本發(fā)明涉及一種大傾角微納結(jié)構(gòu)表面三維形貌測量的輔助裝置和方法，屬于光電測量領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：微納結(jié)構(gòu)陣列是一種由納米或微米結(jié)構(gòu)有序排列的結(jié)合體，能大大提高光學(xué)器件的深寬比，實(shí)現(xiàn)各種優(yōu)化的、高成像質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，并促進(jìn)光學(xué)電子設(shè)備的小型化、陣列化和集成化。加工技術(shù)的發(fā)展以相應(yīng)的檢測技術(shù)為基礎(chǔ)，檢測技術(shù)的進(jìn)步為精密加工技術(shù)的發(fā)展指明方向，而先進(jìn)的精密加工技術(shù)又會對檢測技術(shù)提出新的要求，兩者互為依托又互為先導(dǎo)。幾何形狀精度直接影響微納結(jié)構(gòu)陣列光學(xué)元件的效果及性能。對于微納陣列微觀三維形貌的測量主要是非接觸式測量，可分為非光學(xué)方法與光學(xué)方法。非光學(xué)方法主要有掃描電子顯微鏡和原子力顯微鏡；光學(xué)的方法主要有共焦顯微鏡和白光干涉顯微鏡等。掃描電子顯微鏡對環(huán)境要求高，可測樣品有限，且為定性結(jié)果；原子力顯微鏡分辨率高，但逐點(diǎn)掃描效率低，成像范圍小，一般到納米級別。共焦顯微鏡和白光干涉顯微鏡憑借非接觸，測量范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)，成為超精密幾何參數(shù)測量領(lǐng)域的重要測試手段。微納陣列的結(jié)構(gòu)尺寸限制在微米納米級別，在測量時需要進(jìn)行顯微放大以便于成像與測量。測量的分辨率和可測面形傾角范圍主要受限于顯微物鏡的數(shù)值孔徑。當(dāng)數(shù)值孔徑不夠大時，入射照明光會被粗糙度低、傾角較大的微觀面形反射，反射光超出物鏡數(shù)值孔徑，因而無法被顯微鏡系統(tǒng)采集；只有極少量的散射光能重新被顯微物鏡收集，造成測量數(shù)據(jù)丟失或不準(zhǔn)確的情況。為了解決這一問題，只能改造儀器，更換數(shù)值孔徑更高的顯微物鏡或者更高感光度的面陣探測器，極大提高測量的成本。同時，對于常規(guī)顯微物鏡而言，數(shù)值孔徑提高往往意味著放大倍率增大，這樣視場進(jìn)一步減小，雖然空間分辨率也隨之提高，但對于特征尺寸較大的微納結(jié)構(gòu)而言，視場的縮小將導(dǎo)致無法評估結(jié)構(gòu)的整體形貌。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，即利用白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡進(jìn)行微納結(jié)構(gòu)微觀表面形貌測量過程中，入射照明光被大傾角表面反射后超出物鏡的數(shù)值孔徑，從而使得常規(guī)感光度的探測無法獲得足夠多的測量光，導(dǎo)致測量結(jié)果丟點(diǎn)或者失真的問題，提出了一種大傾角微納結(jié)構(gòu)表面三維形貌測量的輔助裝置和方法。本發(fā)明針對被測微納結(jié)構(gòu)的特征設(shè)計多面體輔助裝置，將被測微納結(jié)構(gòu)固定于輔助裝置上，使得單元的某個大傾角面傾角接近零。將輔助裝置和被測微納結(jié)構(gòu)置于白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡的載物臺上，此時反射光在物鏡的數(shù)值孔徑之內(nèi)，能得到較好的測量數(shù)據(jù)。依次翻轉(zhuǎn)輔助裝置的多個面，完成被測微納結(jié)構(gòu)的多個大傾角面測量。將多次測量得到的三維數(shù)據(jù)通過旋轉(zhuǎn)變換，再通過特征識別后進(jìn)行拼接，即可完成大傾角微納結(jié)構(gòu)表面三維重建。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。一種大傾角微納結(jié)構(gòu)表面三維形貌測量的輔助裝置，包括正多面體結(jié)構(gòu)和基座兩部分。其中正多面體結(jié)構(gòu)底面用于固定被測微納結(jié)構(gòu)樣品，側(cè)面用于連接基座，以完成微納結(jié)構(gòu)不同側(cè)面的測量；基座用于定位正多面體并連接載物臺；正多面體結(jié)構(gòu)的側(cè)面的面數(shù)、傾角(側(cè)面與底面夾角)由被測微納結(jié)構(gòu)形狀決定，并與被測微納結(jié)構(gòu)的側(cè)面面數(shù)、傾角一致，設(shè)其面數(shù)為n，側(cè)面傾角為α。以其底面法線指向多面體頂點(diǎn)方向?yàn)檎齴軸，第1側(cè)面底邊垂線指向多面體外方向?yàn)檎齲軸建立坐標(biāo)系，則第i(1≤i≤n)側(cè)面外法線單位向量為Ni＝(Nix,Niy,Niz)，其中Nix＝sinαcos[2π(i-1)/n],Niy＝sinαsin[2π(i-1)/n],Niz＝cosα。第i(1≤i≤n)側(cè)面外法線單位向量與x,y,z軸夾角分別為θix＝acos(Nix)，θiy＝acos(Niy)和θiz＝acos(Niz)。正多面體結(jié)構(gòu)的底面固定被測樣品，使用第i(1≤i≤n)側(cè)面連接載物臺時，能使被測微納結(jié)構(gòu)的第i(1≤i≤n)側(cè)面傾角減小至接近零度；正多面體結(jié)構(gòu)的底面固定被測樣品，依次使用n個側(cè)面連接載物臺時，能使被測微納結(jié)構(gòu)的n個側(cè)面傾角依次減小至接近零度，從而完成微納結(jié)構(gòu)所有大傾角側(cè)面的測量，為后續(xù)數(shù)據(jù)拼接做準(zhǔn)備；正多面體結(jié)構(gòu)的材料可以是金屬、塑料、玻璃等，加工方式可以是機(jī)械加工、3D打印等；正多面體結(jié)構(gòu)的底面固定被測樣品可采用但不限于膠粘等方法，側(cè)面與輔助裝置基座連接時，可采用但不限于鑲嵌等方法；輔助裝置的基座，包含與輔助裝置正多面體結(jié)構(gòu)連接用的結(jié)構(gòu)，可采用但不限于正多面體側(cè)面三角形的外接矩形孔等；包含與載物臺連接用的結(jié)構(gòu)，可采用但不限于螺紋孔、卡槽等。一種大傾角微納結(jié)構(gòu)表面三維形貌測量的方法，包含如下步驟：步驟一：使用輔助裝置的正多面體底面固定被測微納結(jié)構(gòu)，第i(1≤i≤n)側(cè)面連接載物臺，利用白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡測得被測微納結(jié)構(gòu)第i(1≤i≤n)側(cè)面的三維形貌，數(shù)據(jù)點(diǎn)集記為Pi(x,y,z)；步驟二：對第i(1≤i≤n)側(cè)面的數(shù)據(jù)點(diǎn)集Pi(x,y,z)依照該側(cè)面外法線與坐標(biāo)軸夾角進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，算法如下：由側(cè)面外法線單位向量與x,y,z軸夾角可得到旋轉(zhuǎn)矩陣分別是Rix=10000cosθixsinθix00-sinθixcosθix00001,---(1)]]>Riy=cosθiy0-sinθiy00100sinθiy0cosθiy00001,---(2)]]>Riz=cosθizsinθiz00-sinθizcosθiz0000100001.---(3)]]>則新的點(diǎn)集P'i(x',y',z')滿足(x′y′z′1)＝(xyz1)RixRiyRiz；(4)步驟三：利用特征識別算法識別坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)后不同側(cè)面數(shù)據(jù)點(diǎn)集P'i(x',y',z')的公共部分，以得到坐標(biāo)平移矩陣。可利用數(shù)據(jù)處理算法實(shí)現(xiàn)，也可人工觀察數(shù)據(jù)點(diǎn)集相對位置關(guān)系，并通過試錯實(shí)現(xiàn)。特征識別后得到的坐標(biāo)平移矩陣為Ti=100001000010txtytz1;---(5)]]>步驟四：對所有側(cè)面數(shù)據(jù)點(diǎn)集P'i(x',y',z')進(jìn)行坐標(biāo)平移得到新的點(diǎn)集P″i(x″,y″,z″)滿足(x″y″z″1)＝(x′y′z′1)Ti；(6)步驟五：取n個側(cè)面變換后的數(shù)據(jù)點(diǎn)集P″i(x″,y″,z″)的并集，得到最終測量結(jié)果。有益效果本發(fā)明無需對白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡儀器結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，即可解決表面傾角過大的微納結(jié)構(gòu)三維形貌測量問題，相對于更換高倍率物鏡或者高感探測器的解決方案極大降低了成本。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例提出的輔助裝置的外形圖，其中左圖是正立放置的正多面體結(jié)構(gòu)，中圖是側(cè)立放置的正多面體結(jié)構(gòu)，右圖是基座。圖2是本發(fā)明實(shí)施例中待測微納結(jié)構(gòu)的三維形貌示意圖，其中左圖是三維圖，右圖是俯視圖。圖3是本發(fā)明提出的測量方法原理圖，其中左圖是裝置原理圖，右圖是某側(cè)面測量過程中放大后的待測微納結(jié)構(gòu)的微觀形貌。圖4是以正四面體金字塔微納結(jié)構(gòu)為例說明本發(fā)明在測量過程中實(shí)施步驟。附圖標(biāo)記：1-通孔；2-矩形凹槽；3-顯微物鏡；4-被聚焦的照明光束；5-待測微納結(jié)構(gòu)；6-輔助裝置；7-顯微鏡的載物臺。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例的測量對象是表面粗糙度較低的微金字塔陣列，即微納結(jié)構(gòu)單元形狀為正四面體，表面光滑，側(cè)面與底面夾角為45度。設(shè)計輔助結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)
發(fā)明內(nèi)容部分的說明，輔助結(jié)構(gòu)的正多面體形狀由微金字塔陣列單元的形狀決定，如圖1左圖和中圖所示。正多面體呈金字塔形狀，其底面邊長為12mm，高為6mm，側(cè)面的等腰三角形底邊長12mm，高8.485mm。正多面體的四個側(cè)面均與底面呈45度，相對的兩個側(cè)面成90度角，相鄰的兩個側(cè)面呈120度角?；鐖D1右圖所示，厚6mm，基座表面加工有四個通孔1，可用4個螺釘與顯微鏡載物臺螺紋孔相連。基座上表面加工了一個矩形凹槽2來實(shí)現(xiàn)正多面體水平方向的定位，凹槽深4mm，底部的矩形長為12.05mm，寬8.49mm，與正多面體側(cè)面三角形的底邊長和高相比，尺寸留有0.05mm余地，保證能自由取出和放入正多面體，又不會導(dǎo)致橫向位移。被測為金字塔陣列微觀結(jié)構(gòu)如圖2所示，其周期為10微米。側(cè)面傾角45度，其中的ABCD分別表示一個結(jié)構(gòu)單元的四個側(cè)面，也是需要依次測量的四個面。如果直接放置在載物臺上，側(cè)面傾角達(dá)到45度，使用未經(jīng)專門設(shè)計的白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡時，即使采用50倍放大的顯微物鏡，也只能測得傾角40度的光滑表面。當(dāng)傾角為45度時，反射光幾乎完全不能被顯微物鏡收集，而散射光又極其微弱，所以側(cè)面形貌無法測量。為了解決這一問題，如圖3所示，將待測的待測微納結(jié)構(gòu)5即微金字塔陣列樣品放置在本發(fā)明提出的輔助裝置6上，并固定于載物臺7上，使用白光干涉顯微鏡或共焦顯微鏡的常規(guī)物鏡3即可進(jìn)行形貌測量，聚焦光束4照明待測微納結(jié)構(gòu)5，從右側(cè)放大圖中可以看出，待測微納結(jié)構(gòu)5的側(cè)面接近水平，因此聚焦光束4能夠被正確反射回物鏡3，無需更換高倍率物鏡或者高感探測器即可完成測量?？偨Y(jié)一下，結(jié)合本發(fā)明提出的輔助裝置進(jìn)行為金字塔陣列樣品微觀形貌測量的過程如圖4所示。首先將輔助裝置基座用螺釘固定在載物臺上，將被測樣品與正多面體底面用膠粘連起來，注意粘接的時候，盡量保持加工方向與底面四邊保持平行或垂直。然后將正多面體的側(cè)面A置于基座的凹槽中，進(jìn)行微納陣列單元側(cè)面A的測量；翻轉(zhuǎn)正多面體，將其側(cè)面B置于基座的凹槽中，進(jìn)行微納陣列單元側(cè)面B的測量；以此類推完成側(cè)面C、D的測量。再次對四次測量的結(jié)果進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)角根據(jù)
發(fā)明內(nèi)容部分的公式(1)-(3)可知分別為繞x軸和繞y軸旋轉(zhuǎn)正或負(fù)90度。最后進(jìn)行特征識別，如選取側(cè)面的頂點(diǎn)使其重合，得到平移矩陣，進(jìn)行坐標(biāo)平移和數(shù)據(jù)拼接，得到最后的三維重構(gòu)結(jié)果。當(dāng)前第1頁1 2 3