[發明專利]基于可編程照明的干涉顯微鏡系統

有效

• 申請號: 201410199476.2
• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103983206A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 萬新軍;朱偉超;楊波
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B9/023
• 代理公司: 上海三和萬國知識產權代理事務所(普通合伙) 31230
• 代理人: 陳偉勇

技術領域

本發明涉及精密測量技術領域，具體涉及干涉顯微鏡。

背景技術

隨著微細加工技術的發展逐步豐富和精細，微電路、微光學元件、微機械以及其它各種微結構不斷出現，對微結構表面形貌測量系統的需求越發迫切。由于微表面結構由于是由微觀結構單元組成的三維復雜結構，其測量一般都需要借助直接的或間接的顯微放大，要求有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。同時與平滑表面的測量不同，微結構表面的測量不僅要測量表面的粗糙度或瑕疵，還要測量表面的輪廓、形狀偏差和位置偏差。

在1968年美國Williamson首次研制了三維表面針式輪廓儀。1970年，Takasaki和Meadows首次報道了一種基于光學條紋圖分析原理的測量技術——三維表面輪廓成像技術。他們提出利用莫爾條紋陰影等高線圖形顯示物體的三維像，將莫爾條紋作為空間編碼，從受物體表面形貌調制變形的莫爾條紋圖中提取相位信息并轉換為物體三維輪廓。于是利用光學成像測量原理測量物體表面形貌的技術引起了各方面的重視，并使這門技術開始實用化。莫爾輪廓術的出現，奠定了光學成像法測量物體表面輪廓的基礎，使得通過圖象的測量可獲得所需的物體三維信息。1976年美國R.S.Sayles又研制出第一臺由計算機控制的三維表面粗糙度輪廓儀。

干涉顯微法是光學干涉法與顯微系統相結合的產物，通過在干涉儀上增加顯微放大視覺系統，提高了干涉圖的橫向分辨率，使之能夠完成微納結構的三維表面形貌測量。隨著計算機技術、現代控制技術以及圖像處理技術的發展，干涉顯微法出現了測量精度達到納米級別的相移干涉法(PSI)和垂直掃描干涉法(VSI)。與其它表面形貌測量方法相比，干涉顯微法具有快速、非接觸的優點，而且可以與環境加載系統配合完成真空、壓力、加熱環境下的結構表面形貌測量，因而在微電子、微機電系統以及微光機電系統的結構表面形貌測量上得到了廣泛應用。

相移干涉法(PSI)是基于單色光干涉的一種相位測量方法，通過測量分析干涉圖的干涉相位Ф來提取樣品表面的高度信息。PSI法可以通過精確移動測量平面M，一般使用微位移器諸如壓電陶瓷(PZT)等，產生干涉圖相位Ф的移動，利用三幅以上的相移干涉圖光強值來求取物體高度值。單色光干涉條紋存在著周期性，如果相鄰兩個點的高度超過1/4波長，即干涉相位值超過π，那么某一個干涉圖光強值就可能對應著不同的光程差值。因此，PSI法不能測量高度超過1/4波長的臺階結構。

VSI法是基于白光干涉的一種垂直掃描測量方法，通過測量分析干涉圖零光程差位置來提取樣品表面高度信息。由于白光是寬帶光源，因此白光干涉圖是不同波長光干涉的疊加。由于白光相干距離短，干涉圖在零光程差位置時某些特征參數如光強、對比度會達到最大值，因此VSI法通過精確移動測量平面M，掃描被測表面得到一系列不同高度值的干涉圖，然后應用白光干涉處理算法提取被測表面各點的垂向零光程差位置，進而還原被測表面的三維形貌。與PSI法相比，VSI法克服了臺階高度測量受限的缺點，但是目前在精度上比PSI法低。

對于干涉顯微鏡系統中，通過相移來計算干涉相位，進而計算出三維表面面型。主要會受到的誤差來自幾個方面：(1)相移過程中，由于微位移器的位移誤差造成的相移誤差對各干涉圖像的影響；(2)在干涉圖像采集過程中，由于圖像傳感器CCD的量化誤差造成的干涉場強度信號誤差造成的影響；(3)由于CCD對于光強信號的非線性響應造成的誤差；(4)對一些非漫射表面物體進行測量時,由于表面局部的鏡面反射往往會導致圖像局部飽和,從而引起相位誤差。

以上描述干涉顯微鏡普遍采用科勒式照明，得到一個均勻的照明場。但是由于被測物體的多樣性，不同區域對于入射光的反射率可能存在巨大的差異。采用均勻照明結構時，表面不同區域的光學特性的差異，將導致最終的干涉圖的失真，產生上述的各種誤差因素，最終影響干涉顯微鏡測量精度。所以需要一種對照明光場的空間調制來平衡反射率的差異帶來的誤差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于可編程照明的干涉顯微鏡系統，以解決上述問題。

本發明所解決的技術問題可以采用以下技術方案來實現：