[发明专利]一种快照式全场白光干涉显微测量方法及其装置

说明书

本发明公开了一种快照式全场白光干涉显微测量方法及其装置。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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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（Microelectromechanical systems，MEMS）、衍射光学元件（Diffractive opticalelement，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，Piezoelectric transducer，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。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种无需机械扫描部件，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）高精度测量的方法及其装置。

为实现上述发明目的，本发明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；