焦点处于被测曲面的曲率中心)附近时被反射回去的信号才最强，干涉信号才最为明显。此外，由于显微物镜一般都具有较大的数值孔径，集光能力很强，被测表面20度以内的倾斜一般不会造成反射光的严重丢失。利用上述特点，在预调整时，驱动显微物镜10从远到近接近被测表面11，同时监控图1中的探测器5输出的最高光强，当这个光强到达一定的阈值后停止移动物镜，完成预调整。

2、通过可调谐激光器实现干涉仪的初步指零：

该步骤的具体工作过程为：由可调谐激光器21所发出的激光经扩束镜20扩束后通过第三分光镜19和第一分光镜7进入显微镜物镜，再经第二分光镜12分为两束，一束打在参考反射镜14上，一束打在被测表面11，两束反射光在第二分光镜12处发生干涉，然后打在二向色镜6上，二向色镜6对长波完全反射，而对短波则完全透射，由于本系统采用的是Nanoplus公司生产的分布反馈激光二极管(distributed feedback laser diode，简称为DFB激光二极管)，中心波长在760nm，故无法通过二向色镜6，而是会被反射到探测器5上，经AD/DA卡2转化为数字信号进入计算机1，由计算机发出的可调谐激光器的波长控制信号3反馈给可调谐激光器21。

经过预调整后的干涉仪两臂光程差约在几个毫米以内，为了获取此光程差的精确值，由计算机发出指令控制可调谐激光器连续改变输出光波长，同时记录探测器5获取的干涉信号。此干涉信号可表示为：

$I\left(\mathrm{\λ}\right)=I_1+I_2+2\sqrt{I_1{I}_2}\cos ({4\mathrm{\πn}}_a\mathrm{\Δl}/\mathrm{\λ})---\left(1\right)$

式中I₁、I₂是相干涉的两束光的强度，n_a为该波长的光在空气中的折射率，由于波长改变范围很小，可设为常量，λ为波长，Δl为干涉仪两臂长之差.

上式中的余弦项括号内为干涉信号的相位即：

式中k为波数。从上式中可以看出，在干涉仪的臂长一定时，干涉信号的相位与波数成正比，比例常数与干涉仪的臂长之差有关，则有：

从上式即可看出，在干涉仪从一个波长连续扫描到另外一个波长时，已知干涉仪的波数(波长的倒数)变化，若能够求出相位的变化值，则可以计算出干涉仪的两臂之差。

由于相位的变化与波数的变化成正比关系，理想状况下波数扫描时的干涉信号为正弦信号。Δl越长，此信号的周期越短，反之则周期越长，极端情况是Δl为零时，扫描过程中该信号的相位一直保持为零。

在式(3)中，波数的变化可以通过光谱仪事先标定出来，波长改变时可调谐激光器的输出光强也会随之缓慢地变化，但由于测量过程中会产生一些噪声，故实际信号会偏离理想正弦信号。本系统采用了“扫描波长相移法”来求相位，即分别用压电陶瓷等间隔移动物镜以改变两臂光程差，在每一个位置扫描波长并记录干涉信号，采用类似相移干涉仪的多步法即可求出干涉仪各个波长上的相位。这里采用的是4步法(Carré法)，它无需预知相移步长，恰好适用于本项目(不同波长处的相移步长是不同的)。

在确定了干涉仪波数和相位的变化后，就可以通过(3)式得到干涉仪两臂的臂长差Δl，此时利用压电陶瓷移动显微镜物镜Δl的距离，完成干涉仪的初步调零。

3、白光干涉条纹的空间周期计算和被测表面的倾斜度分析。

以上两步的调整完成后，关闭可调谐激光器21，打开白光光源17，此时白光通过孔径光阑16，视场光阑15和若干透镜组成的准直系统准直后变成平行光，经第一分光镜7反射进入显微镜物镜，被第二分光镜12分成两束，一束打在参考反射镜14上，另一束打在被测表面11上，两束光在第二分光镜12上发生干涉后进入CCD相机4，经图像采集卡22进入计算机。

此时在计算机上应该会显示出白光干涉条纹，为了避免Δl的计算误差超过1μm造成干涉信号对比度不够高或者无干涉信号，可以在白光后面插入一个可移除窄带滤光片17，如中心波长为630nm谱宽为10nm的窄带滤光片，其滤出的红光相干长度为40μm。此时若被测表面相对于参考反射镜有一定倾斜角度，在CCD上将产生等厚干涉条纹。通常为了获得较高的测量精度，需要调整被测表面的倾角尽量小。易知被测表面的倾角与干涉条纹间隔的关系为：

$\mathrm{\θ}=\frac{{\mathrm{\λ}}_f}{2\mathrm{n\Δx}}---\left(4\right)$

式中，λ_f为滤光片的中心波长，n为该波长在空气中的折射率，Δx为干涉条纹的间隔。拍摄一张干涉图样后，通过二值化处理可以提取出干涉条纹的间隔和方向。再通过式(4)可以计算出被测表面的倾角，根据干涉条纹的方向计算出二维角度调节台的每个轴需要转动的角度，由计算机发出指令控制二维角度调节台完成被测表面的角度调整。

上述方法比较适用于对于起伏不大、较为平整的表面。对于复杂面型可能会失效，对于这种表面可以增加人为干预的环节，系统完成自动角度调整后，由操作者给以最后确认，这里称为半自动调整。此外，角度的调整会导致光程差的变化，如有必要，可再次重复一次第2步的过程对光程差进行微调。

这里根据计算数据量和一般精密平移台的步进速度对指零总时间进行大致的估计：

1)预调整时间：由于探测器的输出和检测是实时的，预调整时间主要取决于精密移动台的移动时间，以Newport公司的SMC100精密移动台(移动速度2.5mm/s)为例，若预调整行程为10mm，该环节需4s.

2)波长扫描干涉仪测长时间：以数据量最大的扫描波长相移测相方法为例，波长扫描和记录时间1s，设取得的数据为4个长度为10000的一维数组，根据现有的计算机处理速度(中央处理器频率为2.0GHz)对该过程进行模拟，0.1s内即可完成运算。则该过程需耗时约1.1s时间。

3)光程后续调整时间：设波长扫描干涉仪测出的臂长差为5mm，则从该位置调节到零程差位置约需2s。

4)被测表面倾角测量时间：白光干涉条纹的处理时间，包括二值化提取条纹主干、条纹间隔计算、倾斜角度计算、二维角度调节台各轴的角度分配计算。设取得的干涉图样是一个800×600的二维数组，依据现有的计算机处理速度对该过程进行模拟，需耗时约2s。

5)被测表面倾斜度调整时间：通常情况下被测表面的倾斜度很小，该调整时间估算不超过5s。

根据上面的分析，本发明提出的白光干涉仪自动指零方法完成一次调整约需14s，考虑到角度调整后有可能造成零程差位置的轻微改变，再加上2s的微调时间，总的指零时间也在16s左右，大大低于现有白光干涉仪10-30分钟的手动指零时间。

Claims (2)

1.一种具有快速调零系统的白光干涉仪，白光光源的白光经可移除窄带滤光片(17)、孔径光阑(16)、视场光阑(15)和准直系统准直后的平行光，经第一分光镜(7)反射进入显微镜物镜(10)，被第二分光镜(12)分成两束，一束打在参考反射镜(14)上，另一束打在被测表面(11)上，两束光在第二分光镜(12)上发生干涉后，经会聚透镜进入CCD相机(4)，经图像采集卡(22)与计算机(1)连接；安装在显微物镜上的压电陶瓷(9)和精密平移台(8)分别经AD/DA卡(2)与计算机(1)连接；其特征在于：由可调谐激光器(21)所发出的激光经扩束镜(20)扩束后通过装在准直系统后的第三分光镜(19)并入光路；在会聚透镜和相机之间设置对长波完全反射的二向色镜(6)，探测器(5)的一端接收二向色镜(6)的反射光，另一端经过AD/DA卡(2)与计算机(1)连接。

2.根据权利要求1所述的一种具有快速调零系统的白光干涉仪，其特征在于：所述的可调谐激光器(21)采用的是Nanoplus公司生产的分布反馈激光二极管，中心波长在760nm。

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