CN110763159A - 一种光学偏折显微表面测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光学偏折显微表面测量方法，所述方法包括：采用三坐标测量设备对所述光学偏折显微表面测量装置的结构位置参数S进行测量标定；根据测量标定的结构位置参数S，计算所述变形条纹光信号的相位分布，所述变形条纹光信号包括待测元件微观面形轮廓特征信息；根据所述相位分布，获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布；将所述实际光斑分布与一预设的理想光斑分布进行比较，得到所述待测元件的微观面形轮廓。相应的，本发明还公开了光学偏折显微表面测量装置。通过本发明实现了高精度、低成本、空间分辨率高、测量速度快的显微测量技术方案。

Description

一种光学偏折显微表面测量装置及方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，尤其涉及一种光学偏折显微表面测量装置及方法。

背景技术

近年来随着微纳米技术的发展，对元器件微形变的测量需求逐渐增大，测量精度和速度的要求也不断提高。现有技术中，通常通过光学干涉仪测量方法、扫描显微镜测量法等技术方案，来实现对反射性表面的显微测量。但是，光学干涉仪测量方法存在测量动态范围小、易受环境干扰、检测成本高等缺点。扫描显微镜测量法，比如投射电子显微镜(STEM)，虽然水平和垂直分辨率极高，但其测量范围很小、检测成本高，因此在工程表面测量中受到诸多限制。

中国专利申请公布号为CN107560564A的一种自由曲面检测方法及系统的发明专利，该专利采用传统的光学偏折测量装置，其采用投影屏、待测元件、CCD探测器组成逆向哈特曼光学检测系统，该系统虽可实现对元件表面的快速测量，但其空间分辨率低，无法实现精确的显微测量。一种有关光学偏折显微测量的装置(详见Gerd

等，Microdeflectometry-a novel tool to acquire three-dimensional microtopographywith nanometer height resolution,"Optics Letters 33(4),396-398)中实现了对反射面面形误差的检测，通过条纹相位与面形斜率的关系来求解面形误差，测量精度低，并且该装置的视场范围小，使测量范围受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学偏折显微表面测量装置及方法，实现了高精度、低成本、空间分辨率高、测量速度快的显微表面测量技术方案。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学偏折显微表面测量装置，所述测量装置包括投影屏、分光棱镜、待测元件、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和计算机，其中，所述待测元件置于所述分光棱镜的下方，所述投影屏设于所述分光棱镜的左侧并使二者平行，所述显微物镜、成像透镜和CCD探测器依次设于所述分光棱镜的上方，所述计算机产生一正弦条纹光信号，所述正弦条纹信号光经过所述分光棱镜投射至所述待测元件，经过所述待测元件的表面回返至所述分光棱镜，并经过所述显微物镜和成像透镜进行汇聚成一汇聚光束，所述汇聚光束在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述计算机对所述变形条纹光信号进行分析，获取所述待测元件的微观面形轮廓信息。

为实现上述目的，本发明提供了一种光学偏折显微表面测量方法，所述方法包括：

S1、采用三坐标测量设备对所述光学偏折显微表面测量装置的结构位置参数S进行测量标定；

S2、根据测量标定的结构位置参数S，计算所述变形条纹光信号的相位分布，所述变形条纹光信号包括待测元件微观面形轮廓特征信息；

S3、根据所述相位分布，获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布；

S4、将所述实际光斑分布与一预设的理想光斑分布进行比较，得到所述待测元件的微观面形轮廓。

优选的，所述步骤S1包括：结构位置参数S＝{(x_i,y_i,z_i),(α_i,β_i,γ_i)},其中i表示元件的标号数，(x_iy_iz_i)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，(α_i,β_i,γ_i)表示标号为第i个元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角。

优选的，所述步骤S2包括：

利用计算机调制生成相位分别为0、π/2、π、3π/2的x方向的4幅正弦条纹光信号和y方向的四幅正弦条纹光信号；

根据x和y两种方向的四步移相，所述CCD探测器采集到四幅相位相差π/2的x方向变形条纹光信号和四幅相位相差π/2的y方向变形条纹光信号。

优选的，所述步骤S2还包括：

根据式(1)计算所述正弦条纹光信号的光强；

设置δ_n为π/2，利用四步移相方法，获取所述四组变形条纹光信号的光强分别为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)。

优选的，所述步骤S2还包括：

根据相移计算公式(2)，得到所述变形条纹光信号的相位分布；

优选的，所述步骤S2还包括：

利用相移技术和相位展开算法，对所述CCD探测器采集到的变形条纹光信号进行计算，得到对应的相位分布；所述相位分布关系和相位展开法满足公式(3)；

其中，Φ(i)为展开相位，k(i)为平移函数。

优选的，所述步骤S3包括：

所述变形条纹光信号中的x水平方向和y竖直方向上的相位值分别对应像素点投影在CCD探测器上的横坐标和纵坐标值；

根据式(4)，得到所述变形条纹光信号中每个亮斑对应的x轴和y轴的发光像素点的坐标为；

其中，p_x和p_y为所述CCD探测器获取的分别为x方向和y方向的投影屏的投影条纹宽度。

优选的，所述步骤S4包括：

根据所述结构位置参数S，建立光路从CCD探测器起依次经过成像透镜、显微物镜、分光棱镜、待测元件、投影屏的理想光学显微偏折模型；

在所述理想光学显微偏折模型中，将所述CCD探测器的小孔作为点光源，并设置所述待测元件的反射面为理想面；

根据光线追迹法生成与所述实际光斑坐标值相对应的理想光斑坐标值

优选的，所述步骤S4还包括：

根据所述实际光斑坐标值与理想光斑值的差异，得到微观面形轮廓的波前斜率分布；

使用积分法得到待测元件的微观面形轮廓信息。

与现有技术相比，本发明一种光学偏折显微表面测量装置及方法，所带来的有益效果为：

(1)、本发明改善了传统光学偏折测量系统空间分辨率低的问题，无需额外补偿光学元件与标准光学元件；

(2)、简化了测量系统的校准工作，通过计算机软件搭建理想光学偏折显微测量模型来实现光线追迹，在不提高成本的情况下有效地提高了测量的精度；

(3)、鉴于接触式测量的损害性、干涉法的苛刻测量环境、传统偏折测量装置的空间分辨率低以及测量精度低的技术问题，本发明提供了一种高精度高、低成本、空间分辨率高、测量速度快的显微测量装置和方法。

附图说明

图1是根据本发明的一个实施例的光学偏折显微表面测量装置的系统示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的光学偏折显微表面测量方法的流程示意图。

图3是根据本发明的一个具体实施例中的x方向和y方向的变形条纹光信号的示意图。

图4是根据本发明的一个具体实施例中的x方向相位分布和y方向的相位分布的示意图。

图5是根据本发明的一个具体实施例中的微观面形轮廓的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述，但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1所示的本发明一实施例，所述光学偏折显微表面测量装置包括包括投影屏1、分光棱镜2、待测元件3、显微物镜4、成像透镜5、CCD探测器6和计算机，其中，所述待测元件3置于所述分光棱镜2的下方，所述投影屏1设于所述分光棱镜2的左侧并使二者平行，所述显微物镜4、成像透镜5和CCD探测器6依次设于所述分光棱镜2的上方。所述计算机产生一正弦条纹光信号，所述正弦条纹信号光经过所述分光棱镜2投射至所述待测元件3，经过所述待测元件的表面回返至所述分光棱镜2，并经过所述显微物镜4和成像透镜5进行汇聚成一汇聚光束，所述汇聚光束在所述CCD探测器6中呈现一变形条纹光信号，所述计算机对所述变形条纹光信号分析，获取所述待测元件的微观面形轮廓信息。所述投影屏1、分光棱镜2、显微物镜4、成像透镜5、CCD探测器6组成基于逆向哈特曼光学检测的偏折显微测量系统。所述投影屏1和CCD探测器6分别与计算机建立通信连接。计算机调制生成正弦条纹光信号，将该正弦条纹投射到所述投影屏上。该正弦条纹光信号经所述投影屏1入射至所述分光棱镜2，所述正弦条纹光信号经由所述分光棱镜2反射到所述待测元件3，并经过所述待测元件3的表面反射经过所述分光棱镜2透射至所述显微物镜4，在所述显微物镜4成汇聚光束，所述汇聚光束经过所述成像透镜5汇聚至所述CCD探测器6，所述CCD探测器6根据所述汇聚光束信号呈现出一变形条纹光信号。所述显微物镜4的光轴、成像透镜5的光轴、CCD探测器6的中心与分光棱镜2的中心位于同一直线，所述CCD探测器6垂直于所述成像透镜5的光轴。所述显微物镜4为长工作距离显微物镜，所述待测元件3的表面位于所述显微物镜2的焦平面上。所述分光棱镜2是斜面为镀分光膜、其余面为镀增透膜的正立方体分光棱镜，所述分光棱镜2的斜面分光膜与水平轴方向呈135°角。通过所述待测元件3相对上下移动或旋转实现微调，以保证所述待测元件3的表面位于所述显微物镜4的焦平面上，再对投影屏1相对左右移动，使得待测元件3反射所述投影屏1出射光能被所述CCD探测器6摄取，以得到清晰完整的像。该测量装置结构简单、调节方便、通用性强，具有高分辨率和检测精度，能实现对待测元件表面的高精度显微测量。

如图2所示的本发明一实施例中，本发明提供一种光学偏折显微表面测量方法，所述方法包括：

S201、采用三坐标测量设备对所述光学偏折显微表面测量装置的结构位置参数S进行测量标定；

S202、根据测量标定的结构位置参数S，计算所述变形条纹光信号的相位分布，所述变形条纹光信号包括待测元件微观面形轮廓特征信息；

S203、根据所述相位分布，获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布；

S204、将所述实际光斑分布与一预设的理想光斑分布进行比较，得到所述待测元件的微观面形轮廓。

在所述步骤S201中，进行所述光学偏折显微表面测量装置的安装。所述待测元件3置于所述分光棱镜2的下方，所述投影屏1设于所述分光棱镜2的左侧并使二者平行，所述显微物镜4、成像透镜5和CCD探测器6依次设于所述分光棱镜2的上方。所述投影屏1、分光棱镜2、显微物镜4、成像透镜5、CCD探测器6组成基于逆向哈特曼光学检测的偏折显微测量系统。

利用测量精度可达微米量级三坐标测量设备对所述的包括投影屏、分光棱镜、待测元件、显微物镜、成像透镜和CCD探测器在内的逆向哈特曼验光电路的结构位置参数S进行测量标定，其结构位置参数S＝{(x_i,y_i,z_i),(α_i,β_i,γ_i)},其中i表示元件的标号数，(x_iy_iz_i)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，(α_i,β_i,γ_i)表示标号为第i个元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角。

根据本发明的一具体实施例，所述步骤S202包括：利用计算机调制生成一正弦条纹光信号，对所述正弦条纹光信号进行参数配置，分别设置相位为0、π/2、π、3π/2的x方向的4幅正弦条纹光信号和y方向的四幅正弦条纹光信号。根据x和y两种方向的四步移相，投影屏投射正弦条纹光信号经待测元件反射后被显微物镜会聚，再经过成像透镜成像，使得CCD探测器采集到四幅相位相差π/2的x方向变形条纹光信号和四幅相位相差π/2的y方向变形条纹光信号。

根据式(1)计算所述正弦条纹光信号的光强：

通过调整δ_n的值来调整所述正弦条纹光信号的光强；所述δ_n取值为π/2，利用四步移相方法，获取所述四组变形条纹光信号的光强分别为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)。

根据相移计算公式(2)，得到所述变形条纹光信号的相位分布：

对CCD探测器采集到的变形条纹光信号，利用相移技术和相位展开算法，计算得到对应的相位分布，所述变形条纹光信号包括待测元件微观面形轮廓特征信息。所述相位分布关系和相位展开法满足公式(3)：

其中，Φ(i)为展开相位，k(i)为平移函数。

根据所述相位分布，获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布。具体地，所述变形条纹光信号中的x水平方向和y竖直方向上的相位值分别对应像素点投影在CCD探测器上的横坐标和纵坐标值；根据式(4)，得到所述变形条纹光信号中每个亮斑对应的x轴和y轴的发光像素点的坐标为：

其中，p_x和p_y为所述CCD探测器获取的分别为x方向和y方向的投影屏的投影条纹宽度。根据式(4)得出获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布。

将所述实际光斑分布与一预设的理想光斑分布进行比较，得到所述待测元件的微观面形轮廓。具体地，根据所述结构位置参数S，建立光路从CCD探测器起依次经过成像透镜、显微物镜、分光棱镜、待测元件、投影屏的理想光学显微偏折模型；在所述理想光学显微偏折模型中，将所述CCD探测器的小孔作为点光源，并设置所述待测元件的反射面为理想面；根据光线追迹法生成与所述实际光斑坐标值相对应的理想光斑坐标值。

通过实际测量数据得出的实际光斑坐标值与理想光斑值的差异，得到微观面形轮廓的波前斜率分布，并使用积分法得到待测元件的微观面形轮廓信息，从而完成对待测元件的高精度显微测量。

下面通过一具体的实施例对本发明做进一步的说明。光学偏折显微表面测量装置中的分光棱镜采用边长为25.4mm的宽带正立方体分光棱镜，显微物镜采用放大倍数为10×、工作距离为34mm的长工作距离显微物镜，CCD探测器采用分辨率为1328(H)×1048(V)、像素尺寸为3.63μm×3.63μm的CCD探测器，整个测量装置用精度为5.0μm、分辨率为0.078μm的三坐标仪进行测量标定，对直径为50.02mm的圆形金属表面进行光学偏折显微表面的测量。通过金属表面相对上下移动或旋转实现微调保证金属表面位于显微物镜的焦平面上，再对投影屏相对左右移动，使得金属表面反射投影屏出射的光能在CCD探测器上呈现清晰完整的像。使用三坐标仪对该光学偏折显微表面测量装置进行标定，获取结构位置结构参数S。通过计算机的预存程序进行参数配置，使投影屏分别显示x方向和y方向的四步π/2移相正弦条纹光信号。通过计算机程序控制横向条纹条数为90，纵向条纹条数为160。通过投影屏的参数计算可得条纹间距均为17.1mm。CCD探测器实时采集四步移相正弦条纹经过金属表面反射后的x方向和y方向的变形条纹光信号，如图3中的左图为x方向的变形条纹光信号，右图为y方向的变形条纹光信号。利用四步移相算法，根据式(2)求解出CCD探测器采集到的四步移相正弦条纹对应的相位分布

和

根据式(4)求得对应相位值的像素点投影在CCD探测器上的横坐标和纵坐标值，即实际光斑坐标值。根据参数S在计算机软件中建立光学偏折显微测量模型，并模型中将待测元件的反射面置为理想面，根据光线追迹法可获得与实际光斑坐标值相对应的理想光斑坐标值。图4为对用四步移相算法求解的CCD探测器采集到的四步移相正弦条纹相位展开后得到的x方向的相位分布(左图)和y方向的相位分布图(右图)。根据上述实际测量数据得出的实际光斑坐标值与检测系统模型光线追迹结果的理想光斑值差异进行分析，可得出微观面形的波前斜率分布，最终对波前斜率积分可得到金属表面的微观面形轮廓信息，如图5所示。

尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员将意识到，在不脱离由所附的权利要求书公开的本发明的范围和精神的情况下，各种改进、增加以及取代是可能的。

Claims (10)

1.一种光学偏折显微表面测量装置，其特征在于，所述测量装置包括投影屏、分光棱镜、待测元件、显微物镜、成像透镜、CCD探测器和计算机，其中，所述待测元件置于所述分光棱镜的下方，所述投影屏设于所述分光棱镜的左侧并使二者平行，所述显微物镜、成像透镜和CCD探测器依次设于所述分光棱镜的上方，所述计算机产生一正弦条纹光信号，所述正弦条纹信号光经过所述分光棱镜投射至所述待测元件，经过所述待测元件的表面回返至所述分光棱镜，并经过所述显微物镜和成像透镜进行汇聚成一汇聚光束，所述汇聚光束在所述CCD探测器中呈现一变形条纹光信号，所述计算机对所述变形条纹光信号进行分析，获取所述待测元件的微观面形轮廓信息。

2.一种如权利要求1所述的一种光学偏折显微表面测量装置的测量方法，其特征在于，所述方法包括：

S1、采用三坐标测量设备对所述光学偏折显微表面测量装置的结构位置参数S进行测量标定；

S2、根据测量标定的结构位置参数S，计算所述变形条纹光信号的相位分布，所述变形条纹光信号包括待测元件微观面形轮廓特征信息；

S3、根据所述相位分布，获取所述待测元件微观表面对应的实际光斑分布；

S4、将所述实际光斑分布与一预设的理想光斑分布进行比较，得到所述待测元件的微观面形轮廓。

3.如权利要求2所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S1包括：结构位置参数S＝{(x_i,y_i,z_i),(α_i,β_i,γ_i)},其中i表示元件的标号数，(x_iy_iz_i)表示标号为i的元件的三维空间位置坐标，(α_i,β_i,γ_i)表示标号为第i个元件分别相对于x轴、y轴和z轴的倾角。

4.如权利要求3所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S2包括：

利用计算机调制生成相位分别为0、π/2、π、3π/2的x方向的4幅正弦条纹光信号和y方向的四幅正弦条纹光信号；

根据x和y两种方向的四步移相，所述CCD探测器采集到四幅相位相差π/2的x方向变形条纹光信号和四幅相位相差π/2的y方向变形条纹光信号。

5.如权利要求4所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

根据式(1)计算所述正弦条纹光信号的光强；

设置δ_n为π/2，利用四步移相方法，获取所述四组变形条纹光信号的光强分别为I₁(x,y)、I₂(x,y)、I₃(x,y)、I₄(x,y)。

6.如权利要求5所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

根据相移计算公式(2)，得到所述变形条纹光信号的相位分布；

7.如权利要求6所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S2还包括：

利用相移技术和相位展开算法，对所述CCD探测器采集到的变形条纹光信号进行计算，得到对应的相位分布；

所述相位分布关系和相位展开法满足公式(3)；

其中，Φ(i)为展开相位，k(i)为平移函数。

8.如权利要求7所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S3包括：

所述变形条纹光信号中的x水平方向和y竖直方向上的相位值分别对应像素点投影在CCD探测器上的横坐标和纵坐标值；

根据式(4)，得到所述变形条纹光信号中每个亮斑对应的x轴和y轴的发光像素点的坐标为；

其中，p_x和p_y为所述CCD探测器获取的分别为x方向和y方向的投影屏的投影条纹宽度。

9.如权利要求1所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

根据所述结构位置参数S，建立光路从CCD探测器起依次经过成像透镜、显微物镜、分光棱镜、待测元件、投影屏的理想光学显微偏折模型；

在所述理想光学显微偏折模型中，将所述CCD探测器的小孔作为点光源，并设置所述待测元件的反射面为理想面；

根据光线追迹法生成与所述实际光斑坐标值相对应的理想光斑坐标值。

10.如权利要求9所述的光学偏折显微表面测量方法，其特征在于，所述步骤S4还包括：

根据所述实际光斑坐标值与理想光斑值的差异，得到微观面形轮廓的波前斜率分布；

使用积分法得到待测元件的微观面形轮廓信息。

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