一种基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统及方法，系统有图像采集卡，数字ＣＣＤ摄像机，显微光学系统，干涉物镜，可调倾斜工作台，ＰＣ机，纳米测量机，工作台倾斜控制器，通过光纤向显微光学系统提供光源的白光光源，ＰＣ机还分别连接图像采集卡和工作台倾斜控制器。方法是在纳米测量机的工作平台上固定可调倾斜工作台，将被测样品至于其上，由ＰＣ机控制纳米测量机带动可调倾斜工作台沿其倾斜角度完成扫描，ＣＣＤ数字摄像机采集图像并由图像采集卡传至ＰＣ机进行后续处理；对于采集的图像进行追踪并进行干涉信号的提取后，进行零级干涉条纹的位置进行定位，最终确定表面形貌。本发明专利技术为无损的检测，消除了光源热效应的影响，可以实现０．１ｎｍ的位移分辨力。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种微结构形貌测试。特别是涉及一种能够实现微结构大范围内的高 精度测量的。
技术介绍
随着现代制造业、微机电系统(MEMS)以及纳米技术的应用发展，对微结构的测量 要求越来越高，其中MEMS阵列器件、MEMS多层结构器件、超精密加工器件对测试系统的测 量范围、测量速度和测量精度有着更高要求。对于应用日益广泛的MEMS器件，包括电子系 统和非电子机械组件，对MEMS器件除了进行相关的电子学测试外，还应包括微结构的几何 量、机械量、材料特性、机械力学特性、光学特性、声学特性和磁学特性等多个参数的测试。 由于MEMS具有结构尺寸小、集成度高等特点，传统的检测技术与方法已不能完全满足需 要，这就对精密检测技术提出了新的要求。MEMS微结构三维运动特征、材料特性、机械力学 参数、可靠性与失效机理等关键测试问题基本上都可通过MEMS几何量和机械量测试技术 直接或间接地得以解决。因此，MEMS几何量和机械量测试技术是MEMS测试领域中的重要 基础之一。MEMS器件大部分是三维微细结构，其特征结构尺寸一般在微米量级，因此测试其 结构和形貌的精度应在(亚)微米甚至纳米量级，这就要求采用高精度的测试技术与设备。 基于白光扫描干涉的光学方法具有非接触、无损伤、高精度和全视场等测量优点，因而引起 国内外研究机构的广泛关注，并针对微结构几何量测试进行了深入的研究。白光干涉的应用有悠久的历史。但直到1980年才由Balasubramanian提出了第 一个实际采用白光干涉原理进行测量的自动三维表面形貌测量系统。白光干涉术采用的是 连续波长的宽光谱光源，相干长度只有1至2微米，干涉条纹最大值只出现在光程差为零的 位置，从而克服了单波长相移干涉中的条纹级次模糊问题，使测量深槽及其侧壁结构成为 了可能；其次，由于白光干涉术采用了非接触式测量，测量速度也大大加快，克服了在扫描 电子显微镜，原子力显微镜和机械式轮廓仪中存在的样品制备，测试周期长及容易划伤器 件等问题。但是由于普通用作扫描器的材料-压电陶瓷自身特性的限制，使得仪器的扫描 范围不能做的很大，最大不过几百微米，这大大限制了白光扫描干涉技术的应用范围。目前对于白光干涉的研究还处于对算法的改善以提高精度阶段。而在已经有的白 光干涉技术中，仍然存在着测量范围小，不能进行多参数测量，和在对某些含深槽等结构器 件的测量中，由于衍射导致相干峰偏移，结果不够理想，以及测试速度慢等问题。因此，如何 在保证高精度测量的同时扩大测量范围成为光学测量方法(包括白光扫描干涉测量技术) 发展需要解决的问题，也是其发展的趋势。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，为了扩展白光干涉术的测量范围，提供一种通过 在纳米测量机上固定光学干涉系统并采用倾斜扫描白光干涉术，扩展了测量范围，并能使整个测量不需要拼接过程一次完成的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统 及方法。本专利技术所采用的技术方案是本专利技术的，具有如下特占.^ \\\ ·1、本专利技术是一种非接触测量方法，对被测样品影响极小，为无损的检测方式；2、本专利技术使用光纤照明，消除了光源热效应的影响；3、本专利技术使用纳米测量机(NMM)作为平台带动被测物和倾斜平台完成扫描，纳米 测量机(NMM)的平台在移动过程中由X，y，ζ三轴的激光干涉仪实时标定，并通过温、湿、压 传感器实时补偿干涉仪激光波长的变化，配合平台的反馈控制系统，可以实现0. Inm的位 移分辨力；4、本专利技术在纳米测量机(NMM)上配置倾斜可调工作台以实现倾斜扫描。测量过程 中，纳米测量机(NMM)的移动方向与工作台工作面的方向一致，同时包括水平和垂直方向 的位移；5、本专利技术对于采集的干涉图像，根据水平的位移速度对位置点进行跟踪并提取出 干涉强度信号。附图说明 图1是基于倾斜扫描白光干涉术的微结构大范围测量系统构成示意图图2是光学系统与可调倾斜平台的配置方式示意图3是倾斜扫描白光干涉术实现方式的原理示意图4是倾斜扫描白光干涉术高度信息提取的原理示意图5是对CCD视场中移动数据条的追踪；图6是倾斜扫描白光干涉技术的测量流程其中I=PC 机3 数字CCD摄像机 5:光纤 7 干涉物镜 9 可调倾斜工作台II:x，y，ζ激光干涉仪 13 平台机械结构 15:电机驱动控制单元 17 纳米测量机(NMM) 19 干涉物镜相干平面 21 工作台倾角α23 :t0时刻 25 :t2时刻 27 :t4时刻2:图像采集卡 4 白光光源 6 显微光学系统 8 被测样品 10 工作台倾斜控制器 12 :x, y, z0, zl, z2, z3电机驱动结构 14 干涉仪信号处理单元 16 平台控制器 18 平台工作面 20 扫描方向 22 干涉物镜的光轴 24 时刻 26 :t3时刻 28 :t5 时亥Ij29:t6时刻30 ；:P点干涉信号强度31=Q点干涉信号强度32单幅图像范围(L)33相干长度34 被测物体上的一点Q35被测物体上的一点P36:P点的最佳相干位置b:37:Q点的最佳相干位置h38:Q点的相对高度Ii139:P点的相对高度h240采集的图像41纳米测量机(NMM)的水平移动速度具体实施例方式下面结合实施例和附图对本专利技术的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测 试系统及方法做出详细说明。如图1所示，本专利技术的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，包括 有依次设置的图像采集卡2，数字CXD摄像机3，显微光学系统6以及干涉物镜7，还设置有 用于支撑与干涉物镜7相对应的被测样品8的可调倾斜工作台9、PC机1和与PC机1相 连的纳米测量机17、与可调倾斜工作台9相连的工作台倾斜控制器10，以及白光光源4，其 中，所述的PC机1还分别连接图像采集卡2和工作台倾斜控制器10，所述的白光光源4通 过光纤5向显微光学系统6提供光源。所述的纳米测量机17包括有平台控制器16、固定可调倾斜工作台9的平台机械结 构13、干涉仪信号处理单元14和电机驱动控制单元15，所述的平台机械结构13通过干涉 仪信号处理部分14将信号送入平台控制器16，所述的平台控制器16通过电机驱动控制单 元15控制平台机械结构13。所述的平台机械结构13包括有与干涉仪信号处理单元14相连的X，y, ζ激光干涉 仪11，和与电机驱动控制单元15相连用于驱动X，y，Z激光干涉仪11的x，y，z0, zl, z2, z3电机驱动结构12。本专利技术的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的工作原理是整体 的测试系统搭建于纳米测量机(NMM) 17上，由PC机1与其进行通讯，通过其内部的平台控 制器16和电机驱动控制15控制X，y，z0, zl, z2, z3电机驱动12带动平台机械结构13进 行运动。运动过程由x，y，z激光干涉仪11实时标定并通过干涉仪信号处理部分14将反馈 信号送回平台控制器16。在平台机械结构13上固定可调倾斜工作台9，由PC机1通过工 作台倾斜控制器10对其进行控制。被测样品8放置于可调倾斜工作台9上。测试过程中， 由平台机械结构13带动被测样品8运动并完成扫描。数字CCD摄像机3通过显微光学系 统6和干涉物镜7记录图像并通过图像采集卡2传入PC机1。光学系统由做为白光光源4 的卤素灯通过光纤5进本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，包括有依次设置的图像采集卡（２），数字ＣＣＤ摄像机（３），显微光学系统（６）以及干涉物镜（７），其特征在于，还设置有用于支撑与干涉物镜（７）相对应的被测样品（８）的可调倾斜工作台（９）、ＰＣ机（１）和与ＰＣ机（１）相连的用于固定可调倾斜工作台（９）的纳米测量机（１７）、与可调倾斜工作台（９）相连的工作台倾斜控制器（１０），以及白光光源（４），其中，所述的ＰＣ机（１）还分别连接图像采集卡（２）和工作台倾斜控制器（１０），所述的白光光源（４）通过光纤（５）向显微光学系统（６）提供光源。
【技术特征摘要】
一种基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，包括有依次设置的图像采集卡(2)，数字CCD摄像机(3)，显微光学系统(6)以及干涉物镜(7)，其特征在于，还设置有用于支撑与干涉物镜(7)相对应的被测样品(8)的可调倾斜工作台(9)、PC机(1)和与PC机(1)相连的用于固定可调倾斜工作台(9)的纳米测量机(17)、与可调倾斜工作台(9)相连的工作台倾斜控制器(10)，以及白光光源(4)，其中，所述的PC机(1)还分别连接图像采集卡(2)和工作台倾斜控制器(10)，所述的白光光源(4)通过光纤(5)向显微光学系统(6)提供光源。2.根据权利要求1所述的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统，其特征 在于，所述的可调倾斜工作台9固定在纳米测量机(17)中的平台机械结构(13)。3 一种用于权利要求1所述的基于纳米测量与倾斜扫描白光干涉微结构测试系统的 测试方法，其特征在于，是在纳米测量机的工作平台上固定可调倾斜工作台，并将被测样品 至于其上，由PC机控制纳米测量机带动可调倾斜工作台沿其倾斜角度完成扫描，扫描过程 中，被测样品的不同区域于不同时间通过相干平面并达到最佳干涉，整个过程由CCD数字 摄像机记录采集的图像并经由图像采集卡传至PC机进行后续处理；对于采集的图像按照 水平方向的移动速度对相应的数据在不同图像中的位置进行追踪并进行干涉信号的提取， 对于提取所得的信号进行零级干涉...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭彤，马龙，陈津平，傅星，胡小唐，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：12
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