基于白光干涉彩色图像的微结构表面形貌测量方法研究

摘要

在超精密加工、微机电系统制造领域,微结构的表面三维形貌会显著地影响器件的使用性能及产品质量,其测量方法研究是微纳测试领域的一个重要研究方向。白光干涉技术作为一种非接触测量方法,具有高精度、无损和快速的优点,被广泛应用于微结构表面形貌的测量。区别于通常使用的CCD黑白相机,利用CCD彩色相机采集白光干涉条纹的图像,包含了R、G、B三个通道,可以保留其颜色信息。针对采集的白光干涉彩色图像,本文提出了RGB相位交叉测量法和多波长RGB相移干涉测量法,用于物体表面形貌的测量。论文的主要工作如下:
　　1.在比较微结构表面形貌测量方法和分析基于白光干涉彩色图像测量物体形貌的研究现状的基础上,提出了两种基于白光干涉彩色图像处理的微结构表面形貌测量方法。
　　2.提出了在白光垂直扫描干涉测量中基于彩色条纹图像的RGB相位交叉法,利用小波变换法分别求解出在不同扫描位置处R、G、B通道的相位信息,通过
　　建立评价函数,并结合最小二乘法可精确地确定零光程差的位置,进而得到物体的表面形貌,通过仿真分析验证了所提出方法的有效性,此外,与传统地使用灰度图像测量物体形貌相比,利用彩色图像处理可使测量精度有所提高。
　　3.提出了多波长RGB相移干涉法,基于彩色条纹图像,利用R、G、B三个通道信息,一次测量即可实现多波长相移干涉。首先,利用小波变换法获取彩色图像R、G、B三个通道的中心波长,分析了不同相位提取算法的测量精度;然后,分别利用等效波长法、斜率法、条纹级次法求解物体的高度信息,并通过仿真分析,比较等效波长法、斜率法和条纹级次法的测量精度,得出利用条纹级次法分析彩色图像,可获得最佳的测量精度和重复性。
　　4.搭建由成像模块、扫描模块、图像采集模块和程序模块组成的白光干涉测试系统,编写了图像采集和处理程序,最后通过测量硅片表面和NIST认证的标准台阶高度,验证了所提出方法的精度和有效性。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景与意义

1.2常见的微结构表面形貌测量方法

1.3 微结构表面形貌测量方法的比较

1.4 基于白光干涉彩色图像测量技术的相关研究

1.5 课题的提出和论文的主要工作

第二章 RGB相位交叉法及其仿真分析

2.1 连续小波变换

2.2 RGB相位交叉法的测量原理

2.3 RGB相位交叉法的仿真分析

2.4 本章小结

第三章 多波长RGB相移干涉法及其仿真分析

3.1 多波长RGB相移干涉法的测量原理

3.2 相位提取算法

3.3 多波长RGB相移干涉法的仿真分析

3.4 本章小结

第四章 测试系统构建与实验结果分析

4.1 测试系统

4.2 实验结果与分析

4.3 本章小结

第五章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢