[发明专利]白光干涉垂直扫描法非线性开环扫描的方法

说明书

本发明公开一种白光垂直扫描干涉非线性开环扫描技术来实现表面轮廓测量的方法，集成了能够实现白光干涉垂直扫描光学系统中物镜与被测表面相对位置测量的位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)等输出信号、或者能够通过标定非线性微移动特征曲线获取精确位移值的开环控制光程差驱动装置。为了克服开环控制系统非线性性、不确定性、和不恒定性，本发明创造提出了一个非线性开环扫描方法具有集成位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)等输出信号或者通过标定其非线性微移动特征曲线获取位移值的处理方法和技术来实现垂直扫描干涉所需的光程差驱动和精确位移值。

技术领域

本发明涉及表面轮廓测量的光学干涉仪技术，尤其是一种白光垂直扫描干涉开环控制的方法进行光程差驱动来实现高精度表面轮廓测量。

背景技术

白光垂直扫描干涉方法和装置是一种进行表面轮廓测量的干涉仪技术，称为白光垂直扫描干涉轮廓仪(WLSI)。白光垂直扫描干涉技术是使用白光的同调性差的特性来实现有限区间的表面干涉来进行表面高度差测量，是国际上公认的快速灵活的三维微观形貌检测手段。它在当今世界先进制造业最前沿的半导体纳米制程工艺、微电子机械系统、纳米复合材料、生物工程技术、通信技术、绿色能源中的太阳能和LED技术、超精密机械加工中的航空、航天、汽车、光学零件等等，有着广泛的应用。

光学干涉轮廓仪是由光学干涉相位(PSI)和白光干涉垂直扫描(WLSI)进行相关的干涉图像取样和分析计算得到表面轮廓的技术和装置。光学相位法干涉仪(PSI)被证明是一个非常有效的高精度表面形貌测量方法。光学相位干涉仪是通过与被测物体直接相关的光干涉图谱(干涉条纹)的相位分析来获得相关的表面高度测量。尽管光学相位差干涉仪(PSI)的测量精度能够达到1个纳米以下，它的主要缺陷是其测量时导致干涉的相位变化不能超过波长的1/4。这个缺陷就限制了光学相位变化干涉仪(PSI)只能测量表面形貌高度变化在几个微米之内。白光干涉扫描轮廓仪(WLSI)，又被称为垂直扫描干涉仪，是一种使用白光的同调性差的特性来实现有限区间的表面干涉来进行表面高度差测量的技术。白光垂直扫描干涉原理克服了光学相位法干涉仪(PSI)测量表面高度差的限制。白光垂直扫描干涉方法是在1990年首先由Davisdon发展的。与相位差干涉方法(PSI)通过干涉相位计算取得表面高度不同，白光垂直扫描干涉仪(WLSI)是针对相应的装置在垂直扫描过程中白光干涉只发生在有限的区间的特点通过干涉强度变化与时间的特征来测量表面高度差的。

为了找出同一表面位置在不同垂直扫描时间(高度)时干涉图谱的强度并求出其中最高峰值(Peak value)，白光垂直扫描干涉仪(WLSI)通过垂直扫描来改变被测表面与干涉仪的参照面之间的光程差(OPD)取得一系列相对应的干涉图谱强度。使用宽频光源或者白光光源，白光干涉只发生在光程差相近之处并且干涉强度信号明显。产生的干涉图谱其光强在光程差OPD＝0的时候最大，并随着OPD的增加而迅速降低。相应的干涉图谱在光程差OPD大于光学干涉长度时完全消失了。

一个随时间变化的光强信号分布在光学干涉显微系统图像记录装置中任何一点都可由下面的公式来表达，

其中z是被测表面光强信号点离聚焦点的距离(是从焦点到反射点的距离)，h是干涉仪参照面到聚焦点的距离(是从焦点到反射镜的距离)，k是光波数，θ₀是与干涉仪物镜有关的数值孔径或者(是物镜数值孔径的表述或表达为)N.A.＝sinθ₀,α(k,θ)是测量表面反射相和光谱调制相的移相结果,而F(k)是调制振幅，F(k)可表达为

F(k)＝R(k)R_g(k)＝R_f(k), (2)

式中：Rg(k)是照明光源的光谱强度，而R(k)是测量表面的反射光光谱强度。

在白光垂直扫描干涉仪(WLSI)，公式(1)可以简化成，

I(z)＝a(z)+b(z)cos(φ(z)), (3)