[發(fā)明專利]一種線聚焦差動彩色共焦三維表面形貌測量系統(tǒng)及方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 202010220510.5
• 申請日: 2020-03-25
• 公開（公告）號: CN111220090A
• 公開（公告）日: 2020-06-02
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 易定容;蔣威;孔令華;葉一青;朱星星
• 申請（專利權(quán)）人: 寧波五維檢測科技有限公司
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24;G01B11/06
• 代理公司: 成都時譽知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 51250
• 代理人: 王杰

本發(fā)明涉及一種線聚焦差動彩色共焦三維表面形貌測量方法，將不同波長的光聚焦于被測物表面，通過兩個光譜相機接收被測物表面的反射光，得到兩個同視場下沿狹窄照明線方向即X方向上每一點X_n光譜響應強度隨高度Z變化的曲線；然后基于彩色共焦理論與差動三維檢測原理融合得到被測物點在光軸方向高度Z，綜合光軸方向高度Z與垂直光軸方向二維坐標信息重構(gòu)被測物表面的三維形貌。本發(fā)明僅需一次成像即可完成對被測量物被照線區(qū)域內(nèi)的高度信息提取，高度信息通過任意兩光譜探測器光強差異計算獲得，保證其超精密納米精度測量；實現(xiàn)透明樣品膜厚測量及普通樣品三維形貌測量。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學微納測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種線聚焦差動彩色共焦三維表面形貌測量系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

超精密三維測量技術(shù)是現(xiàn)代精密制造、先進加工制造技術(shù)的核心基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，廣泛地運用于航空航天、國防工業(yè)、生物醫(yī)學、通信工程及微電子等領(lǐng)域中，現(xiàn)代制造業(yè)對表面形貌測量提出了高精度、大測量范圍以及快速的要求。光學測量方法不需要提前制備測量樣品且無需接觸樣品，因此不會對被測樣品表面造成破壞；相比于接觸式及掃描探針顯微鏡的三維測量方法，光學測量方法不需要物理探針，因此在樣品測量準備及測量時更靈活，速度的提升可以通過無掃描測量的方式實現(xiàn)，可以實現(xiàn)實時三維形貌測量甚至高速三維形貌測量；光學測量方法不需要使用探針物理接觸或盡可能接觸樣品表面，因此不會對樣品表面造成永久破壞。目前已開發(fā)了各種光學三維表面測量方法。

已有用于光學測量的干涉式三維表面測量方法利用光的干涉對位置敏感的特性，能夠?qū)崿F(xiàn)快速表面形貌成像，對光滑表面進行三維表面形貌測量，徠卡(Leica)的DCM9可支持白光干涉與移相干涉兩種干涉式測量方法，白光干涉下的高度測量誤差為3nm，高度測量范圍為10mm，而移相干涉下的高度測量誤差為0.16nm，高度測量范圍為20μm。但通常干涉式的測量方法需要在一個視場位置縱向調(diào)節(jié)參考光路光程，需要在單個視場位置靜態(tài)停止，該方法難以避免走走停停的問題；該方法難以測量粗糙表面樣品及測量表面亮度差異大的樣品；該方法無法實現(xiàn)透明樣品膜厚測量。

已有用于光學測量的激光共聚焦技術(shù)采用了光學切片獲得被測樣品表面形貌，共聚焦顯微鏡成像時只有聚焦的信號能夠大幅進入探測器，利用這一特性可以在光軸方向上移動物體，通過尋找移動過程中的光強峰值即可確定被測量樣品三維高度。針對光軸方向上移動物體的測量方式緩慢且精度受限于載物臺移動精度的問題，中國專利201410790677.X公開了一種差動共聚焦顯微技術(shù)，利用焦前焦后兩個探測器的光強差異還原物體光軸方向高度，可以實現(xiàn)納米級且縱向無掃描測量，但該方法需要在靜態(tài)單個視場范圍內(nèi)進行逐點掃描，才能完成單個視場的形貌測量，仍然不能避免一個視場到另外一個視場測量間走走停停的問題。同時該方法無法實現(xiàn)透明樣品膜厚測量。

中國發(fā)明專利201811141205.6公開了一種彩色共焦三維形貌測量方法與系統(tǒng)，利用彩色相機代替?zhèn)鹘y(tǒng)單點光譜探測器，根據(jù)相機采集到的RGB信息轉(zhuǎn)化為HIS顏色模型，再轉(zhuǎn)化為物體在光軸方向的高度，可以實現(xiàn)面三維形貌測量，但該方法使用子孔徑掃描方式進行大視場測量，為了圖像拼接需要載物臺移動存在明顯的停頓，測量傳輸過程的速度不連續(xù)影響測量的準確性與實時性，且彩色相機各個通道的帶寬較大，影響測量結(jié)果的準確性。

美國專利US10082655B2公開了一種差動濾波彩色共焦顯微鏡系統(tǒng)，利用不同狹縫產(chǎn)生不同寬度線光源，其中不同光源光偏振態(tài)不同，利用分光鏡與檢偏器使得不同探測器探測不同寬度聚焦線光束，兩探測器在光學系統(tǒng)中處于相同聚焦位置處，根據(jù)兩個探測器獲取光強的差值計算被測樣品沿光軸方向高度，該測量方法能夠在保證彩色共焦測量技術(shù)精度的同時實現(xiàn)快速線掃描成像。但該系統(tǒng)所需組成結(jié)構(gòu)較復雜，利用狹縫寬度不同造成探測端光強差異對樣品光軸方向高度變化敏感的方式完成測量，其測量靈敏度不及差動原理的測量靈敏度，且無法實現(xiàn)透明樣品膜厚測量。

本發(fā)明提供一種線聚焦差動彩色共焦三維表面形貌測量系統(tǒng)及方法來克服上述缺陷。

發(fā)明內(nèi)容