CN106197257A - 振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置 - Google Patents

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何渝
胡松
赵立新
周毅
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Abstract

本发明公开了一种振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，包括白光光源、准直系统、数字微镜阵列、第一成像系统、分光棱镜、干涉显微物镜、三维运动工件台、第二成像系统、CCD和控制系统，白光光源发出的光经准直系统后，照射到数字微镜阵列表面，通过控制数字微镜阵列对光场振幅进行调制，调制后的光场经分光镜入射到Mirau干涉显微系统，经过Mirau干涉镜内部分光镜分为两束后分别成像到参考反射镜与待测微纳结构表面，反射光场相位信息受到参考镜面与待测微纳结构纵向高度的调制，两束反射光干涉后通过衍射受限系统，形成的光强分布图像最终被图像采集系统接收。本发明能够实现对大面积微纳结构的超分辨三维形貌检测，可以对高分辨力微纳结构进行检测。

Description

振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置
技术领域
本发明属于光学精密检测技术领域，涉及一种光学非接触微纳结构检测装置，特别是一种基于白光干涉测量原理的大范围、超分辨微纳结构表面形貌测量装置。
背景技术
随着微纳结构器件的广泛应用，为保证器件加工质量，需要对微纳结构形貌进行高精度检测。现有微纳结构形貌检测技术中，显微白光干涉方法具有测量范围大、精度高等优点，是微纳结构检测的主要技术。然而，尽管现有显微白光干涉测量技术能够实现纳米级z向测量精度，但是，其横向分辨率受衍射极限限制，难以突破200nm分辨率极限，无法用于高分辨率微纳结构的三维形貌检测。
发明内容
本发明的目的在于，解决现有白光干涉测量设备进行分辨力200nm以下的微纳结构三维形貌检测的问题，提供一种能够实现高分辨力、大范围微纳结构三维形貌检测的装置。
为实现本发明的目的，本发明提供一种振幅相位联合调制超分辨微纳结构形貌测量装置，该装置包括白光光源、准直系统、数字微镜阵列、分光棱镜、干涉显微物镜、三维运动工件台、第一成像系统、第二成像系统、CCD和控制系统，其中：CCD、第二成像系统、分光棱镜、干涉显微物镜、待测物体、三维运动工件台依序位于干涉显微物镜光轴上；第一成像系统与数字微镜阵列与分光棱镜位于同一水平面，且数字微镜阵列表面法线、第一成像系统光轴与与显微干涉物镜光轴垂直；白光光源与准直系统光轴重合，且与数字微镜阵列表面成角度，白光光源发出的光经扩束准直后，投射到数字微镜阵列表面，经反射后通过第一成像系统、分光棱镜以进入干涉显微物镜，并分别投射到待测物体表面和显微干涉物镜内部的参考镜表面，其反射光发生干涉，并经过分光棱镜、第二成像系统后被CCD接受，工作过程中，工件台首先进行纵向扫描，对应每个扫描位置，数字微镜阵列均变换一组图片，对照明光场振幅进行调制，由CCD记录下不同纵向扫描位置对应不同数字微镜阵列变换后的干涉场图像，通过对一系列干涉图像进行处理，获得该视场对应待测物体三维形貌，然后横向移动工件台，获得不同视场对应的物体形貌，通过拼接，实现大面积微纳图形三维形貌检测。
优选实施例，所述准直系统光轴与数字微镜阵列表面法线之间角度为24°±2°。
优选实施例，所述白光光源波长带宽大于5nm，可以是单色LED、白光LED、以及卤素灯等多种光源。
优选实施例，所述工件台能够通过电控方式实现x、y、z三个方向上的运动，且z向重复定位精度优于10nm，行程大于1mm，x、y向重复定位精度优于1um,行程大于10mm。
优选实施例，所述每个纵向扫描位置对应数字微镜阵列图片，是具有不同方向、不同周期、不同相位分布的圆形光栅或直光栅图像。
优选实施例，所述大面积、高分辨测量过程是工件台z向扫描运动后，进行x、y方向步进运动，在进行z向扫描运动，如此循环，获得待测物体不同区域三维形貌分布，其中每个测量区域与相邻区域具有5％以上重合区域，再通过拼接算法恢复待测物体完整形貌。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明通过对测量光场的振幅、相位进行联合调制，并结合工件台运动，能够实现对大面积微纳结构的超分辨三维形貌检测，突破了目前光学微纳结构三维测量方法受衍射极限限制，难以对高分辨力微纳结构进行检测的问题。
附图说明
图1为振幅相位联合调制超分辨微纳结构形貌测量装置示意图；
图中附图标记含义为：1为白光光源、2为准直系统、3为数字微镜阵列、4为分光棱镜、5为干涉显微物镜、6为待测物体、7为三维运动工件台、8为第一成像系统、9为第二成像系统、10为CCD、11为控制系统。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如附图1所示为振幅相位联合调制超分辨微纳结构形貌测量装置示意图，该装置包括由白光光源1、准直系统2、数字微镜阵列3、分光棱镜4、干涉显微物镜5、三维运动工件台7、第一成像系统8、第二成像系统9、CCD 10和控制系统11。其中：CCD 10、第二成像系统9、分光棱镜4、干涉显微物镜5、待测物体6、三维运动工件台7依序位于干涉显微物镜光轴上；第一成像系统8与数字微镜阵列3与分光棱镜4位于同一水平面，且数字微镜阵列3表面法线、第一成像系统8光轴与与显微干涉物镜5光轴垂直；白光光源1与准直系统2光轴重合，且与数字微镜阵列3表面成角度。白光光源1发出的光经扩束准直后，投射到数字微镜阵列3表面，经反射后通过第一成像系统8、分光棱镜4以进入干涉显微物镜5，并分别投射到待测物体表面6和显微干涉物镜内部的参考镜表面，其反射光发生干涉，并经过分光棱镜4、第二成像系统9后被CCD 10接受。工作过程中，工件台7首先进行纵向扫描，对应每个扫描位置，数字微镜阵列3均变换一组图片，对照明光场振幅进行调制，由CCD 10记录下不同纵向扫描位置对应不同数字微镜阵列变换后的干涉场图像，通过对一系列干涉图像进行处理，获得该视场对应待测物体三维形貌，然后横向移动工件台7，获得不同视场对应的物体形貌，通过拼接，实现大面积微纳图形三维形貌检测。
该装置中，准直系统2光轴与数字微镜阵列3表面法线之间的角度为24°±2°；
所采用的白光光源1波长带宽大于5nm，为白光LED。
三维运动工件台7通过电控方式控制实现x、y、z三个方向上的运动，采用电机驱动方式，且z向重复定位精度优于10nm，行程为4mm，x、y向重复定位精度优于1um，行程为100mm。
测量过程中，每个纵向扫描位置对应一组数字微镜阵列图片，是具有不同方向、不同相位分布的直光栅图像。
设备工作过程中，三维运动工件台7首先进行z向扫描运动后，进行x、y方向步进运动，在进行z向扫描运动，如此循环，获得待测物体不同区域三维形貌分布，其中每个测量区域与相邻区域具有5％以上重合区域，再通过拼接算法恢复待测物体完整形貌。
本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。
以上所述仅为本发明的具体实施实例，并不用于限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改，等同替换或者改进等，均应包含在本发明的保护范围以内。

Claims (6)

1.一种振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，其特征在于：该装置包括白光光源(1)、准直系统(2)、数字微镜阵列(3)、分光棱镜(4)、干涉显微物镜(5)、三维运动工件台(7)、第一成像系统(8)、第二成像系统(9)、CCD(10)和控制系统(11)，其中：CCD(10)、第二成像系统(9)、分光棱镜(4)、干涉显微物镜(5)、待测物体(6)、三维运动工件台(7)依序位于干涉显微物镜(5)光轴上；第一成像系统(8)与数字微镜阵列(3)与分光棱镜(4)位于同一水平面，且数字微镜阵列(3)表面法线、第一成像系统(8)光轴与与显微干涉物镜(5)光轴垂直；白光光源(1)与准直系统(2)光轴重合，且与数字微镜阵列(3)表面成角度，白光光源(1)发出的光经扩束准直后，投射到数字微镜阵列(3)表面，经反射后通过第一成像系统(8)、分光棱镜(4)以进入干涉显微物镜(5)，并分别投射到待测物体(6)表面和显微干涉物镜(5)内部的参考镜表面，其反射光发生干涉，并经过分光棱镜(4)、第二成像系统(9)后被CCD(10)接受，工作过程中，工件台首先进行纵向扫描，对应每个扫描位置，数字微镜阵列均变换一组图片，对照明光场振幅进行调制，由CCD记录下不同纵向扫描位置对应不同数字微镜阵列变换后的干涉场图像，通过对一系列干涉图像进行处理，获得该视场对应待测物体三维形貌，然后横向移动工件台，获得不同视场对应的物体形貌，通过拼接，实现大面积微纳图形三维形貌检测。
2.根据权利要求1所述振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，其特征在于：准直系统(2)光轴与数字微镜阵列(3)表面法线之间角度为24°±2°。
3.根据权利要求1所述振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，其特征在于：白光光源(1)波长带宽大于5nm，可以是单色LED、白光LED或卤素灯。
4.根据权利要求1所述振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，其特征在于：工件台能够通过电控方式实现x、y、z三个方向上的运动，且z向重复定位精度优于10nm，行程大于1mm，x、y向重复定位精度优于1um，行程大于10mm。
5.根据权利要求1所述振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，其特征在于：每个纵向扫描位置对应一组数字微镜阵列图片，是具有不同方向、不同周期、不同相位分布的圆形光栅或直光栅图像。
6.根据权利要求1所述振幅相位联合调制超分辨三维微纳结构形貌测量装置，其特征在于：工件台z向扫描运动后，进行x、y方向步进运动，在进行z向扫描运动，如此循环，获得待测物体不同区域三维形貌分布，其中每个测量区域与相邻区域具有5％以上重合区域，再通过拼接算法恢复待测物体完整形貌。
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