一种物品表面形貌检测方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种物品表面形貌检测方法：①低相干光线从三端环形器的端口1射进，从端口2射出，经第一透镜准直后从x‑y扫描振镜中的x振镜射入，y振镜射出；③射出的光线经第二透镜聚焦后经过一分光片被分为两部分光线，一部分从玻璃底面反射，作为参考光，另一部分穿透玻璃后射到被样品表面并反射，作为样品光；④两部分光线共光路返回，经第二透镜汇聚到扫描振镜的y振镜，经y振镜射入x振镜，然后射出；⑤光线经第一透镜汇聚进入三端环形器的端口2，然后从端口3射出；⑥从端口3射出的光线进入光谱仪，光谱仪传递数据给电脑；⑦扫描振镜对样品进行逐点扫描；⑧电脑计算相邻位置的相位差

Method and device for detecting surface appearance of articles

The invention discloses an article surface detection method: low coherent light from the three terminal circulator port 1 port 2 from the injection, injection, X injection x y galvanometer scanning vibration mirror through a first collimating lens from y, vibration mirror; the light emitted by the second lens after a ray of light is divided into two parts, a part from the glass bottom reflection, as the reference light, the other part is to penetrate the glass after shooting the sample surface and reflection, as the sample light; the two part of the light of common path returned by the second lens convergence to the Y galvanometer scanning mirror. The Y mirror x into the mirror, and then the light emitted by the first lens; converges into the three end circulator port 2, and then from the injection port 3; from port 3 rays into the spectrometer spectrometer, pass the data to the computer; the scanning mirror on the sample Line scanning point; the phase difference calculation of adjacent position computer

【技术实现步骤摘要】
一种物品表面形貌检测方法及装置
：本专利技术涉及一种物品表面形貌检测方法及装置。
技术介绍
：微观表面形貌检测在工业产品检测、机械制造、电子工业等领域均有非常重要的应用价值，随着现代电子工业、光学精微加工及微机电技术的发展，对微观表面精度的要求越来越高，表面形貌质量成为保证和提高机械、电子及光学系统性能、质量和寿命的关键因素之一。在最近几十年里，国内外微观表面形貌测量领域出现了许多新技术和新方法，使测量精度不断提高，己从微米尺度进入到纳米甚至亚纳米尺度。目前微观表面形貌测量方法可分为两大类:接触式和非接触式。触针式轮廓仪是目前使用比较广泛的接触式表面轮廓测量仪，具有测量范围大、分辨率高、测量结果稳定可靠、重复性好等优点，其轴向测量分辨率可达1nm或更小，但在微观表面轮廓检测中，通常要求不能和样品表面接触，接触检测会导致样品表面损伤。纳米级精度非接触测量方法可分为非光学方法和光学方法两大类，非光学测量方法包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜，扫描隧道显微镜横向分辩率为0.1nm，轴向分辨率0.01nm量级，其轴向和横向测量范围较小(约1μm)，扫描隧道显微镜是通过隧道电流反映被测表面形貌，因此,只能测量导体或半导体,而且测量必须在真空中进行。原子力显微镜的轴向分辨率达到0.1nm，横向分辨率约为10nm，既可以检测导体，也可以检测非导体，但具有成像范围小、受探头影响大的缺点。纳米级光学测量方法分为两类：(1)结合色差和共焦显微技术的色差共焦光谱技术(Chromaticconfocalspectrum,CCS)，(2)干涉测量方法，包括：单色光相移干涉法(Phase-shiftinginterferometry,PSI)、垂直扫描白光干涉法(Verticalscanningwhite-lightinterferometry,SWLI)、白光光谱干涉法(White-lightspectralinterferometry,WLSI)及外差干涉法(Heterodyneinterferometry,HI)。轴向分辨率、轴向测量范围、系统稳定性、横向分辨率及检测速度是纳米级形貌成像中比较关键的问题。CCS轴向分辨率达到2nm，差于干涉方法，但是CCS的优点是高稳定性。CCS的另一缺点是其轴向分辨率、轴向测量范围及横向分辨率都决定于样品光焦点，轴向分辨率、轴向测量范围依赖于焦点色散特性，因此，要求焦点色散特性严格稳定，不适合于进行快速的光学扫描，目前都是用高精度平移台移动样品进行二维扫描，机械扫描会引入振动干扰，影响轴向测量精度，同时也限制了测量速度。对于干涉方法，影响系统性能的主要因素是稳定性和轴向测量范围，干涉方法具有高灵敏度，但对外界的干扰也同样灵敏，干涉方法的轴向精度和横向分辨率无关，可以实现快速的光学扫描。干涉法的轴向分辨率要高于CCS，但是干涉法存在相位包裹及易受环境干扰的问题。PSI、WLSI及HI是通过计算参考光和样品光之间的相位差得到样品表面的高度值，相位计算的主值范围为[-π，+π]，当相位超过[-π，+π]，发生相位包裹，必须通过相位解包裹恢复真实相位，才能得到正确的高度信息。目前，虽然已有多种数值相位解包裹的方法被提出，然而这些方法都存在一定的问题，计算复杂耗时，受噪声及欠采样影响，特别是当相邻两点相位差超过π时，无法恢复真实的相位。相位解包裹的原理是根据相位的连续性，通过比较相邻两点之间相位差进行相位解包裹，从原理上讲，当相邻两点的相位差大于π时，就无法正确恢复真实相位，这就限定了干涉法的应用范围。SWLI可以测量绝对光程，不存在相位包裹问题，但是对于每一探测点，需要进行轴向扫描，干涉条纹的解调精度和轴向扫描精度限制了轴向测量精度，同时使用轴向扫描也限制了测量速度。
技术实现思路
：本专利技术的目的是为了克服上述现有技术的缺点，提供一种测量精度高、受环境干扰以及机械干扰小的物品表面形貌检测方法及装置。本专利技术的专利技术目的可以通过以下的技术方案来实现：一种物品表面形貌检测方法，检测过程如下：①由低相干光源产生低相干光线，低相干光线射进三端环形器的端口1，然后从端口2射出；②从端口2射出的光线经第一透镜准直后射进x-y扫描振镜中的x振镜，然后从x振镜射到y振镜，接着从y振镜射出；③从y振镜射出的光线经第二透镜聚焦，聚焦后的光线经过一分光片后分为两部分光线，一部分从玻璃底面反射，作为参考光，另一部分穿透玻璃后投射到被样品表面，然后反射，作为样品光；④从③中发射的两部分光线共光路返回，经第二透镜汇聚到扫描振镜的y振镜，经y振镜射入x振镜，然后射出；⑤x振镜射出的光线经第一透镜汇聚进入三端环形器的端口2，然后从端口3射出；⑥从端口3射出的参考光和样品光进入光谱仪，光谱仪传递数据给电脑；⑦控制扫描振镜的运动，扫描振镜对样品进行逐点扫描，电脑获得样品表面各个位置的低相干光干涉光谱；⑧电脑计算相邻位置的相位差⑨根据相位差计算样品该相邻两位置的深度差Δz，得到样品表面形貌的相位差分图；⑩对计算的深度差Δz进行积分，得到最终样品表面形貌的定量分布情况。步骤⑧中所属的计算相邻位置的相位差的步骤如下：相邻两位置点1和2的相干光谱分别为:位置点1的相干光谱为：位置点2的相干光谱为：其中，I1(km)、I2(km)分别为位置点1、2的相干光谱，S(km)为光源光谱强度分布，A11、A12分别为位置1对应的样品光和参考光振幅，A21、A22分别为位置2对应的样品光和参考光振幅，km为波数，n为空气折射率，样品面和参考面的距离用不同分辨率的两部分表示，相邻两位置点1和2的相干光谱表达式中z0表示样品面和参考面的绝对距离，其精度决定于光源的相干长度，相对于z0的具有亚相干长度分辨率的距离为kc为光源的中心波数，其精度决定于光谱仪的光谱分辨率。假定位置点2相对于点1的微小高度增量为Δz0，位置点1和2的参考臂光程相等，则位置点1和2的高度差Δz0为，为与之差对I1(km)和I2(km)分别进行傅立叶变换后得到相对应的复数序列F1(2nzm)和F2(2nzm)，zm表示离散化的高度。因为样品中只有样品表面为反射面，则F1(2nzm)和F2(2nzm)的功率谱极大值对应的位置即为2nz0，因此得到两个复数和则为，上式中星号表示复共轭，由此式计算出相位差即得到样品表面的相位差分图，不论各点的相位值大小，只要相邻两点在区间[-π，+π]，不发生相位包裹，当相邻两点的相位差超过π，在相位差分图上出现相位包裹，通过相位解包裹处理，消除相位差分图上的相位包裹，再进行积分，得到样品表面的相位分布及形貌。由于解包裹运算是在相位差分图上进行的，因此，把相邻两点相位差绝对值的限制条件由目前的π扩大到2π。步骤⑨中，根据所述的相位差获得位置1与位置2的深度差Δz，具体通过以下方式获得：包括有低相干光源、三端环形器、第一透镜、扫描振镜、第二透镜和分光片，三端环形器的端口1与低相干光源相连通，端口2后续依次连接第一透镜—x-y扫描振镜—第二透镜，端口3依次连接光谱仪—电脑，第一透镜与x-y扫描振镜的x振镜相连，第二透镜与x-y扫描振镜的y振镜相连，分光片设置在第二透镜与y振镜相连一侧的另一侧，分光片上第二透镜一侧的另一侧镀上一层透光率为50％～70％的反射膜，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种物品表面形貌检测方法，检测过程如下：①由低相干光源产生低相干光线，低相干光线射进三端环形器的端口1，然后从端口2射出；②从端口2射出的光线经第一透镜准直后射进x‑y扫描振镜中的x振镜，然后从x振镜射到y振镜，接着从y振镜射出；③从y振镜射出的光线经第二透镜聚焦，聚焦后的光线经过一分光片后分为两部分光线，一部分从玻璃底面反射，作为参考光，另一部分穿透玻璃后投射到被样品表面，然后反射，作为样品光；④从③中发射的两部分光线共光路返回，经第二透镜汇聚到扫描振镜的y振镜，经y振镜射入x振镜，然后射出；⑤x振镜射出的光线经第一透镜汇聚进入三端环形器的端口2，然后从端口3射出；⑥从端口3射出的参考光和样品光进入光谱仪，光谱仪传递数据给电脑；⑦控制扫描振镜的运动，扫描振镜对样品进行逐点扫描，电脑获得样品表面各个位置的低相干光干涉光谱；⑧电脑计算相邻位置的相位差

【技术特征摘要】
1.一种物品表面形貌检测方法，检测过程如下：①由低相干光源产生低相干光线，低相干光线射进三端环形器的端口1，然后从端口2射出；②从端口2射出的光线经第一透镜准直后射进x-y扫描振镜中的x振镜，然后从x振镜射到y振镜，接着从y振镜射出；③从y振镜射出的光线经第二透镜聚焦，聚焦后的光线经过一分光片后分为两部分光线，一部分从玻璃底面反射，作为参考光，另一部分穿透玻璃后投射到被样品表面，然后反射，作为样品光；④从③中发射的两部分光线共光路返回，经第二透镜汇聚到扫描振镜的y振镜，经y振镜射入x振镜，然后射出；⑤x振镜射出的光线经第一透镜汇聚进入三端环形器的端口2，然后从端口3射出；⑥从端口3射出的参考光和样品光进入光谱仪，光谱仪传递数据给电脑；⑦控制扫描振镜的运动，扫描振镜对样品进行逐点扫描，电脑获得样品表面各个位置的低相干光干涉光谱；⑧电脑计算相邻位置的相位差⑨根据相位差计算样品该相邻两位置的深度差Δz，得到样品表面形貌的相位差分图；⑩对计算的深度差Δz进行积分，得到最终样品表面形貌的定量分布情况。2.根据权利要求1所述的一种物品表面形貌检测方法，其特征在于：步骤⑧中所属的计算相邻位置的相位差的步骤如下：相邻两位置点1和2的相干光谱分别为:位置点1的相干光谱为：位置点2的相干光谱为：其中，I1(km)、I2(km)分别为位置点1、2的相干光谱，S(km)为光源光谱强度分布，A11、A12分别为位置1对应的样品光和参考光振幅，A21、A22分别为位置2对应的样品光和参考光振幅，km为波数，n为空气折射率，样品面和参考面的距离用不同分辨率的两部分表示，相邻两位置点1和2的相干光谱表达式中z0表示样品面和参考面的绝对距离，其精度决定于光源的相干长度，相对于z0的具有亚相干长度分辨率的距离为kc为光源的中心...

【专利技术属性】
技术研发人员：张潞英，周红仙，
申请(专利权)人：佛山科学技术学院，
类型：发明
国别省市：广东,44