CN106643558A - 一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，利用Mirau型白光干涉系统，通过压电陶瓷精密移动台控制干涉物镜纵向扫描移动，将采集得到的一系列宽光谱干涉图进行保存。通过频域和时域算法，将所采集到的干涉图像进行计算得到调制度分布和包裹相位分布。通过设置一个合理的调制度阈值，根据每个像素点调制度的大小来判断是否对该点进行相位展开。再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布，从而完成表面形貌恢复。本方法具有测量精度高，受扫描移动精度影响小，特别是针对高纵深微纳结构检测，具有测量速度快，实用性强等特点。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法。
背景技术
微纳结构是指特征尺寸在微米至纳米量级的功能性结构，在超材料，微电子，航天航空，环境能源，生物技术等领域广泛应用，对国民经济及国防领域有着不可替代的价值，对推动信息时代技术、经济和社会发展有着重要的意义。高精度的微纳结构三维检测技术贯穿微纳器件加工全过程，是高精度器件加工的依据和保证，也是微纳制造技术发展的基础和前提。随着微纳器件应用范围的不断拓展，对微纳结构进行高精度三维形貌检测，已成为微纳检测技术的重要发展方向。
目前，测量手段主要分为非光学、光学两类。在非光学检测中，主要有台阶仪，原子力显微镜(AFM)，扫描电子显微镜(SEM)等手段，大多采用接触式测量形式，精度高，但测量速度慢，范围较小，设备昂贵。在光学检测中，主要有共聚焦扫描显微镜，平面干涉仪，光学散斑法和白光干涉法等手段，大多采用非接触式测量，具有测量速度快、精度高等优点，是微纳结构在线检测的主要手段。其中，宽光谱干涉技术，利用宽光谱低相干性，实现对微纳器件三维形貌的高精度检测，具有高分辨力、非接触检测等优势，在微纳结构检测领域广泛应用。
Sandoz，P and Devillers，R应用纵向扫描的数帧干涉图，针对单个像素点独立分析，通过相移算法恢复得到表面相位分布并得到形貌信息。Chen，S and Pakmer，AW等人提出一种基于重心法的信号处理方法来寻找白光干涉光强极值点，从而得到每个像素点的高度信息。
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，都存在由于光强不稳定，外界环境干扰等原因导致干涉图的光强不稳定，步距精度不足等问题，从而导致三维形貌检测误差。
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。要实现稳定性强，测量精度高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相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，可以实现高精度测量的同时消除扫描步距误差的影响，纵向分辨率可以达到纳米至亚纳米级。
本发明采用的技术方案为：一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，测量过程中，通过白光光源入射到光学成像系统，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(Charge-coupled device)采集干涉图。利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜纵向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，通过频域和时域算法，将所采集到的干涉图像进行计算得到调制度分布和包裹相位分布，根据调制度大小阈值来判断相应像素点是否相位展开。再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布，从而完成表面形貌恢复。
其中，白光光源入射到光学成像系统，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，当两束光再次返回时则发生干涉，利用压电陶瓷控制干涉物镜纵向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存。
其中，通过频域和时域算法，将所采集到的干涉图像进行计算得到调制度分布和包裹相位分布，通过设定一个调制度阈值，然后每个像素点调制度大小来判断相应像素点是否进行相位展开。
其中，对调制度高于阈值的像素点完成相位展开，得到绝对相位数值，再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布。
其中，根据所得的整场绝对相位分布以及相位与高度之间的关系，最终恢复所测结构的表面形貌。
其中，利用宽光谱干涉系统，由于其相位解析的高精度特性，同时利用调制度阈值来提高解相位的可靠性，通过相位的纵向拼接，受扫描移动精度影响小，特别是针对高纵深微纳结构检测，具有测量速度快，实用性强等特点。测量精度可达纳米至亚纳米。
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，利用相位的纵向拼接实现三维形貌高精度检测，相比目前有的检测方法，测量精度高，测量速度快，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纳米至亚纳米的同时消除扫描步距不稳定带来的误差，相比其他方式而言，具有更强的稳定性。
附图说明
图1为本发明一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法系统结构图，其中，1为XY工件台，2为待测器件，3为干涉显微镜，4为PZT，5为光源系统，6为图像采集系统；
图2为本发明中解析得到的一幅调制度分布图；
图3为本发明中相位纵向拼接流程示意图，其中，图3(a)为相邻扫描位置调制度分布示意图，图3(b)为有效调制度阈值示意图，图3(c)为相邻扫描位置连续相位分布示意图，图3(d)为最终相位拼接结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及理论推导对本发明具体实施方式进行详细说明。
该基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，由于其相位解析的高精度特性，同时利用调制度阈值来提高解相位的可靠性，通过相位的纵向拼接，受扫描移动精度影响小，特别是针对高纵深微纳结构检测，具有测量速度快，实用性强等特点。如图1所示，本发明一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法的系统结构，该系统包括XY工件台1、待测器件2、干涉显微镜3、PZT4、光源系统5和图像采集系统6。
首先采用中心波长为560nm，半高带宽为160nm的白光照明光源，通过光学成像系统，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，通过CCD采集得到一系列干涉图，进而计算得到调制度分布和包裹相位分布，通过设置一个合理的调制度阈值，根据每个像素点调制度的大小来判断是否对该点进行相位展开。再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布，从而完成表面形貌恢复，测量精度可达纳米至亚纳米级。
在获取干涉条纹调制度和包裹相位信息时，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，最后提取得到干涉图的调制度和包裹相位信息。通过调制度大小来生成相位展开模版，对调制度高于所设阈值的像素点进行相位展开。
本发明中，主要的器件包括：中心波长为560nm白光光源，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560nm，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公司生产的CF plan系列，压电陶瓷位移平台为PI公司生产，分辨率可达±1nm。
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1CCD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，首先采用白光照明光源，通过光学成像系统，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干涉物镜纵向扫描移动，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解析得到调制度图，利用调制度的确定生成相位展开模版，单帧调制度图如图2所示。
通过设置一个合理的调制度阈值，根据每个像素点调制度的大小来判断是否对该点进行相位展开。再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布，拼接流程如图3所示。
本发明中，基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，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，受扫描移动精度影响小，特别是针对高纵深微纳结构检测，具有测量速度快，实用性强等特点。
当然，在本例中，纵向扫描步距大小也需要严格控制在一定数值范围内，以便于相位的拼接，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 (7)
1.一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：测量过程中，通过白光光源入射到光学成像系统，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(Charge-coupled device)采集干涉图，利用压电陶瓷控制Mirau干涉物镜纵向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，通过频域和时域算法，将所采集到的干涉图像进行计算得到调制度分布和包裹相位分布，根据调制度大小阈值来判断相应像素点是否相位展开，再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布，从而完成表面形貌恢复。
2.根据权利要求1所述的一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：白光光源入射到光学成像系统，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，当两束光再次返回时则发生干涉，利用压电陶瓷控制干涉物镜纵向扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存。
3.根据权利要求1所述的一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：通过频域和时域算法，将所采集到的干涉图像进行计算得到调制度分布和包裹相位分布，通过设定一个调制度阈值，然后每个像素点调制度大小来判断相应像素点是否进行相位展开。
4.根据权利要求1所述的一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：对调制度高于阈值的像素点完成相位展开，得到绝对相位数值，再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布。
5.根据权利要求1所述的一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：根据所得的整场绝对相位分布以及相位与高度之间的关系，最终恢复所测结构的表面形貌。
6.根据权利要求1至5任一项所述的一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：利用宽光谱干涉系统，由于其相位解析的高精度特性，同时利用调制度阈值来提高解相位的可靠性，通过相位的纵向拼接，受扫描移动精度影响小，特别是针对高纵深微纳结构检测，具有测量速度快，实用性强的特点。
7.根据权利要求6所述的一种基于相位纵向拼接的宽光谱干涉形貌检测方法，其特征是：通过CCD采集得到一系列干涉图，进而计算得到调制度分布和包裹相位分布，通过设置一个合理的调制度阈值，根据每个像素点调制度的大小来判断是否对该点进行相位展开，再利用相邻两幅图共同的有效区域来实现相位纵向拼接，最后通过一系列干涉图拼接，得到整场被测形貌的绝对相位分布，从而完成表面形貌恢复，测量精度可达纳米至亚纳米级。
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