位相干涉测量.ppt

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1、位相干涉法测量表面微观形貌表面形貌对物体成三维像、逐点获取物体表面三维坐标并精确地测量其表面几何形态的过程，称为表面形貌学（surface topography）表面形貌测量在工业产品自动检测、机械制造、电子工业、机器人视觉等领域均有应用价值表面微观形貌深度分辨率为纳米级或亚纳米级的测量，称为表面微观形貌表面微观形貌测量在微细加工、二元光学、X光光学、生物医学等领域均有着较大的应用价值测量方法概述机械触针法 光学探针法光学法 结构光三角测量 阴影莫尔法 位相干涉测量扫描电子显微镜SEM扫描遂道显微镜STM及原子力显微镜AFM 机械触针轮廓仪 金金刚刚石石触触针针与与被被测测表表面面接接触触并并

2、随随表表面面凸凸凹凹不不平平做做上上下移动下移动 位移传感器测量位移传感器测量具有具有0.10.1nmnm的纵向分辨率和的纵向分辨率和 0.2 0.2m m 的横向分辨率的横向分辨率 光学探针轮廓仪 基于共轭成像原理，探针是聚集光束基于共轭成像原理，探针是聚集光束 测测量量时时光光束束跟跟踪踪被被测测表表面面并并成成像像在在探探测测器器上上，当当被被测测表表面面与与探探测测面面共共轭轭时时，在在探探测测器器上上的的象象点点最最小小，点点探探测测器器接接收收到到的的能能量量最最大大；当当被被测测表表面面偏偏离离物物点点时时，探探测测器器上上的的象象点点变变大大，点点探探测器接收到的能量变小测器接

3、收到的能量变小测测量量时时控控制制物物点点与与被被测测面面重重合合，保保证证探探测测有有最最大输出，便可描画出被测表面的形貌大输出，便可描画出被测表面的形貌光学法 结构光三角测量法激光束经柱状透镜扩束并准直后成一片状光束，在物面上形成一条亮线。由于物面的高低不同，每条投影线在CCD光敏面上的像为一曲线，计算该曲线上各像素点偏离标准象（基准线）位置的距离，便可以得到物体表面一个剖面的高度分布阴影莫尔法 莫尔条纹阴影等高线图形显示物体三维像，将莫尔条纹作为空间编码，从受物体表面形貌调制的莫尔条纹图中提取相位信息并转换为物体表面轮廓 由于莫尔法得到的仅仅是物体面形的等高线，因而无法判断物体的凹凸位相

4、干涉测量法PMI 基于光波干涉原理测量干涉图的光强分布 提取受物体表面形貌调制而变化的光程差（干涉波前相位差）在整个光场中的空间起伏变化，经数据处理后得到物体表面微观形貌 TOPO表面测量系统 基于基于miraumirau干涉显微镜干涉显微镜相移：压电陶瓷驱动参考反射镜，使参考光与测相移：压电陶瓷驱动参考反射镜，使参考光与测量光之间的相位差随时间作线性变化，相移量光之间的相位差随时间作线性变化，相移N-N-1 1次次，获得获得 N N 帧干涉图帧干涉图CCDCCD探测干涉场上各点的光强，从探测干涉场上各点的光强，从N N帧光强算式中帧光强算式中提取每一点的相位值，由相位与被测表面各点高提取每一

5、点的相位值，由相位与被测表面各点高度转换关系式，可获得被测表面形貌的高度分布度转换关系式，可获得被测表面形貌的高度分布分辨率：垂直分辨率：垂直0.10.1nm nm，水平水平0 0.4 4m m 扫描电子显微镜 利用聚焦电子束作为电子探针，当探针扫描被测利用聚焦电子束作为电子探针，当探针扫描被测表面时，激发二次电子。探测器接收二次电子，表面时，激发二次电子。探测器接收二次电子，经放大和处理后得到一幅扫描电子图像。由于二经放大和处理后得到一幅扫描电子图像。由于二次电子的强度和分布与被测表面形貌有关，因此，次电子的强度和分布与被测表面形貌有关，因此，扫描电子像反映了被测表面的几何形貌扫描电子像反映

6、了被测表面的几何形貌具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，分别达到具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，分别达到10 10 nm nm 和和2 2nm nm 要求真空环境下工作，操作复杂，测量费时，且要求真空环境下工作，操作复杂，测量费时，且要求被测表面导电要求被测表面导电 扫描遂道显微镜根据量子隧道效应测量直径为原子尺度的针尖在被测表面扫描，当两者间距离为几十nm 时，形成隧道电流控制探针使其与被测表面的间隙锁定，保持隧道电流为定值，探针的上下移动量即为被测表面的轮廓 原子力显微镜接触式测量，接触式测量，接触力极小，为接触力极小，为1010-7-7 1010-11-11N N，接触区接触区域只有域只

7、有20 20 nmnm大小大小 纵向分辨率纵向分辨率0.01 0.01 nmnm，横向测量范围仅横向测量范围仅1010 m m 具有突出的分辨率，测量精度高，开辟了微结构具有突出的分辨率，测量精度高，开辟了微结构的空间周期低于的空间周期低于1 1 m m的测量区域。在此区域内，的测量区域。在此区域内，机械和光学轮廓仪几乎是无能为力的。但是，测机械和光学轮廓仪几乎是无能为力的。但是，测量范围非常狭窄，且涉及的技术难题多，操作环量范围非常狭窄，且涉及的技术难题多，操作环境要求高境要求高相移微分干涉显微测量系统 光路结构 系统特点 相移驱动 图像采集 数据处理干涉显微镜干涉显微镜是显微镜与干涉系统相

8、结合的产物利用位相干涉法测量通过判读一幅受物体表面形状调制的干涉图提取位相信息，由位相与待测物纵向深度间的转换关系式计算得到物体表面微观形貌相移干涉术原理激光作为照明光源，经扩束器扩展为平行光，分束器将该平行光分为测量光束与参考光束。两路光经待测物及参考镜反射后在干涉场发生干涉，形成干涉条纹驱动电路驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化（相移phase-stepping），以改变参考相位，并产生时间序列上的多幅干涉图表面微观形貌测量系统图 移相方法偏振移相 式中2为与检偏角有关的移相因子，改变角，即产生相位的移动偏振移相有两个优点：其一是检偏器的转角可以精密控制，故移相准确度高；其二是特别适

9、用于干涉系统难以改变干涉臂光程的场合，例如共光路干涉显微镜情形微分干涉显微镜在本实验工作中，我们采用微分干涉显微镜（也称波面剪切干涉显微镜）作为主体，加入步进电机驱动相移器件、CCD探测器、图象采集电路、微型计算机等部分，共同组成相移干涉显微测量系统。微分干涉显微镜differential interference contrast microscopedifferential interference contrast microscope偏振干涉：起偏器、Nomarski偏振分光棱镜、检偏器微分相衬干涉显微镜的关键之处是在光路中加入了Nomarski偏振分光棱镜，以实现对光束的微分剪切及复

10、合偏振的作用棱镜的双折射使两束光沿垂直于光轴方向产生一个横向位移X，同时棱镜所引入的光程差使两波前又产生一个沿轴向的纵向位移Y孔径光栏：物镜框，限制轴上点的光锥大小，由光学系统对光能量的要求及对物体细节分辨率的要求决定入射光瞳：与孔径光栏重合出射光瞳：与眼瞳重合 视场光栏：目镜前焦面上，起限制物方线 视场的作用入射窗：物面出射窗：无穷远光栏：Nomarski棱镜由两个光轴互相垂直的双折射直角棱镜粘合而成。两直角棱镜的光轴都平行于棱镜表面且相互正交。当光线垂直入射到棱镜上表面时，被第一直角棱镜分裂成传播速度及振动方向不同而光线方向一致的两束线偏振光：一束是振动方向垂直于光轴、折射率为o的寻常光o

11、；另一束是振动方向平行于光轴、折射率为e的非常光e。这两个光波因相速度不同，故随着在晶体中行进距离的增加，它们之间的位相差也就增大。当当o o光与光与e e光行进到棱镜胶合面上时，由于下块棱光行进到棱镜胶合面上时，由于下块棱镜主截面的主轴与上半块棱镜主截面的主轴垂直，镜主截面的主轴与上半块棱镜主截面的主轴垂直，所以折射时，所以折射时，o o光变成了非常光光变成了非常光oeoe，e e光变成了寻光变成了寻常光常光eoeo。至此，发生了至此，发生了o o光和光和e e光的转换。转换后光的转换。转换后的两束光自下块棱镜出射时在界面上又折射一次，的两束光自下块棱镜出射时在界面上又折射一次，成为发散光射

12、向显微物镜。成为发散光射向显微物镜。oeoe光与光与eoeo光间的微小光间的微小夹角就是剪切角，一般小于夹角就是剪切角，一般小于3030，以确保射向物，以确保射向物体时两个偏振光的分离量略小于显微镜的分辨率体时两个偏振光的分离量略小于显微镜的分辨率 投向被测表面的光线经反射后，返回棱镜，并再次发生o光和e光的转换。若以上、下两直角棱镜厚度相等处作为Nomarski棱镜的光轴中心，并设显微镜光轴偏离棱镜中心的距离为a，光线在第一直角棱镜中行进的距离为t1,在第二直角棱镜中行进的距离为t2，则两束正交偏振光在Nomarski棱镜中的光程差为：当来自起偏器的线偏振光第一次通过当来自起偏器的线偏振光第

13、一次通过NomarskiNomarski棱棱镜时，在棱镜胶合面上被剪切成振动方向互相垂镜时，在棱镜胶合面上被剪切成振动方向互相垂直的两束分离的线偏振光直的两束分离的线偏振光当这两束线偏振光由被测物反射并按原路穿过当这两束线偏振光由被测物反射并按原路穿过NomarskiNomarski棱镜时，则被复合棱镜时，则被复合复合光穿过四分之一波片后，在两束光之间产生复合光穿过四分之一波片后，在两束光之间产生了恒定的位相差，再穿过检偏器后两束光振动方了恒定的位相差，再穿过检偏器后两束光振动方向相同，满足干涉条件，因此发生干涉向相同，满足干涉条件，因此发生干涉 特点：微分干涉显微术是偏振光干涉显微术，参加干

14、涉的两束光是由对入射线偏振光进行微分剪切而造成的棱镜的双折射使o光与e光间产生垂直于光轴的横向位移棱镜引入的光程差使两束光产生沿光轴的纵向位移由于干涉图象具有较强的立体感，因此可与测得的表面三维形貌图进行直接比较，以便定性判断测量结果的正确性而表面三维形貌的实际测量精度，则由测量结果数据与标准形显微镜中的干涉图象可通过目镜直接观察，也可由CCD电视监视器进行实时显示，或由打印机按照256灰度级的图像打印输出貌数据（对于有标准数据的试件而言）的偏差进行计算 干涉光强强度的变化揭示出位相物体的斜率显示物体的光学厚度的梯度干涉光强不仅与表面形貌相位值有关，而且还和检偏器透光轴与剪切方向的夹角有关。当

15、检偏器以恒速旋转时，干涉相位差随之作线性变化，使得干涉场上各点的干涉光强在亮与暗之间作正弦变化，从而实现了对干涉场的相位调制。光强与检偏器方位角的实测曲线 为微分相衬干涉显微测量系统中任一像素点的光强与检偏器方位角 的实测离散数值以及拟合所得到的曲线。从图中可以看出，干涉光强是检偏器方位角 的正弦曲线，当 从0变到360 时，光强变化两个周期，这与前式的描述完全相同。干涉图像（氯化钾晶体）当被测表面形貌在X微区内的高度梯度不为零时，致使两相干光束产生一定的光程差，在视场中表现为强烈的光强变化，表面形貌高度梯度大的地方其光强的变化也较强烈。转动检偏器，相干光束的相位差随之变化，可以使被测面上的正

16、斜率部分以暗区出现，负斜率部分以亮区出现，零斜率部分以中等灰出现，从而产生阴影效果增强相衬，形成微分干涉相衬象所特有的浮雕性。相移干涉术相移（相位移动）：移动光学元件（或其它部件）以改变干涉光路中测量光与参考光间的位相差位相差的变化使干涉场的光强值发生对应变化不同的位相对应不同的光强方程，并构成光强方程组解光强方程组得到待测量的位相值Phase-shifting interferometrey相移驱动系统检偏器作为相移器件手动：采用插入式的机械结构设计，格值刻度为3的旋转手轮与检偏器间 由两组齿轮实现传动自动：计算机驱动步进电机，带动检偏器旋转在满周期等间距采样时，相移量i=2/N，N(N 3

17、)帧干涉图提取的相位为相位提取相位提取算法被测物体的表面形貌高度信息包含在相位信息中，而相位信息又包含在光强信息中对相移量、干涉图帧数N 取不同的值会构造出不同的光强方程组从而得到不同的解算相位值的方法，称作相位提取算法表面形貌计算：剪切量 L:采样间隔 Xk:像素数测量系统结构框图 系统的工作原理微分相衬干涉显微镜形成的干涉图像被成象在CCD靶面上。图像采集电路将图像数字化后送入计算机，并完成一幅干涉图像的采样计算机控制步进电机驱动检偏器旋转一定的角度，以实现对干涉图像的移相，然后，图像采集电路再完成一幅图像采样。如此依次进行，直到完成所需要的多幅干涉图像的采样由于干涉图象具有较强的立体感，

18、因此可与测得的表面三维形貌图进行直接比较，以便定性判断测量结果的正确性而表面三维形貌的实际测量精度，则由测量结果数据与标准形显微镜中的干涉图象可通过目镜直接观察，也可由CCD电视监视器进行实时显示，或由打印机按照256灰度级的图像打印输出工作流程图主程序框图相移微分干涉相衬显微成象光路的调整 调整：起偏器光轴 检偏器光轴 1/4波片快轴 Nomarski 棱镜的剪切方向保证各光学元件间精确的位置关系，使测量结果正确可靠 光路调整内容及目的调整光路图（反射和透射两路）检偏器零位的调整反射光路调整取下1/4波片、移开Nomarski 棱镜及显微物镜平面反射镜作为观测物体旋转检偏器，观察消光点，寻求

19、消光位置该位置即为检偏器零位1/4波片快轴方向 透射光路调整波片快轴方向与检偏器零位方向垂直将光源放在位置2处，取下平面反射镜旋转起偏器2，使之与检偏器消光放入并旋转1/4波片，寻求视场最暗Nomarski 棱镜剪切方向的调整 透射光路调整Nomarski 棱镜的剪切方向应与检偏器零位成45o取下反光镜，检偏器旋转到45o转动起偏器2，使光强输出值最小将带有Nomarski 棱镜的物镜移入光路中，松开调节螺钉，旋转物镜，直到观察到最小的光强输出值并锁紧物镜1/4波片、检偏器及棱镜的位置关系图 Nomarski 棱镜零位的调整 反射光路调整反射光路调整棱镜零位：棱镜对称轴与成像光轴重合的位置棱镜

20、零位：棱镜对称轴与成像光轴重合的位置 消除棱镜带入的附加相位消除棱镜带入的附加相位调整过程：将检偏器置于零位且和起偏器消光，调整过程：将检偏器置于零位且和起偏器消光，移动棱镜，寻找干涉场光强的最大值和最小值，移动棱镜，寻找干涉场光强的最大值和最小值，计算中值。计算中值。固定检偏器不动，反复微移棱镜，找回光强中值固定检偏器不动，反复微移棱镜，找回光强中值位置，此位置即为棱镜对称轴位置，此位置即为棱镜对称轴图像采集电路 CAMPE1000黑白图像采集卡及MINTRON MTV-1881EX型（物镜f=16mm F1.8）CCD摄像机，像敏区域为7.95mm6.45mm，分辨率为795(h)596(

21、v)CCD的视频模拟信号作为采集卡输入，经滤波、A/D转换成8bits数字视频信号后，通过PCI总线传送到计算机内存。图像采集电路的主要技术指标 A/D采样频率 9MHz-15MHz图像采集速度：130帧/秒存贮容量：512 800 8bit图像1幅图像采集分辨率：768 576灰度精度：1/256 点阵扰动：不大于3ns扫描制式：625行/50HZ 测量实例台阶高度测量测得的台阶高度为32.6nm 光盘表面凹坑 凹坑的直径为227m 深度为447.3nm 硅片表面划痕 划痕宽度约为50m平均深度为97.3nm Ra 测量对比实验 Talysurf-5P触针仪测量 水平分辨率水平分辨率 e=0

22、.5/NA63X 物镜，数值孔径 NA 0.85，水平分辨率0.4m10X 物镜，数值孔径 NA 0.25，水平分辨率1.26m垂直分辨率 系统能测出的最小高度变化最小分辨率已达到了4.6nm 系统的重复测量精度 Ra 重复测量精度 样块1的表面粗糙度为8（Ra0.320.63m）；样块2为10（Ra0.080.16m）；样块3为9（0.160.32m）三个样快的Ra 测量重复精度分别为：0.691nm，0.39nm，1.306nm。系统的稳定性 测量精度分析 误差来源原理误差：理论误差、（方案误差）、光路原理误差、机构原理误差、（零件原理误差）。制造误差运行误差系统误差：对系统的精度影响是确

23、定的随机误差：正负及大小不确定消除误差的措施系统误差：软件处理随机误差：累加采集平均；数字图像 处理相位测量误差 四分之一波片的相位延迟误差（忽略二阶因子影响）四分之一波片的方位角误差四分之一波片的方位角误差检偏器转角误差（移相误差）Normaski棱镜误差测量系统的其它误差分析 光源：波动探测器：噪声 在每帧采样时，对20 幅干涉图像进行累加采集平均，降低光源光强波动和光电探测系统噪声的影响采样间隔的影响 采样间隔过大：频域混迭效应而造成离散轮廓失真采样间隔过小:有益于处理的精度，计算工作量大 采样间隔一般取1.25m3.5m为宜 样品倾斜对测量结果的影响 在测得的表面斜率中附加了一直流分量

24、，采用软件调平处理，可以消除。离焦对测量结果的影响 在微分干涉相衬显微镜中，由于离焦量对两束光的影响完全相同，从理论上说，干涉图对离焦不敏感 思考相移微分相衬干涉法测量表面形貌的局限性在哪里？请列举出该测量系统的原理误差及可能的修正方法。系统误差的消除实例二级平晶三维平晶二维轮廓傅立叶变换频谱图滤波后用IFFT恢复出的平晶三维形貌 滤波后平晶三维的y向校平 中值滤波去噪后的平晶三维 偶然误差的消除误差消除后平晶二维轮廓 Ra0.09um粗糙度样快二维轮廓傅立叶谱处理后三维图处理后二维轮廓消除误差实例试件：Ra0.35m标准粗糙度样快情形1：未消除误差前情形2：对系统误差进行软件处理后情形3：对

25、系统误差进行软件处理及对 偶然误差进行滤波与平滑后减小误差前后的测量精度本文的实验研究重点是：将研究的新算法应用到测量系统中，研制一套基于普通实验室条件、对机械振动等外界干扰不敏感的、测量精度达到nm数量级的数字光学微观表面形貌测量系统。在较低的测量装置成本下，使微观表面形貌测量系统向商品化、实用化的方向前进了一大步。测量系统达到的主要性能和指标如下：表面粗糙度测量范围：表面粗糙度测量范围：0.01 0.01 m2.0m2.0 mm粗糙度重复测量精度：粗糙度重复测量精度：0.3 0.3nmnm纵向高度重复测量精度：纵向高度重复测量精度：3.33.3nmnm粗糙度测量稳定性：粗糙度测量稳定性：3.4 3.4nmnm横向分辨率：横向分辨率：1.24 1.24 mm（10 X 10 X 物镜，物镜，NA=0.25NA=0.25）横向测量范围：横向测量范围：0.324 0.324mmmm（10 X 10 X 物镜）物镜）纵向分辨率：纵向分辨率：4.6 4.6nmnm纵向测量范围：纵向测量范围：4.4 4.4 mm（10 X 10 X 物镜）物镜）测量时间：测量时间：1.5 1.5分钟分钟测量环境：无需隔振平台，也不需封闭及恒温测量环境：无需隔振平台，也不需封闭及恒温 Thank you!