[发明专利]瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法

说明书

技术领域

本发明属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域，主要涉及一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法。

背景技术

共焦测量技术最早是由M.Minsky于1957年提出，并于1961年获得了美国专利，专利号US 3013467，其基本技术思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，实现轴向层析能力，同时共焦显微镜的横向分辨力是普通显微镜的1.4倍。经过近五十年的发展，共焦显微技术在基本共焦的基础上取得了长足的发展和进步，各种不同类型的共焦显微装置和技术不断涌现，目前，共焦显微测量技术已经广泛应用于微光学、微电子、微机械、材料、生命科学、表面科学、纳米蚀刻，尤其是在生物医学领域，共焦显微术显示出其巨大的应用前景。

基于位移—强度变化关系的共焦测量方法，存在易受测量光信号强度易受测量表面反射率差异和测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，这种影响直接导致已经标定的信号强度和位移输出关系曲线变化，因此会带来较大的测量误差，这种测量原理缺陷约束了共焦测量技术在表面反射率变化较大和曲面轮廓测量中的应用；基于移相干涉的共焦测量方法的本质是将位移变化转换成位相变化实现微结构和微位移测量，这类测量技术很好地解决了测量表面反射率和表面倾斜对测量结果的影响问题，但是由于位相测量值求解具有周期性，因此这类测量方法不能直接用于台阶高度测量，只能获得相对位移变化，也不能直接用于绝对位移测量。

时间移相干涉二次共焦测量技术(参见发明专利：基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置；专利公开号：CN 101275822A；专利公开日：2008年10月1日)为已公开技术，其装置结构包括：激光器、聚焦物镜、照明针孔、扩束准直物镜、偏振分光镜、四分之一波片、普通分光镜、平面反射镜、第一微驱动器、探测聚焦物镜、第二微驱动器、收集物镜、探测针孔和光电探测器。本发明将时间移相干涉二次共焦测量技术视为已知技术。

时间移相干涉二次共焦测量技术，利用共焦点探测器的轴向层析作用，通过两次移相干涉获得两种共焦状态下的相位信息，从而实现离焦位移的解算；四步时间移相干涉二次共焦测量技术存在两大缺点：首先由于四幅干涉图是在同一位置不同时刻获得的，使得时间移相干涉方法只适于静态测量，且环境振动和空气扰动严重影响高精度干涉条纹的获得；其次四步时间移相通过PZT微位移驱动来实现，难以消除机械移相误差，这同样制约超精密测量精度的提高。

同步移相干涉测量技术的基本原理是在同一时刻、不同空间位置采集相互之间具有一定移相步长的干涉图。由于振动在相同时刻对干涉图的影响是相同的，如采用高速、高分辨率的采集设备，则基于一般移相算法的相减相除的规则，可以从根本上避免环境振动和空气扰动对测量结果的影响。

基于‘分光镜分光—偏振移相’原理的同步移相模块由Piotr Szwaykowski等人于2004年申请了美国专利(参见专利：Simultaneous phase shifting module foruse in interferometry；专利号：US7483145)。该同步移相模块结构包括：非偏分振幅分光镜、快轴方向与水平方向都成45°角的三个四分之一波片、通光方向与水平方向分别成0°、45°和90°角的三个偏振片以及三个相同的干涉图采集相机。该专利技术已经商品化应用于ESDI公司Intellium^TMH2000系列Fizeau型同步干涉仪。

发明内容

本发明目的在于克服现有时间移相干涉共焦测量技术中环境振动和空气扰动以及机械移相误差对二次移相干涉共焦超精密测量的影响，设计提供一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法。

本发明的技术方案如下：

一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法：