大视场白光干涉测量系统及性能研究

基于国产化的2倍迈克尔逊型干涉物镜组,优选配置0.5倍适配镜,对白光LED照明光源进行带通滤波参数的仿真估算和实验性能比较,构建了整套大视场白光干涉精密测量装置系统并进行了实验测试,通过白光干涉轴向响应实验曲线确定了中心波长。实验结果表明:通过光谱滤波获得了较为理想的白光干涉轴向响应曲线;系统的水平最大视场达到了14 mm;高度为2.04μm和20.43μm的标准台阶样品的测量结果分别为2.05μm和20.47μm,10次测量重复精度(标准差)分别为12 nm和16 nm。对粗糙度样板、微机电系统传感结构和半导体晶圆膜层进行了实测,表明所研制的系统装置在三维光学无损精密检测领域的应用具有可行性。

接触式与白光干涉测头复合测量坐标统一与数据融合

针对复合测量中两测头空间坐标系不统一的问题,提出了基于标定器提供基准点结合单位四元数法求解空间变换矩阵的坐标统一方法,并以均方根误差(RMSE)来评估坐标统一的效果。设计并制作了一种新型标定器,为坐标统一提供稳定可靠的基准点,并建立了基准点精度与坐标统一精度的关系模型。针对两测头测量数据,提出了空间误差椭球搜索策略结合加权最小二乘法的数据融合方法。实验结果表明,复合测量的坐标统一化配准精度可达1.889μm,所提出的数据融合方法相较传统加权最小二乘法的相对误差减小了16%,重复性精度提高了38%,实现了复合测量的高精度坐标统一与稳定精确的数据融合,提升了对器件的测量能力。

宽频段振动干扰不敏感的白光干涉测量

传统白光干涉测量方法对振动干扰非常敏感,振动干扰会引起扫描步长误差,进而降低白光干涉的测量精度。为抑制振动干扰的影响,提出一种三点反正弦的白光干涉测量算法。三点反正弦法将干涉图序列中每相邻三幅分为一组,利用扫描过程中干涉条纹连续移动的特点,从每组干涉图的有效条纹区域计算出相移偏差,进而得到每幅干涉图的实际扫描步长。基于计算的实际扫描步长,构建了非等步长的调制度与相位最小二乘计算方法,并重构表面高度。由于计算步长仅利用三幅干涉图,三点反正弦法频段响应宽,能够探测快变、大幅的扫描步长误差。仿真和实验证实,在振动干扰下三点反正弦法能获得高达0.5%的测量准确性(台阶高度为10μm),并适合多种类构型表面形貌的测量。理论分析和实验表明,三点反正弦法能够抑制多种形式扫描步长误差的影响,适用于宽频段振动干扰下的白光干涉测量。

基于自适应极值的白光干涉信号解调算法研究

针对传统时域解调算法等光程点定位稳定性差、抗干扰能力弱,而频域解调算法效率低且部分方法受扫描采样步长限制等问题,课题组提出一种基于自适应极值的白光干涉解调算法。从干涉信号统计学规律出发,通过对干涉信号包络曲线加权平均,将它修正为高斯型包络曲线;然后,通过对包络曲线高斯拟合插值得到等光程点,进而得到测量方向的深度信息以及三维形貌;最后,以高度为20μm标准台阶样块为测量对象进行多次实验。结果表明:与传统算法相比,课题组所提出算法的测量重复性和精度均有显著提升。该算法为白光干涉中信号解调提供了一种重复性更好、误差更小的方法。

基于白光干涉的三维表面形貌拼接方法研究

白光干涉测量技术由于具有非接触、无损伤、量程大、精度高和灵敏度高等特点,被应用于微纳米结构三维表面形貌测量中,但存在受限于显微物镜视场限制测量范围问题。提出了一种可以有效提高测量范围的三维表面形貌拼接方法。通过对多次采集的小范围高分辨率白光干涉图样进行域划分,采用三维形貌数据拼接配准方法,利用模板匹配算法对图像的二值化矩阵进行匹配计算,实现了待测元件的表面形貌的有效表征。研究发现,当采用不同的图像拼接方式即上下拼接、左右拼接和2&2拼接方式时,图像拼接效果有一定差异,其准确度和产生的误差不同。三种拼接方式中,2&2拼接方式能够有效减小操作误差,实现大范围和高分辨干涉图样拼接,在白光干涉三维形貌表征中具有广阔应用前景。

基于LabVIEW的白光干涉测量系统算法开发及软件设计

为全面实现白光干涉测量系统的搭建及应用,在硬件结构的基础上对软件系统进行了设计和开发。以LabVIEW图形化编程语言为开发工具,分别通过.NET控件、ActiveX控件与运动控制器和数据采集仪建立通信,实现对5个运动轴的协调控制及数据的实时采集及分析处理。最后通过对标准环规的测试,验证了此软件不仅能精确高效地完成白光干涉测量系统的测试任务,其所输出的点云数据还可以进一步处理获得直径、圆柱度等形位公差信息。

基于白光干涉技术的表面微观形貌测量方法

本文从测量原理和技术特性的角度出发,分析了扫描显微镜法、光学干涉法、激光散射法和共焦显微法等非接触测量方法的适用范围。同时,根据白光干涉法的干涉特性和工作原理,研究了其常用的信号处理算法、数据处理和参数评定过程,并对表面三维微观形貌、表面粗糙度、划痕深度进行测量与评价。实验证明:该方法在表面三维微观形貌精确测量中具有显著优势,且精度较高,可为其质量评定提供技术支撑。

具有F-P标准具照明系统的白光干涉仪测量量块的测量不确定度分析

文献[1]F-P标准具用于量块量值的传递与溯源一文(中国测试技术2012年增刊第2期54-58页)介绍具有F-P标准具的白光干涉仪检定量块的光学原理及其结构,以及检定F-P标准具的等倾干涉的原理。而进一步对具有F-P标准具的白光干涉仪检定量块的测量不确定度的分析,则由本文完成。该文首先对F-P标准具的检定及其测量不确定度就行了分析。量块尺寸在白光干涉仪上与标准具作比较测量。为减少标准具的数量,量块尺寸可以与两块或三块标准具组成的尺寸进行比较,也可以是由一块尺寸较小的标准具经过光学倍增法实现与被检量块尺寸相同进行比较。例如80mm的量块用40mm的标准具进行比较,这时在量块上的光路在标准具中多一次反射达到;90mm量块则用30mm标准具进行比较。他们也可以由两块标准具组成的尺寸进行比较。分析时以倍增法测量误差最大,以其进行计算。充分证明具有F-P标准具的白光干涉仪完全满足检定1等量块的要求。通过文献[1]及本文的介绍,映证该技术可以实现普及1等量块的检定及量块的自动化检定,特别适用于量块生产厂00级、K级、0级量块的自动化检定。

基于SVMD-HD去噪的白光干涉解调算法

垂直扫描白光干涉法(VSWLI)是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷,尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时,台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷,但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换(FFT)相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解(SVMD)与Hausdorff距离(HD)联合去噪。分别以高度为500 nm和1200 nm的连续台阶器件和高度为10μm的标准台阶作为测试样品,进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼,克服相位模糊问题。

扫描白光干涉技术在硅片检焦过程中的应用

晶圆检测设备常采用机器视觉方法采集晶圆图像,但基于光谱共焦位移传感器的调焦系统测量精度低、鲁棒性差,基于三角测量原理的调焦系统虽精度足够高,但硅片表面图案与沟槽会影响探测光路从而导致系统无法工作。针对这些问题,提出一种基于扫描白光干涉技术的调焦系统,以实现对于不同工艺属性硅片焦面位置的快速精准测量。此检焦系统首先进行相机最佳焦面位置与PZT零光程差位置之间垂向距离的标定,使得在检焦测量时可将零光程差位置作为检出对象,极大地提高了检出速度,并且在零光程差位置定位时,根据干涉波形的形状自适应选择定位算法,提高了检焦系统的工艺适应性。实验结果表明,对于单峰波形和双峰且双峰半分离波形,重心法处理得到的焦面位置的平均绝对误差分别为20 nm和56.1 nm,而包络法则有38 nm和56.2 nm,并且重心法处理耗时在1 ms之内,包络法则需25 ms左右,故选用重心法作为零光程差定位算法。对于双峰且双峰完全融合波形和双峰且双峰完全分离波形,重心法处理得到的焦面位置的平均绝对误差分别为20.3 nm和17.8 nm,而包络法则有13.2 nm和15.8 nm,故选用包络法作为零光程差定位算法。模板匹配法对于4种波形的处理精度最高,在模板形状确定的情况下使用。文中所提系统的焦面测量结果最大平均绝对误差仅为57 nm,最小可达到8 nm,有较强的实际应用意义。

基于相关度的白光干涉信号解调算法

超精密的微纳器件是制造领域的核心器件,随着超精密加工技术的迅猛发展,对相应的微纳检测技术要求越来越高。微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段,是超精密加工技术进一步发展的前提。现有的微纳器件表面轮廓检测方法按是否使用光学原理可以分为光学类和非光学类,非光学类检测通常为点扫描、接触检测的方式,检测效率低,容易破坏待测器件的表面形貌。光学类的检测方式多为面扫描,非接触式测量,不会划伤待测器件,检测效率高。在光学检测中,白光干涉技术由于其相干长度短的特点,可实现微纳器件三维形貌的高精度测量,受到国内外研究人员的广泛关注。在白光干涉检测技术中,信号解调算法对整个检测系统至关重要,传统的白光干涉信号解调算法只采用了干涉信号的部分信息,解调精度较低,而高精度的相移解调算法又依赖于粗定位的精度,无法直接实现高精度的三维形貌恢复。为了解决以上问题,提出以相关度为基础的信号解调算法,该算法通过三级滑动窗口计算相关度,利用了白光干涉信号的全部信息,无需粗定位,就可直接确定待测物体的表面三维形貌信息。为验证该算法的性能,对其进行了模拟仿真和实验验证。模拟仿真结果表明该方法具有可行性,可准确恢复仿真待测三维结构形貌,采用三级滑动窗的设置可有效提高运算效率。同时,搭建了白光干涉垂直扫描实验系统,并对光栅结构和微透镜结构进行了测量,将实验结果与传统的重心法和相移法进行了比较。实验结果表明该方法能准确恢复出不同物体的三维形貌,精度及鲁棒性均优于改进的重心法,接近相移法,光栅高度的恢复结果表明该方法与相移法的误差小于0.5 nm。仿真和实验结果表明,所提出的基于相关度的白光干涉信号解调方法是可行的,无需粗定位便可实现待测物体表面三维形貌的高精度恢复,具有高精度、高鲁棒性的特点。

基于主成分分析的白光干涉微观形貌测量算法

为了解决白光干涉相位求解问题,实现微观形貌的高度测量,提出了基于主成分分析(Principal Component Analysis,PCA)的白光干涉(White Light Interferometry,WLI)微观形貌测量算法。通过搭建的白光干涉显微系统采集多幅干涉图,将其重构成向量形式。在一组干涉图中,用时间平均值来估计背景照明,消除背景光成分。然后,通过矩阵运算得到代表原始数据的特征值及其特征向量。最后,通过反正切函数计算物体的包裹相位分布。实验结果表明,本文所提方法对于标定高度为956.05 nm的台阶测量结果为953.66 nm,且可以获得与迭代算法近似的解,而本文所提方法与迭代算法相比,处理速度提高了2个数量级。利用本文方法分析了表面粗糙度为0.025μm样块的干涉条纹。结果显示:计算得到的表面粗糙度均值为24.83 nm,标准差为0.3831 nm。本文提出的方法解决了单色光干涉测量中的不足,还具有计算简单、速度快及精度高等优势。

光纤型白光干涉仪光程差的超分辨率识别

提出了一种白光干涉仪干涉信号超分辨率识别的方法。白光干涉信号之间的光程差小于相干长度(通常为50μm)时会发生叠加,叠加导致信号形状发生畸变无法区分。首先从理论研究推导出重叠引起的干涉信号面积变化大小与光程差之间的关系,然后利用重叠导致的面积变化推导出信号真实的光程差从而到达超分辨率识别的目的。实验设计制造并识别了光程差为15μm左右的干涉信号,证明了该方法具有提升3倍分辨率的可行性。将有利于提高光程差绝对测量的分辨率。

基于单片机的白光干涉多点传感系统设计

随着科学技术的不断创新,小型化、集成化、智能化已成为光电子器件的重要研究方向。基于白光干涉测量原理,使用STM32单片机设计了一款集控制步进位移台、输出振镜信号、检测光电探测器电压多种功能一体的控制系统,并针对输出方波信号、检测电压等需求在设计中加入了放大电路、检波电路,实现了集成化并通过以上功能简化了系统。根据检测到电压的信号,利用函数实现了自动找寻干涉区间的功能,完成了基于单片机的白光干涉测量操控系统,该系统经测试具有良好的测量稳定性与重复性,降低了实验仪器成本。

白光干涉仪在测量中的常见问题及解决方式

白光干涉仪广泛应用于各类微纳米台阶高度、微观表面形貌以及表面粗糙度测量。本文从外部使用环境、被测件表面、仪器自身参数设置、设备维护等几个方面,分析可能引起白光干涉仪测量结果不准确的原因,并结合使用情况,提出相应的建议,从而提高测量结果准确性。

白光干涉解调光纤MEMS压力传感器

为了在强电磁干扰、高温、高压等恶劣环境下实现压力的测量,进一步提高传感器的小型化并降低其制作成本,提出并设计了一种基于白光干涉解调的光纤法布里-珀罗压力传感器,实现了传感器的压力测量.基于微机电系统技术,采用光刻、阳极键合以及化学腐蚀的方法制作了以硅和玻璃构成的法布里-珀罗腔体,使用二氧化碳激光器对法布里-珀罗腔体与光纤进行焊接.基于白光干涉解调技术,利用斐索干涉仪与法布里-珀罗腔体的互相关关系对传感器进行了解调,并做了压力实验.实验结果表明：传感器在120～300kPa范围内具有较高的腔长变化灵敏度和线性度,分别为9.012 7nm/kPa和99.9%;传感器分辨率为0.1nm,重复性为0.1%.研究成果对低成本、高一致性光纤F-P传感器的批量制作具有一定的参考价值.

利用白光干涉原理测量MEMS深槽结构

利用白光干涉仪测量形貌,实现对MEMS深槽结构的几何尺寸和三维形貌的分析.实验采用样品为硅栅,测得沟槽的深度为89.78μm,沟槽宽度22.6μm,深宽比为4∶1,得到清晰的三维形貌图.经过对不同沟槽的测量发现,当槽结构的宽大于5μm时,经倾斜一定角度后,可以测得槽的三维形貌.

基于白光干涉的光学球面半径测量研究

光学球面曲率半径是决定光学球面光学特性的重要参量,通过测量光学球面的曲率半径,可以审核光学元件设计制造质量。在基于白光干涉理论基础上,将莫尔光栅位移测量系统及CCD数字图像采集处理系统集成到迈克尔逊干涉仪上,利用CCD数字图像处理技术,构建了光学球面曲率半径自动测量系统。该测量系统对于大曲率半径的光学球面测量精度较高;对于半径R=71.2037 mm的光学球面,其测量标准误差σR=0.4723 mm。实验结果表明:设计的光学球面自动测量系统可以对大曲率半径光学球面实现高精度测量。

全光纤白光干涉型光纤传感器

根据传统光学干涉原理研制出的相位调制型光纤传感器 ,其突出优点是灵敏度高 .但却只能进行相对测量 ,即只能用作变化量的测量 ,而不能用于状态量的测量 .因此 ,本文介绍了能实现绝对测量的全光纤白光干涉型光纤传感器及其检测技术 ,该技术基于白光干涉的绝对测量原理 .

基于白光干涉的光缆无损伤识别方法

提出一种基于白光干涉的光缆无损伤识别方法。将光纤的两端环接,入射光波经耦合器分成两束光,以相反的方向在同一根光纤中传播,用探测器接收另一端产生的信号。在外加作用力下,对并列在一起的两根光纤产生的光程变化进行了理论分析,推导出光缆识别系统输出信号的理论表达式,对系统输出的信号进行了仿真计算。分别利用冲击信号、正弦信号、音乐信号作为外加信号测得输出信号,进行频谱分析,并与输入信号进行对比,验证该方法的可行性。