CN106643559A - 一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法 - Google Patents

一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，利用Mirau型白光干涉光学系统，通过压电陶瓷移动台精密控制干涉物镜纵向扫描移动，将采集得到的一系列白光显微干涉图进行保存。首先，将所采集到的干涉灰度图转换为光强图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像。最后通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建。本方法具有测量精度高，抗干扰能力强，系统简单等特点，适用于微纳结构三维形貌检测。

Description

一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法。
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，在微电子，航天航空，化学制药，生物技术等领域广泛应用，对推动信息时代技术、经济和社会发展有着重要的意义。随着微纳器件应用范围的不断拓展，对其进行高精度三维形貌检测也成为微纳检测技术的重要发展目标。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，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，设备昂贵。在光学检测领域中，主要有共聚焦扫描显微镜，平面干涉仪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。其中，白光显微干涉技术，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、测量范围大等优势，在微纳器件检测领域中广泛运用。
Dong Chen and Joanna Schmit等人通过添加额外的干涉镜来实现光强极值点寻找，通过实时算法分析来减少外接振动，光源不稳定因素的影响，虽然有一定的效果，但不仅处理速度较慢，而且增加了系统的复杂性和检测费用。U.Paul Kumar团队提出了一种基于三波长绝对相位分析方法，通过相位确定零级干涉条纹，该方法在物体结构连续时能有效完成检测，但由于其含有2π相位模糊，从而无法广泛使用。总之，在目前的一些方法中，都存在干涉图的光强不稳定，受外界扰动影响大等问题，从而导致三维形貌测量误差。
由于国内外目前在微纳结构三维形貌恢复方法中，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重要的作用。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解决的问题。
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混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，可以实现高精度测量的同时光源光强不稳定，外界无序扰动等的影响，纵向分辨率可以达到纳米量级。
本发明采用的技术方案为：一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，测量过程中，通过宽光谱光源入射到光学成像系统，利用Mirau型白光干涉光学系统，通过压电陶瓷移动台精密控制干涉物镜纵向扫描移动，将采集得到的一系列白光显微干涉图进行保存。首先，将所采集到的干涉灰度图转换为光强图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像。最后通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建。
其中，宽光谱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，将所采集到的干涉灰度图转换为光强图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像。
其中，通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建。
其中，利用光强与调制度共同作用检测，具有测量精度高，抗干扰能力强，系统简单等特点，适用于微纳结构三维形貌检测，具有实用性强，测量稳定性高等特点。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明通过白光光源显微干涉系统，利用混合干涉条纹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，测量稳定性强，系统简单，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纳米量级，同时消除光源光强不稳定，外界无序扰动等的影响，相比其他方式而言，具有更好的环境适应性。
附图说明
图1为本发明一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法的系统结构图，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为本发明中相应方法处理得到的混合干涉条纹图，其中，图2(a)为采集得到的光强干涉图，图2(b)为解析得到归一化调制度图，图2(c)为通过独立像素点光强值与调制度值的乘积获取混合干涉条纹图；
图3为本发明中独立像素点不同纵向扫描位置的混合干涉数值图。
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。
该基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，由于利用光强与调制度共同作用检测，能有效消除光源光强不稳定，外界无序扰动等因素的影响，具有测量精度高，抗干扰能力强，系统简单等特点，适用于微纳结构三维形貌检测，具有实用性强，测量稳定性高等特点。如图1所示，本发明一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法的系统结构，该系统包括XY工件台1、待测器件2、干涉显微镜3、PZT 4、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。
通过压电陶瓷移动台精密控制干涉物镜纵向扫描移动，将采集得到的一系列白光显微干涉图进行保存。首先，将所采集到的干涉灰度图转换为光强图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像。最后通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建。
在获取干涉图像调制度分布时，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并作归一化处理。利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像。
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，首先采用宽光谱照明光源，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，如图2所示，将采集得到的光强干涉图，如图2(a)所示；解析得到归一化调制度图，如图2(b)所示；通过独立像素点光强值与调制度值的乘积获取混合干涉条纹图，如图2(c)所示。
通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建，单个像素点不同纵向扫描位置的混合干涉数值曲线如图3所示。
本发明中，一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，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，能够有效消除光源光强不稳定，外界无序扰动等因素的影响，特别是针对高纵深微纳结构检测，具有测量精度高，抗干扰能力强等特点。
当然，在本例中，外界扰动和光源光强波动幅度也需要严格控制在一定数值范围内，这样才能够最大程度完成高精度，高稳定性检测，对于重建算法也要不断优化，才能更好的适应各种复杂的检测环境。

Claims (6)

1.一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，其特征是：测量过程中，通过宽光谱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-coupleddevice)采集干涉图，利用压电陶瓷(PZT)控制Mirau干涉物镜纵向高精度扫描移动，将CCD采集得到的一系列干涉图进行保存，将所采集到的干涉灰度图转换为光强图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像；最后通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，其特征是：宽光谱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高精度扫描移动，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所述的一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，其特征是：将所采集到的干涉灰度图转换为光强图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，其特征是：最后通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，其特征是：利用光强与调制度共同作用检测，能有效消除光源光强不稳定，外界无序扰动因素的影响，具有测量精度高，抗干扰能力强，系统简单的特点，适用于微纳结构三维形貌检测，具有实用性强，测量稳定性高的特点。
6.根据权利要求5所述的一种基于混合干涉条纹的白光显微干涉形貌重建方法，其特征是：通过CCD采集得到一系列干涉图，通过频域滤波以及基频信号提取算法，获得单帧干涉图像对应的归一化调制度图，针对每个独立纵向扫描位置，利用同一像素点光强值与对应调制度数值的乘积获取一帧混合干涉图像，最后通过纵向扫描获取得到一系列混合干涉图像，通过寻找混合干涉极值及其相应扫描位移来获取被测物体每个像素点的高度信息，从而实现物体三维形貌重建，该方法利用光强与调制度共同作用检测，具有测量精度高，抗干扰能力强，系统简单的特点，适用于微纳结构三维形貌检测，具有实用性强，测量稳定性高的特点。
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