[发明专利]基于结构光照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法

说明书

本发明公开了一种基于结构光照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法。该方法利用等相位变化结构光条纹图案投影在被测物表面，并使用上位机进行z向扫描，用相移法获得条纹调制度随扫描距离的变化曲线，然后通过峰值提取结合非线性拟合的算法，得到精确的峰值位置，进一步计算被测物的膜层厚度与三维形貌。本发明在精确测量超薄膜器件的膜层厚度的同时，也能快速地获得其三维形貌结构，具有非破坏性、高测量效率、高精度、应用范围广等优点。

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种基于结构光照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法。

背景技术

随着微纳制造与加工技术的发展，膜层器件的结构越来越复杂，如电容式微加工超声换能器(CMUT)的振动膜越来越薄，使得无损检测难度增加。除厚度之外，膜层器件的三维形貌也成为表征器件性能的重要指标。例如在柔性电子制造中，需要通过形貌检测来获得膜型材料的形变特性。如何准确、高效、无损地获得微纳尺度膜表面器件的三维形貌结构，已成为微纳检测领域的重点研究方向。其中，光学检测方法凭借检测速度快、检测精度高、样本破坏性小等特点，被广泛应用。

常用的光学三维检测技术，根据原理可以分为椭圆偏振法、光谱分析法和干涉法等。然而，椭圆偏振法和光谱分析法采用单点检测的工作方式，用于测量膜的三维形貌时，需要结合扫描机制，难以提高检测效率。另一种以测量干涉光为基础的方法，必须提前获得各个厚度的干涉信号波形，通过匹配算法获得厚度信息，其应用极其受限。为了实现高效率的面检测，一种基于结构光照明显微的形貌检测方法被提出。

该类方法采用正弦分布或栅格状的照明光进行调制，通过垂直移动样本，投影图像的调制度在此过程中的变化与样本表面结构有关，因此可以获得物体表面的三维形貌信息。通过相移算法，计算得到条纹图像调制度曲线，随后使用峰值分离法等算法，得到每个像素点的调制度最大值，即样本该点的相对高度。逐点计算后，通过这一信息便可恢复物体的表面形貌。

对于单层透明膜结构的对象，探测器得到的光信息包括了膜层表面与基底表面分别反射的光。因此，其对应的调制度曲线理论上可以计算得到两个表面的相对高度，进而获得膜层的厚度。然而，当膜层厚度越来越小(小于1μm)，常用的分离算法精确度将越来越低，甚至无法分离膜层表面和基底表面的表面形貌信息。

综上，基于结构光照明显微的光学测量方法具有检测效率高、精度高等特点，研究其在超薄膜层微纳器件的厚度测量与三维形貌检测中的可能性，具有重要意义。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于结构光照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法，保证了检测效率的前提下，能够对超薄膜层微纳器件进行高精度的形貌检测。

本发明所采用的技术方案是：一种基于结构光照明显微系统的超薄膜器件三维形貌检测方法，用DMD产生正弦光栅条纹，对待测样本结构信息进行调制；在垂直于光轴的方向上扫描样本，CCD采集到的条纹图案从离焦到聚焦再离焦；同时等相位改变光栅条纹，采集到多幅被调制的样本图像；使用相移算法，从这些图像中解析得到多峰值的调制度响应曲线；采用峰值提取结合非线性曲线拟合的方法，提取透明膜表面与基底表面对应的峰值，进一步获得膜结构的相对厚度，进而结合材料的反射率，精确重构镀膜样本的各层结构三维形貌。所述方法包括步骤：

步骤1：使用数字微镜阵列(DMD：Digital Micro-mirror Devices)生成结构光，依次投影8幅等相位差的正弦光栅条纹，将待测结构表面的反射信号用CCD采集并存储到上位机；

步骤2：控制PZT等步距垂直扫描被测物，每次扫描均重复步骤1，采集并存储图像；

步骤3：根据以上步骤1和步骤2获得的全部图像，使用相移算法，计算得每个像素点的调制度随扫描位置变化的响应曲线；

步骤4：使用峰值法，提取每条调制度响应曲线两个峰值的粗略位置，以此数值作为非线性曲线拟合的初始值，对调制度响应曲线进行拟合，获得峰值的精确位置；