CN1603791A - 光栅表面质量无损检测方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种光栅表面质量无损检测方法和装置，其核心主要是采用平行光照明待测光栅时，在该光栅的整数泰伯距处形成光栅的泰伯像，然后用纳米光纤探针扫描该泰伯像，并将探测的光信号转变成电信号，再由计算机进行数据处理，即可获得该光栅的周期、均匀性、直线度和整体均匀性等参数，本发明的方法将会成为高密度光栅表面质量检测的一种有用新方法，具有重要的学术价值和应用前景。

Description

光栅表面质量无损检测方法和装置

技术领域：

本发明涉及一种高精度光栅检测技术，特别是一种高密度光栅表面质量无损检测的方法和装置。

背景技术：

光栅是一种非常重要的色散光学元件，实际使用过程中需要对光栅的质量进行检测，由于光栅属于高精度光学元件，光栅的栅线很精细，所以不仅需要对其进行宏观测量，而且还需要局部的高精度表面质量检测。

通过对光栅参数的宏观测量，例如衍射效率和衍射角等，可以得到光栅许多实用的参数信息。有时仅仅测量这些宏观参数是不够的，人们仍然希望得到光栅表面的局部特征参数，这些光栅局部的详细信息对光栅质量的确定具有重要的指导意义。

评价衍射光栅质量的物理指标主要有衍射波阵面像差、衍射效率、鬼线强度、杂散光强度等。影响这些宏观指标的最终因素还是光栅本身的表面质量，如光栅周期、沟槽的形状误差及位置误差、周期误差及各种瑕疵等，因此光栅表面质量检测就显得尤为重要。例如对于每毫米一千线左右的光栅，有时我们希望知道其中几条线的详细信息，例如周期、直线度、均匀性等参数，这些参数对光栅的整体质量的判断具有重要意义。但几根光栅线的尺度在微米量级，甚至小于十个微米，这样就很难利用其它方法对这几根光栅线的详细信息进行精确测量。

已有的精密表面质量检测方法包括台阶仪、原子力显微镜、电子显微镜等。台阶仪工作时探针以一定压力沿着被测表面作一维扫描，所以对高精度膜层的光栅会产生一定的损伤，而且台阶的探针针尖只能达到微米量级，所以只能用在低密度光栅的一维检测中，对高密度的光栅就难以测量。

原子力显微镜的优势在于极高的纵向、横向分辨率，但纵向测量范围很小，不适合于二元光学技术加工的深刻蚀光栅测量；同时原子力显微镜擅长于测量金属表面的微观信息，对于常用的光学材料如玻璃、石英等并不一定能给出准确的表面信息。

扫描电子显微镜可以获得光栅表面的精确信息，这已成为目前高密度光栅表面形貌测量的通用方法之一。但这种方法需要对样品进行破坏，而且需工作在真空状态下，对环境要求较高，检测成本比较大。高质量的光栅并不适合于这种破坏性测量。

Talbot在1836年发现在接近光栅表面的特定距离处会出现与光栅结构相同的像，称为Talbot效应或光栅自成像效应，它是指光栅在单色光的照明下在周期距离上出现光栅的衍射像，它具有和原光栅相同的周期。Talbot效应是一个基本的光学现象，早已被人们深入的研究过。

最近，人们在Talbot效应上又取得了新的进展，认识到分数Talbot距上仍有光栅的自成像效应，有时会存在对称性的位相分布并且存在邻域位相差分的规则性传播，由此发展了一整套简化数学公式来对其进行解释[Changhe Zhou，SvetomirStankovic，and Theo Tschudi，Analytic phase-factor equations for Talbotarray illuminations，Applied Optics，Vol.38，No.2，1999，pp284]，这些研究成果极大的丰富了人们对光栅自成像效应的认识。

扫描近场光学显微镜是利用头部开口为纳米级的光纤探针作为接收或发射光信号的装置，在距离表面小于一个波长的范围内对物体表面进行超过衍射极限分辨率的测量，得到普通光学显微镜得不到的微观表面信息。扫描近场光学显微镜探针工作时距离表面小于一个波长，很容易与表面接触，这对于高精度光栅表面来说会造成很大的损伤，甚至使整个光栅成为废品。另外，扫描近场光学显微镜结构复杂，价格昂贵，因此并不适用于高精度光栅表面局部检测。

扫描近场光学显微镜可以在接近物体表面处对物体表面成像[S.1.Bozhevolnyi，M.Xiao，and 0.Keller，External-Reflection Near-Field OpticalMicroscope With Cross-Polarized Detection，Applied Optics，Vol.33，No.5，1994，pp876]、[Igor I.Smolyaninov and Christopher C.Davis，ApparentSuperresolution In Near-Field Optical Imaging Of Periodic Gratings，OpticsLetters，Vol.23，No.17，1998，pp1346]，Bozhevolnyi、Smolyaninov等虽然利用近场光学显微镜得到了光栅的Talbot像，但并没有意识到可以将其作为一种高精度光栅局部表面质量检测方法。

光栅表面质量的检测存在检测面积与检测精度之间的矛盾，高密度的光栅需要极高精度的检测技术，因此光栅的表面质量检测应该以无损局部检测为主，而目前还没有一种方法能够对任意材料的光栅局部表面质量进行比较全面的高精度测量分析。

发明内容：

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的困难，提供一种光栅表面质量无损检测的方法和装置，它具有很高的测量精度、测量速度快、对环境要求不高和可以现场及时进行检测的特点。

本发明的技术解决方案是：

一种光栅表面质量无损检测的方法，其特征在于该方法主要是采用平行光照明待测光栅时，在该光栅的整数泰伯距处形成光栅的泰伯像，然后用纳米光纤探针扫描该泰伯像，并将探测的光信号转变成电信号，再由计算机进行数据处理，即可获得该光栅的周期均匀性、直线度和整体均匀性等参数：

光栅表面质量无损检测装置，其构成是：沿光束前进的方向依次包括：平行光束、待测光栅、光栅泰伯像、光纤探针，该光纤探针由一固定在三维调整架上的压电陶瓷管驱动对所述光栅泰伯像进行扫描，光纤探针探测的光信号经光纤传输进入光电探测器转变成电信号，该电信号进入计算机进行数据处理。

所述的平行光束是由He-Ne激光器发出的激光束经透镜聚焦、针孔滤波器滤波、准直透镜准直而成。

所述的泰伯像处于待测光栅后的泰伯距离Z_t处：

$Z_t=\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}}$

式中：d为光栅周期，λ为照明光束的波长。

所述的光电探测器(8)为光电倍增管。

本发明与在先技术相比具有的优点：

1.具有很高的测量精度，是其它方法所难以达到的；

2.测量速度快，通常一次测量在几分钟之内就可完成；

3.对环境要求不高，不需要真空或其它特殊的环境要求，可以现场及时进行检测；

4.是一种无损测量方法，不需直接接触光栅表面，从得到的Talbot像中不但可以分析光栅的表面质量，还可以对制作误差进行一定的分析。

附图说明：

图1为本发明的原理图；

图2为具体实施例的装置示意图；

图3为采用本发明技术对三种光栅测得的Talbot像。

图4为光栅整体均匀性曲线

图中：

1-入射平行光；2-待测光栅；3-光栅自成像的Talbot距；4-Talbot像，

5-光纤探针或其它形式的纳米探针；6-压电陶瓷管；7-三维调节架；

8-光电探测器件；9-计算机***；10-HeNe激光器；

11-未经扩束的激光束；12-显微物镜；13-针孔滤波器，

14-准直透镜，71-调节架竖直方向调节旋钮；

72、73-精密三维调节架水平方向调节旋钮；

74-固定底座，a为制作在明胶上的全息光栅，600L/mm；

b为全息光栅，基底为光刻胶，1200L/mm；

c为采用刻划技术制造的金属反射光栅，600L/mm。

图4为光栅整体均匀性曲线，a、b、c分别为600L/mm明胶光栅，1200L/mm光刻胶光栅和600L/mm金属刻划光栅；d为直线度定义示意图。

具体实施例：

本发明如图1所示，采用一种纳米光纤扫描探针***，扫描探针为近场显微镜的光纤探针，扫描***为压电陶瓷与三维调节架结合，非常适合于光栅Talbot像扫描成像，从而可实现一种光栅表面质量无损检测。

本发明的原理主要是利用光栅的自成像效应，一维周期光栅复振幅透过率可表示为：

$g\left(x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\exp \left(i2\mathrm{\π}\frac{n}{d}x\right)---n=0,\±1,\±2,...---\left(1\right)$

其中d为周期，物场分布的空间频谱为：

$G\left(f_x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{d})---\left(2\right)$

各平面波分量传播过程中仅产生相移，则有：

$H\left(f_x\right)=\exp (-\mathrm{i\π\λz}{f}_{\mathrm{\π}}^2)\exp \left(\mathrm{ikz}\right)---\left(3\right)$

观察平面得到场分布频谱为：

$G^{\′}\left(f_x\right)=G\left(f_x\right)H\left(f_x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{d})\exp (-\mathrm{i\π\λz}{f}_x^2)\exp \left(\mathrm{ikz}\right)---\left(4\right)$

$=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{d})\exp [-\mathrm{i\π\λz}{\left(\frac{n}{d}\right)}^2{f}_x^2]\exp \left(\mathrm{ikz}\right)$

当满足条件 $z=\frac{2m{d}^2}{\mathrm{\λ}},$ $\exp [-\mathrm{i\λ\πz}{\left(\frac{n}{d}\right)}^2]=1,$ 在这一特殊情况下，

$G^{\′}\left(f_x\right)=\underset{n=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{c}_n\mathrm{\δ}(f_x-\frac{n}{d})\exp \left(\mathrm{ikz}\right)=G\left(f_x\right)\exp \left(\mathrm{ikz}\right)$

光场的复振幅为：g′(x)＝g(x)exp(ikz)，强度分布I(x)＝|g′(x)|²＝|g(x)|²，与原物相同。于是在 $z_t=\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}}$ 的整数距离上，可以观察到与原物相同的像。

Z_t则称为Talbot距离，当光栅为600L/mm，即周期1.67μm，采用HeNe激光器，波长0.6328μm， $Z_t=\frac{2d^2}{\mathrm{\λ}}=8.78\mathrm{\μm}.$ 光栅的菲涅耳衍射场沿x、z均为周期性变化，在Z_t处所得的Talbot像周期与光栅周期相同。在某些Talbot距离的整数分之一处也会出现Talbot像，只是出现的Talbot像的周期与原光栅不同。如果待测光栅是个完美的光栅，没有任何缺陷；则其自成像也是完美的。如果待测光栅有局部的误差，则其自成像就会有缺陷，如果待测光栅存在局部缺失，就不会出现光栅自成像。因此，通过光栅自成像效应的观察和分析，就可以从一定程度上了解光栅表面的质量。这就是利用光栅自成像效应测量光栅表面质量的原理。

光栅的Talbot像可以用CCD进行观察与测量，但常用的商用CCD探测器的最小像素尺寸在4～5微米左右，这远大于高密度光栅的周期(一微米左右)，因此，CCD探测器不适合于观察光栅线的细节信息。

本发明提供一种利用Talbot效应进行光栅表面质量检测的方法，其核心为利用50-80nm的光纤探针或其它尺寸的光纤探针对光栅的Talbot像进行逐点精密扫描，这就保证这种技术具有很高的探测精度。光纤探针由压电陶瓷管驱动，如图1所示，平行光束1照射到待测光栅2后在Talbot距离处形成Talbot像4，特殊加工的光纤探针5由压电陶瓷管6控制进行高精度二维扫描，扫描陶瓷管固定在精密三维调节架7上，可以进行三维精密调节，保证对Talbot像的精确扫描；光纤探针5采集的光信号由光电探测器8接收并转换成电信号输入计算机***9进行处理，得到光栅的Talbot像。

需要指出的是，光纤探头要尽可能地在光栅的第一Talbot距处扫描光栅的自成像，这是因为此时既能不接触光栅，又能尽可能忠实地扫描到光栅地表面真实状态。在远离光栅的其它Talbot距处，虽然也能探测到光栅的自成像，但由于衍射的影响，光栅的表面缺陷在一定程度上被衍射所平滑。

头部开口为纳米级小孔的光纤探针、提供纳米级扫描精度的压电陶瓷管，以及光电倍增管等部件都是近场光学中采用的常规技术，本发明借用了这些技术成功地对光栅的自成像进行了高精度纳米级扫描，实现了对光栅表面质量检测的新方法。

测量中采用三个评价参数，周期均匀性、直线度、整体均匀性。周期均匀性δd反映所测光栅的线条之间距离偏差的大小，测量数值越小则偏差越小，

$\mathrm{\δd}={[\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}{(d_i-\stackrel{\‾}{d})}^2/(n-1)]}^{1/2}---\left(6\right)$

其中，d_i为第i与i+1个光栅线之间的距离测量值，d为测量平均值，n为测量次数，如图3中b所示。

直线度δL反映所测光栅每条刻线偏离理想直线的程度；在某条光栅线上沿中线做理想直线，选取实际光栅线边缘不同的点，测量边缘点到理想直线的距离，利用标准差公式计算出直线度，

$\mathrm{\δL}={[\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}{(L_i-\stackrel{\‾}{L})}^2/(n-1)]}^{1/2}---\left(7\right)$

L_i为所取第i个点到光栅线中线之间的距离测量值，L为测量平均值，n为测量次数，如图4中d所示。

整体均匀性δu反映整个光栅刻线形貌的均匀程度，将扫描图像中垂直光栅线方向的灰度分布曲线叠加平均后得到整体均匀性的曲线图，将曲线上每个峰值作为测量值，计算出标准差作为评价整体均匀性的参数，

$\mathrm{\δu}={[\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}{(u_i-\stackrel{\‾}{u})}^2/(n-1)]}^{1/2}---\left(8\right)$

u_i为第i个峰的测量值，u为测量平均值，n为测量次数，如图4中b所示。

具体实施如图2所示，激光器采用HeNe激光器10，其出射的激光束11经10倍，数值孔径0.25的显微物镜12聚焦后由5μm的针孔13进行滤波，滤波之后的激光束由焦距550mm的透镜14准直为平行光束1，平行光束1照射在待测光栅2上，在光栅后的Talbot距离处形成光栅的Talbot像4，头部开口50nm的光纤探针5由压电陶瓷管6驱动对Talbot像4进行扫描，扫描范围4.5μm×4.5μm。压电陶瓷管固定在精密三维调节架7上，通过三维调节架上三个调节旋钮71、72、73调节光纤探针的扫描位置，对光栅的Talbot像进行精确的扫描；三维调节架固定在底座74上，通过底座固定在防震平台上，可以最大可能减少外界震动对测量精度的影响；光纤探测的光信号经光纤传导进入光电探测器8，这里使用光电倍增管；随后的电信号进入计算机***9进行后续的处理并显示在计算机屏幕上，扫描所得数据可以存入计算机进行更进一步的分析。

虽然各种光栅制作方法都能生产出高质量的光栅，但光栅制作工艺、存放及使用过程中的很多因素都会造成光栅质量的差异。图3中a、b、c分别为三种所测光栅扫描结果，表1为三种光栅的具体评价指标，表2为三种光栅的周期误差、直线度和整体均匀性的三项综合指标，是根据公式(6-8)由表1计算得到的。

表1

di			d			Li			L
												G1	G2	G3	G1	G2	G3	G1	G2	G3	G1	G2	G3
29	16	37	30.2	18.2	37.2	10	5	9	10.6	5	9
												26	17	37	6	4	9
41	19	38				15	6	8
												25	20	37	8	4	10
	19					14	6	9

ui			u
						G1	G2	G3	G1	G2	G3
0.53	0.73	0.91	0.79	0.81	0.9
						0.82	0.74	0.92
0.62	0.89	0.88
						0.67	0.8
	0.91

表1为三种评价参数的具体数值，周期均匀性与直线度采用单位为象素数，整体均匀性采用图象的灰度值作为单位，其中各参数的定义如图3、4所示。G1、G2、G3分别代表明胶光栅、光刻胶光栅与刻划光栅。

表2

表2为所测三种光栅的各项指标比较，可以看出三种光栅由于各种因素造成的质量差异。

由图3、4及表1、2中可明显看出这三种光栅的表面质量差异。利用本发明可以检测出光栅的局部缺陷，而且检测过程是无损的，并不接触光栅表面，不会对精密光栅表面产生损伤。

本发明方法非常适合于几个微米范围之内对光栅表面进行无损检测，尤其是高密度光栅，测量精度可以达到50nm，如此高精度的测量是其它方法难以实现的。

通过对以上三种光栅的检测比较，可以看出本发明能精确反映出各种光栅的表面质量情况，可以对各种光栅的表面质量进行精确检测。本发明的方法将会成为高密度光栅表面质量检测的一种有用新方法，具有重要的学术价值和应用前景。

Claims (5)

1、一种光栅表面质量无损检测的方法，其特征在于该方法主要是采用平行光照明待测光栅时，在该光栅的整数泰伯距处形成光栅的泰伯像，然后用纳米光纤探针扫描该泰伯像，并将探测的光信号转变成电信号，再由计算机进行数据处理，即可获得该光栅的周期均匀性、直线度和整体均匀性等参数：

周期均匀性： $\mathrm{\δd}=[\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}{(d_1-\stackrel{\‾}{d})}^2/(n-1){]}^{1/2}$

式中：d_i为第i与i+1个光栅线之间的距离测量值，d为测量平均值，n为测量次数；

直线度： $\mathrm{\δL}=[\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}{(L_i-\stackrel{\‾}{L})}^2/(n-1){]}^{1/2}$

式中：L_i为所取第i个点到光栅线中线之间的距离测量值，L为测量平均值，n为测量次数；

整体均匀性： $\mathrm{\δu}=[\underset{n=1}{\mathrm{\Σ}}{(u_i-\stackrel{\‾}{u})}^2/(n-1){]}^{1/2}$

式中：u_i为第i个峰的测量值，u为测量平均值，n为测量次数，如图4中b所示。

2、实施权利要求1所述的光栅表面质量无损检测的方法的光栅表面质量无损检测装置，特征在于其构成是：沿光束前进的方向依次包括：平行光束(1)、待测光栅(2)、光栅泰伯像(4)、光纤探针(5)，该光纤探针(5)由一固定在三维调整架(7)上的压电陶瓷管(6)驱动对所述光栅泰伯像(4)进行扫描，光纤探针(5)探测的光信号经光纤传输进入光电探测器(8)转变成电信号，该电信号进入计算机(9)进行数据处理。

3、根据权利要求2所述的光栅表面质量无损检测装置，其特征在于所述的平行光束(1)是由He-Ne激光器(10)发出的激光束(11)经透镜(12)聚焦、针孔滤波器(13)滤波、准直透镜(14)准直而成。

4、根据权利要求2所述的光栅表面质量无损检测装置，其特征在于所述的泰伯像处于待测光栅(2)后的泰伯距离Z_t处：

$Z_t=\frac{{2d}^2}{\mathrm{\λ}}$

式中：d为光栅周期，λ为照明光束的波长。

5、根据权利要求2或3或4所述的光栅表面质量无损检测装置，其特征在于所述的光电探测器(8)为光电倍增管。

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