3D白光干涉成像技術的創(chuàng)新及應用

近年來，3D檢測技術發(fā)展迅速，廣泛應用于工業(yè)、國防、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領域。根據(jù)其是否應用人造光源作為照明系統(tǒng)，可分為主動式3D成像技術與被動式3D成像技術。無論是哪種方法，為了獲得目標的高精度3D輪廓信息，都希望檢測儀器具備高精度、高幀率、算法兼容性強、環(huán)境適應性強、穩(wěn)定性強、操作簡便、性價比高等特點，這在實際應用中，尤其在微納米結構檢測中有著重要意義。微納米技術，是指對微納級材料的測量、加工制造、設計、控制等相關研究技術，它與高精尖裝備制造領域的發(fā)展息息相關。微納結構測量最為基礎和重要的是表面形貌的3D測量，它包括了輪廓的測量以及表面粗糙度的測量，目前常用的微結構表面形貌測量方法分為接觸式和非接觸式。接觸式測量是目前工業(yè)領域內(nèi)應用最為廣泛的測量方法。這種方法在測量時有一個微小的觸針，在被測樣品表面上做橫向移動；在這過程中觸針會隨著樣品表面的輪廓形狀垂直起伏，然后通過傳感器將這微小的位移信號轉換為電信號；對這些信號進行采集和運算處理后，就可以測得表面輪廓或形貌特征。測量中可以使用的傳感器有很多，如光柵式、壓電式、干涉式以及普遍應用的電感式。這種方法測量量程大，結果穩(wěn)定可靠，并且儀器操作簡單，對測量環(huán)境要求低；缺點是觸針在測量時有可能會對被測表面造成損傷，且測量速度慢。

非接觸式測量技術大多基于光學方法，例如干涉顯微法、自動聚焦法、激光干涉法等。光學測量方法具有非接觸、操作簡單、速度快等優(yōu)點。然而在利用光學方法進行測量時，被測表面的斜率、光學參數(shù)等發(fā)生變化會引起測量誤差。例如，若被測樣品表面存在溝槽或其他微細結構，它們引起的散射、衍射等現(xiàn)象會對測量信號造成干擾。另外，若樣品表面存在灰塵、細小纖維等，光學測量方法的結果也會有一定失真；而觸針式方法由于測量時與樣品表面接觸，會劃去部分表面污染物使測量結果不受影響。因此，根據(jù)不同測量要求，每種方法都有其適用性，常用的微納結構三維測量方法如圖1所示。Part.1接觸式檢測技術（1）掃描電子顯微術利用物質(zhì)與電子的相互作用，當電子束轟擊表面時，會產(chǎn)生多種形式的電子和光電現(xiàn)象，掃描電子顯微鏡（SEM）利用其中的二次電子和背散射電子與表面具有的關系進行結構分析。SEM具有大視場、大倍率、大景深等優(yōu)點，但其測量樣品制備復雜，種類有限，常用于微結構缺陷檢測等定性分析。（2）掃描探針顯微術被測樣品表面的相關信息利用探針與樣品的相互作用特性獲得，掃描探針顯微鏡（SPM）及其衍生而來其他測量方法，具有較高的測量分辨力，但其測量過程需要對測量表面逐點掃描，且只有微米級別成像范圍，測試效率較低。（3）機械探針輪廓術探針始終與被測表面接觸，被測表面結構的變化會使探針產(chǎn)生垂直位移，通過位移的感知即能獲得被測表面特性。該方法在工業(yè)特別是制造業(yè)領域廣泛使用，也是國際社會公認的表面粗糙度測量的標準方法。但是其作為接觸式測量方法，容易對被測表面造成劃傷，逐點測量的辦法效率較低，也難以測量復雜器件。Part.2非接觸式檢測技術（1）激光干涉術通過干涉條紋變化與被測物位置變化的對應關系，獲得位移信息，從而達到幾何量測的目的。（2）自動聚焦法基于幾何光學的物象共軛關系，當照明光斑匯聚在被測面時，進一步調(diào)整檢測頭與表面的距離，直至光斑像尺寸最小而得到該被測位置的相對高度。該方法簡單易操作，但水平分辨力受光斑大小的限制較大，且垂直高分辨力對成像分析和調(diào)節(jié)能力要求高。（3）激光共焦掃描顯微術首先利用精密共焦空間濾波結構，通過物象共軛關系濾除焦點外的反射光，極大地提高成像的可見度。通過聚焦光對樣品垂直掃描，樣品在垂直方向被分層成像，光學切片圖像經(jīng)三維重構，可得到樣品的三維結構。該方法一次測量過程就能實現(xiàn)該視場三維形貌的測量，兼具高效和高精度的優(yōu)點，但其分辨率易受掃描步長和物鏡數(shù)值孔徑的限制。（4）光學顯微干涉術傳統(tǒng)的干涉測量方法，主要是通過觀測干涉條紋的位置、間距等的變化來實現(xiàn)精確測量。典型方法是單色光相移干涉術和白光掃描干涉術。單色光相移干涉術的測量思路為：參考臂和測量臂的反射光發(fā)生干涉后，利用相移法引入相位變化，根據(jù)該相位變化所引起的干涉光強變化，求解出每個數(shù)據(jù)點的相位，其結果不連續(xù)，位于(-p,p]之間，因此需要對該結果進行解包裹運算，然后根據(jù)高度與相位的關系，得到被測樣品的表面形貌。這種方法在測量時對背景光強不敏感，測量分辨率高；但無法確定干涉條紋的零級位置和相位差的周期數(shù)，存在相位模糊問題；若被測樣品表面的相鄰高度超過1/4波長則不能測準，因此只能應用于對表面連續(xù)或光滑的結構的測試。白光掃描干涉法由單色光相移技術發(fā)展而來，由于使用白光作為光源，在干涉時有一個確切的零點位置，其相干長度短，干涉條紋只出現(xiàn)在很小的范圍內(nèi)；當光程差為零時，干涉信號出現(xiàn)最大值，該點就代表對應點的高度信息，通過Z向掃描能夠還原被測樣品的整體形貌。光譜分光型白光干涉由上述方法發(fā)展而來的光譜分光型白光干涉技術，則是基于頻域干涉的理論，利用光譜儀將傳統(tǒng)方法對條紋的測量轉變成為對不同波長光譜的測量。包含有被測表面信息的干涉信號，由含有色散元件和陣列探測器的光譜儀接收，通過分析該頻域干涉信號來實現(xiàn)信息獲取。相比于單色光干涉技術，光譜分光型白光干涉技術具有更大的測量范圍，同時與白光掃描干涉術相比，它在測量時不需要大量的Z向掃描過程，極大提高了測量效率。利用光譜分光型白光干涉技術可以測量絕對距離、位移、微結構表面形貌、薄膜厚度等。在測量微結構三維形貌時，光譜分光型白光干涉技術，比于其他方法操作更簡單，測量精度更高。在微納測量領域，為了提高光學測量系統(tǒng)的水平分辨率，通常采用顯微物鏡放大的方法。在光譜分光型白光干涉測量系統(tǒng)中可以采用幾種顯微結構，如Michelson型、Mirau型和Linnik型，圖2顯示了這三種顯微干涉結構的構成原理。高精度儀器設備需求不斷推動著微納米技術向前發(fā)展，因此高精度的微納檢測技術也成為了必然需求。微納結構測量的對象有表面形貌、電子特性、材料特性、力學特性等，其中表面形貌3D測量最為基礎和重要，它包括輪廓測量（如長、寬、高等）和表面粗糙度等參數(shù)的測量。對于尺寸處于微納米量級的微納結構器件而言，其靜電力、黏附力和結構應力等因素對其本身的影響，會隨著其表面積和體積之比的增大而增加，使器件的功能和質(zhì)量發(fā)生變化，從而影響器件的使用。因此，對微納結構表面形貌的檢測非常必要。光譜分光型白光干涉技術，用于測量微納米結構三維形貌的研究及其進一步產(chǎn)業(yè)化，填補國內(nèi)空白。光譜分光型白光干涉儀（見圖3）具備高精度、高幀率、算法兼容性強、環(huán)境適應性強、穩(wěn)定性強、操作簡便、性價比高等優(yōu)點，其在新型成像/檢測系統(tǒng)中的應用及產(chǎn)業(yè)化，將打破國外壟斷。光源是超輻射發(fā)光二極管（SLD），從光源發(fā)出的光進入光纖耦合器，從耦合器輸出的光經(jīng)消色差準直器準直成平行光，使用分光棱鏡將準直光分為參考光和樣品光。參考光經(jīng)透鏡3聚焦于反射鏡，樣品光經(jīng)XY掃描振鏡和透鏡4，聚焦于樣品。經(jīng)反射的參考光和樣品光由光纖耦合器的另一端輸出，進入光譜儀中。光譜儀由透鏡1、光柵、透鏡2以及相機組成。輸出的光經(jīng)透鏡1準直為平行光，照射到光柵上；光柵衍射分光，經(jīng)透鏡2匯聚于線陣相機；線陣相機記錄參考光和樣品光的干涉光譜，傳給電腦進行處理。該系統(tǒng)使用振鏡代替昂貴的高精密位移臺進行二維掃描，可用于位移、振動及厚度測量（點測量）；線輪廓測量（線測量）；表面輪廓成像（面成像）。中科行智最新研發(fā)的白光干涉儀，用于對各種精密器件表面進行納米級測量，專業(yè)用于超高精度、高反光及透明材質(zhì)的尺寸測量。該白光干涉儀采用非接觸式測量方式，避免物件受損，可進行精密零部件重點部位的表面粗糙度、微小形貌輪廓及尺寸測量。目前，在3D測量領域，白光干涉儀是精度最高的測量儀器之一。中科行智重點開發(fā)的3D飛點分光干涉儀，重復精度達30nm，掃描速度70kHz，掃描范圍廣，最大直徑可達40mm；適應性強，可適用于測量最強反射、弱反射及透明物體等；穩(wěn)定性強，分光模塊與光學振鏡模塊化設計，加入光學振鏡掃描，可替代昂貴的高精密位移臺。主要特點如下：?

大視野：采用高精度光學振鏡掃描方案，實現(xiàn)水平方向大視野掃描，避免使用昂貴的高精度水平位移臺；?

大景深：高分辨率光譜儀進行信號采集，經(jīng)分光元件將白光分光，具備mm級測量深度特性，無需深