[发明专利]基于可编程照明的干涉显微镜系统

说明书

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，具体涉及干涉显微镜。

背景技术

随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，对微结构表面形貌测量系统的需求越发迫切。由于微表面结构由于是由微观结构单元组成的三维复杂结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。同时与平滑表面的测量不同，微结构表面的测量不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。

在1968年美国Williamson首次研制了三维表面针式轮廓仪。1970年，Takasaki和Meadows首次报道了一种基于光学条纹图分析原理的测量技术——三维表面轮廓成像技术。他们提出利用莫尔条纹阴影等高线图形显示物体的三维像，将莫尔条纹作为空间编码，从受物体表面形貌调制变形的莫尔条纹图中提取相位信息并转换为物体三维轮廓。于是利用光学成像测量原理测量物体表面形貌的技术引起了各方面的重视，并使这门技术开始实用化。莫尔轮廓术的出现，奠定了光学成像法测量物体表面轮廓的基础，使得通过图象的测量可获得所需的物体三维信息。1976年美国R.S.Sayles又研制出第一台由计算机控制的三维表面粗糙度轮廓仪。

干涉显微法是光学干涉法与显微系统相结合的产物，通过在干涉仪上增加显微放大视觉系统，提高了干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面形貌测量。随着计算机技术、现代控制技术以及图像处理技术的发展，干涉显微法出现了测量精度达到纳米级别的相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)。与其它表面形貌测量方法相比，干涉显微法具有快速、非接触的优点，而且可以与环境加载系统配合完成真空、压力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电系统以及微光机电系统的结构表面形貌测量上得到了广泛应用。

相移干涉法(PSI)是基于单色光干涉的一种相位测量方法，通过测量分析干涉图的干涉相位Ф来提取样品表面的高度信息。PSI法可以通过精确移动测量平面M，一般使用微位移器诸如压电陶瓷(PZT)等，产生干涉图相位Ф的移动，利用三幅以上的相移干涉图光强值来求取物体高度值。单色光干涉条纹存在着周期性，如果相邻两个点的高度超过1/4波长，即干涉相位值超过π，那么某一个干涉图光强值就可能对应着不同的光程差值。因此，PSI法不能测量高度超过1/4波长的台阶结构。

VSI法是基于白光干涉的一种垂直扫描测量方法，通过测量分析干涉图零光程差位置来提取样品表面高度信息。由于白光是宽带光源，因此白光干涉图是不同波长光干涉的叠加。由于白光相干距离短，干涉图在零光程差位置时某些特征参数如光强、对比度会达到最大值，因此VSI法通过精确移动测量平面M，扫描被测表面得到一系列不同高度值的干涉图，然后应用白光干涉处理算法提取被测表面各点的垂向零光程差位置，进而还原被测表面的三维形貌。与PSI法相比，VSI法克服了台阶高度测量受限的缺点，但是目前在精度上比PSI法低。

对于干涉显微镜系统中，通过相移来计算干涉相位，进而计算出三维表面面型。主要会受到的误差来自几个方面：(1)相移过程中，由于微位移器的位移误差造成的相移误差对各干涉图像的影响；(2)在干涉图像采集过程中，由于图像传感器CCD的量化误差造成的干涉场强度信号误差造成的影响；(3)由于CCD对于光强信号的非线性响应造成的误差；(4)对一些非漫射表面物体进行测量时,由于表面局部的镜面反射往往会导致图像局部饱和,从而引起相位误差。

以上描述干涉显微镜普遍采用科勒式照明，得到一个均匀的照明场。但是由于被测物体的多样性，不同区域对于入射光的反射率可能存在巨大的差异。采用均匀照明结构时，表面不同区域的光学特性的差异，将导致最终的干涉图的失真，产生上述的各种误差因素，最终影响干涉显微镜测量精度。所以需要一种对照明光场的空间调制来平衡反射率的差异带来的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可编程照明的干涉显微镜系统，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：