CN109341571A - 一种双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法。该装置的照明光源含有两个波长的成分，利用分光镜将干涉光分离，并以带通滤波的方式得到单波长干涉条纹，通过两个相机同步采集两个波长的干涉图。该方法从两个波长的干涉图中分别提取位相分布，然后以合成波长的方式复原样品表面高度分布。本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法通过一次短行程的扫描即可完成高精度的表面形貌测量，可以有效缩短测量时间，提高测量效率，也适用于带有台阶结构的表面测量。

Description

一种双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法

技术领域

本发明属于表面形貌测量领域，具体涉及一种双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法。

背景技术

表面形貌对产品的外观、力学和光学等性能都有很大的影响，是产品质量检测的基本项目之一。传统的触针式检测方法会划伤产品表面，而且采集的数据量有限，已很难适应超精密产品加工技术的发展和满足产品质量控制的需求。因此，非接触式表面形貌测量得到了快速发展，其中得到广泛应用并商品化的主要方法有聚焦深度法、共聚焦扫描法和光干涉法。

聚焦深度法的主要思想是通过表面成像的清晰程度判断表面高度。具体实现方式是：利用光学显微镜的有限焦深，在表面高度方向上采集一系列图像，然后以清晰度评价算子判别图像上某一区域的清晰度，以最清晰处的高度值作为此区域的高度。聚焦深度法装置简单，可实现面域的测量，但横向分辨率有所损失，高度分辨率与显微镜放大倍数有关，在亚微米量级。

共聚焦扫描法的主要思想是以反射光的能量聚集性判断表面的离焦程度即高度。具体实现方式是：以针孔光源进行照明，在成像系统的等效光学位置处放置另外一个带针孔的光能量探测器；测量时对样品表面沿高度方向扫描，当表面与两个针孔均共轭时汇聚在表面上的光聚焦成一个很小的光斑穿过针孔，此时光能量探测器的信号最强；当表面与针孔共轭位置有所偏离时，表面反射光无法在针孔处会聚，仅有部分光进入光能量探测器，信号强度迅速衰减。共焦扫描法的高度分辨率也取决于显微镜的放大倍数，高度分辨率可在数十纳米量级。但共聚焦扫描法每次只能测量一个点，需要对表面进行横向扫描才能完成面域测量。

光干涉法的主要思想是将样品面与一个标准面作比较，以光波长为标尺衡量样品面与标准面的偏离量。具体实现方式是：光源发出的光经分光后一束射向标准面、一束射向样品面，分别被反射后重合在一起，形成干涉条纹。干涉条纹携带了样品面相对于标准面的偏离信息，通过分析干涉条纹将偏离量提取出来，得到样品面的高度分布。光干涉方法可以实现面域测量，分辨率不受成像系统限制，可达到纳米量级。

基于光干涉的表面形貌测量通过改变光程差的方法采集多幅干涉图，然后从多幅干涉图中重构表面形貌，具有极高的重复性和优秀的空间分辨率。根据光源相干长度的不同，有两种改变光程差的方式：移相法和相干扫描法。移相法采用长相干光源，测量过程中光程差的变化在微米左右，采集最多十几幅干涉图。然而，由于位相模糊性，当表面存在超过1/4波长高度的突变结构时如台阶，移相法无法给出正确的结果，因此移相法干涉多应用于光滑表面的测量。为解决带有突变结构表面的干涉测量问题，研究者发明了相干扫描法。相干扫描法采用短相干光源，当样品面与标准面光程差为零时，干涉条纹的对比度最高，随着光程差的增加对比度逐渐下降。这样就可以通过检测干涉信号的对比度得到表面高度。仅依靠对比度检测表面高度会导致检测分辨率和精度降低。后来出现了频域分析法和相关相干法利用干涉信号的位相信息。相干扫描法在测量过程中需要扫描的距离要大于表面的最大高度，数据量大，对扫描器的行程和计算速度有很高要求。另外，相比于移相法，相干扫描法的噪声要大。

为保留移相法的低噪声和低数据量的优势，同时弥补突变高度测量的不足，研究者又提出了双波长或多波长干涉的方法，其主要思想是两个相近的波长合成较大的波长。虽然仍然受到1/4波长的限制，但由于合成波长数值较大，因此对应的限制高度得到扩展。双波长/多波长干涉测量被应用于测量钢球表面缺陷（潘卫清等. 钢球表面缺陷的双波长干涉数字相位检测. 中国激光. 2014,41: 0508007）、表面微结构（王羽佳等. 基于双波长数字全息的微光学元件三维成像方法. 中国激光. 2011, 38:s109005）、表面形貌（杨练根等. 波长轮换与相移扫描相结合的表面形貌测量系统. 光学 精密工程. 2016,23: 2466-2472）等。但上述方法均是分时测量，耗时比较久，而且多次扫描时的重复定位精度要求很高。采用了角度复用的双波长干涉测量可以实现同步获取干涉图，但会降低空间分辨率。在保证双波长干涉测量的高分辨率、容忍大突变高度等优势的前提下，如何提高测量速度是需要解决的关键问题。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种双波长同步干涉的表面形貌测量装置，本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种双波长同步干涉的表面形貌测量方法。

本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置，其特点是：所述的测量装置包括照明单元、分光镜Ⅰ、干涉物镜、扫描器、分光镜Ⅱ、带通滤光片Ⅰ、带通滤光片Ⅱ、相机Ⅰ和相机Ⅱ；

所述的照明单元包括含有波长λ1、波长λ2成分的照明光源和透镜组，透镜组会聚照明光源发出的光得到照明光；

所述的带通滤光片Ⅰ的中心波长为λ1；

所述的带通滤光片Ⅱ的中心波长为λ2；

所述的扫描器带动干涉物镜沿干涉物镜的光轴方向移动；

所述的相机Ⅰ和相机Ⅱ同时曝光采集图像；

所述的照明光经分光镜Ⅰ后穿过干涉物镜后照射在样品上，样品的反射光返回并通过干涉物镜后形成干涉光，干涉光透过分光镜Ⅰ后照射在分光镜Ⅱ上，被分光镜Ⅱ反射的干涉光通过带通滤光片Ⅰ后照射在相机Ⅰ上，被分光镜Ⅱ透射的干涉光通过带通滤光片Ⅱ后照射在相机Ⅱ上。

本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量方法包括以下步骤：

步骤1：启动双波长同步干涉的表面形貌测量装置；

步骤2：将样品放置在干涉物镜的物面附近，调节样品相对于干涉物镜的高度和姿态，直到相机Ⅰ和相机Ⅱ同时出现干涉条纹；

步骤3：扫描器带动干涉物镜沿干涉物镜光轴方向移动，干涉物镜每移动距离Δ，相机Ⅰ和相机Ⅱ同时采集干涉条纹图像并保存，干涉物镜共移动大于等于(N-1)Δ的距离，相机Ⅰ和相机Ⅱ分别采集N幅干涉条纹图像，相机Ⅰ采集的N幅干涉条纹图像记为G1、G2、…、GN，相机Ⅱ采集的N幅干涉条纹图像记为I1、I2、…、IN，N≥3；

步骤4：从干涉条纹图像G1、G2、…、GN中复原波长λ1对应的位相φ1，从干涉条纹图像I1、I2、…、IN中复原波长λ2对应的位相φ2；

步骤5：计算样品表面形貌的高度。

本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法为表面形貌测量提供了一种高分辨率、大突变高度容忍性、低噪声、高速度的装置和方法。该方法利用分光镜和带通滤光片将干涉光中的两个波长成分分离，可同步获得两个波长的干涉图，然后分别从干涉图中复原位相，最终通过合成波长的方式重构表面形貌。由于两个波长干涉图能够同步采集，扫描器无需多次移动，有效提高了测量速度。由于仅需一次扫描，因此降低了对扫描装置的重复定位精度要求。

附图说明

图1为本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置示意图；

图2为本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量方法流程图；

图3为采用589nm单波长光干涉测量的台阶表面三维表面图；

图4为采用620nm单波长光干涉测量的台阶表面三维表面图；

图5为采用本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法测量的台阶表面三维表面图；

图中，1.照明单元 2.分光镜Ⅰ 3.干涉物镜 4.样品 5.分光镜Ⅱ 6.带通滤光片Ⅰ 7.相机Ⅰ 8.带通滤光片Ⅱ 9.相机Ⅱ 10.扫描器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作详细描述。

图1为本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置。根据光的传播路径描述本装置。照明单元1发出含有波长λ1=589nm和λ2=620nm成分的光，射向分光镜Ⅰ2，被分光镜Ⅰ2反射后进入干涉物镜3。一部分光在干涉物镜3内部照射在标准镜上，另一部分光穿过干涉物镜3照射在样品4表面上。样品4表面反射的光进入干涉物镜3，与标准镜反射的光会合，形成干涉光。干涉光通过分光镜Ⅰ2照射在分光镜Ⅱ5上。干涉光被分光镜Ⅱ5反射后，通过带通滤光片Ⅰ6照射在相机Ⅰ7上；干涉光被分光镜Ⅱ5透射后，通过带通滤光片Ⅱ8照射在相机Ⅱ9上。带通滤光片Ⅰ6的中心波长λ1=589nm，带通滤光片Ⅱ8的中心波长λ2=620nm。带通滤光片Ⅰ6和带通滤光片Ⅱ8透光波段的宽度均为10nm。经过带通滤光片之后的干涉光长度约为35μm左右。相机Ⅰ和相机Ⅱ的相对空间位置经过精密调整，在全成像范围内对于同一目标的成像尺寸差异不大于一个像素。本实施例选用的扫描器10为带内反馈的压电陶瓷驱动器PZT，行程为30微米，定位精度优于5nm。相机Ⅰ7和相机Ⅱ9通过周期性方波信号的上升沿触发，以实现同步采集图像。扫描器10与干涉物镜3精密配合，扫描器10工作时可以带动干涉物镜3沿光轴方向移动。

图2为本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量方法流程图，具体步骤是：

步骤1：启动图1所示的双波长同步干涉的表面形貌测量装置。

步骤2：将样品放置在干涉物镜的物面附近，调节样品表面相对于干涉物镜的高度和姿态，直到相机Ⅰ和相机Ⅱ同时出现干涉条纹。

步骤3：发送指令，扫描器10带动干涉物镜3沿光轴方向移动，相机Ⅰ7和相机Ⅱ9开始同步采集图像。扫描器10每步移动距离为Δ=(λ1+λ2)/16=75.6nm，波长λ1的干涉图相当于每步相位变化0.513π，波长λ2的干涉图相当于每步相位变化0.488π。扫描器10带动干涉物镜3共移动6次，移动距离为6Δ=453.6nm。扫描器10每移动75.6nm，相机Ⅰ7和相机Ⅱ9同步各自采集一帧干涉图，加上移动初始的位置，相机Ⅰ7和相机Ⅱ9分别采集7帧干涉图。相机Ⅰ7采集的干涉图记为G₁、G₂、…、G₇，相机Ⅱ9采集的干涉图记为I₁、I₂、…、I₇。

步骤4：利用Sandoz算法（P. Sandoz等. Unambiguous profilometry by fringe-order identification in white-light phase-shifting interferometry. Journal ofModern Optics. 1997, 44(3): 519-534）分别从干涉图G₁、G₂、…、G₇中复原波长589nm波长对应的位相分布φ1和从干涉条纹图像I₁、I₂、…、I₇中复原波长620nm波长对应的位相分布φ2：

由于Sandoz算法可以有效抑制位相扫描中的线性误差和干涉条纹调制度变化，因此即便两个波长对应的各自位相变化并不严格等于π/2，使用Sandoz算法也可以高精度地从干涉图中提取两个波长各自对应的位相。其他位相提取算法如Hariharian算法、平均四步算法等也可为本发明方法使用。

步骤5：计算表面形貌的高度。

采用的位相提取算法得到位相分布在(-π, π]区间内。对于反射型的干涉装置，对应的空间高度在(-λ/4, λ/4]。当样品4表面含有高度大于λ/4的突变结构如台阶时，干涉测量就无法准确重构出此类结构。对应于λ1=589nm，突变结构的高度上限是0.147μm；对应于λ2=620nm，突变结构的高度上限是0.155μm。图3和图4给出了分别采用589nm波长和620nm波长的光对2μm台阶的测量结果，两次测量的台阶高度分别是0.14μm和0.061μm，这与实际值有很大差别。如果用两个波长对应的位相分布相减，得到的位相分布对应于合成波长λ1λ2/|λ1-λ2|。本实施例中对应的合成波长为11.78μm，这样可测量的突变高度的上限就变成了2.94μm，远远超过了单波长对应的突变结构的限制高度。图5给出了本实施例双波长同步干涉的表面形貌测量装置和方法重构的台阶表面，能够精确得到台阶的高度为2μm。

本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量装置可以同时采集两个波长对应的干涉图，只需一次行程为453.6nm的扫描，就可以完成测量。如果采用非同步的双波长干涉测量，则需要扫描器至少扫描两次，效率受限。如果采用相干扫描干涉方法，扫描器至少需要移动与台阶高度相当的距离，对于本样品表面，扫描距离至少为2μm，如果样品表面还有所倾斜，扫描距离更大。本发明的双波长同步干涉的表面形貌测量方法所需的测量时间很短，可以有效提高效率，也能有效避免因环境振动而导致的误差，对于提升表面形貌干涉测量具有重要意义。

Claims (2)

1.一种双波长同步干涉的表面形貌测量装置，其特征在于：所述的测量装置包括照明单元、分光镜Ⅰ、干涉物镜、扫描器、分光镜Ⅱ、带通滤光片Ⅰ、带通滤光片Ⅱ、相机Ⅰ和相机Ⅱ；

所述的照明单元包括含有波长λ1、波长λ2成分的照明光源和透镜组，透镜组会聚照明光源发出的光得到照明光；

所述的带通滤光片Ⅰ的中心波长为λ1；

所述的带通滤光片Ⅱ的中心波长为λ2；

所述的扫描器带动干涉物镜沿干涉物镜的光轴方向移动；

所述的相机Ⅰ和相机Ⅱ同时曝光采集图像；

所述的照明光经分光镜Ⅰ后穿过干涉物镜后照射在样品上，样品的反射光返回并通过干涉物镜后形成干涉光，干涉光透过分光镜Ⅰ后照射在分光镜Ⅱ上，被分光镜Ⅱ反射的干涉光通过带通滤光片Ⅰ后照射在相机Ⅰ上，被分光镜Ⅱ透射的干涉光通过带通滤光片Ⅱ后照射在相机Ⅱ上。

2.一种双波长同步干涉的表面形貌测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：启动双波长同步干涉的表面形貌测量装置；

步骤2：将样品放置在干涉物镜的物面附近，调节样品相对于干涉物镜的高度和姿态，直到相机Ⅰ和相机Ⅱ同时出现干涉条纹；

步骤3：扫描器带动干涉物镜沿干涉物镜光轴方向移动，干涉物镜每移动距离Δ，相机Ⅰ和相机Ⅱ同时采集干涉条纹图像并保存，干涉物镜共移动大于等于(N-1)Δ的距离，相机Ⅰ和相机Ⅱ分别采集N幅干涉条纹图像，相机Ⅰ采集的N幅干涉条纹图像记为G1、G2、…、GN，相机Ⅱ采集的N幅干涉条纹图像记为I1、I2、…、IN，N≥3；

步骤4：从干涉条纹图像G1、G2、…、GN中复原波长λ1对应的位相φ1，从干涉条纹图像I1、I2、…、IN中复原波长λ2对应的位相φ2；

步骤5：计算样品表面形貌的高度。