CN106197310A - 一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法 - Google Patents

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邓钦元
刘俊伯
程依光
邓茜
唐燕
杨勇
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Abstract

本发明是一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，利用宽光谱照明光源，通过远心光学成像系统，透过Mirau干涉物镜使光线分为两束，一束反射到参考镜面，另一束透射到被测物体表面，最后两束光线发生干涉并通过光电耦合元件CCD(Charge Coupled Device)采集所得到的干涉图。利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜Z向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，通过相关算法将采集得到的每幅光强干涉图转变为调制度图，进而利用提出的基于调制度的三维形貌恢复算法来进行微纳结构的三维形貌检测。本方法具有测量精度高，受背景光影响小，测量距离较长，实用性强等特点。

Description

一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法
技术领域
本发明涉及所述的一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，属于光学检测领域。
背景技术
近年来微纳结构在超材料，微电子，航天航空，环境能源，生物技术等领域的应用愈加流行，微纳结构技术的进步使得智能化、高集成、高密度和信息超快传输成为了可能。成熟的微纳结构将是下一阶段科技发展的热点，对社会发展、经济振兴、国力增强都具有重大影响力。微纳器件的三维形貌会直接影响产品的性能特征，可靠性以及利用率等，例如微纳机电系统(Micro/Nano Electro Mechanical Systems,MEMS/NEMS)中微纳器件的机械力学特性，电气性能及能耗率都依赖于3D结构形貌特征，生物医学中的微纳颗粒药物有效性也与其3D形貌特征息息相关，精密的3D形貌测量将是微纳结构发展道路上必不可少的重要手段。
目前，针对微纳结构3D形貌几何特征检测技术可分为接触和非接触两大类，而运用光学手段具有量程大、非接触、灵敏度高、无损伤、精度高等特点，从而被广泛应用在微纳结构的形貌检测中。其中，利用宽光谱干涉检测的方法，由于其低相干性，干涉只发生在零光程差附近，且条纹对比度随光程差的增大迅速下降，从而广泛被使用。
中北大学电子测试技术国家重点实验室李秋柱等人提出了“基于白光干涉测量技术的微器件三维形貌重构”，利用干涉图的光强图来进行分析获得像素点之间的相对高度信息，通过相应三维重建算法来对被测物体进行三维检测。日本专利JP2014185961-A在2014年公布了一种基于白光显微干涉的距离间隙测量，该专利通过扫描得到多幅干涉光强图来测量相对距离大小。但是上述方法中，都存在受背景光强影响较大的问题，由于光源光强不稳定等原因导致干涉图的背景光不稳定，从而导致检测误差。
由于国内外目前在微纳结构三维形貌检测方法中，测量稳定性不足，受外界干扰严重。寻找一种系统简单，精度高，稳定性强的微纳结构三维形貌检测手段，对于现在的微纳结构器件有很关键的作用。要实现原理简单，成本较低，工程化容易，稳定性强的微纳结构三维形貌检测方法仍然是目前国内外需要继续突破的难题。
发明内容
为了解决上述难题，本发明设计了所述的一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，可以实现高精度测量的同时消除背景光不稳定的影响，纵向分辨率可以达到1nm。
本发明采用的技术方案为：一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，检测过程中，通过宽光谱光源入射到远心光学成像系统，透过Mirau干涉物镜使光线分为两束，一束反射到参考镜面，另一束透射到被测物体表面，最后两束光线发生干涉并通过CCD采集干涉图。利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜Z向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，通过相关算法将采集得到的每幅光强图转变为调制度图，进而利用提出的基于调制度的三维形貌恢复算法来完成物体的表面三维形貌检测。
其中，利用算法转换得到的多幅干涉调制度图，以单个像素点为单位，通过Z向扫描得到的单个像素点的一系列相对调制度大小，而出现相对调制度最大的位置即为宽光谱干涉的零光程差点。
其中，通过寻找计算出被测物体所有像素点对应的零光程差Z向位置，进而结合相应Z向数值大小来实现微纳结构的三维形貌检测。
其中，利用宽光谱光源，由于其相干长度短，仅在零光程差时出现干涉极值点，拥有纳米级的纵向检测精度，再利用调制度进行极值点寻找，不受背景光的影响，能有效减弱噪声影响，降低设备成本。
其中，利用压电陶瓷Z向高精度移动，通过CCD采集得到一系列干涉图，进而转换为调制度图，通过相关形貌恢复算法检测三维形貌，纵向分辨率能达到1nm。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明通过宽光谱光源显微干涉，利用最后得到多幅调制度干涉图实现三维形貌高精度检测，相比目前有的检测方法，系统结构比较简单，具有很强的实用性；
(2)、本发明中，检测三维形貌的纵向分辨率达到1nm的同时消除背景光不稳定带来的误差，相比其他方式而言，具有更强的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法利用检测系统结构图，其中，1为图像采集系统，2为光源与成像系统，3为PZT扫描台，4为干涉显微镜，5为待测器件，6为XYZ工件台；
图2为本发明中转换得到的其中一幅调制度图；
图3为本发明采用的垂直扫描调制度干涉图流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，通过计算单个像素点在不同Z向扫描位置处的相对调制度大小，寻找出相对调制度最大位置即干涉零光程差位置，最后结合每个像素点的相对高度位置，对微纳结构进行三维检测，可以拥有很高的检测精度和稳定性。
首先采用中心波长为550nm的白光照明光，通过远心光学成像系统，透过Mirau干涉物镜使光线分为两束，一束反射到参考镜面，另一束透射到被测物体表面，最后两束光线发生干涉并通过光电耦合元件CCD采集所得到的干涉图。
利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜Z向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，通过相关算法将采集得到的每幅光强干涉图转变为调制度图，通过计算单个像素点在不同Z向扫描位置处的相对调制度大小，寻找出相对调制度最大位置即干涉零光程差位置，最后结合每个像素点的相对高度位置，对微纳结构进行三维形貌检测。
在获取干涉条纹调制度信息时，采用傅里叶分析方法，通过将获取的一帧条纹图进行傅里叶变换，然后进行滤波，保留傅里叶频谱中的基频成分，再作逆傅里叶变换，最后得到条纹调制度信息。
本发明中，主要的器件包括：中心波长为550nm白光光源，远心成像光学系统，20倍Mirau干涉物镜，压电陶瓷移动台，CCD成像镜头以及计算机等。
本发明中，照明光源为白光，中心波长为550nm，实际测量过程中，亮度可通过改变调节电路进行灵活变化。
本发明中，20倍Mirau干涉物镜为Nikon公司生产，压电陶瓷位移平台为PI公司生产。
本发明中，CCD成像镜头用于干涉成像的CCD镜头采用灿锐同轴光照明远心镜头(XF-T4X65D)，其主要技术参数如表1所示：
表1 CCD成像镜头主要技术参数
光学放大倍率 4×
分辨力 4.2μm
焦深 200μm
工作距 65mm
TV失真 0.05％
本发明中，首先采用中心波长为550nm的白光照明光源，通过远心光学成像系统，透过Mirau干涉物镜使光线分为两束，一束反射到参考镜面，另一束透射到被测物体表面，最后两束光线发生干涉并通过CCD采集所得到的干涉图。利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜Z向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，系统结构图如图1所示。
本发明中，将采集得到的光强干涉图转换为调制度图，利用调制度的相对大小来寻找干涉零光程差的位置，单幅调制度图如图2所示。
通过相关算法将采集得到的每幅光强干涉图转变为调制度图，通过计算单个像素点在不同Z向扫描位置处的相对调制度大小，寻找出相对调制度最大位置即干涉零光程差位置，最后结合每个像素点的相对高度位置，对微纳结构进行三维形貌检测，调制度扫描示意如图3所示。
本发明中，基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，一方面能实现很高的纵向分辨率，另一方面达到很高的测量稳定性，避免背景光变化的影响，实用性强。
当然，在本例中，测量环境不能振动太大，Z向扫描步距也需要严格控制在一定误差范围内，对于解析算法也要不断优化，才能不断提高最终测量精度和稳定性。

Claims (5)

1.一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，其特征是：该方法检测过程中，通过宽光谱光源入射到远心光学成像系统，透过Mirau干涉物镜使光线分为两束，一束反射到参考镜面，另一束透射到被测物体表面，最后两束光线发生干涉并通过CCD采集干涉图，利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜Z向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，通过相关算法将采集得到的每幅光强图转变为调制度图，进而利用提出的基于调制度的三维形貌恢复算法来完成物体的表面三维形貌检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，其特征是：利用算法转换得到的多幅干涉调制度图，以单个像素点为单位，通过Z向扫描得到的单个像素点的一系列相对调制度大小，而出现相对调制度最大的位置即为宽光谱干涉的零光程差点。
3.根据权利要求1所述的一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，其特征是：通过寻找计算出被测物体所有像素点对应的零光程差Z向位置，进而结合相应Z向数值大小来实现微纳结构的三维形貌检测。
4.根据权利要求1至3之一所述的一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，其特征是：利用宽光谱光源，由于其相干长度短，仅在零光程差时出现干涉极值点，拥有纳米级的纵向检测精度，再利用调制度进行极值点寻找，不受背景光的影响，能有效减弱噪声影响，降低设备成本。
5.根据权利要求4所述的一种基于调制度的宽光谱微纳结构三维形貌检测方法，其特征是：利用压电陶瓷Z向高精度移动，通过CCD采集得到一系列干涉图，进而转换为调制度图，通过相关算法恢复三维形貌，纵向分辨率能达到1nm。
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