專利名稱：一種基于偏振相移顯微干涉術(shù)的超精表面測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的一種基于偏振相移顯微干涉術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。 該系統(tǒng)主要應(yīng)用于超精密(納米至亞微米)表面輪廓和結(jié)構(gòu)的測(cè)量。
背景技術(shù)：
隨著精密測(cè)量技術(shù)的不斷發(fā)展，相移干涉顯微術(shù)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。它 是一種將光學(xué)干涉術(shù)和數(shù)字相移技術(shù)相結(jié)合的位相干涉測(cè)量方法，具有三維非接觸式、納 米級(jí)分辨率的特點(diǎn)(參見參考文獻(xiàn)[1])。其測(cè)量原理是在系統(tǒng)顯微干涉光路中加入精密 移相器件，使測(cè)量光與參考光之間不斷地產(chǎn)生一相對(duì)的相位移動(dòng)，構(gòu)成時(shí)間序列上的多幅 干涉圖，探測(cè)器探測(cè)每一像素點(diǎn)處的序列干涉光強(qiáng)，并將光強(qiáng)數(shù)值送入計(jì)算機(jī)計(jì)算得到每 一像素點(diǎn)處的被測(cè)相位。然而，相移干涉顯微技術(shù)需要精確地給出移相量，而通常采用的壓 電陶瓷(PZT)驅(qū)動(dòng)參考反射鏡移相的方法由于受PZT非線性的影響而存在相移誤差(參見 參考文獻(xiàn)[2])，同時(shí)PZT相移改變了參考鏡與顯微鏡的相對(duì)位置，使每次相移干涉的參考 波面事實(shí)上發(fā)生變化，引入測(cè)量誤差。參 考文獻(xiàn)[1]J. Schwider, "Advanced evaluation technique in interferometry," in Prog.Opt.28,271-359 (1990). [2]J.E.Greivenkamp and J.H. Brurninf,"Phase shiftinginterferometry, "in Optical Shop Testing, D. Malacara, Ed.，pp.547-655，Wily, Hoboken, NJ (2007).參考文獻(xiàn)[2]Wyant JC. Effect of piezoelectric transducer nonlinearity on phase shiftinterferometry. App1. Opt. 26 1112-6(1987).

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服普通相移顯微干涉系統(tǒng)中的PZT移相方法存在的一系 列問題，提出了一種將偏振相移(Polarized phase-shifting)技術(shù)與Michelson干涉顯微 術(shù)相結(jié)合的偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)超精密(納米至亞微米)表面輪廓和結(jié)構(gòu)的測(cè)量。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的?！N偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)超精密表面輪廓和結(jié)構(gòu)的測(cè)量，該系統(tǒng)包 括光源、準(zhǔn)直鏡、線偏振器、消偏振分光棱鏡、顯微鏡、偏振分光棱鏡、參考平面鏡、1/4波片、 檢偏器、成像設(shè)備和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，從光源發(fā)出的單色光穿過準(zhǔn)直鏡和線偏振器成為線偏振準(zhǔn)直光，被消偏振分光棱 鏡反射進(jìn)入顯微鏡，出射后被偏振分光棱鏡垂直分成沿X軸方向的S分量和沿Y軸方向的 P分量，所述S分量入射到參考平面鏡后反射回來作為參考光，所述P分量透射通過偏振分 光棱鏡后，入射到被測(cè)表面，記錄下被測(cè)表面的高度信息后反射回來作為測(cè)量光；所述參考 光和測(cè)量光在所述該偏振分光棱鏡的分光平面處匯合，再一同穿過1/4波片以及檢偏器后 發(fā)生偏振相移干涉，所述成像設(shè)備探測(cè)得到干涉圖，輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理即得到被 測(cè)表面微觀輪廓和結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的有益效果是，結(jié)合了偏振相移(Polarized phase-shifting)技術(shù)與 Michelson干涉顯微術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，移相簡(jiǎn)單且精度高，測(cè)量精度高，測(cè)量速度快等特點(diǎn)o


圖1為本發(fā)明的偏振相移顯微干涉系統(tǒng)的光路原理圖。其中，1-單色點(diǎn)光源、2-準(zhǔn) 直鏡、3-線偏振器、4-消偏振分光棱鏡、5-長(zhǎng)工作距離顯微鏡、6-偏振分光棱鏡、7-被測(cè)物、 8_平面參考鏡、9-1/4玻片、10-檢偏器、11-成像設(shè)備、12-數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明結(jié)合使用偏振相移(Polarized phase-shifting)技術(shù)與Michelson干涉 顯微術(shù)。如圖1所示，本發(fā)明的表面測(cè)量系統(tǒng)包括光源1、準(zhǔn)直鏡2、線偏振器3、消偏振分光 棱鏡4、長(zhǎng)工作距離顯微鏡5、偏振分光棱鏡6、參考平面鏡8、1/4波片9、檢偏器10、成像設(shè) 備11、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)12。從光源1發(fā)出的單色光穿過準(zhǔn)直鏡2和線偏振器3成為線偏振準(zhǔn)直光，被消偏振 分光棱鏡4反射進(jìn)入長(zhǎng)工作距離顯微鏡5，出射后被偏振分光棱鏡6垂直分成兩部分，即沿 X軸方向的s分量和沿Y軸方向的p分量。其中s分量經(jīng)偏振分光棱鏡6反射，入射到參 考鏡8反射回來作為參考光，p分量經(jīng)偏振分光棱鏡6透射，入射到被測(cè)表面7，記錄下被測(cè) 表面的高度信息，反射回來作為測(cè)量光。這兩束光在偏振分光棱鏡6的分光平面處匯合，一 同穿過1/4波片9和檢偏器10后發(fā)生偏振干涉，其中，1/4波片的光軸必須與X軸成45°。 相移干涉是通過檢偏器10的旋轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)檢偏器10旋轉(zhuǎn)0角，20的相移量就產(chǎn)生 了。然后，由成像設(shè)備11 (優(yōu)選為CCD)探測(cè)得到多步相移干涉圖，經(jīng)過相位提取算法與相 位解包裹算法的處理得到相位分布，根據(jù)相位分布與被測(cè)表面高度的關(guān)系即可得到被測(cè)表 面微觀輪廓和結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的系統(tǒng)中消偏振分光棱鏡4與偏振分光棱鏡6起著重要的作用。消偏振分 光棱鏡4主要是改變光的入射方向，但不改變?nèi)肷涔獾钠駪B(tài)；偏振分光棱鏡6主要是將入 射的線偏振光分解成偏振態(tài)正交的兩路光。如果將消偏振分光棱鏡4換成偏振分光棱鏡或 普通分光棱鏡，則會(huì)要重影響測(cè)量結(jié)果甚至導(dǎo)致測(cè)量失敗。本發(fā)明的系統(tǒng)中線偏振器3、消偏振分光棱鏡4、偏振分光棱鏡6、1/4波片9和檢 偏器10等，構(gòu)成了偏振干涉的實(shí)現(xiàn)，有助于光學(xué)系統(tǒng)抗環(huán)境干擾能力的提高。同時(shí)，通過調(diào) 整線偏振器3的起偏方向，可以方便地適應(yīng)被測(cè)表面反射率不同，調(diào)整測(cè)量光和參考光的 光強(qiáng)，從而調(diào)整干涉圖好的對(duì)比度。本發(fā)明的系統(tǒng)中借助檢偏器10的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)相移，由于旋轉(zhuǎn)角能有較高精度，且方 便線性控制，因而能保證高的相移精度。同時(shí)，如此相移實(shí)現(xiàn)，沒有一股相移方法如PZT驅(qū) 動(dòng)參考鏡相移法可能改變參考光波面、引入測(cè)量誤差的問題。
權(quán)利要求
一種偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)超精密表面輪廓和結(jié)構(gòu)的測(cè)量，該系統(tǒng)包括光源(1)、準(zhǔn)直鏡(2)、線偏振器(3)、消偏振分光棱鏡(4)、顯微鏡(5)、偏振分光棱鏡(6)、參考平面鏡(8)、1/4波片(9)、檢偏器(10)、成像設(shè)備(11)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(12)，從光源(1)發(fā)出的單色光穿過準(zhǔn)直鏡(2)和線偏振器(3)成為線偏振準(zhǔn)直光，被消偏振分光棱鏡(4)反射進(jìn)入顯微鏡(5)，出射后被偏振分光棱鏡(6)垂直分成沿X軸方向的s分量和沿Y軸方向的p分量，所述s分量入射到參考平面鏡(8)后反射回來作為參考光，所述p分量透射通過偏振分光棱鏡(6)后，入射到被測(cè)表面(7)，記錄下被測(cè)表面7的高度信息后反射回來作為測(cè)量光；所述參考光和測(cè)量光在所述該偏振分光棱鏡(6)的分光平面處匯合，再一同穿過1/4波片(9)以及檢偏器(10)后發(fā)生偏振相移干涉，所述成像設(shè)備(11)探測(cè)得到干涉圖，輸入數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(12)進(jìn)行處理后即得到被測(cè)表面微觀輪廓和結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述數(shù)據(jù)處理系 統(tǒng)(12)的處理包括對(duì)所述干涉圖進(jìn)行相位提取與相位解包裹處理，從而得到相位分布，根 據(jù)所述相位分布與被測(cè)表面高度的關(guān)系，即可得到被測(cè)表面微觀輪廓和結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，其特征在于，所述的相移干 涉是通過1/4波片(9)和檢偏器(10)組合，并旋轉(zhuǎn)檢偏器(10)來實(shí)現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的一種偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，其特征在于，將偏振相 移結(jié)合于顯微干涉，構(gòu)成偏振相移顯微干涉系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)表面微觀輪廓和結(jié)構(gòu)的相移干涉 測(cè)量。
全文摘要
本發(fā)明的一種基于偏振相移顯微干涉術(shù)的測(cè)量系統(tǒng)，屬于光學(xué)精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)該系統(tǒng)包括光源(1)、準(zhǔn)直鏡(2)、線偏振器(3)、消偏振分光棱鏡(4)、顯微鏡(5)、偏振分光棱鏡(6)、參考平面鏡(8)、1/4波片(9)、檢偏器(10)、成像設(shè)備(11)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(12)，結(jié)合了偏振相移技術(shù)與Michelson干涉顯微術(shù)，克服了普通相移顯微干涉系統(tǒng)中的PZT移相方法存在的一系列問題，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、移相簡(jiǎn)單且精確、測(cè)量精度高、測(cè)量速度快等特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/30GK101893429SQ20101022770
公開日2010年11月24日 申請(qǐng)日期2010年7月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月16日
發(fā)明者劉曉軍, 程偉林 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)