[發(fā)明專利]顯微散射偏振成像表面缺陷測量裝置和測量方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910609670.6
• 申請日: 2019-07-08
• 公開（公告）號: CN110441309B
• 公開（公告）日: 2021-11-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 邵建達(dá);劉世杰;倪開灶;王圣浩;周游;王微微;徐天柱;魯棋
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所
• 主分類號: G01N21/88
• 分類號: G01N21/88
• 代理公司: 上海恒慧知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

1.一種顯微散射偏振成像表面缺陷測量裝置，其特征在于，包括激光器(1)、第一會聚透鏡(2)、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)、第二會聚透鏡(4)、光闌(5)、第三會聚透鏡(6)、針孔(7)、第四會聚透鏡(8)、偏振片(9)、半波片(10)、偏振分束器(11)、X-Y位移平臺(12)、樣品(13)、顯微鏡頭(14)、四分之一波片(15)、微偏振片陣列(16)、相機(jī)(17)和計算機(jī)(18)；

所述的激光器(1)、第一會聚透鏡(2)、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)、第二會聚透鏡(4)、光闌(5)、第三會聚透鏡(6)、針孔(7)、第四會聚透鏡(8)、偏振片(9)、半波片(10)、偏振分束器(11)依次共光軸排列，該光軸與所述的樣品(13)的待測表面的法線成一定角度；

所述的第一會聚透鏡(2)與第二會聚透鏡(4)共焦，所述的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)位于共焦位置；

所述的第三會聚透鏡(6)與第四會聚透鏡(8)共焦，所述的針孔(7)位于共焦位置；

所述的顯微鏡頭(14)、四分之一波片(15)、微偏振片陣列(16)和相機(jī)(17)依次共光軸排列，該光軸位于入射面內(nèi)，與所述的樣品(13)待測表面的法線平行；

所述的四分之一波片(15)的快軸與沿所述的顯微鏡頭(14)的光軸傳播的s偏振或p偏振光的偏振面的夾角為45°；

所述的微偏振片陣列(16)由多個2×2單元的微納結(jié)構(gòu)周期性構(gòu)成，每一個2×2單元包含四個透射光偏振方向，分別為0°、45°、90°和135°，所述的微偏振片陣列(16)的尺寸與所述的相機(jī)(17)感光芯片的尺寸一致，兩者緊密貼合，每一個像素位置重合；所述的微偏振片陣列(16)的像元尺寸與所述的相機(jī)(17)的像元尺寸一致；

所述的樣品(13)固定在所述的X-Y位移平臺(12)上，所述的樣品(13)的待測表面位于所述的顯微鏡頭(14)的成像物面上；所述的計算機(jī)(18)的輸出端與所述的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)、相機(jī)(17)和X-Y位移平臺(12)的控制端相連，所述的相機(jī)(17)的輸出端與所述的計算機(jī)(18)的輸入端相連。

2.利用權(quán)利要求1所述的顯微散射偏振成像表面缺陷測量裝置進(jìn)行超光滑元件表面缺陷檢測的測量方法，其特征在于，該方法包括下列步驟：

1)將所述的樣品(13)固定在所述的X-Y位移平臺(12)上；

2)所述的激光器(1)發(fā)出的光束依次通過所述的第一會聚透鏡(2)、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)和第二會聚透鏡(4)后被降低相干性和擴(kuò)束準(zhǔn)直，微調(diào)所述的光闌(5)選取出射光束中較均勻部分，選取的均勻光束依次通過所述的第三會聚透鏡(6)、針孔(7)和第四會聚透鏡(8)組成的濾波系統(tǒng)后輸出準(zhǔn)直光束；該準(zhǔn)直光束經(jīng)過所述的偏振片(9)后成為線偏振光，該線偏振光依次經(jīng)過所述的半波片(10)和偏振分束器(11)后變成s偏振光斜入射到所述的樣品(13)的待測表面；

3)旋轉(zhuǎn)所述的半波片(10)，使通過所述的偏振分束器(11)輸出的s偏振光強(qiáng)度最大；該s偏振光照射在所述的樣品(13)的待測表面上；所述的樣品(13)的光滑表面和表面缺陷產(chǎn)生的散射光依次通過所述的顯微鏡頭(14)、四分之一波片(15)和微偏振片陣列(16)后，在所述的相機(jī)(17)上成像，得到單個子孔徑散射偏振圖像；

4)所述的X-Y位移平臺(12)按設(shè)計的路線移動，實(shí)現(xiàn)所述的樣品(13)待測表面的全口徑測量；

5)所述的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)、相機(jī)(17)和X-Y位移平臺(12)在所述的計算機(jī)(18)控制下工作，所述的X-Y位移平臺(12)每移動一個位置，所述的相機(jī)(17)獲取一幅散射偏振圖像并輸入所述的計算機(jī)(18)；

6)所述的計算機(jī)(18)對所述的每一幅散射偏振圖像進(jìn)行如下數(shù)據(jù)處理：

①計算所有子孔徑散射偏振圖像的偏振度圖像：所述的微偏振片陣列(16)每一個2×2單元的四個偏振方向的透射光強(qiáng)分別為I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅；所述的相機(jī)(17)采集的每一幅散射偏振子孔徑圖像包含M×N個像素，每一個像素(i,j)的線偏振度D_(i,j)由其與周圍相鄰另外三個像素(i,j+1)、(i+1,j)及(i+1,j+1)共四個像素的光強(qiáng)I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅按下式計算得到：

所述的s偏振光經(jīng)過樣品(13)表面，光滑表面產(chǎn)生的散射光偏振態(tài)在入射面內(nèi)幾乎不變，通過所述的四分之一波片(15)后，散射光的偏振態(tài)接近圓偏振，I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅接近，由上式計算的線偏振度接近0；

所述的s偏振光經(jīng)過樣品表面缺陷發(fā)生多重散射，產(chǎn)生的散射光偏振態(tài)發(fā)生改變；經(jīng)過四分之一波片(15)后，散射光偏振態(tài)偏離圓偏振，由上式計算的線偏振度發(fā)生顯著變化，不再為0；所述的樣品(13)表面缺陷越嚴(yán)重，線偏振度越大；由上式計算的經(jīng)過四分之一波片(15)后的散射光線偏振度的取值范圍為[0,1]；重復(fù)上述計算過程得到所有子孔徑散射偏振圖像的偏振度圖像；

②計算偏振度灰度圖像：將值在[0,1]的偏振度圖像線性投影到值在[0,255]的灰度圖像，即：

G_(i,j)＝INT(D_(i,j)·255)

其中，G_(i,j)表示單幅偏振度圖像中像素(i,j)經(jīng)過線性投影后的灰度值，INT為取整函數(shù)；經(jīng)過上述投影變換得到適合數(shù)字圖像處理的所有子孔徑偏振度灰度圖像；偏振度灰度圖像為不依賴光強(qiáng)分布的背景均勻的暗背景亮缺陷圖像；

③利用現(xiàn)有的子孔徑圖像拼接、中值濾波、二值化、形態(tài)學(xué)孔洞填充和特征提取方法提取表面缺陷的尺寸和位置信息；

或者，

1)將所述的樣品(13)固定在所述的X-Y位移平臺(12)上；

2)所述的激光器(1)發(fā)出的光束依次通過所述的第一會聚透鏡(2)、旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)和第二會聚透鏡(4)后被降低相干性和擴(kuò)束準(zhǔn)直，微調(diào)所述的光闌(5)選取出射光束中較均勻部分，選取的均勻光束依次通過所述的第三會聚透鏡(6)、針孔(7)和第四會聚透鏡(8)組成的濾波系統(tǒng)后輸出準(zhǔn)直光束；該準(zhǔn)直光束經(jīng)過所述的偏振片(9)后成為線偏振光，該線偏振光依次經(jīng)過所述的半波片(10)和偏振分束器(11)后變成p偏振光斜入射到所述的樣品(13)的待測表面；

3)旋轉(zhuǎn)所述的半波片(10)，使通過所述的偏振分束器(11)輸出的p偏振光強(qiáng)度最大；該p偏振光照射在所述的樣品(13)的待測表面上；所述的樣品(13)的光滑表面和表面缺陷產(chǎn)生的散射光依次通過所述的顯微鏡頭(14)、四分之一波片(15)和微偏振片陣列(16)后，在所述的相機(jī)(17)上成像，得到單個子孔徑散射偏振圖像；

4)所述的X-Y位移平臺(12)按設(shè)計的路線移動，實(shí)現(xiàn)所述的樣品(13)待測表面的全口徑測量；

5)所述的旋轉(zhuǎn)擴(kuò)散器(3)、相機(jī)(17)和X-Y位移平臺(12)在所述的計算機(jī)(18)控制下工作，所述的X-Y位移平臺(12)每移動一個位置，所述的相機(jī)(17)獲取一幅散射偏振圖像并輸入所述的計算機(jī)(18)；

6)所述的計算機(jī)(18)對所述的每一幅散射偏振圖像進(jìn)行如下數(shù)據(jù)處理：

①計算所有子孔徑散射偏振圖像的偏振度圖像：所述的微偏振片陣列(16)每一個2×2單元的四個偏振方向的透射光強(qiáng)分別為I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅；所述的相機(jī)(17)采集的每一幅散射偏振子孔徑圖像包含M×N個像素，每一個像素(i,j)的線偏振度D_(i,j)由其與周圍相鄰另外三個像素(i,j+1)、(i+1,j)及(i+1,j+1)共四個像素的光強(qiáng)I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅按下式計算得到：

所述的p偏振光經(jīng)過樣品(13)表面，光滑表面產(chǎn)生的散射光偏振態(tài)在入射面內(nèi)幾乎不變，通過所述的四分之一波片(15)后，散射光的偏振態(tài)接近圓偏振，I₀、I₄₅、I₉₀和I₁₃₅接近，由上式計算的線偏振度接近0；

所述的p偏振光經(jīng)過樣品表面缺陷發(fā)生多重散射，產(chǎn)生的散射光偏振態(tài)發(fā)生改變；經(jīng)過四分之一波片(15)后，散射光偏振態(tài)偏離圓偏振，由上式計算的線偏振度發(fā)生顯著變化，不再為0；所述的樣品(13)表面缺陷越嚴(yán)重，線偏振度越大；由上式計算的經(jīng)過四分之一波片(15)后的散射光線偏振度的取值范圍為[0,1]；重復(fù)上述計算過程得到所有子孔徑散射偏振圖像的偏振度圖像；

②計算偏振度灰度圖像：將值在[0,1]的偏振度圖像線性投影到值在[0,255]的灰度圖像，即：

G_(i,j)＝INT(D_(i,j)·255)

其中，G_(i,j)表示單幅偏振度圖像中像素(i,j)經(jīng)過線性投影后的灰度值，INT為取整函數(shù)；經(jīng)過上述投影變換得到適合數(shù)字圖像處理的所有子孔徑偏振度灰度圖像；偏振度灰度圖像為不依賴光強(qiáng)分布的背景均勻的暗背景亮缺陷圖像；

③利用現(xiàn)有的子孔徑圖像拼接、中值濾波、二值化、形態(tài)學(xué)孔洞填充和特征提取方法提取表面缺陷的尺寸和位置信息。