一种快照式全场白光干涉显微测量装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种快照式全场白光干涉显微测量装置。它是在白光干涉显微测量法和快照式光谱成像探测术的基础上，利用复色平行光经过轴向色散型干涉光学系统后沿轴向依次色散并一一对应地聚焦于不同的轴向深度位置、以及光谱域上的白光干涉信号强度随波长变化且在轴向色散的某一单色光焦面位置附近达到极大值，建立了测量所需的“白光干涉信号—光谱—深度”三者之间的唯一性编码，仅需多帧或单帧快照式色散光谱编码白光干涉图像，即可实现对被测元件三维形貌分布的无机械式扫描、全场非接触、快速（动态甚至瞬态）高精度测量。

【技术实现步骤摘要】
一种快照式全场白光干涉显微测量装置
本专利技术涉及一种微结构形貌的测量技术，特别是一种快照式全场白光干涉显微测量方法及其装置，属于先进制造与检测

技术介绍
在工业生产、国防军事、医疗卫生、生活服务等领域，诸如微机电系统（Microelectromechanicalsystems，MEMS）、衍射光学元件（Diffractiveopticalelement，DOE）等有着广泛的应用。这些元件表面存在的复杂微观结构，与元件的残余应力、使用寿命、损伤阈值等内在特性密切相关。对其微结构形貌的超精密检测能够为元件相关性能的预评估与控制提供指导和帮助。因而，针对相关检测系统与技术的研究愈发受到人们的重视。在众多的检测技术中，光干涉显微测量法因其具有全场非接触、高精度等优点，成为一种强有力的微观形貌精密检测工具。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，轴向面形测量精度可达亚纳米量级。然而，单波长激光的使用在一定程度上限制了其在表面具有复杂微结构（如阶梯状）的元件三维形貌检测方面的应用。虽然具有唯一零光程差位置的垂直扫描白光干涉显微术可以有效克服上述问题，但其检测需要借助高精度的微位移器（如压电陶瓷堆，Piezoelectrictransducer，PZT）沿轴向作精细扫描实现。从而导致整个测量过程较长，极易受外界气流扰动、震动等的影响，仅适用于静态物面的检测，且系统的结构也较为复杂、检测成本较高。为了克服上述问题，德国斯图加特大学应用光学中心的W.Lyda等人提出了一种彩色共聚焦光谱干涉仪（CCSI）。该测量方法结合了共聚焦和白光干涉各自在横向和轴向分辨率上的优势，将被测微结构的深度信息通过复色光的轴向色散和光干涉调制到波数域的白光干涉信号中，无需做轴向垂直扫描，即可实现与垂直扫描白光干涉显微术相近的轴向测量精度。然而由于传统狭缝型光谱仪的使用，CCSI的单次横向测量范围有限。虽然该中心的M.Gronle等人提出的横向色散光谱编码干涉仪（LCDSEI），通过横向线测量提升了检测效率，但是全场、单帧测量依旧困难。如何实现对表面具有复杂微结构的元件三维形貌分布的无机械式扫描、全场非接触、快速（动态甚至瞬态）高精度测量，正逐步成为本领域的研究热点与趋势。
技术实现思路
本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进行微结构形貌测量的装置，能够实现对微结构，特别是面形变化复杂、非连续的微结构元件表面微观形貌的全场非接触、快速（动态甚至瞬态）高精度测量。为实现上述专利技术目的，本技术采用的技术解决方案是提供一种快照式全场白光干涉显微测量装置，它包括宽光谱光源、准直扩束匀光镜头、分束器、轴向色散型干涉显微物镜、载物台、成像耦合镜头、快照式光谱成像探测器、数据传输控制线、计算机；被测元件置于载物台上，被测元件与宽光谱光源各自的位置在测量所用光谱范围的中心波长下满足物像共轭关系；准直扩束匀光镜头、分束器、轴向色散型干涉显微物镜、成像耦合镜头和快照式光谱成像探测器之间呈共光路结构；宽光谱光源位于准直扩束匀光镜头的前焦面位置，宽光谱光源发出的复色光经准直扩束匀光镜头成为平行光均匀入射至分束器表面；所述分束器将平行、均匀的复色光反射进入轴向色散型干涉显微物镜，分别输出一路沿轴向色散并聚焦至不同深度位置的测量光和一路无轴向色散的复色参考光；轴向色散的测量光由被测元件反射返回，与复色参考光经轴向色散型干涉显微物镜混合形成干涉信号，再依次通过分束器和成像耦合镜头传输至快照式光谱成像探测器，快照式光谱成像探测器将采集到的图像数据经数据传输控制线传输至计算机。本技术所述的快照式光谱成像探测器为多孔径光谱滤波相机、可调谐阶梯光栅成像仪、光谱分辨探测器阵列、计算层析成像光谱仪、快照式编码孔径光谱成像仪、堆栈滤波光谱分解仪、重组光纤成像光谱仪、透镜阵列积分场成像光谱仪、图像折叠成像光谱仪、图像映射光谱仪、多光谱萨格纳克光谱仪、快照式高光谱傅里叶变换成像仪中的一种。所述的轴向色散型干涉显微物镜为基于轴向衍射光学元件的Michelson型、Mirau型、Linik型干涉显微物镜中的一种。所述的宽光谱光源为卤素灯、白光LED、超连续谱激光器中的一种。利用本技术提供的快照式全场白光干涉显微测量装置对面形变化复杂、非连续的微结构元件表面的微观形貌进行测量时，可采用如下步骤：第一步，“光谱—深度”对应关系的预标定：测量前，将轴向色散型干涉显微物镜中的参考光路遮挡，使其仅工作在轴向色散模式；宽光谱光源发出的复色光经准直扩束匀光镜头、分束器和轴向色散型干涉显微物镜照射至载物台上的标准平面反射镜；标准平面反射镜在微位移器的带动下，沿显微物镜的光轴方向做轴向扫描，将轴向色散的光信号反射进入显微物镜和分束器，再由光谱仪接收、测量得到各单色光信号的波长值，记录扫描过程中各单色光信号达到峰值时微位移器的轴向移动位置，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，完成系统预标定；第二步，快照式色散光谱编码白光干涉图像的获取：测量时，去除轴向色散型干涉显微物镜中参考光路的遮挡，使其同时工作在轴向色散和干涉模式；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，使被测元件与宽光谱光源各自的位置在测量所用光谱范围的中心波长下满足物像共轭关系；宽光谱光源发出的复色光经准直扩束匀光镜头、分束器和轴向色散型干涉显微物镜形成一路沿轴向色散并聚焦至不同深度位置的测量光和一路无轴向色散的复色参考光；轴向色散的测量光由被测元件反射返回，并与复色参考光经轴向色散型干涉显微物镜混合形成光谱域上的白光干涉信号数据立方体；快照式光谱成像探测器采集与光谱域上的白光干涉信号数据立方体相对应的多帧或单帧快照式色散光谱编码白光干涉图像，并传输至计算机存储和处理；第三步，快照式色散光谱编码白光干涉图像的解调：根据所采用的快照式光谱成像探测器的具体结构形式，利用相应的快照式光谱成像数据处理算法，借助计算机对获得的多帧或单帧快照式色散光谱编码白光干涉图像进行解调，反演出光谱域白光干涉信号数据立方体；利用光谱域白光干涉信号处理算法，对光谱域白光干涉信号数据立方体进行处理，基于光谱域白光干涉信号强度随波长变化且在轴向色散的某一单色光焦面位置附近达到极大值，得到被测物上各点的深度编码光谱信息；依据第一步预标定获得的“光谱—深度”关系曲线，解调出对应的待测面上各点的深度信息，最终完成被测元件微结构形貌的测量。本技术的测量所用光谱范围为紫外波段、可见光波段或红外波段。本技术提供的测量装置，其依据的测量原理是：在白光干涉显微测量法和快照式光谱成像探测术的基础上，利用复色平行光经过轴向色散型干涉光学系统后沿轴向依次色散并一一对应地聚焦于不同的轴向深度位置、以及光谱域上的白光干涉信号强度随波长变化且在轴向色散的某一单色光焦面位置附近达到极大值，建立了测量所需的“白光干涉信号—光谱—深度”三者之间的唯一性编码；该方法仅需多帧或单帧快照式色散光谱编码白光干涉图像，即可实现对被测元件三维形貌分布的无机械式扫描、全场非接触、快速（动态甚至瞬态）高精度测量。与现有技术相比，本技术的显著优点在于：1．所提供的测量装置无需轴向机械扫描部件，以横向本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种快照式全场白光干涉显微测量装置，其特征在于：它包括宽光谱光源（1）、准直扩束匀光镜头（2）、分束器（3）、轴向色散型干涉显微物镜（4）、载物台（6）、成像耦合镜头（7）、快照式光谱成像探测器（8）、数据传输控制线（9）、计算机（10）；被测元件（5）置于载物台（6）上，被测元件（5）与宽光谱光源（1）各自的位置在测量所用光谱范围的中心波长下满足物像共轭关系；准直扩束匀光镜头（2）、分束器（3）、轴向色散型干涉显微物镜（4）、成像耦合镜头（7）和快照式光谱成像探测器（8）之间呈共光路结构；宽光谱光源（1）位于准直扩束匀光镜头（2）的前焦面位置，宽光谱光源（1）发出的复色光经准直扩束匀光镜头（2）成为平行光均匀入射至分束器（3）表面；所述分束器（3）将平行、均匀的复色光反射进入轴向色散型干涉显微物镜（4），分别输出一路沿轴向色散并聚焦至不同深度位置的测量光和一路无轴向色散的复色参考光；轴向色散的测量光由被测元件（5）反射返回，与复色参考光经轴向色散型干涉显微物镜（4）混合形成干涉信号，再依次通过分束器（3）和成像耦合镜头（7）传输至快照式光谱成像探测器（8），快照式光谱成像探测器（8）将采集到的图像数据经数据传输控制线（9）传输至计算机（10）。...

【技术特征摘要】
1.一种快照式全场白光干涉显微测量装置，其特征在于：它包括宽光谱光源（1）、准直扩束匀光镜头（2）、分束器（3）、轴向色散型干涉显微物镜（4）、载物台（6）、成像耦合镜头（7）、快照式光谱成像探测器（8）、数据传输控制线（9）、计算机（10）；被测元件（5）置于载物台（6）上，被测元件（5）与宽光谱光源（1）各自的位置在测量所用光谱范围的中心波长下满足物像共轭关系；准直扩束匀光镜头（2）、分束器（3）、轴向色散型干涉显微物镜（4）、成像耦合镜头（7）和快照式光谱成像探测器（8）之间呈共光路结构；宽光谱光源（1）位于准直扩束匀光镜头（2）的前焦面位置，宽光谱光源（1）发出的复色光经准直扩束匀光镜头（2）成为平行光均匀入射至分束器（3）表面；所述分束器（3）将平行、均匀的复色光反射进入轴向色散型干涉显微物镜（4），分别输出一路沿轴向色散并聚焦至不同深度位置的测量光和一路无轴向色散的复色参考光；轴向色散的测量光由被测元件（5）反射返回，与复色参考光经轴向色散型干涉显微物镜（4...

【专利技术属性】
技术研发人员：马锁冬，王钦华，曾春梅，许峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：江苏,32