白光干涉表面结构测量仪的优化设计与应用

　　0　引言

　　白光显微干涉法是一种十分重要的微纳表面结构测量方法,具有非接触的优点,且可进行三维测量,因而在微电子、微机电系统以及微光机电系统等的表面结构测量上得到广泛应　　用[1-4]。目前,国外的主要光学测量仪器厂商如Veeco、Zygo等公司都已经推出基于干涉镜头的表面结构显微干涉测量系统,　　学术界有关显微干涉测量的研究仍在向前推进[5-6]。国内对显微干涉法的研究也较多,但主要集中在测量算法等软件方面的研究[7-9],系统硬件主要是通过直接购买显微干涉镜头或显微干涉镜搭建的测量平台。[10-11]

　　作为白光干涉表面结构测量仪重要组成部分的显微干涉仪,其设计参数对测量系统的性能有着重要影响,但购买的干涉镜头或显微干涉镜已经被封装成一个整体,难以进一步研究显微干涉镜的设计参数对干涉测量的影响。文中采用国产光学元件,研发了一种可用于垂直扫描白光显微干涉测量的显微干涉仪。基于该干涉仪搭建了白光干涉表面结构测量仪,通过相关实验分析了干涉仪的关键设计参数对垂直扫描白光显微干涉测量中干涉条纹光强分布的影响。为提高表面结构测量仪的测量效率,提出一种以显微干涉图像灰度值归一化标准方差为依据的白光干涉测量条纹自动搜索定位方法。相关实验结果为白光干涉表面结构测量仪的优化设计提供参考依据。

　　1　测量仪的设计与工作原理

　　1. 1　测量仪的构成

　　整个表面结构测量仪包括显微干涉仪、图像采集系统、Z向一维位移工作台、工作台测控系统和计算机处理系统,其中Z向一维位移工作台为自行研制的大行程、纳米级、计量型位移工作台,整个测量仪的总体设计简图及实物如图1所示。

　　在图1中,显微干涉仪安装在Z向一维位移工作台上,包括光源、分光镜、物镜和参考镜等。图像采集系统包括CCD和图像采集卡。工作台测控系统包括交流伺服电机驱动器、压电　　陶瓷微位移器驱动电源以及Z向工作台位移计量装置。测量过程中,图像采集系统和工作台测控系统由计算机处理系统实行控制和处理,最后得到测量结果。

　　1. 2　显微干涉仪的设计

　　基于Linnik显微干涉结构,并参考国产6JA显微干涉镜,　研制了一种显微干涉仪,如图2所示。

　　光源S发出的光线经聚光镜O1和O2投射到孔径光阑Q1平面上,照明了位于照明物镜O3前面的视场光阑Q2。通过照明物镜的光线投射到分光棱镜T上,被分成2部分,一部分反射,一部分透射。从分光棱镜T透射的光经物镜O5射向标准反射镜P1,再由P1反射,重新通过物镜O5、分光棱镜T,射向CCD;从分光棱镜T反射的光经物镜O4射向工件表面P2,再由P2反射,重新通过物镜O4、分光棱镜T,射向CCD.在CCD的感光平面上两束光相遇,产生干涉,形成干涉条纹。干涉条纹被CCD接收,从而构成了白光显微干涉仪的光路系统。W1和W2为补偿光楔,用于调节参考光路和测量光路之间的光程差.