白光干涉垂直扫描法非线性开环扫描的方法技术

本发明专利技术公开一种白光垂直扫描干涉非线性开环扫描技术来实现表面轮廓测量的方法，集成了能够实现白光干涉垂直扫描光学系统中物镜与被测表面相对位置测量的位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)等输出信号、或者能够通过标定非线性微移动特征曲线获取精确位移值的开环控制光程差驱动装置。为了克服开环控制系统非线性性、不确定性、和不恒定性，本发明专利技术创造提出了一个非线性开环扫描方法具有集成位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)等输出信号或者通过标定其非线性微移动特征曲线获取位移值的处理方法和技术来实现垂直扫描干涉所需的光程差驱动和精确位移值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及表面轮廓测量的光学干涉仪技术，尤其是一种白光垂直扫描干涉开环控制的方法进行光程差驱动来实现高精度表面轮廓测量。
技术介绍
白光垂直扫描干涉方法和装置是一种进行表面轮廓测量的干涉仪技术，称为白光垂直扫描干涉轮廓仪(WLSI)。白光垂直扫描干涉技术是使用白光的同调性差的特性来实现有限区间的表面干涉来进行表面高度差测量，是国际上公认的快速灵活的三维微观形貌检测手段。它在当今世界先进制造业最前沿的半导体纳米制程工艺、微电子机械系统、纳米复合材料、生物工程技术、通信技术、绿色能源中的太阳能和LED技术、超精密机械加工中的航空、航天、汽车、光学零件等等，有着广泛的应用。光学干涉轮廓仪是由光学干涉相位(PSI)和白光干涉垂直扫描(WLSI)进行相关的干涉图像取样和分析计算得到表面轮廓的技术和装置。光学相位法干涉仪(PSI)被证明是一个非常有效的高精度表面形貌测量方法。光学相位干涉仪是通过与被测物体直接相关的光干涉图谱(干涉条纹)的相位分析来获得相关的表面高度测量。尽管光学相位差干涉仪(PSI)的测量精度能够达到1个纳米以下，它的主要缺陷是其测量时导致干涉的相位变化不能超过波长的1/4。这个缺陷就限制了光学相位变化干涉仪(PSI)只能测量表面形貌高度变化在几个微米之内。白光干涉扫描轮廓仪(WLSI)，又被称为垂直扫描干涉仪，是一种使用白光的同调性差的特性来实现有限区间的表面干涉来进行表面高度差测量的技术。白光垂直扫描干涉原理克服了光学相位法干涉仪(PSI)测量表面高度差的限制。白光垂直扫描干涉方法是在1990年首先由Davisdon发展的。与相位差干涉方法(PSI)通过干涉相位计算取得表面高度不同，白光垂直扫描干涉仪(WLSI)是针对相应的装置在垂直扫描过程中白光干涉只发生在有限的区间的特点通过干涉强度变化与时间的特征来测量表面高度差的。为了找出同一表面位置在不同垂直扫描时间(高度)时干涉图谱的强度并求出其中最高峰值(Peakvalue)，白光垂直扫描干涉仪(WLSI)通过垂直扫描来改变被测表面与干涉仪的参照面之间的光程差(OPD)取得一系列相对应的干涉图谱强度。使用宽频光源或者白光光源，白光干涉只发生在光程差相近之处并且干涉强度信号明显。产生的干涉图谱其光强在光程差OPD＝0的时候最大，并随着OPD的增加而迅速降低。相应的干涉图谱在光程差OPD大于光学干涉长度时完全消失了。一个随时间变化的光强信号分布在光学干涉显微系统图像记录装置中任何一点都可由下面的公式来表达， I ( z ) = ∫ 0 ∞ F ( k ) ( 1 + ∫ 0 θ o c o s ( 2 k c o s θ ( z - h ) + α ( k , θ ) ) s i n θ c o s θ d θ ) d k - - - ( 1 ) ]]>其中z是被测表面光强信号点离聚焦点的距离(是从焦点到反射点的距离)，h是干涉仪参照面到聚焦点的距离(是从焦点到反射镜的距离)，k是光波数，θ0是与干涉仪物镜有关的数值孔径或者(是物镜数值孔径的表述或表达为)N.A.＝sinθ0,α(k,θ)是测量表面反射相和光谱调制相的移相结果,而F(k)是调制振幅，F(k)可表达为F(k)＝R(k)Rg(k)＝Rf(k),(2)式中：Rg(k)是照明光源的光谱强度，而R(k)是测量表面的反射光光谱强度。在白光垂直扫描干涉仪(WLSI)，公式(1)可以简化成，I(z)＝a(z)+b(z)cos(φ(z)),(3)其中a是相对应的背景光强，b是干涉图谱的调制振幅，φ是干涉图谱的相位。在垂直扫描过程中的一系列垂直扫描篇幅1，2,…,N,公式(3)再写成为，I(zn)＝a(zn)+b(zn)cos(φ(zn))，可简化为In＝an+bncos(φn),其中n＝1,2,…,N(4a)或者I(tn)＝a(tn)+b(tn)cos(φ(tn)),可简化为In＝an+bncos(φn),其中n＝1,2,…,N(4b)图1是白光干涉扫描装置在光程差产生干涉条纹后的记录的表面某一点在垂直扫描过程中一系列随时间(表面高度)的光强信号。干涉图谱在每一点的调制振幅能够从下面的光强公式中计算出来，其中n＝3,4,…,N-2,(5)b的最大值和在最大值时对应的扫描时间(高度)能够从调制振幅公式(5)中小于一个垂直扫描篇幅的精度取得。尽管精确地获得干涉图谱调制振幅在垂直扫描过程中的最大值时对应的扫描时间(高度)是极为重要的，将该扫描时间(高度)转换为真正的表面高度具有同样的重要性。任何一个白光垂直扫描干涉仪的装置都有一个改变被测表面和干涉仪参照面之间光程差OPD的驱动装置。这种驱动装置包括PZT微移动平台，或者任何一种由马达(例如步进电机、司服电机、永磁电机等等)驱动、带有或者没有变速齿轮结构，能够集成位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)和相对应的输出信号或者通过其非线性微移动特征曲线获取位移值的处理方法和技术作为对应扫描时间或高度的的直线微移动装置。鉴于驱动装置内在特性，白光垂直扫描干涉仪中的驱动装置改变光程差OPD的速度不是恒定的，亦不是确定的。这就意味着扫描高度(时间)不能准确地直接反映出真正的表面高度。为了克服这个问题，白光垂直扫描干本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种白光干涉垂直扫描非线性开环扫描的方法，其特征在于：提供适用于光学干涉的干涉轮廓仪，来提供光学扫描干涉系统的光程差及使用非线性开环扫描控制系统驱动装置的方法和技术来实现干涉；白光垂直扫描干涉轮廓仪进行表面高度差测量通过下面的步骤来实现：(1)、通过光程差驱动装置，获取在不同的光程差时对应的有序干涉图谱篇幅总数N，I(tn)＝a(tn)+b(tn)cos(φ(tn))，可简化为In＝an+bn cos(φn),其中n＝1,2,…,N同时同步记录集成到光程差驱动装置的输出信号，例如压电陶瓷的位置传感器信号值、直线微移动机械平台的定位光栅尺、编码器的信号值或者通过其非线性微移动特征曲线同步获取对应的位移值，M次作为对应扫描高度或时间P(tm)＝Pm for m＝1,2,…,M；(2)、将Pm数据拟合成一条平滑的曲线P(t)；(3)、由下面的一系列干涉图谱强度来计算干涉图谱的调制振幅bn，其中n＝3,4,…,N‑2；(4)、从调制振幅bn随垂直扫描时间分布的数据中求取其最大值以及对应的垂直扫描时间或位置ta；请注意对应的垂直扫描时间或位置ta能够直接由上面的系列干涉图谱强度来计算，不需要计算相应的调制振幅bn值；(5)、由上述的步骤(2)中的曲线P(t)来找到对应的P(ta)；(6)、将位置传感器、定位光栅尺、编码器的输出信号或者其非线性微移动特征曲线的相对应位移值P(ta)关联到被测表面高度。...

【技术特征摘要】
1.一种白光干涉垂直扫描非线性开环扫描的方法，其特征在于：
提供适用于光学干涉的干涉轮廓仪，来提供光学扫描干涉系统的光程差及使用非线性
开环扫描控制系统驱动装置的方法和技术来实现干涉；
白光垂直扫描干涉轮廓仪进行表面高度差测量通过下面的步骤来实现：
(1)、通过光程差驱动装置，获取在不同的光程差时对应的有序干涉图谱篇幅总数N，
I(tn)＝a(tn)+b(tn)cos(φ(tn))，可简化为In＝an+bncos(φn),其中n＝1,2,…,N
同时同步记录集成到光程差驱动装置的输出信号，例如压电陶瓷的位置传感器信号
值、直线微移动机械平台的定位光栅尺、编码器的信号值或者通过其非线性微移动特征曲
线同步获取对应的位移值，M次作为对应扫描高度或时间
P(tm)＝Pmform＝1,2,…,M；
(2)、将Pm数据拟合成一条平滑的曲线P(t)；
(3)、由下面的一系列干涉图谱强度来计算干涉图谱的调制振幅bn，
其中n＝3,4,…,N-2；
(4)、从...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏勇，唐寿鸿，
申请(专利权)人：镇江超纳仪器有限公司中外合资，
类型：发明
国别省市：江苏;32