本發(fā)明屬于微形貌測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，涉及一種微納米形貌測(cè)量的裝置及方法，具體涉及一種基于光學(xué)相移與多波長的跨尺度微形貌測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
表面形貌是評(píng)價(jià)物體性能的重要指標(biāo)之一，隨著技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求，儀器和設(shè)備的小型化、微型化，所應(yīng)用的元器件許多都是微納米尺寸。微納米形貌測(cè)量的需求越來越廣泛，如光學(xué)元件加工質(zhì)量檢測(cè)、微機(jī)電器件的結(jié)構(gòu)特征，材料表面的親、疏水性等。表面微形貌測(cè)量的常用測(cè)量方法有：機(jī)械接觸測(cè)量和光學(xué)非接觸測(cè)量。而光學(xué)接觸法應(yīng)用最多的是基于光學(xué)干涉原理，這類方法主要有單色光相移干涉法，白光垂直掃描干涉和多波長干涉等幾種。但是這些方法都會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，不能保證很好的精度。例如常用的光學(xué)相移法pzt相移和偏振相移。pzt相移法由于施加的電壓和陶瓷的伸縮量并不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系。并且伸縮的變化還具有一定的時(shí)間上的滯后，將產(chǎn)生相移誤差。pzt移相改變了參考鏡與顯微鏡的相對(duì)位置，使每次相移的參考波事實(shí)上發(fā)生變化，從而引入測(cè)量誤差。偏振相移法通過改變檢偏角實(shí)現(xiàn)干涉條紋的移動(dòng),其優(yōu)點(diǎn)是偏振器的偏振角可精確控制，移相精度高；適用于干涉系統(tǒng)中光程難以改變的場(chǎng)合。但是需要大口徑，高質(zhì)量的偏振器件。單色光相移干涉法測(cè)量精度高，但是能精準(zhǔn)測(cè)量范圍的范圍不超過半個(gè)波長。g.s.kino等人在1990在垂直掃描白光干涉顯微原理基礎(chǔ)上，研制出參考光和測(cè)量光束共光路的mirau顯微鏡，其采用的是pzt驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)范圍大，達(dá)到微米至毫米量級(jí)，但是總是存在驅(qū)動(dòng)誤差，且存在一些弊端。
j.c.wyant最先提出雙波長測(cè)量方法，該方法不但能擴(kuò)大深度測(cè)量范圍，而且利用雙波長測(cè)量結(jié)果結(jié)果校正單波長的測(cè)量結(jié)果可以減小由于測(cè)量范圍擴(kuò)大導(dǎo)致的放大的測(cè)量誤差。但是隨著被測(cè)表面越來越深，等效波長很大時(shí)，由于誤差放大效應(yīng)，用雙波長測(cè)量結(jié)果校正單波長的測(cè)量結(jié)果將變得越來越困難。雖然可以采用三波長或者多波長測(cè)量方法解決這個(gè)問題，但是三個(gè)獨(dú)立光源出射的光強(qiáng)分布不一致，導(dǎo)致光源上每點(diǎn)對(duì)周圍的強(qiáng)度影響不一致，從而使得干涉圖像灰度值分布規(guī)律不確定，造成較大的誤差。采用白光作為測(cè)量光源干涉方法，不需要光源的切換，應(yīng)用多個(gè)pin光電管進(jìn)行同步采集獲得不同的干涉信號(hào)。但是白光光源中各波長的光強(qiáng)權(quán)重不一致，影響測(cè)量精度，而且利用多個(gè)pin光電管只能接受某一截面處的深度信號(hào)，不能進(jìn)行區(qū)域測(cè)量。利用聲光可調(diào)濾光器頻率對(duì)白光光源濾光后得到準(zhǔn)單色光源，連續(xù)改變射頻驅(qū)動(dòng)器頻率，使得濾光后的干涉波長連續(xù)變化，導(dǎo)致在光程差不變的情況下改變相對(duì)相位差，從而實(shí)現(xiàn)在超越2π范圍內(nèi)求相位變化與波長變化之比。但是目前所采用的aotf得到的準(zhǔn)單色光波長的譜線較寬，相干長度小，干涉條紋隨光程差的增加衰減的很快，測(cè)量范圍不可能很大；測(cè)量中無法判斷樣品在參考鏡虛平面的前后位置，難以判斷表面形貌的高度方向。而且所需專用的波長調(diào)制元件(aotf)造價(jià)過高。
目前已有的微表面形貌測(cè)量方法和前沿技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)、也存在一些缺點(diǎn)：例如pzt相移法由于施加的電壓和陶瓷的伸縮量并不能嚴(yán)格保持線性關(guān)系。并且伸縮的變化還具有一定的時(shí)間上的滯后，將產(chǎn)生相移誤差。單色光相移干涉法，測(cè)量范圍的范圍不超過半個(gè)波長?？傊?，由于目前采用的多波長測(cè)量方法，在多波長的實(shí)現(xiàn)方法、干涉條紋的接受及處理方法、相位識(shí)別精度等方面仍存在許多需要進(jìn)一步研究的問題：例如白光光源與多種單色濾光片的組合保證了各單色光空間光強(qiáng)分布的一致性，但由于白光光源在各波長的光強(qiáng)不一致，需要進(jìn)行反饋控制，使得各波長進(jìn)入到干涉光路的光強(qiáng)一致。如何對(duì)一組序列干涉圖的信噪比進(jìn)行分析，得到其信噪比，從而得到其相位計(jì)算的準(zhǔn)確性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于光學(xué)相移與多波長的跨尺度微形貌測(cè)量裝置及方法。
本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是：一種基于光學(xué)相移的跨尺度表面形貌測(cè)量裝置，其特征在于：包括計(jì)算機(jī)、光強(qiáng)可控式白光光源、第一透鏡、濾光片旋轉(zhuǎn)盤、分光棱鏡、第二透鏡、第三透鏡、ccd相機(jī)、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm、第四透鏡；
所述計(jì)算機(jī)控制所述光強(qiáng)可控式白光光源發(fā)出的白光經(jīng)過所述第一透鏡和濾光片旋轉(zhuǎn)盤上的濾光片后變?yōu)閱紊?，單色光?jīng)過所述分光棱鏡后分成兩束；一束經(jīng)過所述第二透鏡后射向被測(cè)對(duì)象，另一束經(jīng)過所述第三透鏡、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm及所述純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm反射后與由被測(cè)對(duì)象反射回的光進(jìn)行干涉，干涉圖經(jīng)過所述第四透鏡成像到所述ccd相機(jī)。
本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是：一種基于光學(xué)相移的跨尺度表面形貌測(cè)量方法，其特征在于，包括以下步驟：
步驟1：計(jì)算機(jī)控制輸入到純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm中的灰度值；
步驟2：所述計(jì)算機(jī)控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤角度選擇不同濾光片，并控制所述光強(qiáng)可控式白光光源光強(qiáng)使得經(jīng)不同濾光片后的光強(qiáng)保持一致，然后采集干涉圖像；
其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
步驟2.1：所述計(jì)算機(jī)首先選用一種窄帶濾光片，所述光強(qiáng)可控式白光光源發(fā)出的白光經(jīng)過所述第一透鏡和濾光片旋轉(zhuǎn)盤上的濾光片后變?yōu)閱紊猞?，單色光λ1經(jīng)過所述分光棱鏡后分成兩束；一束經(jīng)過所述第二透鏡后射向被測(cè)對(duì)象，另一束經(jīng)過所述第三透鏡、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm及所述純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm反射后與由被測(cè)對(duì)象反射回的光進(jìn)行干涉，干涉圖經(jīng)過所述第四透鏡成像到所述ccd相機(jī)，獲得λ1的干涉圖像；
步驟2.2：所述計(jì)算機(jī)控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤選取另一種波長濾光片，得到單色光λ2，再利用上述步驟2.1的原理獲得λ2的干涉圖像；
步驟2.3：所述計(jì)算機(jī)控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤選取另一種波長濾光片，得到單色光λ3，再利用上述步驟2.1的原理獲得λ3的干涉圖像；
步驟2.4：所述計(jì)算機(jī)控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤選取另一種波長濾光片，得到單色光λ4，再利用上述步驟2.1的原理獲得λ4的干涉圖像；
步驟3：采集完四種不同波長(λ1、λ2、λ3、λ4)的干涉圖像后，再利用圖像處理算法計(jì)算出每點(diǎn)的高度信息，從而得到被測(cè)對(duì)象的表面形貌。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明方法具有以下優(yōu)點(diǎn)：
(1)利用液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的光學(xué)相移方式，不但避免了機(jī)械運(yùn)動(dòng)、定位誤差和振動(dòng)的影響，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的相移步距，簡(jiǎn)化了相位識(shí)別難度，提高了條數(shù)信號(hào)的處理速度，從而為測(cè)量精度提供了保障：
(2)應(yīng)用白光光源和四個(gè)帶通濾光片通過光強(qiáng)反饋控制得到四種光強(qiáng)大小和分布一致的單色光，避免了多個(gè)獨(dú)立光源出射光強(qiáng)不一致導(dǎo)致同一被測(cè)對(duì)象在不同波長下干涉圖樣分布不一致的情況；
(3)利用四種不同的單色光，通過大小尺寸結(jié)合算法實(shí)現(xiàn)表面形貌的高精度絕對(duì)測(cè)量，一方面突破了單波長測(cè)量精度高，但無法超越半波長測(cè)量范圍這個(gè)致命缺陷的瓶頸，既保留有單波長的納米級(jí)測(cè)量精度，也拓寬了整體的測(cè)量范圍
(4)提出一種高精度、快速的相位識(shí)別方法，利用最小二乘法對(duì)四步相移法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，在保證測(cè)量方差最小時(shí)，選用最小的干涉圖樣進(jìn)行相位快速識(shí)別。
附圖說明
圖1是本發(fā)明實(shí)施例的裝置原理圖；
其中：1是計(jì)算機(jī)、2是光強(qiáng)可控式白光光源、3是第一透鏡、4是濾光片旋轉(zhuǎn)盤、5是分光棱鏡、6是第二透鏡、7是被測(cè)對(duì)象是、8第三透鏡、9是ccd相機(jī)、10是空間光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)器、11是純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器、12是第四透鏡。
具體實(shí)施方式
為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
請(qǐng)見圖1，本發(fā)明提供的一種基于光學(xué)相移的跨尺度表面形貌測(cè)量裝置，包括：一種基于光學(xué)相移的跨尺度表面形貌測(cè)量裝置，其特征在于：機(jī)1、光強(qiáng)可控式白光光源2、第一透鏡3、濾光片旋轉(zhuǎn)盤4、分光棱鏡5、第二透鏡6、第三透鏡8、ccd相機(jī)9、空間光調(diào)制器slm的驅(qū)動(dòng)器10、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm11、第四透鏡12；
計(jì)算機(jī)1控制光強(qiáng)可控式白光光源2發(fā)出的白光經(jīng)過第一透鏡3和濾光片旋轉(zhuǎn)盤4上的濾光片后變?yōu)閱紊猓瑔紊饨?jīng)過分光棱鏡5后分成兩束；一束經(jīng)過第二透鏡6后射向被測(cè)對(duì)象7，另一束經(jīng)過第三透鏡8、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm11及純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm11反射后與由被測(cè)對(duì)象7反射回的光進(jìn)行干涉，干涉圖經(jīng)過第四透鏡12成像到ccd相機(jī)9，ccd相機(jī)9采集的圖像輸入計(jì)算機(jī)1。
本實(shí)施例的濾光片旋轉(zhuǎn)盤4上設(shè)置有若干濾光片；計(jì)算機(jī)1控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤4角度選擇不同濾光片，并控制光強(qiáng)可控式白光光源2光強(qiáng)使得經(jīng)不同濾光片后的光強(qiáng)保持一致，采集干涉條紋圖像并進(jìn)行相位求解得到出被測(cè)對(duì)象。
本發(fā)明提供的一種基于光學(xué)相移的跨尺度表面形貌測(cè)量方法，包括以下步驟：
步驟1：計(jì)算機(jī)1控制輸入到純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm11中的灰度值；
步驟2：計(jì)算機(jī)1控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤4角度選擇不同濾光片，并控制光強(qiáng)可控式白光光源2光強(qiáng)使得經(jīng)不同濾光片后的光強(qiáng)保持一致，然后采集干涉圖像；
其具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
步驟2.1：計(jì)算機(jī)1首先選用一種窄帶濾光片，光強(qiáng)可控式白光光源2發(fā)出的白光經(jīng)過第一透鏡3和濾光片旋轉(zhuǎn)盤4上的濾光片后變?yōu)閱紊猞?，單色光λ1經(jīng)過分光棱鏡5后分成兩束；一束經(jīng)過第二透鏡6后射向被測(cè)對(duì)象7，另一束經(jīng)過第三透鏡8、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm11及純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器slm11反射后與由被測(cè)對(duì)象7反射回的光進(jìn)行干涉，干涉圖經(jīng)過第四透鏡12成像到ccd相機(jī)9，獲得λ1的干涉圖像；
步驟2.2：計(jì)算機(jī)1控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤4選取另一種波長濾光片，得到單色光λ2，再利用上述步驟2.1的原理獲得λ2的干涉圖像；
步驟2.3：計(jì)算機(jī)1控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤4選取另一種波長濾光片，得到單色光λ3，再利用上述步驟2.1的原理獲得λ3的干涉圖像；
步驟2.4：計(jì)算機(jī)1控制濾光片旋轉(zhuǎn)盤4選取另一種波長濾光片，得到單色光λ4，再利用上述步驟2.1的原理獲得λ4的干涉圖像；
步驟3：采集完四種不同波長λ1、λ2、λ3、λ4的干涉圖像后，再利用圖像處理算法計(jì)算出每點(diǎn)的高度信息，從而得到被測(cè)對(duì)象的表面形貌。
其中利用圖像處理算法計(jì)算出每點(diǎn)的高度信息，具體實(shí)現(xiàn)過程是：
步驟3.1：利用單色光λi測(cè)量，該點(diǎn)的高度h為：
其中，ni為干涉級(jí)次，φi為干涉相位，在(-π,π)之間，i＝1、2、3、4；
步驟3.2：首先選擇波長相差較小的兩波長(λ1、λ2)，保證同一點(diǎn)，兩波長具有相同干涉兩級(jí)(n1＝n2)。此時(shí)兩種波長下的高度h具有以下關(guān)系。
考慮滿足相位差φ1-φ2±2π∈(-π,π)，因此雙波長的測(cè)量范圍為
兩近波長(λ1、λ2)雖能確定范圍，但受相位識(shí)別精度的影響，測(cè)量誤差較大，只能確定高度的粗結(jié)果。
步驟3.3：為了更精確測(cè)量，再選另兩種波長差梯度變化的兩種單色波(λ3、λ4)。利用近波長(λ1、λ2)確定大致高度，再用中波長(λ1、λ3)和遠(yuǎn)波長(λ1、λ4)在小尺度內(nèi)進(jìn)一步提高精度。
步驟3.4：最后利用單波長相位計(jì)算最后測(cè)量結(jié)果。最后通過單波長相位計(jì)算作為最終測(cè)量結(jié)果。
本實(shí)施例基于液晶空間光調(diào)制器的光學(xué)相移方法實(shí)現(xiàn)，裝置擬采用液晶空間光調(diào)制器進(jìn)行相移驅(qū)動(dòng)。液晶的雙折射特性，在液晶兩端施加電場(chǎng)，使得液晶分子發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致液晶的雙折射系數(shù)ne(異常折射率)和no(尋常折射率)發(fā)生變化或者液晶的分子長軸和電場(chǎng)之間會(huì)有不同的夾角。液晶有效雙折射率的變化就會(huì)改變光通過液晶的光程，實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制。商業(yè)化的液晶空間光調(diào)制器已經(jīng)將器件的驅(qū)動(dòng)電壓映射成二維圖像的灰度值，所以改變圖像的灰度值使經(jīng)過的光速產(chǎn)生不同的相位延遲，最后找到不同波長產(chǎn)生相同相移對(duì)應(yīng)的灰度圖像，實(shí)現(xiàn)不同波長產(chǎn)生相同的相移。
本實(shí)施例的液晶空間光調(diào)制器施加不同灰度的圖像，將使得經(jīng)過她內(nèi)部的光束產(chǎn)生一個(gè)波長量級(jí)的光程變化。使ccd接受的干涉場(chǎng)產(chǎn)生變化的干涉條紋，采集多幅位相移變化的干涉圖的光強(qiáng)分布解算出初始相位，取相移分別為θ1＝0、θ2＝90°、θ3＝180°、θ4＝270°，得到四幅干涉圖，用四步相移法進(jìn)行初始相位求解，知道初始相位就可以得到該點(diǎn)的高度。用同樣的方法，可由多幅干涉條紋圖像求出區(qū)域內(nèi)每點(diǎn)的高度，從而得到形貌。
本實(shí)施例基于最小二乘法的高精度相位識(shí)別算法研究。使ccd接受的干涉場(chǎng)產(chǎn)生變化的干涉條紋，利用干涉圖的光強(qiáng)信息得到初始相位，用四步相移法進(jìn)行初始相位求解，知道初始相位就可以得到該點(diǎn)的高度。
本實(shí)施例對(duì)光源的光強(qiáng)進(jìn)行反饋控制，使經(jīng)過不同濾光片后的光強(qiáng)相同。根據(jù)所選的四組濾光片的中心波長，在所用的白光光源光譜圖中找到這些波長對(duì)應(yīng)的權(quán)重，根據(jù)光源驅(qū)動(dòng)電流跟光強(qiáng)的關(guān)系，切換不同的波長時(shí)采用不同的電流，進(jìn)行光強(qiáng)一致的初步控制。然后根據(jù)ccd采集的圖像進(jìn)行精細(xì)控制，對(duì)采集的圖像進(jìn)行信息容量評(píng)價(jià)。
本實(shí)施例利用labview編寫測(cè)量軟件，實(shí)現(xiàn)多波長自動(dòng)切換、用于光學(xué)相移的多?；叶葓D自動(dòng)切換，干涉條紋初相位自動(dòng)識(shí)別和區(qū)域表面形貌顯示功能。
本發(fā)明在深入分析微形貌光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，充分利用液晶空間光調(diào)制器精確相位調(diào)制特性和多波長干涉的優(yōu)點(diǎn)，提出一種基于光學(xué)相移方式的多波長干涉微表面形貌干涉測(cè)量方法，本發(fā)明從測(cè)量范圍和測(cè)量精度方面綜合已有方法的優(yōu)點(diǎn)，避免其中存在的不足與缺陷，完成跨尺度表面形貌高精度的測(cè)量。
本發(fā)明既能滿足跨尺度的測(cè)量范圍要求，又能保持單波長干涉的納米精度，為微表面形貌測(cè)量提高了一種新的思路，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
盡管本說明書較多地使用了計(jì)算機(jī)1、光強(qiáng)可控式白光光源2、第一透鏡3、濾光片旋轉(zhuǎn)盤4、分光棱鏡5、第二透鏡6、被測(cè)對(duì)象7、第三透鏡8、ccd相機(jī)9、空間光調(diào)制器slm的驅(qū)動(dòng)器10、純相位調(diào)制式液晶空間光調(diào)制器(slm)11、第四透鏡12等術(shù)語，但并不排除使用其他術(shù)語的可能性。使用這些術(shù)語僅僅是為了更方便的描述本發(fā)明的本質(zhì)，把它們解釋成任何一種附加的限制都是與本發(fā)明精神相違背的。
應(yīng)當(dāng)理解的是，本說明書未詳細(xì)闡述的部分均屬于現(xiàn)有技術(shù)。
應(yīng)當(dāng)理解的是，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述較為詳細(xì)，并不能因此而認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明專利保護(hù)范圍的限制，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求所保護(hù)的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)，本發(fā)明的請(qǐng)求保護(hù)范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準(zhǔn)。