本發(fā)明涉及光學(xué)微機電系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種微鏡鏡面翹曲程度檢測裝置以及檢測方法。

背景技術(shù)：

微鏡是基于mems工藝技術(shù)制造的集成了光學(xué)微反射鏡和微驅(qū)動器的mems芯片，是光學(xué)mems器件中的核心元件，其鏡面尺寸通常為數(shù)百微米至數(shù)千微米。曲率半徑是表征微鏡表面變形、翹曲的主要技術(shù)參數(shù)。微鏡通常采用表面鍍有金或鋁等金屬材料、光學(xué)介質(zhì)反射膜的硅薄膜，硅薄膜的厚度一般為數(shù)微米至數(shù)十微米厚，而金屬薄膜的厚度通常僅為數(shù)百納米。由于硅、金屬兩種薄膜材料的熱膨脹系數(shù)、楊氏模量的不同，以及薄膜內(nèi)部存在應(yīng)力，導(dǎo)致微鏡偏離標(biāo)準(zhǔn)平面而出現(xiàn)變形、翹曲。微鏡的形狀通常為圓形，其變形亦近似為球面。球面的曲率半徑是衡量變形大小的一個重要參數(shù)。微鏡鏡面較大的形變會使芯片封裝后的光器件光學(xué)插入損耗增大，降低了mems光學(xué)器件的光學(xué)性能指標(biāo)，同時鏡面較大的形變也意味著微鏡受溫度影響比較大，器件的熱可靠性不太高。因此，在mems光學(xué)元件中，對微鏡的形變及翹曲評價是非常重要的。

但是，mems器件中采用的微鏡的變形量實際上是很小的，直徑1mm左右微鏡面的最大變形高度僅在微米量級，無法用眼睛或常用的光學(xué)儀器(如顯微鏡)直接感知出來，給微鏡面形變檢測評估帶來了很大的技術(shù)困難?，F(xiàn)有技術(shù)中對于mems微鏡面形變的分析手段主要采用光學(xué)形貌儀。但光學(xué)形貌儀設(shè)備昂貴，并且每次測試都需要嚴(yán)格校準(zhǔn)光路，使用成本高，翹曲程度測量的精度也不高，因此僅能少量使用，僅限于鏡面翹曲程度的定性測量，根本無法滿足對微鏡進行批量化、定量測試的要求。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種能夠滿足批量化、定量測試要求的微鏡鏡面翹曲程度檢測裝置以及檢測方法。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種微鏡鏡面翹曲程度檢測裝置，包括：樣品臺，用于放置一待測微鏡；入射光模塊，用于產(chǎn)生一束照射至待測微鏡表面的入射光，入射光照射在所述待測微鏡表面形成入射光斑，光斑尺寸小于微鏡鏡面；驅(qū)動模塊，機械連接至樣品臺和/或入射光模塊，驅(qū)動兩者發(fā)生相對位移，以使入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生直線移動；反射光模塊，用于將待測微鏡表面的反射光匯聚形成一反射光斑，并測量驅(qū)動模塊驅(qū)動樣品臺和反射光模塊相對移動的過程中反射光斑的位移量。

可選的，所述檢測裝置還包括一分光鏡，所述分光鏡設(shè)置在反射射光的光路上，用以改變自于待測微鏡的反射光的方向，使所述反射光入射至反射光模塊。

可選的，所述入射光模塊產(chǎn)生的入射光以一夾角入射待測微鏡的鏡面，入射光在待測微鏡上反射后直接入射至反射光模塊。

可選的，所述入射光模塊包括一光源，以及一第一聚焦透鏡，所述第一聚焦透鏡用于將光源發(fā)出的光匯聚至待測微鏡鏡面形成入射光斑，光斑尺寸小于微鏡鏡面尺寸。

可選的，所述入射光斑的形狀選自于圓形光斑、橢圓光斑和十字叉絲型光斑中的一種。

可選的，所述反射光模塊包括一第二聚焦透鏡以及一攝像頭，所述第二聚焦透鏡用于將待測微鏡鏡面的反射光匯聚并聚焦形成反射光斑，所述攝像頭攝取所述第二聚焦透鏡焦點處的反射光斑。所述攝像頭的成像鏡頭位置，使反射光斑在攝像頭成像面上形成為一個多像素的反射光斑。反射光斑在攝像頭中所呈的像的尺寸不小于3×3像素。

可選的，所述驅(qū)動模塊驅(qū)動樣品臺和入射光模塊發(fā)生相對位移，導(dǎo)致入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動而形成經(jīng)過所述待測微鏡鏡面的中心點的一運動軌跡。上述運動優(yōu)選為直線運動，且入射光斑的移動軌跡在待測微鏡的鏡面內(nèi)部。

一種微鏡翹曲程度檢測方法，包括如下步驟：提供一待測微鏡；將一束入射光照射至待測微鏡鏡面，在所述待測微鏡鏡面形成入射光斑，并將反射光匯聚形成一反射光斑；使待測微鏡和入射光發(fā)生相對位移，以使入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生直線移動；測量入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動的過程中反射光斑的位移量；經(jīng)過計算可以獲得微鏡鏡面的翹曲程度。

可選的，所述入射光與待測微鏡的鏡面垂直或接近垂直，所述將反射光匯聚形成一反射光斑的步驟具體是將一分光鏡設(shè)置在反射光的光路上，用以改變自于待測微鏡的反射光的傳播方向。

可選的，所述入射光斑的形狀選自于圓形光斑、橢圓光斑和十字叉絲型光斑中的一種。

可選的，使待測微鏡與入射光發(fā)生相對位移，以使入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動的步驟中，還包括調(diào)整待測微鏡和入射光的相對位置，以形成經(jīng)過所述待測微鏡鏡面中心點的一直線運動軌跡。

可選的，所述調(diào)整待測微鏡和入射光的相對位置，以形成經(jīng)過所述待測微鏡鏡面中心點的一運動軌跡的步驟，是以反射光斑的隨動軌跡為一直線為校準(zhǔn)依據(jù)。

可選的，測量入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動的過程中反射光斑的位移量，同時記錄一一對應(yīng)的微鏡移動位移量，包括如下步驟：采集反射光斑中像素點的灰度；根據(jù)灰度計算反射光斑的灰度質(zhì)心點；將灰度質(zhì)心點的位移距離作為反射光斑的位移量。

可選的，測量入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動的過程中反射光斑的位移量的步驟中，具體包括如下步驟：在所述移動的過程中進行間隔采樣，獲得多個入射光斑和對應(yīng)的反射光斑的采樣點；獲得每個采樣點的入射光斑在待測微鏡表面的位移量，以及反射光斑的位移量；繪制出入射光斑在待測微鏡鏡面的位移量與反射光斑的位移量之間的曲線，并計算經(jīng)過直線擬合后的直線斜率，即可以換算出微鏡鏡面的曲率半徑。

本發(fā)明的優(yōu)點在于，采用的測試光路固定，且計算方法簡單。將微鏡置于測試區(qū)域即可以迅速完成測試，無需復(fù)雜的光路校準(zhǔn)和對焦，也無需復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

附圖說明

附圖1是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測裝置的一具體實施方式的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測裝置的另一具體實施方式的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖3是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測裝置的具體實施方式中待測翹曲微鏡鏡面的反射光方向隨入射位置變化的示意圖。

附圖4是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測裝置的具體實施方式中反射光斑灰度質(zhì)心計算的成像面直角坐標(biāo)圖。

附圖5是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測裝置的具體實施方式中入射光斑在待測微鏡鏡面的位移量與反射光斑的位移量之間的曲線。

附圖6是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測裝置的具體實施方式中反射光斑的直線運動軌跡示意圖。

附圖7是本發(fā)明所述微鏡翹曲程度檢測方法的具體實施方式中所述方法的實施步驟示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明提供的微鏡鏡面翹曲程度檢測裝置以及檢測方法的具體實施方式做詳細(xì)說明。

首先結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述微鏡鏡面翹曲程度檢測裝置的一具體實施方式。附圖1是本具體實施方式所述裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：樣品臺10、入射光模塊11、反射光模塊12以及驅(qū)動模塊13。附圖1僅作圖示，不做測量依據(jù)，實際操作中待測芯片樣品的尺寸是很小的，僅為毫米級，但芯片樣品臺的尺寸是厘米級的，以保證芯片能水平放置。本具體實施方式也可以設(shè)計晶圓級的測試裝置，此時樣品臺可以是分米級的。

所述樣品臺上放置一待測微鏡19，其包含一個微反射鏡面。待測微鏡19為被測樣品，不是本具體實施方式所述裝置的一部分。在本具體實施方式中，所述待測微鏡19是一光學(xué)mems芯片。所述mems芯片可以包括一個待測微鏡19，或者包括多個待測微鏡19構(gòu)成的陣列，對應(yīng)于晶圓級的微鏡測試。對于包括由多個待測微鏡19構(gòu)成的陣列的具體實施方式，可以通過平移樣品臺10或者入射光模塊11和反射光模塊12的方式對多個待測微鏡19逐一進行測試。

入射光模塊11用于產(chǎn)生一束照射至待測微鏡19表面的入射光，入射光照射在所述待測微鏡19鏡面形成入射光斑。在本具體實施方式中，所述入射光模塊包括一光源112以及一第一聚焦透鏡114，所述第一聚焦透鏡114用于將光源112發(fā)出的光匯聚至待測微鏡19鏡面形成入射光斑。所述光源112可以是氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、以及二極管中的任意一種。并可選地，可以進一步在光源112和第一聚焦透鏡114之間設(shè)置一小通光孔以獲得點光源的效果。光源112的發(fā)射光可以是可見光或者紅外光，并優(yōu)選為易于通過肉眼調(diào)節(jié)的可見光。光源112發(fā)出的光經(jīng)過第一聚焦透鏡114進行匯聚，全部的入射光都被匯聚在所述待測微鏡19的鏡面上一個局部區(qū)域，形成一完整的入射光斑，光斑的尺寸小于微鏡19的尺寸，并保證微鏡移動過程中光斑不被移出微鏡鏡面。在其它的具體實施方式中，所述第一聚焦透鏡114被替換為一透鏡組以獲得更好的匯聚效果。并且若光源112發(fā)出的光線的準(zhǔn)直性較好，例如對于采用發(fā)散角很小的氣體激光器作為光源112的具體實施方式，也可以不采用包括第一聚焦透鏡114在內(nèi)的任何聚焦裝置，使光源112發(fā)出的光直接全部照射在待測微鏡19鏡面。

所述入射光斑的形狀選自于圓形光斑、橢圓形光斑和十字叉絲型光斑中的一種。圓形光斑的優(yōu)點在于第一聚焦透鏡114的匯聚光斑是圓形的，橢圓光斑的優(yōu)點在于放松對第一聚焦透鏡114的像差要求，降低成本，而十字叉絲形狀的光斑的優(yōu)點在于有利于準(zhǔn)確計算、觀察反射光斑的中心點的位置。

驅(qū)動模塊13機械連接至樣品臺10和/或入射光模塊11，驅(qū)動兩者發(fā)生相對位移，以使入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動。在本具體實施方式中，驅(qū)動模塊13機械連接至樣品臺10，驅(qū)動樣品臺發(fā)生移動，該移動方向能夠使入射光斑在所述待測微鏡19鏡面發(fā)生移動。在其它的具體實施方式中，驅(qū)動模塊13機械連接至入射光模塊11，或同時連接樣品臺10和入射光模塊11，驅(qū)動樣品臺10和入射光模塊11相對移動。相對移動的方向優(yōu)選為垂直于入射光的方向。

反射光模塊12用于將待測微鏡鏡面的反射光匯聚形成一反射光斑，并測量驅(qū)動模塊13驅(qū)動樣品臺10和入射光模塊11相對移動的過程中，反射光斑的位移量。在本具體實施方式中，所述反射光模塊12包括一第二聚焦透鏡124以及一攝像頭122，所述第二聚焦透鏡124用于將待測微鏡19鏡面的反射光匯聚并聚焦形成反射光斑，所述攝像頭122攝取所述第二聚焦透鏡124的焦點處的反射光斑。為了獲得較佳的反射光斑質(zhì)心定位精度，攝像頭122的成像鏡頭位置使反射光斑在攝像頭成像面上形成為一個多像素光斑，即形成離焦。離焦的作用在于使反射光斑具有一尺寸，更容易準(zhǔn)確的計算出反射光斑的灰度質(zhì)心點，即反射光斑的圖像質(zhì)心，從而計算出反射光斑精確到亞像素精度的準(zhǔn)確位置。反射光斑的尺寸應(yīng)當(dāng)適當(dāng)，在攝像頭122中所呈的像不應(yīng)當(dāng)小于3×3像素，考慮定位精度與計算量的折中，優(yōu)選的像素點范圍是3×3至11×11像素之間。在其它的具體實施方式中，所述第二聚焦透鏡124被替換為一透鏡組以獲得更好的匯聚效果。攝像頭122可以是ccd以及cmos攝像頭中的任意一種。

在本具體實施方式中，為了節(jié)省空間尺寸，入射光模塊的光源112以及第一聚焦透鏡114與待測微鏡19共軸設(shè)置。這導(dǎo)致所述入射光模塊11產(chǎn)生的入射光與待測微鏡19的鏡面垂直，并且反射光的光路與入射光的光路是重合的，這為收集反射光帶來了難度。為了節(jié)省空間，入射光模塊的光源112以及第一聚焦透鏡114與待測微鏡19之間或共軸設(shè)置，或與待測微鏡19的軸向具有一小角度，這一角度會導(dǎo)致反射光與入射光光路重疊，或者彼此之間的距離無法放置光學(xué)元件。因此在本具體實施方式中，所述檢測裝置還包括一分光鏡14，所述分光鏡14設(shè)置在反射光的光路上，亦是入射光的光路上，用以改變自于待測微鏡19的反射光的方向，使所述反射光入射至反射光模塊12?？蛇x地，分光鏡14可以采用偏振分光鏡，并配合光學(xué)波片，可以減少分光鏡的光能損失。

參考附圖2所示是本發(fā)明所述微鏡鏡面翹曲程度檢測裝置的另一具體實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖，即無分光鏡的測量光路。在本具體實施方式中，入射光模塊11、反射光模塊12、樣品臺10以及驅(qū)動模塊13的結(jié)構(gòu)與前一具體實施方式相同，但設(shè)置的相對位置發(fā)生了變化。入射光模塊的光源112以及第一聚焦透鏡114與待測微鏡19的軸向具有一較大的角度，反射光的光路與入射光的光路不重合且具有足夠滿足測量要求的距離，因此無需額外的分光裝置，反射光模塊12即可以收集到入射光。

對于以上兩種實施方式中的任何一種，如果待測微鏡19的鏡面是平整無翹曲的，即曲率半徑無窮大，則無論待測微鏡19與入射光斑之間如何相對移動，反射光斑的位置是不移動的。但實際上，由于待測微鏡19鏡面的金屬反射膜與鏡面薄膜的硅單晶材料之間熱膨脹系數(shù)、楊氏模量的不同，金屬薄膜制作工藝的不同，以及金屬薄膜內(nèi)部存在應(yīng)力等問題，待測微鏡19的鏡面是向外凸起的。這樣待測微鏡19與入射光斑之間的相對移動會導(dǎo)致反射光斑的位移。待測微鏡19鏡面的光反射示意圖如圖3所示，其中r為待測微鏡19鏡面的曲率半徑，用以衡量微鏡鏡面的翹曲程度，x為入射光斑在待測微鏡19表面的位移量，λ為入射光波長，θ為位移x對應(yīng)的微鏡鏡面圓心角。當(dāng)θ較小時，位移x近似為對應(yīng)的圓弧弧長，由圖3可以推算出如下方程式：

上式中δl為反射光斑的位移量，f為第二聚焦透鏡124的焦距。在采用一透鏡組代替第二聚焦透鏡124的具體實施方式中，f為透鏡組的等效焦距。上式中，若反射光斑不移動，則δl為0，r為無窮大，對應(yīng)的物理意義為待測微鏡19的鏡面是平整的。

反射光斑的位移量δl的計算方式是通過計算攝像頭122攝取到的反射光斑中心點的位移得到的。反射光斑中心點優(yōu)選為反射光斑的灰度質(zhì)心點，即反射光斑的圖像質(zhì)心。

參考附圖4是反射光斑圖像質(zhì)心的計算示意圖。圓形為反射光斑的輪廓示意，設(shè)反射光斑圖像灰度值為c(x,y)，圖像坐標(biāo)原點為o，圖像質(zhì)心位置坐標(biāo)(xc，yc)可由以下公式確定：

其求和的范圍為光斑尺寸的范圍。對于采用橢圓、十字叉絲形狀的入射光斑的具體實施方式，反射光斑亦為橢圓、十字叉絲，因此也可以根據(jù)反射光斑形狀計算出橢圓、十字叉絲的中心點作為圖像質(zhì)心。

根據(jù)每一次的微鏡移動，可以計算出等效的微鏡鏡面的曲率半徑。為了提高測量準(zhǔn)確性，可以反復(fù)實施上述步驟進行多次測量，以獲得多個曲率半徑的數(shù)值，將這些數(shù)值進行平均或直線擬合可以減少曲率半徑測量誤差，并以計算后的曲率半徑作為評價微鏡鏡面翹曲程度的參數(shù)。

具體的說，上述方法中，只需要將入射光斑移動一次，就可以得到一組入射光斑在待測微鏡19鏡面的位移量x，以及反射光斑的位移量δl，從而計算出待測微鏡19的曲率半徑r，用以衡量微鏡鏡面的翹曲程度。而為了提高計算精度，在所述驅(qū)動模塊13驅(qū)動樣品臺10和入射光模塊11發(fā)生相對位移的過程中進行間隔采樣，獲得多個采樣點。在每個采樣點上都會獲得一個入射光斑在待測微鏡19表面的位移量x，以及反射光斑的位移量δl，可以繪制出δl(或者θ)與x之間的曲線，如附圖5所示。計算經(jīng)過直線擬合后的斜率即可以換算出r的值。對于δl為負(fù)數(shù)時可以將圖5拓展至第三象限或者取其絕對值|δl|進行計算。

附圖6是反射光斑的一種優(yōu)選的運動軌跡示意圖。為了獲得最準(zhǔn)確的測量效果，優(yōu)選所述驅(qū)動模塊13驅(qū)動樣品臺10和入射光模塊11發(fā)生相對位移，導(dǎo)致入射光斑在所述待測微鏡19鏡面發(fā)生移動而形成經(jīng)過所述待測微鏡19鏡面的中心點的一運動軌跡。這樣的運動軌跡能夠使反射光斑的運動軌跡為附圖6所示的一條直線，從而提高上述算法的精確度。并且，反射光斑的隨動軌跡是否為一直線還可以作為調(diào)整依據(jù)，用以校準(zhǔn)調(diào)整待測微鏡19和入射光的相對位置。

接下來結(jié)合附圖給出本發(fā)明所述微鏡鏡面翹曲程度檢測方法的一具體實施方式。附圖7是本具體實施方式所述方法的實施步驟示意圖，包括：步驟s60，提供一待測微鏡；步驟s61，將一束入射光照射至待測微鏡鏡面上，在所述待測微鏡鏡面形成入射光斑，并將反射光匯聚形成一反射光斑；步驟s62，使待測微鏡和入射光發(fā)生相對位移，以使入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動；步驟s63，測量入射光斑在所述待測微鏡鏡面發(fā)生移動的過程中反射光斑的位移量。

以上步驟的實施請進一步參考上述關(guān)于裝置的具體實施方式，以及附圖1-附圖6。但本具體實施方式中的步驟并不僅限于采用上述裝置實施，任何一種能夠滿足本具體實施方式所述步驟要求的裝置都可以用于實施體實施方式。

步驟s61中，一種優(yōu)選的實施方式是所述入射光與待測微鏡的鏡面垂直或呈一小角度以節(jié)省設(shè)備空間，但需要將一分光鏡設(shè)置在反射光的光路上，用以改變自于待測微鏡的反射光的方向。本步驟中所述入射光斑的形狀選自于圓形光斑、橢圓和十字叉絲型光斑中的一種。圓形光斑的優(yōu)點在于第一聚焦透鏡的匯聚光斑是圓形的，橢圓光斑的優(yōu)點在于放松對第一聚焦透鏡的像差要求，降低成本，而十字叉絲形狀的光斑的優(yōu)點在于有利于準(zhǔn)確計算、觀察反射光斑的中心點的位置。

步驟s62中，還包括調(diào)整待測微鏡和入射光的相對位置，以形成經(jīng)過所述待測微鏡的中心點的一運動軌跡。這樣的運動軌跡能夠使反射光斑的運動軌跡為附圖6所示的一條直線，從而提高上述算法的精確度。本步驟所述調(diào)整待測微鏡和入射光的相對位置，以形成經(jīng)過所述待測微鏡的中心點的一運動軌跡的步驟，是以反射光斑的隨動軌跡為一直線為校準(zhǔn)依據(jù)。

步驟s63還可以進步包括如下步驟：采集反射光斑中像素點的圖像灰度值；根據(jù)灰度計算反射光斑的灰度質(zhì)心；將灰度質(zhì)心的位移距離作為反射光斑的位移量。

根據(jù)每一次的微鏡移動，可以計算出等效的微鏡鏡面的曲率半徑。為了提高測量準(zhǔn)確性，可以反復(fù)實施上述步驟進行多次測量，以獲得多個曲率半徑的數(shù)值，將這些數(shù)值進行平均或直線擬合可以減少曲率半徑測量誤差，并以計算后的曲率半徑作為評價微鏡鏡面翹曲程度的參數(shù)。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。