CN210242710U - 一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置。被测元件与空间光调制器在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器、空间光调制器、准直扩束镜头、分束器、轴向色散型显微物镜、成像耦合镜头和快照式多/高光谱成像探测器之间呈共光路结构。所提供的测量装置无需轴向机械扫描部件，借助空间光调制器、轴向色散型显微物镜和快照式多/高光谱成像探测器，从***硬件上实现“光谱—调制度—深度”三者之间的唯一性编码，从而完成对微结构，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、高精度测量数据的快速获取，有效抑制因机械部件扫描移动引入的测量误差，提升了***的可控性与抗干扰能力。

Description

一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种微结构形貌的测量技术，特别是一种基于色散光谱编码的微结构形貌的测量装置，属于先进制造与检测领域。

背景技术

在半导体制造、微纳光学加工、虚拟现实（Virtual reality，VR）、增强现实（Augmented reality，AR）等领域，诸如微机电***（Microelectromechanical systems，MEMS）、衍射光学元件（Diffractive optical element，DOE）等有着广泛的应用。这些元件表面存在的由激光光刻、等离子体刻蚀等工艺形成的复杂微观结构，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，相关检测***与技术的研究引起了人们的极大兴趣与广泛重视。

在种类众多的检测技术中，光干涉显微测量法因其具有全场非接触、高精度等优点，成为微观形貌精密检测的一种有力工具。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，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***的结构也较为复杂、检测成本较高。相比之下，得益于空间光调制器的出现，基于条纹调制度编码的三维形貌测量法的检测过程更为柔性可控、***结构也相对简单。然而，为了获得被测物的轴向面形分布，该技术仍然需要利用PZT作轴向扫描，同样存在抗外界干扰能力弱、仅适合（类）静态测量等缺点。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，正成为本领域的研究热点与趋势。

发明内容

本实用新型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）高精度测量的装置。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术解决方案是提供一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置，它包括宽光谱光源、光束匀光耦合器、光束折转耦合器、空间光调制器、准直扩束镜头、分束器、轴向色散型显微物镜、载物台、成像耦合镜头、快照式多/高光谱成像探测器、计算机和控制器；计算机分别与控制器和快照式多/高光谱成像探测器相连；被测元件置于载物台上，被测元件与空间光调制器在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器、空间光调制器、准直扩束镜头、分束器、轴向色散型显微物镜、成像耦合镜头和快照式多/高光谱成像探测器之间呈共光路结构；宽光谱光源发出的复色光经光束匀光耦合器和光束折转耦合器均匀入射至空间光调制器表面，控制器的编码图像输出端与位于准直扩束镜头前焦面位置的空间光调制器连接，空间光调制器输出空间编码的复色正弦条纹光场信号，再由光束折转耦合器耦合至准直扩束镜头成为平行光入射至分束器表面；所述分束器将平行复色正弦条纹光反射进入轴向色散型显微物镜，输出沿轴向色散的单色正弦条纹光场信号并聚焦照射至被测元件表面，由被测面反射回的各单色正弦条纹光再通过轴向色散型显微物镜和分束器，经成像镜头耦合至快照式多/高光谱成像探测器，快照式多/高光谱成像探测器将同步采集到的图像数据传输至计算机。

本实用新型所述的快照式多/高光谱成像探测器为多孔径光谱滤波相机、可调谐阶梯光栅成像仪、光谱分辨探测器阵列、计算层析成像光谱仪、快照式编码孔径光谱成像仪、堆栈滤波光谱分解仪、重组光纤成像光谱仪、透镜阵列积分场成像光谱仪、图像折叠成像光谱仪、图像映射光谱仪、多光谱萨格纳克光谱仪、快照式高光谱傅里叶变换成像仪中的一种。

所述的轴向色散型显微物镜为基于轴向衍射光学元件的显微物镜。

所述的空间光调制器为数字微镜器件、硅基液晶。

所述的宽光谱光源为卤素灯、白光LED、超连续谱激光器中的一种。

本实用新型的测量所用光谱范围为紫外波段、可见光波段或红外波段。

本实用新型提供的测量装置，其工作原理是：在传统的基于条纹调制度编码的三维形貌测量法和快照式多/高光谱成像探测术的基础上，利用复色正弦条纹平行光经过轴向色散型光学***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、以及轴向色散的各单色正弦条纹的调制度随轴向深度变化且在其焦面位置附近达到极大值，建立了测量所需的“光谱—调制度—深度”三者之间的唯一性编码；该方法仅需多帧（如三帧）相移（或单帧）色散光谱编码图像，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。

与现有技术相比，本实用新型的显著优点在于：

1．所提供的测量装置无需轴向机械扫描部件，借助空间光调制器、轴向色散型显微物镜和快照式多/高光谱成像探测器，从***硬件上实现“光谱—调制度—深度”三者之间的唯一性编码，从而完成对微结构（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、高精度测量数据的快速（动态甚至瞬态）获取，有效抑制因机械部件扫描移动引入的测量误差，提升***的可控性与抗干扰能力。

2．本实用新型提供的测量装置，实现了“光谱——调制度——深度”三者之间的唯一性编码，仅需多帧（如三帧）相移（或单帧）色散光谱编码图像即可完成相关形貌检测，从而避免了现有方法中耗时、易受外界干扰、柔性较低的轴向机械扫描，降低由此引入的测量误差，显著提高检测效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的“光谱—深度”关系曲线；

图3为本实用新型实施例提供的被测物上某一点的“光谱—调制度”关系曲线。

其中：1、宽光谱光源；2、光束匀光耦合器；3、光束折转耦合器；4、空间光调制器；5、准直扩束镜头；6、分束器；7、轴向色散型显微物镜；8、被测元件；9、载物台；10、成像耦合镜头；11、快照式多/高光谱成像探测器；12、数据传输控制线；13、计算机；14、控制器。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型所述的一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置及测量方法作进一步详细说明。

实施例1

参见附图1，它为本实施例提供的基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置的结构示意图。该测量装置由宽光谱光源1、光束匀光耦合器2、光束折转耦合器3、空间光调制器4、准直扩束镜头5、分束器6、轴向色散型显微物镜7、载物台8、成像耦合镜头10、快照式多/高光谱成像探测器11、数据传输控制线12、计算机13和控制器14构成。计算机13经数据传输控制线12分别与控制器14和快照式多/高光谱成像探测器11相连；被测元件8置于载物台9上，被测元件8与空间光调制器4在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器3、空间光调制器4、准直扩束镜头5、分束器6、轴向色散型显微物镜7、成像耦合镜头10和快照式多/高光谱成像探测器11之间呈共光路结构；宽光谱光源1发出的复色光经光束匀光耦合器2和光束折转耦合器3均匀入射至空间光调制器4表面，控制器14的编码图像输出端与位于准直扩束镜头5前焦面位置的空间光调制器4连接，空间光调制器4输出空间编码的复色正弦条纹光场信号，再由光束折转耦合器3耦合至准直扩束镜头5成为平行光入射至分束器6表面；所述分束器6将平行复色正弦条纹光反射进入轴向色散型显微物镜7，输出沿轴向色散的单色正弦条纹光场信号并聚焦照射至被测元件8表面，由被测面反射回的各单色正弦条纹光再通过轴向色散型显微物镜7和分束器6，经成像镜头10耦合至快照式多/高光谱成像探测器11，快照式多/高光谱成像探测器11将同步采集到的图像数据传输至计算机13。

在本实施例中，快照式多/高光谱成像探测器11为多孔径光谱滤波相机（Multiaperture filtered camera，MAFC）、可调谐阶梯光栅成像仪（Tunable echelleimager，TEI）、光谱分辨探测器阵列（Spectrally resolving detector arrays，SRDA）、计算层析成像光谱仪（Computed tomographic imaging spectrometry，CTIS)、快照式编码孔径光谱成像仪（Coded aperture snapshot spectral imager，CASSI）、堆栈滤波光谱分解仪（Filter stack spectral decomposer，FSSD）、重组光纤成像光谱仪（Fiber-reformatting imaging spectrometry，FRIS）、透镜阵列积分场成像光谱仪（Integralfield spectroscopy with lenslet arrays，IFS-L）、图像折叠成像光谱仪（Image-replicating imaging spectrometry，IRIS）、图像映射光谱仪（Image mappingspectrometry，IMS）、多光谱萨格纳克光谱仪（Multispectral Sagnac interferometry，MSI）、快照式高光谱傅里叶变换成像仪（Snapshot hyperspectral imaging Fouriertransform spectrometer，SHIFT）中的一种，实现对目标“二维空间——光谱”信息的快速获取与测量；轴向色散型显微物镜7为基于轴向衍射光学元件（Axial diffractiveoptical elements，ADOE）的显微物镜，将复色平行光沿轴向依次色散为不同波长的单色光，并一一对应地聚焦于不同的轴向深度位置；空间光调制器4为数字微镜器件（Digitalmicromirror device，DMD）或硅基液晶（Liquid crystal on silicon，LCOS），实现对入射光场空间光强分布的调制；宽光谱光源1为卤素灯、白光发光二极管（Light emittingdiode，LED）或超连续谱激光器。

光束匀光耦合器为透镜、反射镜（或光纤）与积分球（或积分棒）组成的结构装置。光束折转耦合器为全内反射（Total internal reflection，TIR）棱镜。分束器为1:1半透半反分光棱镜。

采用本实施例附图1提供的装置对微结构形貌进行测量，包括以下三个步骤：

第一步，***预标定。在测量前，需对***装置进行“光谱—深度”对应关系的预标定：宽光谱光源1发出的复色光经光束匀光耦合器2和光束折转耦合器3均匀照射至空间光调制器4；利用基于Visual C++ 2010编译器编程同步调控空间光调制器4，输出空间均匀分布的复色光信号，并经光束折转耦合器3、准直扩束镜头5、分束器6和轴向色散型显微物镜7照射至载物台9上的标准平面反射镜；标准平面反射镜在压电陶瓷微位移器的带动下，沿显微物镜7的光轴方向做轴向扫描，将轴向色散的光信号反射进入显微物镜7和分束器6，再由光谱仪接收、测量出各单色光信号的波长值，并记录下扫描过程中各单色光信号达到峰值时的压电陶瓷微位移器的轴向移动位置，得到一组“光谱—深度”数据；利用多项式或样条拟合技术确定出***装置的“光谱—深度”关系曲线，完成***预标定。

由于复色平行光经过轴向色散型显微物镜7会沿轴向依次色散为不同波长的单色光，并一一对应地聚焦于不同的轴向深度位置，即“光谱—深度”之间具有如下式（1）的对应关系：

(1)

其中，f (•)为单值函数，z表示轴向深度。附图2为本发明实施例提供的“光谱—深度”关系曲线

，其横轴代表波长域

（从左向右为短波至长波方向），纵坐标为深度

。由于光学元件的装调误差、非线性轴向色散等因素的影响，“光谱——深度”之间往往呈现非线性的对应关系，在***预标定过程中可利用多项式或样条拟合技术更为精确地表征得到该单值函数

。

第二步，色散光谱编码图像的获取。测量时，沿轴向和径向调整载物台9的位置，使得位于其上的被测元件8与空间光调制器4在测量所用光谱范围（紫外波段、可见光波段或红外波段）内的中心波长下呈物像共轭；利用基于Visual C++ 2010编译器编程调控空间光调制器4，实现对入射复色光信号空间光强分布的调制，并根据测量需要输出复色的多帧相移（或单帧）正弦条纹图光场信号，再经光束折转耦合器3、准直扩束镜头5、分束器6和轴向色散型显微物镜7沿轴向色散至被测元件8表面；与此同时，快照式多/高光谱成像探测器11与控制器14协同配合，采集经被测元件8反射的各帧轴向色散正弦条纹图，并将其传输至计算机13存储和处理；

本实施例中，测量方法是在传统的基于条纹调制度编码的三维形貌测量法和快照式多/高光谱成像探测术的基础上，利用复色正弦条纹平行光经过轴向色散型显微物镜7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、以及轴向色散的各单色正弦条纹的调制度随轴向深度变化且在其焦面位置附近达到极大值，完成测量所需的“光谱—调制度—深度”三者之间的唯一性编码；该方法仅需多帧（如三帧）相移（或单帧）色散光谱编码图像，即可实现对被测元件8三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。

根据被测物8表面微观形貌变化是否连续、以及检测速度要求的不同，测量过程可获得多帧相移或单帧色散光谱编码图像数据。本实施例中，以多帧相移色散光谱编码图像的获取为例，具体为：基于时域等步长移相技术，通过空间光调制器4将入射至其表面的复色均匀光场信号调制为复色的多帧相移正弦条纹图光场信号输出，再经光束折转耦合器3、准直扩束镜头5、分束器6和轴向色散型显微物镜7沿轴向色散至被测元件8。由被测元件8反射的各帧轴向色散单色相移正弦条纹图（即多帧相移轴向色散正弦条纹数据立方体）的光强分布为式（2）所示：

(2)

其中，

为被测元件8表面的二维空间坐标，

是与被测元件8的三维面形分布相关的条纹相位，

表示第m个轴向色散单色光的中心波长，

，M为测量所用光谱范围内轴向色散单色光的实际使用数目（需要说明的是，虽然复色光经轴向色散型显微物镜7沿轴向依次色散为各连续单色光，但测量中实际使用的单色光数目M受限于快照式多/高光谱成像探测器11的可探测光谱数，在本实施例中

），

和

分别表示第m个轴向色散单色相移正弦条纹图的背景分量和调制度分布，

为第n步的移相量，

，

，N为相移步数（在本实施例中

，即三步移相）。因“光谱—深度”之间具有如式(1)所示的一一对应关系，故由被测元件8反射的多帧相移轴向色散正弦条纹数据立方体的光强分布可改写为式（3）：

(3)

其中，

为单值函数

的反函数，

为第m个轴向色散单色光中心波长

对应的轴向深度。因此，快照式多/高光谱成像探测器11获得的多帧相移色散光谱编码图像数据为式（4）：

(4)

其中，

表示快照式多/高光谱成像探测器11对原始各帧相移轴向色散正弦条纹数据立方体的压缩变换，即将三维数据立方体压缩变换为二维编码图像数据。

第三步，色散光谱编码图像的解调。根据所采用的快照式多/高光谱成像探测器11的具体结构形式，利用相应的数据处理算法，借助计算机13对获得的多帧相移（或单帧）色散光谱编码图像

进行解调，反演出多帧相移（或单帧）轴向色散正弦条纹数据立方体

；采用随机移相算法（或单帧条纹图处理算法，如傅里叶变换法、加窗傅里叶变换法、小波变换法等）对多帧相移（或单帧）轴向色散正弦条纹数据立方体

进行处理，得到与被测物8面形相关的条纹调制度数据立方体

；基于高斯、类高斯或样条模型拟合确定待测面上各点的“光谱——调制度”关系曲线，利用轴向色散的各单色正弦条纹的调制度随轴向深度变化且在其焦面位置（即待测点的深度位置）达到极大这一特性，解调出各点的深度编码光谱信息

，再结合第一步预先标定获得的“光谱—深度”对应关系

，解调出对应的待测面上各点的深度信息，最终完成被测元件8三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。

参见附图3，为本发明实施例提供的被测物上某一点的“光谱——调制度”关系曲线

，其横轴代表波长域

（从左向右为短波至长波方向），纵坐标为归一化条纹调制度，在解调过程中基于高斯、类高斯或样条模型拟合确定

，从而可求得该曲线极大值所对应的光谱位置

，即该被测点的深度编码光谱信息，再结合“光谱——深度”关系曲线

，可得到该点的深度（高度）信息z ₁。

Claims (5)

1.一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：它包括宽光谱光源（1）、光束匀光耦合器（2）、光束折转耦合器（3）、空间光调制器（4）、准直扩束镜头（5）、分束器（6）、轴向色散型显微物镜（7）、载物台（9）、成像耦合镜头（10）、快照式多/高光谱成像探测器（11）、计算机（13）和控制器（14）；计算机（13）分别与控制器（14）和快照式多/高光谱成像探测器（11）相连；被测元件（8）置于载物台（9）上，被测元件（8）与空间光调制器（4）在测量所采用光谱范围的中心波长下呈物像共轭；光束折转耦合器（3）、空间光调制器（4）、准直扩束镜头（5）、分束器（6）、轴向色散型显微物镜（7）、成像耦合镜头（10）和快照式多/高光谱成像探测器（11）之间呈共光路结构；宽光谱光源（1）发出的复色光经光束匀光耦合器（2）和光束折转耦合器（3）均匀入射至空间光调制器（4）表面，控制器（14）的编码图像输出端与位于准直扩束镜头（5）前焦面位置的空间光调制器（4）连接，空间光调制器（4）输出空间编码的复色正弦条纹光场信号，再由光束折转耦合器（3）耦合至准直扩束镜头（5）成为平行光入射至分束器（6）表面；所述分束器（6）将平行复色正弦条纹光反射进入轴向色散型显微物镜（7），输出沿轴向色散的单色正弦条纹光场信号并聚焦照射至被测元件（8）表面，由被测面反射回的各单色正弦条纹光再通过轴向色散型显微物镜（7）和分束器（6），经成像耦合镜头（10）耦合至快照式多/高光谱成像探测器（11），快照式多/高光谱成像探测器（11）将同步采集到的图像数据传输至计算机（13）。

2.根据权利要求1所述的一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的快照式多/高光谱成像探测器为多孔径光谱滤波相机、可调谐阶梯光栅成像仪、光谱分辨探测器阵列、计算层析成像光谱仪、快照式编码孔径光谱成像仪、堆栈滤波光谱分解仪、重组光纤成像光谱仪、透镜阵列积分场成像光谱仪、图像折叠成像光谱仪、图像映射光谱仪、多光谱萨格纳克光谱仪、快照式高光谱傅里叶变换成像仪中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的轴向色散型显微物镜为基于轴向衍射光学元件的显微物镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的空间光调制器为数字微镜器件、硅基液晶。

5.根据权利要求1所述的一种基于色散光谱编码的微结构形貌测量装置，其特征在于：所述的宽光谱光源为卤素灯、白光LED、超连续谱激光器中的一种。

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