[发明专利]一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于光学相移的跨尺度表面形貌测量装置及方法，装置包括计算机、光强可控式白光光源、第一透镜、滤光片旋转盘、分光棱镜、第二透镜、第三透镜、CCD相机、空间光调制器SLM、第四透镜；本发明利用纯相位调制式液晶空间光调制器实现精确的光学相移，应用光强可调的白光光源和四个带通滤波片得到四种光强分布一致的单色光，并利用多波长干涉的原理，通过合理尺寸衔接实现测量范围的拓展。在重复光学相移中，以轮换滤光片方式获取不同波长的干涉图像序列，并运用优化的四步相移法进行逐点逐帧相位运算，得到大尺度范围内形貌点高度。本发明既能满足跨尺度的测量范围要求，又能保持单波长干涉的纳米精度，具有重要的应用价值。

技术领域

本发明属于微形貌测量应用领域，涉及一种微纳米形貌测量的装置及方法，具体涉及一种基于光学相移与多波长的跨尺度微形貌测量装置及方法。

背景技术

表面形貌是评价物体性能的重要指标之一，随着技术的发展和应用的需求，仪器和设备的小型化、微型化，所应用的元器件许多都是微纳米尺寸。微纳米形貌测量的需求越来越广泛，如光学元件加工质量检测、微机电器件的结构特征，材料表面的亲、疏水性等。表面微形貌测量的常用测量方法有：机械接触测量和光学非接触测量。而光学接触法应用最多的是基于光学干涉原理，这类方法主要有单色光相移干涉法，白光垂直扫描干涉和多波长干涉等几种。但是这些方法都会产生较大的误差，不能保证很好的精度。例如常用的光学相移法PZT相移和偏振相移。PZT相移法由于施加的电压和陶瓷的伸缩量并不能严格保持线性关系。并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后，将产生相移误差。PZT移相改变了参考镜与显微镜的相对位置，使每次相移的参考波事实上发生变化，从而引入测量误差。偏振相移法通过改变检偏角实现干涉条纹的移动,其优点是偏振器的偏振角可精确控制，移相精度高；适用于干涉系统中光程难以改变的场合。但是需要大口径，高质量的偏振器件。单色光相移干涉法测量精度高，但是能精准测量范围的范围不超过半个波长。G.S.Kino等人在1990在垂直扫描白光干涉显微原理基础上，研制出参考光和测量光束共光路的Mirau显微镜，其采用的是PZT驱动，驱动范围大，达到微米至毫米量级，但是总是存在驱动误差，且存在一些弊端。

J.C.Wyant最先提出双波长测量方法，该方法不但能扩大深度测量范围，而且利用双波长测量结果结果校正单波长的测量结果可以减小由于测量范围扩大导致的放大的测量误差。但是随着被测表面越来越深，等效波长很大时，由于误差放大效应，用双波长测量结果校正单波长的测量结果将变得越来越困难。虽然可以采用三波长或者多波长测量方法解决这个问题，但是三个独立光源出射的光强分布不一致，导致光源上每点对周围的强度影响不一致，从而使得干涉图像灰度值分布规律不确定，造成较大的误差。采用白光作为测量光源干涉方法，不需要光源的切换，应用多个PIN光电管进行同步采集获得不同的干涉信号。但是白光光源中各波长的光强权重不一致，影响测量精度，而且利用多个PIN光电管只能接受某一截面处的深度信号，不能进行区域测量。利用声光可调滤光器频率对白光光源滤光后得到准单色光源，连续改变射频驱动器频率，使得滤光后的干涉波长连续变化，导致在光程差不变的情况下改变相对相位差，从而实现在超越2π范围内求相位变化与波长变化之比。但是目前所采用的AOTF得到的准单色光波长的谱线较宽，相干长度小，干涉条纹随光程差的增加衰减的很快，测量范围不可能很大；测量中无法判断样品在参考镜虚平面的前后位置，难以判断表面形貌的高度方向。而且所需专用的波长调制元件(AOTF)造价过高。

目前已有的微表面形貌测量方法和前沿技术都有自己的优势、也存在一些缺点：例如PZT相移法由于施加的电压和陶瓷的伸缩量并不能严格保持线性关系。并且伸缩的变化还具有一定的时间上的滞后，将产生相移误差。单色光相移干涉法，测量范围的范围不超过半个波长。总之，由于目前采用的多波长测量方法，在多波长的实现方法、干涉条纹的接受及处理方法、相位识别精度等方面仍存在许多需要进一步研究的问题：例如白光光源与多种单色滤光片的组合保证了各单色光空间光强分布的一致性，但由于白光光源在各波长的光强不一致，需要进行反馈控制，使得各波长进入到干涉光路的光强一致。如何对一组序列干涉图的信噪比进行分析，得到其信噪比，从而得到其相位计算的准确性。