[发明专利]一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统

说明书

本发明属于微纳结构三维表面形貌测量领域，具体为一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统，方法包括获取一系列的采样干涉条纹图像，分别提取像素点所对应的原始扫描信号；对该扫描信号分别进行时域调制度分析，提取出扫描信号的调制度曲线，通过调制度极大值点确定靠近零光程差点的采样点位置，可作为中心点并提取一段相对于中心点对称的扫描信号；将对称扫描信号进行空间频域分析，利用频谱相位信息确定零光程差点的相对位置；结合调制度极大值点位置和零光程差点的相对位置，联合求解得到每个像素点的表面形貌高度，确定被测物体三维表面形貌。本发明采取逐像素的方式求取被测微纳结构的表面形貌高度，其理论测量精度可达亚纳米量级。

技术领域

本发明是一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统，属于微纳结构三维表面形貌测量领域。

背景技术

目前，基于微纳结构的多功能器件在多个领域得到广泛应用，如微光学器件、人工超材料、太赫兹器件以及MEMS传感器等等。值得注意的是，微纳结构的功能特性往往与其表面形貌特征密切相关。因此，针对微纳结构的三维表面形貌特征进行精密测量是指导微纳结构加工的重要手段，也是保证微纳结构性能的重要加工测试环节。

光学干涉测量作为一种高效、非接触的测量方法，既能保护样品在测量过程中免受划伤，又能实现较高测量精度，因此被广泛应用于微纳结构表面形貌测量领域。传统的相移干涉方法虽然能够进行亚纳米量级精度的测量，但是作为一种单色光相干测量，其有效量程不能超过λ/4，应用领域受到一定限制。在此基础之上，研究人员又开发了基于宽光谱的相干测量方法，由于其相干长度较短，测量范围通常可以达到数百微米，能够满足大多数微纳结构表面形貌测量需求，因此该方法在微纳结构测量领域被广泛应用。

通过宽光谱相干进行微纳结构表面形貌测量的算法主要分为两类：基于时域分析的调制度算法和基于空间频域分析的相位解析算法。其中，时域调制度算法主要通过干涉信号强度信息来提取调制度变化曲线，并通过寻找调制度极大值点位置恢复样品表面形貌。该方法虽然计算简单，但是易受背景噪声干扰，而且需要提供光源中心波长等信息。相比之下，空间频域算法主要通过分析不同频谱成分之间的相位信息来获得被测结构表面形貌信息，该方法不仅对于外界噪声具备一定的抗干扰作用，同时不需要知道光源中心波长等信息，因此具备极大应用价值。

然而，在实际测量过程中，空间频域算法却面临着相位偏移的问题。由于被测样品表面形貌的起伏变化，不同像素点的采样信号的光强极大值点位置也会出现差异。当采样信号关于零光程差位置呈现非对称分布时，通过空间频域算法所得的相位信息便会出现一定偏移，最终导致实际测量结果出现误差。该现象在倾斜或者弯曲的被测表面上表现十分明显。

发明内容

基于现有技术存在的问题，本发明考虑到研究基于时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，消除由被测表面倾斜或者弯曲引起的相位偏移误差，提升宽光谱相干测量方法的精度和稳定性，是一件非常有意义的事情。

本发明提供了一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法及系统，可以结合时域调制度信息以及频域相位信息恢复微纳结构表面三维形貌，同时能够有效抑制外界背景光强对于调制度计算的干扰以及传统空间频域算法中存在的相位偏移误差，从而提高测量的精度和可靠性。

本发明为解决其技术问题所采取的技术方案包括：

一种时域频域联合分析宽光谱相干测量方法，包括来自宽光谱光源的光经过聚光镜后产生平行入射光，经过分束器后产生一束反射到参考镜面的参考光以及一束透射到被测物体表面的测量光，两束光相互干涉后，在CCD相机上形成干涉条纹图像；通过控制系统驱动微动台对被测物体进行纵向扫描采样，保持恒定的采样间距，通过CCD相机记录每一个采样点的干涉条纹图像，直至采样完成形成一系列的干涉条纹图像；采用时域频域联合分析方法，基于干涉条纹图像求解得到每个像素点的表面形貌高度，从而测量出被测物体三维表面形貌；

所述时域频域联合分析方法包括以下步骤：