[發(fā)明專利]一種適用于白光掃描干涉的微觀形貌快速測量方法

有效

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• 申請日: 2021-03-01
• 公開（公告）號: CN113091634B
• 公開（公告）日: 2022-09-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 葉強強;王青
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

本發(fā)明公開了一種適用于白光掃描干涉的微觀形貌快速測量方法，該算法通過上位機軟件程序控制壓電陶瓷按照微步距在一定掃描長度內(nèi)進行時序垂直掃描，每移動一步采集存儲1幅干涉圖到計算機，對存儲的時序干涉圖進行自適應(yīng)中值濾波處理。采用超對稱搜索法找出時序干涉圖中每個像素點光強最大值的位置，并記錄該位置處所在的干涉圖幀數(shù)，根據(jù)相關(guān)公式初步計算形貌的高度信息。利用七步相移算法提取干涉條紋的相位信息，結(jié)合初步計算的結(jié)果，并依據(jù)相關(guān)公式解包裹精確恢復(fù)被測樣品微觀形貌。本發(fā)明解決了相移算法中噪聲奇點干擾和相鄰像素點相位變化不能超過2π的問題，并有效減少掃描誤差帶來的影響，同時具有測量精度高、算法簡單、適用性強等特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密光學(xué)測量工程技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于白光掃描干涉的微觀形貌快速測量方法。

背景技術(shù)

隨著加工工藝的逐步提高，精密元件的使用日益廣泛，在航空航天、車載系統(tǒng)、成像照明等領(lǐng)域中有著不可替代的作用，通過測量元件的形貌特征可以定量地評估元件的質(zhì)量，評價其在系統(tǒng)中的功能是否受到影響，對于元件的質(zhì)量監(jiān)測有著重要意義。微電子，微結(jié)構(gòu)，MEMS器件的發(fā)展對物體表面質(zhì)量，表面形貌的要求越來越高，因此對微納結(jié)構(gòu)檢測的精度要求也越來越高，其中對各種三維形貌恢復(fù)算法的研究顯得格外重要。

在表面形貌測量過程中，通常用白光相移干涉算法對獲得的多幅干涉條紋進行處理，采用相應(yīng)的相移算法得到相位值，進而得到被側(cè)面的三維形貌，傳統(tǒng)的移相算法均假定干涉圖的調(diào)制度為常數(shù)，實際上白光干涉信號受相干長度的限制，其調(diào)制度隨光程差增大而衰減，如三步移相法和五步移相法。而七步移相法是假定條紋的相干信號在七步移相范圍內(nèi)是線性變化的，因此可以減小調(diào)制度帶來的誤差，此方法測量精度高，測量速度快。但是，采用相移算法得出的相位包裹在三角函數(shù)的正切里，這樣會導(dǎo)致相位的不確定性，因此要求表面形貌的深度變化不能超過λ/2，且需要采用復(fù)雜的相位解包裹算法對得到的相位進行相位解包絡(luò)操作。

隨著各種微光學(xué)元件等微納結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，需要解決非連續(xù)表面的測量和擴大深度測量范圍的問題，出現(xiàn)了空間頻域算法，多波長測量法，白光掃描干涉法等。白光掃描干涉法采用白光作為光源，白光光源的相干長度很短，一般只有幾個微米到幾十微米左右，因此兩束白光只有在光程差很小的時候才能發(fā)生干涉，在光程差為零的時候，光強達到最大值。通過找到光強最大值的位置，即可實現(xiàn)絕對位置的測量，并且零級干涉條紋的位置與光源的波長無關(guān)，白光掃描干涉法有效地解決了非連續(xù)表面的測量問題，但要求采集的圖像樣本較多，效率較低，同時存在誤差較大。

中國專利CN102425988A公開了《一種用于移相干涉條紋圖的相位提取方法》，該方法將多組測量中的反正切公式中分子、分母分別進行疊加平均，利用誤差相位分布反相相互抵消來減小誤差，能顯著地提高相位測量精度。但是該方法未能解決相位跳變的問題。

中國專利CN106767496A公開了《一種結(jié)合相移干涉與垂直掃描干涉的3D形貌恢復(fù)方法》，該方法將移相干涉和垂直掃描干涉結(jié)合的過程中，將全部干涉圖像采集后，首先采用極值法計算每個像素點零光程差然后記錄對應(yīng)的幀數(shù)，再根據(jù)幀數(shù)信息使用五步法計算每個像素點的相位信息，最后將二者結(jié)合得到三維形貌。該專利中極值法對外界環(huán)境干擾較為敏感，在測量過程中沒有對光強信號進行預(yù)處理，且五步法是假定調(diào)制度為常數(shù)的前提下，而實際上白光干涉信號受相干長度的限制，其調(diào)制度隨光程差增大而衰減，因此會造成測量誤差。

中國專利CN108759709A公開了《一種適用于表面形貌檢測的白光干涉三維重建方法》，該方法在強度信息和相位信息結(jié)合的過程中，也需要先采集全部的干涉圖像，之后采用高斯函數(shù)對每個像素點的干涉信號進行包絡(luò)曲線的擬合，確定零光程差以及對應(yīng)的幀數(shù)，再根據(jù)幀數(shù)信息使用Carré算法計算每個像素點的相位信息，最后結(jié)合強度信息與相位信息得到三維形貌。該專利中包絡(luò)曲線擬合法是近似計算，當(dāng)被測點干涉信號變化導(dǎo)致包絡(luò)線峰值發(fā)生偏移而不以零級條紋位置左右對稱時，該算法的誤差較大，且需要進行大量的數(shù)據(jù)運算，無法實現(xiàn)測量系統(tǒng)掃描結(jié)束時即可獲取被測面三維形貌。

發(fā)明內(nèi)容