[发明专利]基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法

说明书

本发明涉及一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其中装置包括照明系统、干涉显微成像系统以及物镜扫描系统；方法包括如下步骤：(1)获取相干扫描干涉仪三维干涉信号；(2)对信号进行三维傅立叶变换获取干涉信号三维频谱；(3)用三维频谱除以系统的三维传递函数获取表层膜模型的频谱；(4)对表层膜模型的频谱进行三维傅立叶逆变换得到重构的表层膜模型；(5)通过重构的表层膜模型的位置和相位计算表面高度。本发明利用相干扫描干涉仪的三维成像理论，在三维空间中恢复待测表面的表层膜模型并获取表面高度，实现比传统方法更高精度的微观表面形貌重构能力。

技术领域

本发明涉及精密光学测量工程技术领域，特别是涉及一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法。

背景技术

随着光学、集成电路、航空航天、新能源汽车、医疗器械等高端制造领域的发展，对高端零部件的质量和制造精度要求不断提高，元器件不断微型化，功能性表面不断复杂化，这都对产品表面形貌的检测能力和精度提出了更高的要求。为了实现高效率测量并避免表面损伤，通常使用光学方法进行表面形貌进行测量，以相干扫描干涉仪、共焦显微镜和变焦显微镜为主。其中，相干扫描干涉仪(亦称为扫描白光干涉仪)是目前唯一可以在厘米级视场范围内实现亚纳米级纵向测量精度的非接触式表面测量技术。

现代相干扫描干涉仪技术发展了近30年，已称为一种被广泛使用的三维表面形貌测量技术。然而，由于成像分辨率受系统传递函数和固有光学像差限制，该技术的测量精度和空间分辨率在过去20年没有太大突破。三维表面重构方法是相干扫描干涉仪测量表面形貌的核心技术之一，是决定测量精度和空间分辨率的主要因素之一。目前的表面重构方法主要包括在空域中计算相干包络曲线峰值或重心位置的方法，频域中分析干涉信号级次和相位的方法，小波变换提取相干包络的方法，以及通过互相干函数判断低相干干涉信号峰值和相位的方法。为了简化方法，这些方法都只考虑了相干扫描干涉仪信号沿光轴方向单一维度的特征，而并没有对仪器三维成像的特征加以利用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，实现了对待测表面微观形貌快速并精确的恢复。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种基于仪器三维传递函数的相干扫描干涉仪表面重构方法，其步骤如下：

(1.1)获取相干扫描干涉仪三维干涉信号；

(1.2)对获取的三维干涉信号进行预处理，约束其在纵向(即光轴方向)的背景光

强分布；

(1.3)对预处理好的三维干涉信号进行三维傅立叶变换，获取三维干涉信号频谱I(K)，其中K为空间频率矢量；

(1.4)通过实验标定或仿真模拟获取所述的相干扫描干涉仪的三维传递函数H(K)；

(1.5)利用所述的三维干涉信号频谱I(K)除以三维传递函数H(K)获取待测表面的表层膜模型的三维频谱O(K)，公式如下：

(1.6)对待测表面的表层膜模型的三维频谱O(K)进行三维傅立叶逆变换得到重构待

测表面的表层膜模型；

(1.7)利用所述重构的表层膜模型，在横向逐像素获取沿纵向的表面高度；

(1.8)通过所述逐像素获取的表面高度重构三维表面形貌。

所述步骤(1)中采用宽光谱光源作为照明光源以生成低相干干涉信号。

所述步骤(5)中通过三维干涉信号频谱和仪器三维传递函数获取表层膜模型的三维频谱的步骤如下：

(a)通过实验获取相干扫描干涉仪的三维传递函数，或通过公式(1)计算得到理论