本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法。
背景技術(shù)：
：微納結(jié)構(gòu)是指特征尺寸在微米至納米量級的功能性結(jié)構(gòu)，在微電子，航天航空，化學(xué)制藥，生物技術(shù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，對推動信息時代技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展有著重要的意義。隨著微納器件應(yīng)用范圍的不斷拓展，對其進(jìn)行高精度三維形貌檢測也成為微納檢測技術(shù)的重要發(fā)展目標(biāo)。目前，測量手段主要分為非光學(xué)、光學(xué)兩類。在非光學(xué)檢測中，主要有臺階儀，原子力顯微鏡，掃描電子顯微鏡(SEM)等手段，大多采用接觸式測量形式，精度高，但測量速度慢，設(shè)備昂貴。在光學(xué)檢測領(lǐng)域中，主要有共聚焦掃描顯微鏡，平面干涉儀和白光干涉法等手段，大多采用非接觸式測量，具有測量速度快、精度高等優(yōu)點(diǎn)。其中，白光顯微干涉技術(shù)，利用寬光譜低相干性，實(shí)現(xiàn)對微納器件三維形貌的高精度檢測，具有高分辨力、測量范圍大等優(yōu)勢，在微納器件檢測領(lǐng)域中廣泛運(yùn)用。DongChenandJoannaSchmit等人通過添加額外的干涉鏡來實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)極值點(diǎn)尋找，通過實(shí)時算法分析來減少外接振動，光源不穩(wěn)定因素的影響，雖然有一定的效果，但不僅處理速度較慢，而且增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和檢測費(fèi)用。U.PaulKumar團(tuán)隊(duì)提出了一種基于三波長絕對相位分析方法，通過相位確定零級干涉條紋，該方法在物體結(jié)構(gòu)連續(xù)時能有效完成檢測，但由于其含有2π相位模糊，從而無法廣泛使用。總之，在目前的一些方法中，都存在干涉圖的光強(qiáng)不穩(wěn)定，受外界擾動影響大等問題，從而導(dǎo)致三維形貌測量誤差。由于國內(nèi)外目前在微納結(jié)構(gòu)三維形貌恢復(fù)方法中，測量穩(wěn)定性不足，受外界干擾嚴(yán)重。尋找一種系統(tǒng)簡單，精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測手段，對于現(xiàn)在的微納結(jié)構(gòu)器件有很重要的作用。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性強(qiáng)，測量精度高的微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測方法仍然是目前國內(nèi)外需要繼續(xù)解決的問題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了解決上述難題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了所述的一種基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法，可以實(shí)現(xiàn)高精度測量的同時光源光強(qiáng)不穩(wěn)定，外界無序擾動等的影響，縱向分辨率可以達(dá)到納米量級。本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：一種基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法，測量過程中，通過寬光譜光源入射到光學(xué)成像系統(tǒng)，利用Mirau型白光干涉光學(xué)系統(tǒng)，通過壓電陶瓷移動臺精密控制干涉物鏡縱向掃描移動，將采集得到的一系列白光顯微干涉圖進(jìn)行保存。首先，將所采集到的干涉灰度圖轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)圖，通過頻域?yàn)V波以及基頻信號提取算法，獲得單幀干涉圖像對應(yīng)的歸一化調(diào)制度圖，針對每個獨(dú)立縱向掃描位置，利用同一像素點(diǎn)光強(qiáng)值與對應(yīng)調(diào)制度數(shù)值的乘積獲取一幀混合干涉圖像。最后通過縱向掃描獲取得到一系列混合干涉圖像，通過尋找混合干涉極值及其相應(yīng)掃描位移來獲取被測物體每個像素點(diǎn)的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)物體三維形貌重建。其中，寬光譜光源入射到光學(xué)成像系統(tǒng)，透過Mirau干涉物鏡使光線分為兩束，一束反射到參考鏡面，另一束透射到被測物體表面，當(dāng)兩束光再次返回時則發(fā)生干涉，利用壓電陶瓷控制干涉物鏡縱向掃描移動，將CCD采集得到的一系列干涉圖進(jìn)行保存。其中，將所采集到的干涉灰度圖轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)圖，通過頻域?yàn)V波以及基頻信號提取算法，獲得單幀干涉圖像對應(yīng)的歸一化調(diào)制度圖，針對每個獨(dú)立縱向掃描位置，利用同一像素點(diǎn)光強(qiáng)值與對應(yīng)調(diào)制度數(shù)值的乘積獲取一幀混合干涉圖像。其中，通過縱向掃描獲取得到一系列混合干涉圖像，通過尋找混合干涉極值及其相應(yīng)掃描位移來獲取被測物體每個像素點(diǎn)的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)物體三維形貌重建。其中，利用光強(qiáng)與調(diào)制度共同作用檢測，具有測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)簡單等特點(diǎn)，適用于微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測，具有實(shí)用性強(qiáng)，測量穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：(1)、本發(fā)明通過白光光源顯微干涉系統(tǒng)，利用混合干涉條紋實(shí)現(xiàn)三維形貌高精度檢測，相比目前有的檢測方法，測量精度高，測量穩(wěn)定性強(qiáng)，系統(tǒng)簡單，具有很強(qiáng)的實(shí)用性；(2)、本發(fā)明中，檢測三維形貌的縱向分辨率達(dá)到納米量級，同時消除光源光強(qiáng)不穩(wěn)定，外界無序擾動等的影響，相比其他方式而言，具有更好的環(huán)境適應(yīng)性。附圖說明圖1為本發(fā)明一種基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，其中，1為XY工件臺，2為待測器件，3為干涉顯微鏡，4為PZT，5為光源系統(tǒng)，6為圖像采集系統(tǒng)；圖2為本發(fā)明中相應(yīng)方法處理得到的混合干涉條紋圖，其中，圖2(a)為采集得到的光強(qiáng)干涉圖，圖2(b)為解析得到歸一化調(diào)制度圖，圖2(c)為通過獨(dú)立像素點(diǎn)光強(qiáng)值與調(diào)制度值的乘積獲取混合干涉條紋圖；圖3為本發(fā)明中獨(dú)立像素點(diǎn)不同縱向掃描位置的混合干涉數(shù)值圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖以及理論推導(dǎo)對本發(fā)明具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。該基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法，由于利用光強(qiáng)與調(diào)制度共同作用檢測，能有效消除光源光強(qiáng)不穩(wěn)定，外界無序擾動等因素的影響，具有測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)簡單等特點(diǎn)，適用于微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測，具有實(shí)用性強(qiáng)，測量穩(wěn)定性高等特點(diǎn)。如圖1所示，本發(fā)明一種基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，該系統(tǒng)包括XY工件臺1、待測器件2、干涉顯微鏡3、PZT4、光源系統(tǒng)5和圖像采集系統(tǒng)6。首先采用中心波長為560nm，半高帶寬為160nm的白光照明光源，通過光學(xué)成像系統(tǒng)，透過Mirau干涉物鏡使光線分為兩束，一束反射到參考鏡面，另一束透射到被測物體表面，最后兩束光線發(fā)生干涉并通過光電耦合元件CCD采集所得到的干涉圖。通過壓電陶瓷移動臺精密控制干涉物鏡縱向掃描移動，將采集得到的一系列白光顯微干涉圖進(jìn)行保存。首先，將所采集到的干涉灰度圖轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)圖，通過頻域?yàn)V波以及基頻信號提取算法，獲得單幀干涉圖像對應(yīng)的歸一化調(diào)制度圖，針對每個獨(dú)立縱向掃描位置，利用同一像素點(diǎn)光強(qiáng)值與對應(yīng)調(diào)制度數(shù)值的乘積獲取一幀混合干涉圖像。最后通過縱向掃描獲取得到一系列混合干涉圖像，通過尋找混合干涉極值及其相應(yīng)掃描位移來獲取被測物體每個像素點(diǎn)的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)物體三維形貌重建。在獲取干涉圖像調(diào)制度分布時，采用傅里葉分析方法，通過將獲取的一幀條紋圖進(jìn)行傅里葉變換，然后進(jìn)行濾波，保留傅里葉頻譜中的基頻成分，再作逆傅里葉變換，最后提取得到干涉圖的調(diào)制度和并作歸一化處理。利用同一像素點(diǎn)光強(qiáng)值與對應(yīng)調(diào)制度數(shù)值的乘積獲取一幀混合干涉圖像。本發(fā)明中，主要的器件包括：中心波長為560nm白光光源，成像光學(xué)系統(tǒng)，20倍Mirau干涉物鏡，壓電陶瓷移動臺，CCD成像鏡頭以及計(jì)算機(jī)等。本發(fā)明中，照明光源為白光，中心波長為560nm，實(shí)際測量過程中，亮度可通過改變調(diào)節(jié)電路進(jìn)行靈活變化。本發(fā)明中，20倍Mirau干涉物鏡為Nikon公司生產(chǎn)的CFplan系列，壓電陶瓷位移平臺為PI公司生產(chǎn)，分辨率可達(dá)±1nm。本發(fā)明中，CCD成像鏡頭用于干涉成像的CCD鏡頭采用燦銳同軸光照明遠(yuǎn)心鏡頭(XF-T4X65D)，其主要技術(shù)參數(shù)如表1所示：表1CCD成像鏡頭主要技術(shù)參數(shù)光學(xué)放大倍率4×分辨力4.2μm焦深200μm工作距65mmTV失真0.05％本發(fā)明中，首先采用寬光譜照明光源，通過光學(xué)成像系統(tǒng)，透過Mirau干涉物鏡使光線分為兩束，一束反射到參考鏡面，另一束透射到被測物體表面，最后兩束光線發(fā)生干涉并通過CCD采集所得到的干涉圖。利用壓電陶瓷控制Mirau干涉物鏡縱向掃描移動，將CCD采集得到的一系列干涉圖進(jìn)行保存，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本發(fā)明中，如圖2所示，將采集得到的光強(qiáng)干涉圖，如圖2(a)所示；解析得到歸一化調(diào)制度圖，如圖2(b)所示；通過獨(dú)立像素點(diǎn)光強(qiáng)值與調(diào)制度值的乘積獲取混合干涉條紋圖，如圖2(c)所示。通過縱向掃描獲取得到一系列混合干涉圖像，通過尋找混合干涉極值及其相應(yīng)掃描位移來獲取被測物體每個像素點(diǎn)的高度信息，從而實(shí)現(xiàn)物體三維形貌重建，單個像素點(diǎn)不同縱向掃描位置的混合干涉數(shù)值曲線如圖3所示。本發(fā)明中，一種基于混合干涉條紋的白光顯微干涉形貌重建方法，一方面能實(shí)現(xiàn)很高的縱向分辨率，另一方面達(dá)到很高的測量穩(wěn)定性，能夠有效消除光源光強(qiáng)不穩(wěn)定，外界無序擾動等因素的影響，特別是針對高縱深微納結(jié)構(gòu)檢測，具有測量精度高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。當(dāng)然，在本例中，外界擾動和光源光強(qiáng)波動幅度也需要嚴(yán)格控制在一定數(shù)值范圍內(nèi)，這樣才能夠最大程度完成高精度，高穩(wěn)定性檢測，對于重建算法也要不斷優(yōu)化，才能更好的適應(yīng)各種復(fù)雜的檢測環(huán)境。當(dāng)前第1頁1 2 3