本发明专利技术公开了一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量方法及其装置。被测元件与空间光调制器在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器、空间光调制器、准直扩束镜头、分束器、轴向非消色差显微物镜、成像镜头和彩色相机之间呈共光路结构。测量时，先对系统装置进行“光谱—深度”对应关系的预标定，再经测量装置采集被测元件反射的各帧单色移相条纹图，得到与被测件面形相关的各单色光条纹图的调制度分布，获取编码图像；采用高斯、类高斯或样条模型拟合确定待测面上各点的“光谱—调制度”关系曲线，解调得到对应的待测面上各点的深度信息，完成被测元件三维形貌分布微结构形貌的无机械式扫描、全场非接触的快速高精度测量。
【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量方法及其装置
本专利技术涉及一种微结构形貌的测量技术，特别涉及一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌的测量方法与装置，属于先进制造与检测
技术介绍
在半导体制造、人工智能、航空航天等国民经济的重要领域，诸如硅基晶圆、微机电系统（Microelectromechanicalsystems，MEMS）、计算制全息图（Computer-generatedHolography，CGH）等光机电元件有着广泛的应用。这些元件的表面往往存在着由机械加工、激光/等离子体刻蚀、喷镀涂层等工艺形成的复杂（类）镜面微结构。其形貌分布不仅体现元件的外在特征，同时也与诸如硬度、残余应力、使用寿命、损伤阈值等内在的特性密切相关。检测作为元器件制造生产过程中的重要一环，能够为预评估与控制元器件相关性能提供帮助，其检测精度的高低往往直接决定了元器件加工成型效果的优劣。近十多年以来，针对此类元件表面微结构形貌的超精密检测更是引起了相关领域科技工作者的重视与研究。光干涉显微测试技术因其具有非接触、全场测量、高精度等特点，在光机电元件微观形貌的精密检测方面得到了较多的应用。传统方案多以单色性较好的激光作为光源，结合移相干涉术，测量精度可达亚纳米量级。然而，相邻被测点光程差小于四分之一波长的要求，在一定程度上限制了单波长激光干涉显微测试技术在表面具有复杂微结构（如阶梯状）的（类）镜面元器件三维形貌检测方面的应用。虽然白光干涉显微测量术具有唯一的零光程差位置、可以进行绝对度量，常用于上述元件面形的高精度检测，但其需要借助高精度的微位移器（如压电陶瓷堆，piezoelectrictransducer，PZT）沿轴向作精细扫描。从而导致整个测量时间较长，仅适用于静态物面的检测，且扫描过程中对外界的气流扰动、震动等极为敏感，系统的结构也较为复杂、成本较高。相比之下，基于条纹调制度编码的三维形貌测量方法作为一种非相干光学检测技术，虽然具有测量过程更为柔性可控、系统结构相对简单等优点，但其为了获得被测物的轴向面形分布，仍然需要利用PZT作轴向扫描，同样存在抗外界干扰能力弱、仅适合静态测量等缺点。因此，如何在不显著增加系统结构复杂度和成本的基础上，实现对表面具有复杂（类）镜面微结构的光机电元件三维形貌分布的无机械式扫描、全场非接触的快速高精度测量是本领域的研究热点与趋势。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种无需机械扫描部件，能够实现对（类）镜面微结构，特别是面形变化复杂、非连续的（类）镜面微结构元件快速、精确测量的方法与装置。实现本专利技术目的的技术方案是提供一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量装置，它包括宽光谱光源、光束耦合器、光谱调制选通器、匀光耦合器、光束折转耦合器、空间光调制器、准直扩束镜头、分束器、轴向非消色差显微物镜、载物台、成像镜头、彩色相机、计算机和控制器；计算机分别与控制器和彩色相机相连；被测元件置于载物台上，被测元件与空间光调制器在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器、空间光调制器、准直扩束镜头、分束器、轴向非消色差显微物镜、成像镜头和彩色相机之间呈共光路结构；宽光谱光源发出的复色光经光束耦合器均匀入射至光谱调制选通器，控制器的光谱调控输出端与光谱调制选通器连接，光谱调制选通器在测量用光谱范围内依次顺序输出特定波长的单色光，经匀光耦合器和光束折转耦合器，得到空间均匀分布的入射单色光光场信号，入射至空间光调制器；所述空间光调制器位于准直扩束镜头的前焦面位置，控制器的编码图像输出端与空间光调制器连接，空间光调制器输出空间编码的单色正弦条纹光场信号，再由光束折转耦合器耦合至准直扩束镜头成为平行光入射至分束器表面；所述分束器将平行单色正弦条纹光反射进入轴向非消色差显微物镜后，照射至被测元件表面，由被测面反射回的单色正弦条纹光再依次通过轴向非消色差显微物镜和分束器，经成像镜头耦合至彩色相机的靶面，彩色相机将采集到的图像数据传输至计算机。本专利技术所述的光谱调制选通器为声光调制器、基于色散元件和空间光调制器的光谱调制选通系统；所述的空间光调制器为数字微镜器件、硅基液晶；所述的宽光谱光源为卤素灯、白光LED、超连续谱激光器；所述的彩色相机为彩色三芯片CCD或CMOS相机。本专利技术技术方案还提供一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量方法，包括如下步骤：第一步，“光谱—深度”对应关系的预标定：（1）利用光谱调制选通器对宽光谱光源发出的复色光进行选通滤波，输出特定波长的单色光，并经匀光耦合器和光束折转耦合器均匀照射至空间光调制器；（2）同步调控空间光调制器，输出空间均匀分布的单色光信号，并经光束折转耦合器、准直扩束镜头、分束器和轴向非消色差显微物镜照射至载物台上的标准平面反射镜；（3）标准平面反射镜在压电陶瓷微位移器的带动下，沿显微物镜的光轴方向做轴向扫描，将单色光信号反射进入轴向非消色差显微物镜和分束器，再由光谱仪接收、测量出光信号的波长值，并记录下扫描过程中单色光信号达到峰值时的压电陶瓷微位移器的轴向移动位置；（4）在测量所用光谱范围内，沿短波至长波方向或反向重复步骤（1）～（3），得到一组“光谱—深度”数据，利用多项式或样条拟合方法，得到“光谱—深度”对应关系曲线，完成预标定；第二步，编码图像获取：将被测元件置于载物台上，沿轴向和径向调整载物台的位置，使被测元件与空间光调制器在测量所用光谱范围内的中心波长下呈物像共轭；以光谱调制选通器对宽光谱光源发出的复色光沿短波至长波方向或反向进行滤波，依次顺序输出特定波长的单色光，并经匀光耦合器和光束折转耦合器均匀入射至空间光调制器；同步调控空间光调制器，依次输出对应单色移相正弦条纹图光场信号，再经光束折转耦合器、准直扩束镜头、分束器和轴向非消色差显微物镜照射至被测元件表面；控制器控制彩色相机同步采集经被测元件反射的各帧单色移相条纹图，并传输至计算机存储和处理；第三步，编码图像解调：利用随机移相算法对获得的各单色移相条纹图进行处理，得到与被测件面形相关的各单色光条纹图的调制度分布；采用高斯、类高斯或样条模型拟合确定待测面上各点的“光谱—调制度”关系曲线，并利用各单色光条纹调制度在其焦面位置（即待测点的深度位置）达到极大这一特性，解调得到各点的深度编码光谱信息；依据第一步预先标定获得的“光谱—深度”关系曲线，解调得到对应的待测面上各点的深度信息，得到被测元件的微结构形貌，完成被测元件三维形貌分布的无机械式扫描、全场非接触的快速高精度测量。本专利技术技术方案中，测量所用光谱范围为紫外波段、可见光波段或红外波段。本专利技术的原理是：在传统的基于条纹调制度编码的三维形貌测量方法的基础上，利用不同波长的单色平行光经过轴向非消色差光学系统一一对应地聚焦于不同的轴向深度位置、以及各单色光条纹的调制度随轴向深度变化且在其焦面位置（即待测点的深度位置）达到极大值，实现“调制度—光谱—深度”三者之间的唯一性编码。与现有技术相比，本专利技术的显著优点在于：1．本专利技术所提供的测量装置无需轴向机械扫描部件，借助光谱调制选通模块、空间光调制器和轴向非消色差显微物镜，从系统硬件上实现“光谱—调制度—深度”三者之间的唯一性编码，从而完成对（类）镜面微结构，特别本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：它包括宽光谱光源（1）、光束耦合器（2）、光谱调制选通器（3）、匀光耦合器（4）、光束折转耦合器（5）、空间光调制器（6）、准直扩束镜头（7）、分束器（8）、轴向非消色差显微物镜（9）、载物台（11）、成像镜头（12）、彩色相机（13）、数据传输控制线（14）、计算机（15）和控制器（16）；计算机（15）经数据传输控制线（14）分别与控制器（16）和彩色相机（13）相连；被测元件（10）置于载物台（11）上，被测元件（10）与空间光调制器（6）在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器（5）、空间光调制器（6）、准直扩束镜头（7）、分束器（8）、轴向非消色差显微物镜（9）、成像镜头（12）和彩色相机（13）之间呈共光路结构；宽光谱光源（1）发出的复色光经光束耦合器（2）均匀入射至光谱调制选通器（3），控制器（16）的光谱调控输出端与光谱调制选通器（3）连接，光谱调制选通器（3）在测量用光谱范围内依次顺序输出特定波长的单色光，经匀光耦合器（4）和光束折转耦合器（5），得到空间均匀分布的入射单色光光场信号，入射至空间光调制器（6）；所述空间光调制器（6）位于准直扩束镜头（7）的前焦面位置，控制器（16）的编码图像输出端与空间光调制器（6）连接，空间光调制器（6）输出空间编码的单色正弦条纹光场信号，再由光束折转耦合器（5）耦合至准直扩束镜头（7）成为平行光入射至分束器（8）表面；所述分束器（8）将平行单色正弦条纹光反射进入轴向非消色差显微物镜（9）后，照射至被测元件（10）表面，由被测面反射回的单色正弦条纹光再依次通过轴向非消色差显微物镜（9）和分束器（8），经成像镜头（12）耦合至彩色相机（13）的靶面，彩色相机（13）将采集到的图像数据传输至计算机。...
【技术特征摘要】
1.一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：它包括宽光谱光源（1）、光束耦合器（2）、光谱调制选通器（3）、匀光耦合器（4）、光束折转耦合器（5）、空间光调制器（6）、准直扩束镜头（7）、分束器（8）、轴向非消色差显微物镜（9）、载物台（11）、成像镜头（12）、彩色相机（13）、数据传输控制线（14）、计算机（15）和控制器（16）；计算机（15）经数据传输控制线（14）分别与控制器（16）和彩色相机（13）相连；被测元件（10）置于载物台（11）上，被测元件（10）与空间光调制器（6）在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器（5）、空间光调制器（6）、准直扩束镜头（7）、分束器（8）、轴向非消色差显微物镜（9）、成像镜头（12）和彩色相机（13）之间呈共光路结构；宽光谱光源（1）发出的复色光经光束耦合器（2）均匀入射至光谱调制选通器（3），控制器（16）的光谱调控输出端与光谱调制选通器（3）连接，光谱调制选通器（3）在测量用光谱范围内依次顺序输出特定波长的单色光，经匀光耦合器（4）和光束折转耦合器（5），得到空间均匀分布的入射单色光光场信号，入射至空间光调制器（6）；所述空间光调制器（6）位于准直扩束镜头（7）的前焦面位置，控制器（16）的编码图像输出端与空间光调制器（6）连接，空间光调制器（6）输出空间编码的单色正弦条纹光场信号，再由光束折转耦合器（5）耦合至准直扩束镜头（7）成为平行光入射至分束器（8）表面；所述分束器（8）将平行单色正弦条纹光反射进入轴向非消色差显微物镜（9）后，照射至被测元件（10）表面，由被测面反射回的单色正弦条纹光再依次通过轴向非消色差显微物镜（9）和分束器（8），经成像镜头（12）耦合至彩色相机（13）的靶面，彩色相机（13）将采集到的图像数据传输至计算机。2.根据权利要求1所述的一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的光谱调制选通器为声光调制器、基于色散元件和空间光调制器的光谱调制选通系统。3.根据权利要求1所述的一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的空间光调制器为数字微镜器件、硅基液晶。4.根据权利要求1所述的一种基于光谱调制度深度编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的宽光谱光源为卤素灯、白光LED、超连...
【专利技术属性】
技术研发人员：马锁冬，曾春梅，戴放，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32
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