[發明專利]一種快照式全場白光干涉顯微測量方法及其裝置

有效

• 申請號: 201811082777.1
• 申請日: 2018-09-17
• 公開（公告）號: CN108981606B
• 公開（公告）日: 2020-10-09
• 發明（設計）人: 馬鎖冬;王欽華;曾春梅;許峰
• 申請（專利權）人: 蘇州大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B9/02;G01B9/04
• 代理公司: 蘇州創元專利商標事務所有限公司 32103
• 代理人: 陶海鋒

本發明公開了一種快照式全場白光干涉顯微測量方法及其裝置。它是在白光干涉顯微測量法和快照式光譜成像探測術的基礎上，利用復色平行光經過軸向色散型干涉光學系統后沿軸向依次色散并一一對應地聚焦于不同的軸向深度位置、以及光譜域上的白光干涉信號強度隨波長變化且在軸向色散的某一單色光焦面位置附近達到極大值，建立了測量所需的“白光干涉信號—光譜—深度”三者之間的唯一性編碼，僅需多幀或單幀快照式色散光譜編碼白光干涉圖像，即可實現對被測元件三維形貌分布的無機械式掃描、全場非接觸、快速（動態甚至瞬態）高精度測量。

技術領域

本發明涉及一種微結構形貌的測量技術，特別是一種快照式全場白光干涉顯微測量方法及其裝置，屬于先進制造與檢測技術領域。

背景技術

在工業生產、國防軍事、醫療衛生、生活服務等領域，諸如微機電系統（Microelectromechanical systems，MEMS）、衍射光學元件（Diffractive opticalelement，DOE）等有著廣泛的應用。這些元件表面存在的復雜微觀結構，與元件的殘余應力、使用壽命、損傷閾值等內在特性密切相關。對其微結構形貌的超精密檢測能夠為元件相關性能的預評估與控制提供指導和幫助。因而，針對相關檢測系統與技術的研究愈發受到人們的重視。

在眾多的檢測技術中，光干涉顯微測量法因其具有全場非接觸、高精度等優點，成為一種強有力的微觀形貌精密檢測工具。傳統方案多以單色性較好的激光作為光源，結合移相干涉術，軸向面形測量精度可達亞納米量級。然而，單波長激光的使用在一定程度上限制了其在表面具有復雜微結構（如階梯狀）的元件三維形貌檢測方面的應用。雖然具有唯一零光程差位置的垂直掃描白光干涉顯微術可以有效克服上述問題，但其檢測需要借助高精度的微位移器（如壓電陶瓷堆，Piezoelectric transducer，PZT）沿軸向作精細掃描實現。從而導致整個測量過程較長，極易受外界氣流擾動、震動等的影響，僅適用于靜態物面的檢測，且系統的結構也較為復雜、檢測成本較高。

為了克服上述問題，德國斯圖加特大學應用光學中心的W. Lyda等人提出了一種彩色共聚焦光譜干涉儀（CCSI）。該測量方法結合了共聚焦和白光干涉各自在橫向和軸向分辨率上的優勢，將被測微結構的深度信息通過復色光的軸向色散和光干涉調制到波數域的白光干涉信號中，無需做軸向垂直掃描，即可實現與垂直掃描白光干涉顯微術相近的軸向測量精度。然而由于傳統狹縫型光譜儀的使用，CCSI的單次橫向測量范圍有限。雖然該中心的M. Gronle等人提出的橫向色散光譜編碼干涉儀（LCDSEI），通過橫向線測量提升了檢測效率，但是全場、單幀測量依舊困難。

如何實現對表面具有復雜微結構的元件三維形貌分布的無機械式掃描、全場非接觸、快速（動態甚至瞬態）高精度測量，正逐步成為本領域的研究熱點與趨勢。

發明內容

本發明針對現有技術存在的不足，提供一種無需機械掃描部件，能夠實現對微結構，特別是面形變化復雜、非連續的微結構元件表面微觀形貌的全場非接觸、快速（動態甚至瞬態）高精度測量的方法及其裝置。

為實現上述發明目的，本發明采用的技術解決方案是提供一種快照式全場白光干涉顯微測量裝置，它包括寬光譜光源、準直擴束勻光鏡頭、分束器、軸向色散型干涉顯微物鏡、載物臺、成像耦合鏡頭、快照式光譜成像探測器、數據傳輸控制線、計算機；

被測元件置于載物臺上，被測元件與寬光譜光源各自的位置在測量所用光譜范圍的中心波長下滿足物像共軛關系；準直擴束勻光鏡頭、分束器、軸向色散型干涉顯微物鏡、成像耦合鏡頭和快照式光譜成像探測器之間呈共光路結構；