一種便攜式光學表面輪廓儀

張　瑜,陳宇琪,陳　磊（.南京理工大學電子工程與光電技術(shù)學院,江蘇南京 0094；.金智視訊技術(shù)有限公司,江蘇南京 00）

一種便攜式光學表面輪廓儀

張瑜1,陳宇琪2,陳磊1
（1.南京理工大學電子工程與光電技術(shù)學院,江蘇南京 210094；2.金智視訊技術(shù)有限公司,江蘇南京 211100）

研究了一種基于短相干光相移干涉法的便攜式光學表面輪廓儀,分析了短相干光干涉顯微鏡相移干涉技術(shù),實現(xiàn)了基于該項技術(shù)的光干涉顯微系統(tǒng)。采用光路集成化的設(shè)計方法,實現(xiàn)了一體化輪廓儀光路集成,優(yōu)化了機械三維調(diào)整測量臺,實現(xiàn)了可用于大、小口徑元件表面測量的正置、倒置兩種測量模式。測試結(jié)果表明,儀器的粗糙度測量精度為0.1 nm,重復性誤差優(yōu)于0.01 nm,橫向分辨率優(yōu)于1μm。

短相干光相移干涉；表面輪廓；干涉顯微鏡；粗糙度

引 言

輪廓儀可以分為接觸式和非接觸式,最典型的接觸式輪廓儀是觸針式輪廓儀,它能夠測量平面、球面、非球面等多種形狀的表面輪廓［1］。觸針式輪廓儀發(fā)展很早,目前國內(nèi)外均有成熟的產(chǎn)品,英國TaylorHobson公司生產(chǎn)的PGI 1240輪廓儀的分辨率優(yōu)于0.8 nm,德國Nanoscan輪廓儀產(chǎn)品的分辨率優(yōu)于0.6 nm。該類儀器具有量程大和精度較高的特點,但觸針會不可避免地對表面產(chǎn)生一定的損傷,且需要大量的掃描時間,測量效率較低。非接觸式可以分為掃描顯微鏡和光學輪廓儀,其中光學類又可分為光學探針法、偏振相移干涉法、顯微干涉測量法等。與其他光學技術(shù)相比,干涉顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率較高,可以獲得直觀的表面輪廓信息,檢測效率和檢測精度都較為理想。Veeco NT9100輪廓儀和4D公司動態(tài)光學輪廓儀的測量精度均可達0.1 nm,但不足的是NT9100受載物臺尺寸和工作距離的限制,無法實現(xiàn)針對天文望遠鏡等大尺寸元件的面形檢測,同時受被測樣品厚度影響,每次測試都需要長時間的重新調(diào)試,因此無法適應工業(yè)生產(chǎn)檢測中的快速批量檢驗。Nanoscan可以適用于不同口徑元件的輪廓測量,但是物鏡只能倒置測量,當被測件口徑較小時,調(diào)整十分不便。國內(nèi)Chang等［2］研制了WIVS型白光干涉表面輪廓測量儀,垂直分辨率優(yōu)于0.5 nm,垂直測量范圍為0.25 mm。目前全世界絕大部分的微電子和光學加工產(chǎn)業(yè)在中國,而這些儀器的測量技術(shù)是國外壟斷的,價格非常昂貴,國內(nèi)相對缺少此類儀器的開發(fā)。

本文針對上述問題,開發(fā)出基于相移干涉顯微鏡且穩(wěn)定性強、精度高的便攜式表面三維微觀輪廓在線測量儀器,使其能夠在工廠批量生產(chǎn)加工的過程中,無論在重復性還是在測量精度上均能達到在線使用的目的。

1　系統(tǒng)基本原理

1.1移相干涉技術(shù)

光的干涉指當兩束或多束相干光波在空間疊加時,形成光強強弱分布的現(xiàn)象。干涉圖的光強表達式為

式中:A為平均光強；B為光強調(diào)制度；φ（x,y）為待測相位；δ（t）為參考光波的相移量。光強I（x,y,t）可以通過探測器采集,若相移量是已知的,公式中只有平均光強、光強調(diào)制度、待測相位3個未知量,因此在移相過程中,對參考光加入步距為90°的光學相移［3-4］,即δ（t）依次取0,π/2,π,3π/2。根據(jù)采集到的4幅干涉圖的光強數(shù)值,即可得到待測相位

進而得到被測面的各點的高度值,從而得到微表面的三維形貌。

圖1　短相干光干涉顯微鏡基本光路結(jié)構(gòu)Fig.1　Basic optical path structure of short-coherent light phase-shifting interference microscope

1.2干涉顯微鏡技術(shù)

干涉顯微鏡結(jié)合了干涉儀技術(shù)和顯微鏡技術(shù),通過對干涉條紋進行調(diào)制和解調(diào)來測量表面的微觀不平度。與其他用于表面輪廓檢測的光學技術(shù)相比,干涉顯微鏡的放大倍數(shù)和分辨率較高,可以獲得直觀的表面輪廓信息,檢測效率和檢測精度都較為理想［5］。根據(jù)干涉顯微物鏡的光路結(jié)構(gòu)和干涉實現(xiàn)方法,可以將其分為Michelson型、Mirau型和Linnik型三類［6］,與Linnik型干涉顯微鏡相比,Mirau型結(jié)構(gòu)的參考光和測量光大部分共路,因此具有較好的抗干擾能力。與Michelson型干涉顯微鏡相比,Mirau型結(jié)構(gòu)工作距離短、數(shù)值孔徑大,有較高的放大倍率和空間分辨能力。故本系統(tǒng)采用Mirau型干涉顯微物鏡,其基本光路結(jié)構(gòu)如圖1所示。

寬帶光LED光源發(fā)出的光束經(jīng)分光棱鏡導入顯微鏡系統(tǒng)中,當光束通過干涉物鏡時,被分光鏡分為兩束。其中一束照射到被測表面,經(jīng)過被測表面微觀形貌調(diào)制后返回系統(tǒng),另一束由參考鏡反射回系統(tǒng)。兩束光在顯微鏡筒中相遇并同時成像在CCD探測器靶面上。當兩束光的光程差在相干長度范圍內(nèi)時會發(fā)生干涉疊加,形成干涉圖,被測表面的三維形貌信息就記錄在干涉圖中。

驅(qū)動移相器進行移相,兩束光波的光程差產(chǎn)生變化,對應的干涉圖會相應地移動一個相位。通過CCD相機采集一系列干涉圖,并采用移相干涉算法對干涉圖進行計算,即可恢復出被測表面的輪廓信息分布。

2　便攜式光學表面輪廓儀系統(tǒng)設(shè)計

短相干光干涉顯微鏡的工作流程如圖2所示:計算機控制移相系統(tǒng)按照預定距離進行移相操作,對應干涉成像系統(tǒng)中光程差發(fā)生變化,圖像采集系統(tǒng)記錄每次移相后干涉圖光強分布信息并發(fā)送回計算機進行數(shù)據(jù)處理,最終將測試結(jié)果輸出在操作界面上。

基于短相干光顯微干涉成像原理,對干涉顯微鏡的軟硬件結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)設(shè)計,其整體結(jié)構(gòu)外觀如圖3所示。儀器主要分為干涉成像系統(tǒng)、移相系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)四部分。

圖2　工作流程圖Fig.2　Flow chart

圖3　便攜式光學表面輪廓儀的實物照片F(xiàn)ig.3　Product photo of the portable microscopic profilometer

干涉成像系統(tǒng)是在Mirau干涉物鏡和單筒顯微鏡的基礎(chǔ)上改裝而成:使用三個支柱環(huán)形結(jié)構(gòu)夾持單筒顯微鏡；加入LED照明裝置可以實現(xiàn)同軸照明；將物鏡替換為Mirau干涉顯微物鏡；目鏡部分改為CCD探測器成像系統(tǒng)。設(shè)計的光路如圖4所示,LED光源發(fā)出的平行光線經(jīng)聚光鏡組、孔徑光闌、視場光闌聚束,經(jīng)透反射鏡反射進入Mirau干涉顯微物鏡,在干涉物鏡內(nèi)光線被分光鏡分為兩束,經(jīng)參考面和被測件表面反射的兩束光匯合,再經(jīng)分光鏡和聚光鏡聚焦于CCD的靶面上,由相機采集干涉條紋。

圖4　干涉顯微鏡的原理光路Fig.4　The principle of optical path of the interference microscope

3　便攜式光學表面輪廓儀工作模式

為了解決大口徑光學元件的在位測量和超精密元件的高精度在線快速批量檢測問題,我們將儀器設(shè)計為兩種工作模式:當被測件為大口徑光學元件如天文光學系統(tǒng)中的大口徑鏡面時,儀器采用倒置工作模式,如圖5（a）所示,將物鏡端向下放置在被測件表面不同位置進行采樣測量,從而完成微觀輪廓的三維形貌測量；當被測件的口徑較小時,儀器采用正置工作模式,如圖5（b）所示,將物鏡端向上放置,將被測件被測面向下放置在載物臺上,從而完成測量。這兩種測量模式不僅滿足了不同口徑光學元件測量的需要,而且測量調(diào)節(jié)過程、切換區(qū)域甚至切換被測件都不會對工作距離產(chǎn)生太大影響,可以快速調(diào)整到合適位置進行下一步的測量,從而提高了效率。

圖5　兩種工作模式示意圖Fig.5　Two kinds of working mode

4　便攜式光學表面輪廓儀性能及其測量實例

4.1性能

儀器的主要技術(shù)指標見表1。

其中準確度為算術(shù)平均偏差,表征了被測面高度信息的算術(shù)平均分布。

此外,為了更好地實現(xiàn)干涉顯微鏡的自動化控制和智能檢測計算,開發(fā)了一套基于MFC平臺且集控制、計算與反饋于一體的軟件系統(tǒng),使得對超光滑表面元件輪廓形貌的檢測、計算和評價更加便捷。

4.2測量實例

（1）藍寶石的超光滑表面粗糙度測量

藍寶石晶體作為制作LED芯片最常采用的襯底材料,其表面粗糙度的平均偏差值控制在0.3 nm以內(nèi)［7］。采用本系統(tǒng)對某公司提供的超光滑藍寶石襯底進行粗糙度質(zhì)量檢驗,檢測結(jié)果如圖6所示,測得R a為0.272 nm,R q為0.361 nm。

圖7為同類輪廓儀Veeco NT9100對藍寶石表面的粗糙度測量結(jié)果,測得R a為0.25 nm,R q為0.32 nm與本系統(tǒng)的測試結(jié)果相符合?？紤]到選取區(qū)域的差別會對結(jié)果產(chǎn)生一定的影響,因此可以表明研制的便攜式光學表面輪廓儀的測試可靠性能滿足要求。

（2）碳化硅標準樣塊的粗糙度測量

美國BRUKER公司生產(chǎn)的碳化硅（SiC）標準樣塊RM1085系列的超光滑表面粗糙度為0.2 nm,用其標定輪廓儀的系統(tǒng)像差。使用本系統(tǒng)進行測量,檢測結(jié)果如圖8所示,測得R a為0.184 nm,R q為0.243 nm。

表1　便攜式光學表面三維形貌檢測儀總體性能指標Tab.1　The overall performance indicators of the portable microscopic profilometer

圖6　藍寶石襯底表面檢測形貌圖Fig.6　Thesurface topography of the sapphire bottom

圖7 Veeco NT9100輪廓儀對藍寶石表面測量形貌圖Fig.7　Thesapphire surface topography by Veeco NT9100 profilometer

圖9為同類輪廓儀Veeco NT9100對碳化硅標準樣塊表面的粗糙度測量結(jié)果,測得R a為0.17 nm, R q為0.21 nm,與我們的測試結(jié)果相符合。

圖8　碳化硅標準樣塊表面檢測形貌圖Fig.8　The surface topography of silicon carbide standard sample piece

圖9　Veeco NT9100輪廓儀對碳化硅標準樣塊表面測量形貌圖Fig.9　The surface topography of silicon carbide standard sample piece by Veeco NT9100 profilometer

（3）硬盤表面粗糙度測量

隨著垂直磁記錄技術(shù)在計算機硬盤中的發(fā)展與應用,硬盤的磁頭飛行高度從2001年的15 nm降至2 nm,硬盤存儲密度的提高和磁頭飛行高度的降低,要求磁頭、磁盤的表面粗糙度達到亞納米級。本系統(tǒng)檢測結(jié)果如圖10所示,測得R a為2.589 nm,R q為3.228 nm。

圖11為同類輪廓儀Veeco NT9100對硬盤的表面進行粗糙度測量,測得R a為2.63 nm,R q為3.31 nm,與我們的測試結(jié)果相符合。另外,由表面形貌圖可清晰地看出硬盤表面的橫向紋理,說明研制的便攜式表面輪廓儀在光學元件的橫向測量上擁有一定的測量精度。

圖10　硬盤表面檢測形貌圖Fig.10　The surface topography of the hard disk

圖11　Veeco NT9100輪廓儀對硬盤表面測量形貌圖Fig.11　The hard disk surface topography by Veeco NT9100 profilometer

（4）大口徑光學元件表面粗糙度測量

將該儀器應用于天文望遠鏡的大型鏡面的面形測量中,如圖12所示,對鏡面進行采樣測量,去除表面的臟點,測試結(jié)果如圖13所示,得到RMS為1.6 nm,PV為15.9 nm。由圖12可以看出,研制的便攜式表面輪廓儀對于大口徑光學元件的測量非常方便且好操作,避免了大口徑光學元件表面測量的不可操作性。

圖12　大口徑光學元件表面粗糙度測量Fig.12　The surface roughness measurement of the large-caliber optical element

圖13　大口徑光學元件表面檢測形貌圖Fig.13　The surface topography of the large-caliber optical element

5　結(jié) 論

本文根據(jù)移相干涉法,研制了一種基于短相干顯微測量的便攜式光學表面輪廓儀,完成儀器的光學干涉成像系統(tǒng)、精密相移位移系統(tǒng)、圖像采集系統(tǒng)以及圖像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā),通過大量的測試實驗驗證了系統(tǒng)的準確性、高效性和穩(wěn)定性。

［1］ 高志山,陳進榜.表面微觀形貌的顯微干涉檢測原理及干涉顯微鏡發(fā)展現(xiàn)狀［J］.光學儀器,1999,21（6）:36-42.

［2］ CHANGSP,XIE T B,SUN Y L.Measurement of transparent film using vertical scanning white-light interferometry［J］.Journal of Physics:Conference Series,2006,48:1063-1067.

［3］ 玻恩M,沃耳夫E.光學原理-上冊［M］.楊葭蓀,譯.北京:科學出版社,1981.

［4］ 遲澤英,陳文建.應用光學與光學設(shè)計基礎(chǔ)［M］.南京:東南大學出版社,2008:331-333.

［5］ HARIHARAN P,PRYPUTNIEWICZ E J,PRYPUTNIEWICZ R J.Minimization of systematic errors in phase-shifting interferometry:evaluation of residuals［C］//Proceedings of SPIE 4101,Laser Interferometry X:Techniques and Analysis.San Diego, CA,USA:SPIE,2000,4101:582-590.

［6］ VERRIER L,VEILLAS C,LéPINE T.Low coherence interferometry for central thickness measurement of rigid and soft contact lenses［J］.Optics Express,2009,17（11）:9157-9170.

［7］ CHO Y S,KIM J,PARK Y J,et al.The effects of strained sapphire（0001）substrate on the structural quality of GaN epilayer［J］. Physica Status Solidi,2004,241（12）:2722-2725.

（編輯:劉鐵英）

A portable microscopic profilometer

ZHANG Yu1,CHEN Yuqi2,CHEN Lei1
（1.School of Electronic and Optical Engineering,Nanjing University of Science and Technology,Nanjing 210094,China；2.Jinzhi Video Technology Co.,Ltd.,Nanjing 211100,China）

A portable microscopic profilometer is studied based on short-coherent light phaseshifting interferometric technique.The portable microscopic profilometer was designed and implemented which was based on short-coherent light interference microscopic techniques.The integration of the profilometer is achieved by integrating optical path.The design of mechanical 3D adjustment platform is optimized.The instrument contains upright and inverted measurement modes to adjust the detection of tiny and large aperture optical surfaces.The measurement experiments of the profilometer are carried out under laboratory condition.The instrument's accuracy is up to 0.1 nm.Repeatability error is better than 0.01 nm and lateral resolution is better than 1μm.

short-coherent light phase-shifting interferomotry；surface profile；interference microscope；roughness

TH 741.1

A

10.3969/j.issn.1005-5630.2016.02.016

1005-5630（2016）02-0178-07

2015-07-24

國家自然科學基金資助項目（U1231111）

張 瑜（1991—）,女,碩士研究生,主要從事精密光學測試技術(shù)方面的研究。E-mail:745375216@qq.com

陳 磊（1964—）,男,教授,主要從事精密光學測試技術(shù)方面的研究。E-mail:chenlei@njust.edu.cn