白光干涉垂直扫描法非线性开环扫描的方法

摘要

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。

说明书

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(Peakvalue)，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)

其中a是相对应的背景光强，b是干涉图谱的调制振幅，φ是干涉图谱的相位。在垂 直扫描过程中的一系列垂直扫描篇幅1，2,…,N,公式(3)再写成为，I(z_n)＝a(z_n)+b(z_n)cos (φ(z_n))，可简化为I_n＝a_n+b_ncos(φ_n),其中n＝1,2,…,N(4a)

或者

I(t_n)＝a(t_n)+b(t_n)cos(φ(t_n)),可简化为I_n＝a_n+b_ncos(φ_n),其中n＝1,2,…,N(4b)

图1是白光干涉扫描装置在光程差产生干涉条纹后的记录的表面某一点在垂直扫 描过程中一系列随时间(表面高度)的光强信号。干涉图谱在每一点的调制振幅能够从下面 的光强公式中计算出来，其中n＝3,4,…,N-2,(5)

b的最大值和在最大值时对应的扫描时间(高度)能够从调制振幅公式(5)中小于 一个垂直扫描篇幅的精度取得。尽管精确地获得干涉图谱调制振幅在垂直扫描过程中的最 大值时对应的扫描时间(高度)是极为重要的，将该扫描时间(高度)转换为真正的表面高度 具有同样的重要性。

任何一个白光垂直扫描干涉仪的装置都有一个改变被测表面和干涉仪参照面之 间光程差OPD的驱动装置。这种驱动装置包括PZT微移动平台，或者任何一种由马达(例如步 进电机、司服电机、永磁电机等等)驱动、带有或者没有变速齿轮结构，能够集成位置传感 器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)和相对应的输出信号或者通过其非线性微移动特 征曲线获取位移值的处理方法和技术作为对应扫描时间或高度的的直线微移动装置。鉴于 驱动装置内在特性，白光垂直扫描干涉仪中的驱动装置改变光程差OPD的速度不是恒定的， 亦不是确定的。这就意味着扫描高度(时间)不能准确地直接反映出真正的表面高度。为了 克服这个问题，白光垂直扫描干涉仪中的驱动装置集成了一个闭环控制系统来控制光程差 OPD的变化。

Mirau干涉仪、Michelson干涉仪、和Linik干涉仪是实现白光垂直扫描干涉法 (WLSI)的典型装置。其光程差变化可通过光程差驱动装置(图2中80，图3中80’)来实现。

如图2所示，一个Mirau干涉系统的装置包括：成像透镜20，干涉图像拍摄装置例如 数码相机12，带有图像采集和图像处理系统的计算机60，干涉图像光程差的驱动装置80，光 程差驱动装置中与位置关联的输出信号装置或者非线性微移动特征曲线81，干涉光源40， 使光源变成平行光源的准直镜24，分光镜22，Mirau物镜30(由物镜36，分光镜32，参照面24 等组成)，被测物体100。

如图3所示，一个Michelson干涉系统的装置包括：成像透镜20’，干涉图像拍摄装 置例如数码相机12’，带有图像采集和图像处理系统的计算机60’，干涉图像光程差的驱动 装置80’，光程差驱动装置中与位置关联的输出信号装置或者非线性微移动特征曲线81’， 干涉光源40’，使光源变成平行光源的准直镜24’，分光镜22’，Michelson物镜50’(由物镜 54’，分光镜52’，参照面58’，透镜56’等组成)，被测物体100’。

现有技术存在的问题和缺点

白光垂直扫描干涉仪(WLSI)，涉及使用一个产生光程差的驱动装置来达到一系列 干涉图谱有续变化。目前的方法是将产生光程差的驱动装置，例如压电陶瓷(PZT)微位移平 台，与一个精密的闭环控制系统集成。这样一个闭环控制系统的缺点是，

光程差驱动装置的闭环控制电路复杂、成本高；

闭环控制电路系统产生反馈噪声，直接影响表面高度测量的精度；

闭环控制电路系统的反馈和稳定需要一定的时间，直接影响表面高度测量的速度

压电陶瓷微位移平台闭环控制系统的线性度范围有限，限制了表面高度测量的范 围。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种能够降低白光干涉轮廓仪成 本，并能够提高测量精度、加快测量速度、及增加测量范围的白光干涉垂直扫描仪中的光程 差驱动装置的开环控制的方法和装置。

为实现上述发明目的，本发明白光干涉垂直扫描仪中的光程差驱动装置的开环控 制的方法和装置可采用如下技术方案：

一种白光垂直扫描干涉非线性开环扫描控制的方法，

适用于白光垂直扫描干涉方法的干涉轮廓仪，来提供白光垂直扫描干涉方法和装 置中的光程差驱动装置的非线性开环扫描控制的方法和装置，实现有限区间白光干涉；

白光垂直扫描干涉仪进行表面高度差测量通过下面的步骤来实现：

(1)、通过光程差驱动装置，获取在不同的光程差时对应的有序干涉图谱篇幅总数 N，

I(t_n)＝a(t_n)+b(t_n)cos(φ(t_n)),可简化为I_n＝a_n+b_ncos(φ_n),其中n＝1,2,…,N

同时同步记录集成到光程差驱动装置的输出信号，例如压电陶瓷的位置传感器信 号值、直线微移动机械平台的定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的信号或者通过其非线 性微移动特征曲线同步获取对应的位移值值，M次作为对应扫描高度或(时间)；

P(t_m)＝P_mform＝1,2,…,M；

(2)、将P_m数据拟合成一条平滑的曲线P(t)；

(3)、由下面的一系列干涉图谱强度来计算调制振幅b_n，

其中n＝3,4,…,N-2；

(4)、从调制振幅b_n随垂直扫描时间分布的数据中求取其最大值以及对应的垂直 扫描时间或位置t_a。请注意对应的垂直扫描时间或位置t_a能够直接由上面的系列干涉图谱 强度来计算，不需要计算相应的调制振幅b_n值；

(5)、由上述的步骤(2)中的曲线P(t)来找到对应的P(t_a)；

(6)、将位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的输出信号或者其非线 性微移动特征曲线的相对应位移值P(t_a)关联到被测表面高度。

与背景技术相比，本发明中将产生光程差的驱动装置从结构较复杂的闭环控制系 统改变为非线性开环扫描控制系统，从而能够降低使用本方法的白光干涉轮廓仪的成本， 对于改为非线性开环扫描控制系统后所带来的光程差驱动装置的输出信号是非线性和不 恒定性的问题，本发明中提出了一个开环控制配置位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性 或者旋转)的输出信号或者通过驱动装置非线性微移动特征曲线同步获取对应的位移值的 处理作为对应扫描高度(时间)的解决方法和技术来实现光程差的驱动，以解决该问题。从 而使得使用开环控制装置同样能够达成高精度测量的作用，并且开环控制系统无反馈噪 声，光程差的驱动非常平滑，提高了测量精度，开环控制系统无需反馈时间，加快了测量的 速度，同时没有闭环控制系统的线性度范围限制，增加测量范围。

附图说明

图1是现有技术中白光干涉扫描装置在光程差产生干涉条纹后的记录的表面某一 点在垂直扫描过程中一系列随时间(表面高度)的光强信号。

图2是现有技术中一种Mirau干涉仪的结构示意图。

图3是现有技术中一种Michelson干涉仪的结构示意图。

图4是一个由已知的移动值标定的压电陶瓷(PZT)非线性微移动特征曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解这些实施方式仅用于 说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明 的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

本发明创造使用一种集成了非线性开环扫描控制的位置传感器的压电陶瓷、配置 定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)输出信号或特征值的机械微移动平台等光程差驱动装 置，它集成到一个白光垂直扫描干涉仪(WLSI)来产生计算表面高度差所需的一系列有序的 干涉图谱。本发明创造使用的光程差驱动装置，适用于任何一种由压电陶瓷或者马达(例如 步进电机、司服电机、永磁电机等等)驱动，带有或者没有变速齿轮结构，能够集成位置传感 器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的输出信号或者通过驱动装置非线性微移动特征 曲线同步获取对应的位移值作为对应扫描时间(高度)的微移动装置，如适用于白光垂直扫 描干涉仪(WLSI)例如Mirau干涉仪，Michelson干涉仪，Linki干涉仪等结构。

开环控制系统的装置驱动光程差的变化是非线性的和不恒定的。为了克服其非线 性性和不恒定性，本发明创造提出了一个非线性开环扫描控制的位置传感器、定位光栅尺、 编码器(线性或者旋转)的输出信号或者通过驱动装置非线性微移动特征曲线同步获取对 应的位移值的处理方法和技术来实现光程差的驱动。图4是一个典型的、由已知的移动值标 定压电陶瓷(PZT)非线性微移动特征曲线。

本发明公开了一种白光干涉垂直扫描非线性开环扫描控制的方法，提供适用于光 学干涉垂直扫描法的干涉轮廓仪，来提供光学垂直扫描干涉系统及使用开环控制系统驱动 装置来实现干涉垂直扫描光程差；

白光垂直扫描干涉仪进行表面高度差测量通过下面的步骤来实现：

(1)、通过光程差驱动装置，获取在不同的光程差时对应的有序干涉图谱篇幅总数 N，

I(t_n)＝a(t_n)+b(t_n)cos(φ(t_n))，可简化为I_n＝a_n+b_ncos(φ_n),其中n＝1,2,…,N

同时同步记录集成到光程差驱动装置的输出信号，例如压电陶瓷的位置传感器信 号值、直线微移动机械平台的定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的信号值或者通过其非 线性微移动特征曲线同步获取对应的位移值，M次作为对应扫描高度(时间)

P(t_m)＝P_mform＝1,2,…,M；

(2)、将P_m数据拟合成一条平滑的曲线P(t)；

(3)、由下面的一系列干涉图谱强度来计算调制振幅b_n，

其中n＝3,4,…,N-2；

(4)、从调制振幅b_n随垂直扫描时间分布的数据中求取其最大值以及对应的垂直 扫描时间或位置t_a。请注意对应的垂直扫描时间或位置t_a能够直接由上面的系列干涉图谱 强度来计算，不需要计算相应的调制振幅b_n值；

(5)、由上述的步骤(2)中的曲线P(t)来找到对应的P(t_a)；

(6)、将位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的输出信号或者其非线 性微移动特征曲线的相对应位移值P(t_a)关联到被测表面高度。

本发明中将产生光程差的驱动装置从结构较复杂的闭环控制系统改变为开环控 制系统，从而能够降低使用本方法的白光干涉轮廓仪的成本，对于改为开环控制系统后所 带来的光程差驱动装置集成的位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的输出信 号或特征值是非线性和不恒定性的问题，本发明中提出了一个无闭环控制的位置传感器、 定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的输出信号或者其非线性微移动特征曲线的相对应位 移值的处理作为对应扫描时间(高度)的解决方法和技术来实现光程差的驱动，以解决该问 题。从而使得使用开环控制装置同样能够达成高精度测量的作用，并且开环控制系统无反 馈噪声，光程差的驱动非常平滑，提高了测量精度，开环控制系统无需反馈时间，提高了测 量的速度，同时没有闭环控制系统的线性度范围限制，增加测量范围。

具体的有益效果包括：

1、非线性开环扫描控制的光程差驱动装置，简单并且降低成本；

2、解决闭环控制电路系统带来的反馈噪声，光程差驱动平滑，提高表面测量高度 的精度；

3、由于没有闭环控制系统的反馈过程所需的时间，提高了测量的速度。

4、非线性开环扫描控制的位置传感器、定位光栅尺、编码器(线性或者旋转)的输 出信号或者其非线性微移动特征曲线的相对应位移值够非常简便地集成到任何一种光程 差驱动装置的直线微移动平台上。它克服了配有闭环控制的PZT驱动装置等受线性驱动范 围有限造成的测量范围小的缺陷，进而极大地扩展了白光垂直扫描干涉技术的表面高度差 测量范围。