本發(fā)明涉及一種大傾角微納結構表面三維形貌測量的輔助裝置和方法，屬于光電測量領域。
背景技術：
：微納結構陣列是一種由納米或微米結構有序排列的結合體，能大大提高光學器件的深寬比，實現(xiàn)各種優(yōu)化的、高成像質(zhì)量的光學系統(tǒng)，并促進光學電子設備的小型化、陣列化和集成化。加工技術的發(fā)展以相應的檢測技術為基礎，檢測技術的進步為精密加工技術的發(fā)展指明方向，而先進的精密加工技術又會對檢測技術提出新的要求，兩者互為依托又互為先導。幾何形狀精度直接影響微納結構陣列光學元件的效果及性能。對于微納陣列微觀三維形貌的測量主要是非接觸式測量，可分為非光學方法與光學方法。非光學方法主要有掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡；光學的方法主要有共焦顯微鏡和白光干涉顯微鏡等。掃描電子顯微鏡對環(huán)境要求高，可測樣品有限，且為定性結果；原子力顯微鏡分辨率高，但逐點掃描效率低，成像范圍小，一般到納米級別。共焦顯微鏡和白光干涉顯微鏡憑借非接觸，測量范圍大、精度高等優(yōu)點，成為超精密幾何參數(shù)測量領域的重要測試手段。微納陣列的結構尺寸限制在微米納米級別，在測量時需要進行顯微放大以便于成像與測量。測量的分辨率和可測面形傾角范圍主要受限于顯微物鏡的數(shù)值孔徑。當數(shù)值孔徑不夠大時，入射照明光會被粗糙度低、傾角較大的微觀面形反射，反射光超出物鏡數(shù)值孔徑，因而無法被顯微鏡系統(tǒng)采集；只有極少量的散射光能重新被顯微物鏡收集，造成測量數(shù)據(jù)丟失或不準確的情況。為了解決這一問題，只能改造儀器，更換數(shù)值孔徑更高的顯微物鏡或者更高感光度的面陣探測器，極大提高測量的成本。同時，對于常規(guī)顯微物鏡而言，數(shù)值孔徑提高往往意味著放大倍率增大，這樣視場進一步減小，雖然空間分辨率也隨之提高，但對于特征尺寸較大的微納結構而言，視場的縮小將導致無法評估結構的整體形貌。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，即利用白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡進行微納結構微觀表面形貌測量過程中，入射照明光被大傾角表面反射后超出物鏡的數(shù)值孔徑，從而使得常規(guī)感光度的探測無法獲得足夠多的測量光，導致測量結果丟點或者失真的問題，提出了一種大傾角微納結構表面三維形貌測量的輔助裝置和方法。本發(fā)明針對被測微納結構的特征設計多面體輔助裝置，將被測微納結構固定于輔助裝置上，使得單元的某個大傾角面傾角接近零。將輔助裝置和被測微納結構置于白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡的載物臺上，此時反射光在物鏡的數(shù)值孔徑之內(nèi)，能得到較好的測量數(shù)據(jù)。依次翻轉輔助裝置的多個面，完成被測微納結構的多個大傾角面測量。將多次測量得到的三維數(shù)據(jù)通過旋轉變換，再通過特征識別后進行拼接，即可完成大傾角微納結構表面三維重建。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的。一種大傾角微納結構表面三維形貌測量的輔助裝置，包括正多面體結構和基座兩部分。其中正多面體結構底面用于固定被測微納結構樣品，側面用于連接基座，以完成微納結構不同側面的測量；基座用于定位正多面體并連接載物臺；正多面體結構的側面的面數(shù)、傾角(側面與底面夾角)由被測微納結構形狀決定，并與被測微納結構的側面面數(shù)、傾角一致，設其面數(shù)為n，側面傾角為α。以其底面法線指向多面體頂點方向為正z軸，第1側面底邊垂線指向多面體外方向為正x軸建立坐標系，則第i(1≤i≤n)側面外法線單位向量為Ni＝(Nix,Niy,Niz)，其中Nix＝sinαcos[2π(i-1)/n],Niy＝sinαsin[2π(i-1)/n],Niz＝cosα。第i(1≤i≤n)側面外法線單位向量與x,y,z軸夾角分別為θix＝acos(Nix)，θiy＝acos(Niy)和θiz＝acos(Niz)。正多面體結構的底面固定被測樣品，使用第i(1≤i≤n)側面連接載物臺時，能使被測微納結構的第i(1≤i≤n)側面傾角減小至接近零度；正多面體結構的底面固定被測樣品，依次使用n個側面連接載物臺時，能使被測微納結構的n個側面傾角依次減小至接近零度，從而完成微納結構所有大傾角側面的測量，為后續(xù)數(shù)據(jù)拼接做準備；正多面體結構的材料可以是金屬、塑料、玻璃等，加工方式可以是機械加工、3D打印等；正多面體結構的底面固定被測樣品可采用但不限于膠粘等方法，側面與輔助裝置基座連接時，可采用但不限于鑲嵌等方法；輔助裝置的基座，包含與輔助裝置正多面體結構連接用的結構，可采用但不限于正多面體側面三角形的外接矩形孔等；包含與載物臺連接用的結構，可采用但不限于螺紋孔、卡槽等。一種大傾角微納結構表面三維形貌測量的方法，包含如下步驟：步驟一：使用輔助裝置的正多面體底面固定被測微納結構，第i(1≤i≤n)側面連接載物臺，利用白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡測得被測微納結構第i(1≤i≤n)側面的三維形貌，數(shù)據(jù)點集記為Pi(x,y,z)；步驟二：對第i(1≤i≤n)側面的數(shù)據(jù)點集Pi(x,y,z)依照該側面外法線與坐標軸夾角進行坐標旋轉，算法如下：由側面外法線單位向量與x,y,z軸夾角可得到旋轉矩陣分別是Rix=10000cosθixsinθix00-sinθixcosθix00001,---(1)]]>Riy=cosθiy0-sinθiy00100sinθiy0cosθiy00001,---(2)]]>Riz=cosθizsinθiz00-sinθizcosθiz0000100001.---(3)]]>則新的點集P'i(x',y',z')滿足(x′y′z′1)＝(xyz1)RixRiyRiz；(4)步驟三：利用特征識別算法識別坐標旋轉后不同側面數(shù)據(jù)點集P'i(x',y',z')的公共部分，以得到坐標平移矩陣。可利用數(shù)據(jù)處理算法實現(xiàn)，也可人工觀察數(shù)據(jù)點集相對位置關系，并通過試錯實現(xiàn)。特征識別后得到的坐標平移矩陣為Ti=100001000010txtytz1;---(5)]]>步驟四：對所有側面數(shù)據(jù)點集P'i(x',y',z')進行坐標平移得到新的點集P″i(x″,y″,z″)滿足(x″y″z″1)＝(x′y′z′1)Ti；(6)步驟五：取n個側面變換后的數(shù)據(jù)點集P″i(x″,y″,z″)的并集，得到最終測量結果。有益效果本發(fā)明無需對白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡儀器結構進行改造，即可解決表面傾角過大的微納結構三維形貌測量問題，相對于更換高倍率物鏡或者高感探測器的解決方案極大降低了成本。附圖說明圖1是本發(fā)明實施例提出的輔助裝置的外形圖，其中左圖是正立放置的正多面體結構，中圖是側立放置的正多面體結構，右圖是基座。圖2是本發(fā)明實施例中待測微納結構的三維形貌示意圖，其中左圖是三維圖，右圖是俯視圖。圖3是本發(fā)明提出的測量方法原理圖，其中左圖是裝置原理圖，右圖是某側面測量過程中放大后的待測微納結構的微觀形貌。圖4是以正四面體金字塔微納結構為例說明本發(fā)明在測量過程中實施步驟。附圖標記：1-通孔；2-矩形凹槽；3-顯微物鏡；4-被聚焦的照明光束；5-待測微納結構；6-輔助裝置；7-顯微鏡的載物臺。具體實施方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例的測量對象是表面粗糙度較低的微金字塔陣列，即微納結構單元形狀為正四面體，表面光滑，側面與底面夾角為45度。設計輔助結構如圖1所示。根據(jù)
發(fā)明內(nèi)容部分的說明，輔助結構的正多面體形狀由微金字塔陣列單元的形狀決定，如圖1左圖和中圖所示。正多面體呈金字塔形狀，其底面邊長為12mm，高為6mm，側面的等腰三角形底邊長12mm，高8.485mm。正多面體的四個側面均與底面呈45度，相對的兩個側面成90度角，相鄰的兩個側面呈120度角?；鐖D1右圖所示，厚6mm，基座表面加工有四個通孔1，可用4個螺釘與顯微鏡載物臺螺紋孔相連?；媳砻婕庸ち艘粋€矩形凹槽2來實現(xiàn)正多面體水平方向的定位，凹槽深4mm，底部的矩形長為12.05mm，寬8.49mm，與正多面體側面三角形的底邊長和高相比，尺寸留有0.05mm余地，保證能自由取出和放入正多面體，又不會導致橫向位移。被測為金字塔陣列微觀結構如圖2所示，其周期為10微米。側面傾角45度，其中的ABCD分別表示一個結構單元的四個側面，也是需要依次測量的四個面。如果直接放置在載物臺上，側面傾角達到45度，使用未經(jīng)專門設計的白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡時，即使采用50倍放大的顯微物鏡，也只能測得傾角40度的光滑表面。當傾角為45度時，反射光幾乎完全不能被顯微物鏡收集，而散射光又極其微弱，所以側面形貌無法測量。為了解決這一問題，如圖3所示，將待測的待測微納結構5即微金字塔陣列樣品放置在本發(fā)明提出的輔助裝置6上，并固定于載物臺7上，使用白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡的常規(guī)物鏡3即可進行形貌測量，聚焦光束4照明待測微納結構5，從右側放大圖中可以看出，待測微納結構5的側面接近水平，因此聚焦光束4能夠被正確反射回物鏡3，無需更換高倍率物鏡或者高感探測器即可完成測量?？偨Y一下，結合本發(fā)明提出的輔助裝置進行為金字塔陣列樣品微觀形貌測量的過程如圖4所示。首先將輔助裝置基座用螺釘固定在載物臺上，將被測樣品與正多面體底面用膠粘連起來，注意粘接的時候，盡量保持加工方向與底面四邊保持平行或垂直。然后將正多面體的側面A置于基座的凹槽中，進行微納陣列單元側面A的測量；翻轉正多面體，將其側面B置于基座的凹槽中，進行微納陣列單元側面B的測量；以此類推完成側面C、D的測量。再次對四次測量的結果進行坐標旋轉，旋轉角根據(jù)
發(fā)明內(nèi)容部分的公式(1)-(3)可知分別為繞x軸和繞y軸旋轉正或負90度。最后進行特征識別，如選取側面的頂點使其重合，得到平移矩陣，進行坐標平移和數(shù)據(jù)拼接，得到最后的三維重構結果。當前第1頁1 2 3