基于白光干涉术的测试系统及其测试方法
【专利摘要】本发明为一种基于白光干涉术的测试系统及其测试方法，其特征在于：所述的测试系统包括显微光学系统、数字CCD摄像机、图像采集卡、干涉系统、压电陶瓷、压电陶瓷控制器、气浮平台、白光卤素光源和PC机。本发明的测试方法通过PC机操作压电陶瓷控制器控制压电陶瓷带动被测样品进行垂直扫描，使干涉条纹扫过被测区域，并由数字CCD摄像机记录采集的图像；PC机对采集的图像滤波后提取单个像素点的白光干涉信号，减去得到的白光干涉条纹的背景光强值，对各像素点的光强进行时域到频域的转换，在频域内做分解，得到波数和相位的关系；通过综合干涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的位置，实现表面高度信息的提取。
【专利说明】
基于白光干涉术的测试系统及其测试方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种微结构形貌测试系统及其测试方法，特别是公开一种基于白光干 涉术的测试系统及其测试方法，应用于微结构三维形貌非接触测量中。
【背景技术】
[0002] 超精密加工技术以及各种微型器械如MEMS(微机电系统）和NEMS(纳机电系统）的 快速发展，相关加工器件的结构特征尺寸越来越小、复杂程度越来越高、尺寸跨度越来越 大，对于测量和表征的要求也越来越高。超精密测量不仅包含纵向高度信息尺寸和横向线 间隔、结构周期等尺寸的测量，同时被测微结构的三维表面形貌也有着非常重要的测量意 义。
[0003] 超精密测量技术具有被测量尺寸在微纳米尺度、定位误差对测量结果影响增大、 测量结果易受灰尘或异物影响等特点，据此超精密检测领域开发出许多检测技术和设备， 如自动聚焦法、条纹投影法、扫描探针显微法、光学显微干涉法。其中光学显微干涉术将干 涉原理与现代光学显微技术结合，利用干涉条纹对空间位置变化所具有的极高敏感度，实 现纳米级的测量分辨力，且其以整个视场为分析对象，通过一次扫描可以得到微结构的三 维形貌，具有很高的测试效率，因此受到国内外研究机构的广泛关注。
[0004] 单色光相移干涉术和白光扫描干涉术是光学显微干涉术中的两种重要方法。然而 在单色光相移干涉术中，存在"相位模糊"问题，测试表面上相邻数据点的高度变化应小于 四分之一波长，因此限制了单色光相移干涉术的应用，使其只能应用于光滑表面或连续结 构的测量中。白光扫描干涉术中使用宽光谱光源进行照明，相比单色光而言具有更短的相 干长度，使干涉条纹只能出现在很小的空间范围内，同时其克服了单色光相移干涉术中的 相位模糊问题。白光干涉信号通常被表示为一个包络受高斯函数调制的余弦信号，其可见 度随扫描位置的变化而改变。当测量光与参考光光程差为零时，干涉信号出现最大值，称之 为相干峰。由于相干峰代表测试表面的相对高度，因此任何相干峰的定位误差都会对测量 结果造成影响。如何更加精确地定位相干峰位置成为白光扫描干涉术的核心部分，且这方 面的研究从白光扫描干涉术出现至今一直是研究重点。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是解决现有技术的缺陷，提供一种不依赖条纹信号的可见对比度、 受噪声和色散影响小、计算精度高的微结构形貌测试系统及其测试方法，公开一种基于白 光干涉术的测试系统及其测试方法。
[0006] 本发明是这样实现的：一种基于白光干涉术的测试系统，包括显微光学系统、数字 CCD摄像机、图像采集卡、干涉系统、压电陶瓷、与压电陶瓷相连的压电陶瓷控制器和气浮平 台，其特征在于:所述的测试系统还包括向显微光学系统提供光源的白光卤素光源和PC机； 所述的PC机通过图像采集卡与数字CCD摄像机相连接，PC机还通过USB与控制压电陶瓷运动 的压电陶瓷控制器连接;所述的压电陶瓷设置在气浮平台上;所述干涉系统的输入端对应 于放置在压电陶瓷上的被测样品。
[0007] -种基于白光干涉术的测试系统的测试方法，其特征在于:所述测试系统的测试 方法通过PC机操作压电陶瓷控制器，控制压电陶瓷带动放置于压电陶瓷上的被测样品进行 垂直扫描，使干涉条纹扫过被测区域，并由数字CCD摄像机记录采集的图像;PC机通过图像 采集卡读取存储采集的图像，PC机对采集的图像滤波后提取单个像素点的白光干涉信号， 得到白光干涉条纹，对所得到的白光干涉条纹，首先要减去其背景光强值，对各像素点的光 强进行时域到频域的转换，在频域内做分解，得到不同频率对应的相位值，即波数和相位的 关系;通过综合干涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的位置，实现表面高度 信息的提取。
[0008] 所述的得到白光干涉条纹后，在对其进行定位的过程中将白光干涉信号变换至频 域中做分解，得到波数与相位的关系。所述的将白光干涉信号变换至频域后，求得干涉信号 频域内幅值最大值处附近相位值后，对该相位值进行展开操作，将其展开至四象限。所述的 通过综合干涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的位置的过程中，在计算零光 程差位置时加入对被测样品表面反射率、相位反射突变情况的考虑，引入相位补偿量及反 射率系数。
[0009] 本发明的有益效果是:本发明是一种非接触式测量方法，测量过程中对被测样品 表面特性的影响极小；本发明是一种场式扫描，测量范围由CCD靶面尺寸和物镜的视场决 定，测量效率高;本发明在计算零光程差位置时加入对被测样品表面反射率、相位反射突变 情况的考虑，引入相位补偿量及反射率系数;本发明使用了频域内干涉信号的波数和相位 信息，不依赖条纹信号的可见对比度，受噪声和色散影响小，提高了测量精度，可以有效地 测量微纳结构三维形貌。
【附图说明】
[0010] 图1是本发明基于白光干涉术的测试系统的结构示意图。
[0011] 图2是本发明基于白光干涉术的测试系统的测试方法的测试流程图。
[0012] 图3是白光干涉信号幅值与波数关系图。
[0013]图4是白光干涉信号相位与波数关系图。
[0014]在图中：1、白光卤素光源；2、显微光学系统；3、数字CCD摄像机；4、图像采集卡； 5、干涉系统；6、被测样品；7、压电陶瓷；8、气浮平台；9、压电陶瓷控制器；10、PC机； 11、干涉信号幅值与波数变换曲线；12、中心角波数位置；13、干涉信号相位与波数关系曲 线。
【具体实施方式】
[0015]根据附图1和2,本发明基于白光干涉术的测试系统的结构包括显微光学系统2、数 字CCD摄像机3、图像采集卡4、干涉系统5、压电陶瓷7、与压电陶瓷7相连的压电陶瓷控制器 9、气浮平台8、向显微光学系统2提供光源的白光卤素光源1和PC机10;所述的压电陶瓷7设 置在气浮平台8上;所述的显微光学系统2由管镜、光阑、显微物镜及分光镜组成，在显微物 镜前加入管镜，管镜由两个凸透镜组合而成，这两个凸透镜之间为平行光路，可以在平行光 路内插入不同类型的光学元件，如偏振片、滤波片等，用来滤除杂散光，通过管镜的光通过 光阑及显微物镜再通过光阑到达半反半透分光镜进入干涉系统5。所述干涉系统5的输入端 对应于放置在压电陶瓷7上的被测样品6,干涉系统5由显微干涉物镜、分光镜和参考反射镜 组成，到达干涉系统5的光经过分光镜上的半反半透膜分为两束，一束被分光板反射到参考 反射镜的反射区域，反射到分光镜后再次被反射，最后回到显微干涉物镜;另一束透过分光 板投射到被测样品表面，反射后经分光板回到显微干涉物镜，两束光在物镜视场中汇合发 生干涉，最终由数字CCD摄像机3提取干涉图像的光强值进行处理即可得到被测样品的表面 形貌信息。所述的PC机10通过图像采集卡4与数字CCD摄像机3相连接，PC机10还通过USB与 控制压电陶瓷7运动的压电陶瓷控制器9连接。所述的测试系统可以放置在气浮平台8上，并 由白光卤素光源1对整个系统提供照明。
[0016]本发明基于白光干涉术的测试系统的测试方法，在测量前选定需测量扫描区域并 对焦，调整被测样品6位置和照明光强，使照明光尽量包括整个可见光波段，以充分利用数 字CCD摄像机3的分辨力，选定扫描的上下限，以使干涉条纹充分扫过被测区域，设定扫描步 长，扫描步长依据采样定理设定;通过PC机10操作压电陶瓷控制器9,控制压电陶瓷7带动放 置于压电陶瓷7上的被测样品6进行等步长垂直扫描，使干涉条纹扫过被测区域，使用数字 CCD摄像机3每隔一个扫描步距采集扫描图像，并通过图像采集卡4传送至PC机10进行存储； PC机10对存储采集的图像滤波后提取单个像素点的白光干涉信号，得到白光干涉条纹，对 所得到的白光干涉条纹，首先要减去其背景光强值，对各像素点的光强进行时域到频域的 转换，在频域内做分解，计算出各像素点变换后幅值最大位置点，利用各像素点幅值最大位 置点附近数据提取相位值，得到不同频率对应的相位值，即波数和相位的关系;通过综合干 涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的位置，实现表面高度信息的提取。
[0017]所述的得到白光干涉条纹后，在对其进行定位的过程中将白光干涉信号变换至频 域中做分解，得到波数与相位的关系。所述的将白光干涉信号变换至频域后，求得干涉信号 频域内幅值最大值处附近相位值后，对该相位值进行展开操作，将其展开至四象限。所述的 通过综合干涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的位置的过程中，在计算零光 程差位置时加入对被测样品表面反射率、相位反射突变情况的考虑，引入相位补偿量及反 射率系数。
[0018]根据附图3,经过滤波处理、移除背景光强、时域到频域变换的干涉信号幅值与波 数变换曲线11，变换过程使用的公式为： %;零:卿巡卿'{_} 其中为测量过程中位置处的光强值，对应特定的波数，为干涉信号时域到频域变换的 结果，为幅值，相位为波数的函数。图3中箭头所指处为变换后幅值最大值处，即为中心角波 数位置12，在此位置附近，相位值与波数呈线性关系，相位可由以下公式计算： __:踩：" __伊|___|尸:_露！ 根据附图4,中心角波数位置12附近相位值与波数关系曲线，即干涉信号相位与波数关 系曲线13,在相位计算过程中，存在周期性2π的不确定，通过以下解包裹方法进行消除： 其中，±为计算时随着j前值增加或减小，代表取里面计算值最近的整数值，以保证相 位计算的连续性。
[0019] 则群速度光程差可以根据以下公式从相位与波数的斜率计算得到：
加入表面反射率、相位反射突变等情况的考虑，引入反射率系数η及相位补偿量，干涉 信号零级条纹位置可以表示为：
由此可以得到被测样品的表面形貌。
[0020] 本发明是一种非接触式测量方法，测量过程中对被测样品表面特性的影响极小； 本发明是一种场式扫描，测量范围由CCD靶面尺寸和物镜的视场决定，测量效率高;本发明 在计算零光程差位置时加入对被测样品表面反射率、相位反射突变情况的考虑，引入相位 补偿量及反射率系数;本发明使用了频域内干涉信号的波数和相位信息，不依赖条纹信号 的可见对比度，受噪声和色散影响小，提高了测量精度，可以有效地测量微纳结构三维形 貌。
【主权项】
1. 一种基于白光干涉术的测试系统，包括显微光学系统、数字CCD摄像机、图像采集卡、 干涉系统、压电陶瓷、与压电陶瓷相连的压电陶瓷控制器和气浮平台，其特征在于:所述的 测试系统还包括向显微光学系统提供光源的白光卤素光源和PC机;所述的PC机通过图像采 集卡与数字CCD摄像机相连接，PC机还通过USB与控制压电陶瓷运动的压电陶瓷控制器连 接;所述的压电陶瓷设置在气浮平台上;所述干涉系统的输入端对应于放置在压电陶瓷上 的被测样品。2. -种基于权利要求1所述的基于白光干涉术的测试系统的测试方法，其特征在于： 所述测试系统的测试方法通过PC机操作压电陶瓷控制器，控制压电陶瓷带动放置于压电陶 瓷上的被测样品进行垂直扫描，使干涉条纹扫过被测区域，并由数字CCD摄像机记录采集的 图像;PC机通过图像采集卡读取存储采集的图像，PC机对采集的图像滤波后提取单个像素 点的白光干涉信号，得到白光干涉条纹，对所得到的白光干涉条纹，首先要减去其背景光强 值，对各像素点的光强进行时域到频域的转换，在频域内做分解，得到不同频率对应的相位 值，即波数和相位的关系;通过综合干涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的 位置，实现表面高度信息的提取。3. 根据权利要求2所述的基于白光干涉术的测试系统的测试方法，其特征在于:所述 的得到白光干涉条纹后，在对其进行定位的过程中将白光干涉信号变换至频域中做分解， 得到波数与相位的关系。4. 根据权利要求3所述的基于白光干涉术的测试系统的测试方法，其特征在于:所述 的将白光干涉信号变换至频域后，求得干涉信号频域内幅值最大值处附近相位值后，对该 相位值进行展开操作，将其展开至四象限。5. 根据权利要求2所述的基于白光干涉术的测试系统的测试方法，其特征在于:所述 的通过综合干涉信号频域内波数与相位信息从而得到零光程差的位置的过程中，在计算零 光程差位置时加入对被测样品表面反射率、相位反射突变情况的考虑，引入相位补偿量及 反射率系数。
【文档编号】G01B11/24GK106017349SQ201610401870
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】邵杨锋, 魏佳斯, 李源, 蔡潇雨, 雷李华, 傅云霞, 李东升
【申请人】中国计量大学, 上海市计量测试技术研究院