[发明专利]一种白光扫描干涉测量蝠翼效应的形貌模拟和补偿方法

说明书

本发明提供一种白光扫描干涉测量蝠翼效应的形貌模拟和补偿方法，包括如下步骤：S1：给定模拟形貌；S2：生成白光扫描干涉仪测量结果的光强信号；S3：利用卷积定理获得新的干涉光强信号；S4：采用峰值提取算法从步骤S3得到的干涉光强信号提取位相并重构干涉仪测量形貌；S5：蝠翼效应的形貌补偿，将步骤S4得到的含有蝠翼效应的模拟形貌利用公式(1)生成模拟干涉光强信号，然后利用反卷积定理得到补偿后的干涉光强信号，对补偿后的干涉光强信号采用峰值提取算法得到补偿后的高度信息，即可得到补偿后的形貌。本发明解决了现有白光扫描干涉测量技术受蝠翼效应误差的影响，限制白光干涉仪的测量精度和准确度的问题。

技术领域

本发明涉及白光扫描干涉测量领域，具体而言，尤其涉及一种白光扫描干涉测量蝠翼效应的形貌模拟和补偿方法。

背景技术

光学测量法因非接触测量、操作过程简单、效率高等优点，是超精密加工技术形貌检测计量的主要手段。其中，白光扫描干涉测量技术测量精度高至纳米级甚至亚纳米级、不会损伤工件表面、可测三维形貌，测量范围从纳米级到毫米级，广泛应用于磨削抛光等各种超精密加工表面的形貌测量中。

然而，由于它是对光学干涉条纹图像进行解析从中得到表面形貌信息，所以干涉图像引入的误差对结果影响很大，如瑞利衍射极限、漫反射造成的光强损失、背景光噪声等，从而引起各类测量误差如蝠翼效应、2π误差、色散色差、多重反射等。众多误差的存在限制了白光干涉仪的测量精度和准确度。

在给定形貌的白光干涉测量时，干涉光强信号为：

但上述公式是不考虑光衍射效应的影响。点源在经过任何光学系统后都会由于衍射而形成扩大的像点，通过结合测量系统的点扩展函数能够准确提取图像信息。任何复杂物体都是由无数点源组成的，其像的强度为物强度与点扩展函数的卷积，具体表现为：

I_n,image(x,y)＝I_n(x,y)*psf(x,y)

白光扫描干涉测量系统的测量过程得到的干涉信号受衍射效应的影响。Xie等人通过实验测量认为干涉光强信号的形状大小受物镜的数值孔径和光源的光谱带宽的影响；此外，台阶高度、坡度或曲率等测量对象本身的局部表面特征也会影响干涉光强信号的形状。

通过对每一帧的干涉光强信号进行算法处理，找到每个采样点的零光程差位置，进而可以从光强信息中提取出高度信息，获得表面形貌信息。峰值提取算法有重心法、多项式拟合法、包络线法、空间频域法和白光相移法等几种。不同的提取算法定位精度、抗干扰能力、计算速度以及采样间隔不一。

白光扫描干涉仪的实际测量结果表明，当测量小于相干长度的台阶高度时，受衍射效应等的影响台阶边缘会产生形如蝠翼的伪影，称为蝠翼效应。由于白光扫描干涉测量技术广泛应用，所以提高该方法的测量精度是研究的重点，减少蝠翼效应的影响至关重要。Harasaki等利用WLPSI算法减少蝠翼效应；Peter等人则从光路系统中改进，通过改变光源波长等调节参数设置来避免蝠翼。

蝠翼效应通常被认为是由于系统衍射影响造成的。在测量台阶顶部时，入射光由干涉物镜发出，在经过陡峭台阶边缘时，发生衍射，衍射光入射到台阶底部，底部部分光强信息与顶部的光强信息同时返回到物镜中，形成顶部光强信息，从而使顶部光强发生变化，由此导致顶部高度信息被抬高；反之，底部高度信息降低，从而在台阶边缘处形成明显的形如蝠翼的高度信息。蝠翼效应限制了白光干涉仪在测量百纳米台阶时的测量精度和准确度，进而限制了其在超精密加工中微结构领域的应用。

发明内容

根据上述提出现有白光扫描干涉仪受各类测量误差的影响，限制了测量精度和准确度的技术问题，本发明通过白光扫描干涉测量光强模拟程序和峰值提取程序对白光扫描干涉仪测量过程蝠翼效应进行形貌模拟，进而提供一种白光扫描干涉测量蝠翼效应的形貌模拟和补偿方法。本发明针对百纳米台阶测量时出现的蝠翼测量误差，通过反卷积算法补偿蝠翼形貌，提高了白光扫描干涉形貌测量精度和准确度。