林尼克结构干涉测量系统误差分析

　　0　引言

　　光学干涉测量系统是微纳结构的一种常用测量设备,主要用于MEMS表面形貌测量和动态特性测量[1-4]。目前,国外的主要光学测量仪器厂商如Veeco、Zygo等都已经推出基于干涉镜头的干涉测量系统[2]。国内在光学干涉测量方面发展较慢,主要集中在干涉图的处理算法等软件方面的研究[3-6],对于测量硬件特别是干涉测量结构的研究很少,使用的干涉镜头需要从国外进口[2, 4]。用于表面形貌测量的干涉测量系统主要有迈克尔逊、米劳、林尼克三种结构,其中迈克尔逊结构和米劳结构由于结构简单、易于集成应用较为广泛,现有绝大多数干涉测量系统都是应用这两类结构。与迈克尔逊结构和米劳结构相比,林尼克结构则要复杂得多,集成到一个干涉镜头中比较困难,应用相对较少,但是林尼克结构在镜头工作距离上要比其它两种结构长得多,在探针平台、真空环境等特殊环境[7]的结构形貌测量中具有很大优势。

　　林尼克结构的复杂性对干涉测量系统的测量精度有着很大影响,其光学元件的自身性能和安装精度都会产生不同的测量误差。本文通过研究改进林尼克结构干涉测量系统,对系统的误差机理以及影响系统测量精度的各个因素进行了分析比较,为干涉测量系统特别是林尼克干涉测量系统的设计制造提供了理论依据和工程方法。

　　1　林尼克干涉测量系统误差现象

　　光学干涉测量系统主要由分光镜、参考镜面、显微物镜和CCD摄像机组成,其中林尼克结构有两个相同的显微物镜,如图1所示。在应用自主开发的林尼克结构干涉测量系统进行标定测量时,发现了较为明显的测量误差[8]。图2为平面样品测量的形貌图,从图中可以判断出该测量结果存在着一个接近于二次曲面的误差面。应用最小二乘法对该误差面进行二次多项式拟合补偿,能够减小该误差,但是与国外干涉测量系统相比误差仍然较大,而且这种补偿方法缺乏足够的理论依据。因此,需要确定产生该误差的机理,对测量系统的软件和硬件进行改进,提高干涉测量系统的测量精度。

　　2　误差产生原理分析

　　根据干涉测量方法的原理,系统测量误差主要产生于系统的光学干涉、干涉图成像和干涉图处理过程中,因此系统中存在三种类型测量误差。本文研究的林尼克结构干涉测量系统主要存在有相移器误差[8]、摄像机成像误差和光学系统误差[7]三种类型误差。

　　2. 1　相移器误差

　　相移算法是目前光学干涉测量系统最为常用的一种干涉图处理算法,该算法不仅具有高的测量精度,而且还能够有效滤去光源不均匀造成的干扰和误差。本工作研究的林尼克干涉测量系统采用的是五步相移算法。五步相移算法需要引入相移器,使参考镜产生Nπ/2(N=0, 1, 2, 3, 4)的相移,然后通过相移算法(Hariharan算法)处理干涉图得到包裹相位。相移器误差是指系统采用五步相移处理算法时,由于相移器的移相误差造成的系统测量误差。如果相移器的移相误差已知,那么相移器误差可以表示为: