專利名稱：亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法
技術領域：
本發(fā)明是一種亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法。這種光電混合測量裝置既能測量標準線寬也可以給出微光斑的尺寸。
已有技術自八十年代以來，由于各種光電探頭和計算機技術的飛速發(fā)展，致使光學檢測技術提高到一個新的水平。亞微米級分辨率的檢測技術已發(fā)展為多種方法，并應用于各個領域。例如視頻顯微術、機器視覺、標準尺度測量(光刻線寬和光纖截面直徑等)以及激光斑尺寸測量等等。該技術影響到精密機械制造工業(yè)、光纖、光通訊、微加工工業(yè)、激光技術和生物醫(yī)學的發(fā)展，并進而推動著科研和生產(chǎn)的進步以及國民經(jīng)濟的發(fā)展。
對具有亞微米級分辨率的寬度測量方法很多。大體上可分為對標準線寬測量和對微米光斑尺度的測量兩種。對標準線寬測量，一般是利用數(shù)字化的視頻顯微鏡系統(tǒng)，尤其是CCD相機的問世為精密測量提供了必要的工具。歐洲專利EP0216446是利用一般顯微物鏡作光學放大元件，利用CCD攝象機和軟件完成采樣和數(shù)據(jù)處理。這一裝置的優(yōu)點是用CCD替代了一般VIDECON硅靶管攝象機，因而提高了分辨率。但是該測量裝置的成象元件簡單，調(diào)整技術復雜且測量重復率不高，不適用于測量動態(tài)對象和錐度大的激光光斑。因為該系統(tǒng)的焦距很短或作為一個顯微放大系統(tǒng)的工作距離是很短的(毫米量級)。同時景深區(qū)也較短(景深不到1微米)，使得象質(zhì)的變化對調(diào)焦很靈敏，用測量動態(tài)對象時，難以保證成象質(zhì)量。同時由于工作距離短，使該裝置在生產(chǎn)線上使用有一定的困難。第三點系統(tǒng)成象放大倍率也受到限制。利用40X物鏡配攝象機僅可把物放大到200倍(在顯示器上)。雖然放大倍率的提高不可能改變光學系統(tǒng)的分辨率，但是為了數(shù)字化的需要，對微小測試對象的放大必須有一個要求。道理是很簡單的，由于光電探頭的分辨率是一定的，測出一條曲線僅由二三個測量點構成是不理想的，至少應多于五個點以上，采樣點越密對曲線的描述精度越高。因此增加放大倍率是必要的。第四個缺點是視場范圍小。
另外一種可達到亞微米測量精度的方法是利用干涉原理進行實物面形形變的測量。日本電子情報通信學會論文志，VJ70-D，NO2，(368-375)給出一種散斑測量法，題目是“一種新的測量物體表面形變的散斑計量法”。這種散斑測量方法主要是著重于樣品表面變形或小面元位移的測量。由于它根據(jù)楊氏干涉條紋來測量形變的角度和大小，所以對其高度變化測量精度相當于一般的干涉法，小于亞微米級。但對于其它兩維尺度的測量分辨率是由光學系統(tǒng)決定的，大于亞微米級。在具體的裝置上利用透鏡聚焦的，此時的分辨率大于1微米。再者從方法而言，這位日本發(fā)明者測量微小形變所用的方法是散斑照相法。該測量裝置上的記錄光學設備是由光學透鏡組成，其再現(xiàn)設備是由激光光源和屏幕組成，而且在記錄時需要二次曝光。該裝置雖較簡單，但在操作程序上是相當麻煩，不僅需要二次曝光而且需要底片的再現(xiàn)，之后是用數(shù)字圖象系統(tǒng)進行處理，其干涉條紋的處理需要幾次變換，方可得到結果。而且該裝置不適用于標準線寬測量和微光斑的測量。
對微光斑尺度的測量目前在國際上還是一個難題，尤其是定標很困難。
本發(fā)明的目的為克服上述由顯微鏡直接作為放大元件的測試裝置的缺點，采用一種新的視頻顯微技術，發(fā)明一種光電混合測量裝置以及使用該裝置的測量方法。


為便于敘述，先進行附圖的圖面說明。
圖1.本發(fā)明的光電混合測量裝置的總體方框圖。
圖2.使用本發(fā)明的測量裝置的計算機程序的流程圖。
圖3.用本發(fā)明的測量裝置測量線寬為40微米的儀表游絲寬度的數(shù)據(jù)和圖形顯示結果。
圖4.用本發(fā)明的測量裝置測量小于1微米的高斯光斑的三維圖形和截面圖。其尺度X方向為0.3μm，Y方向為0.4μm。圖形座標皆為歸一化的。
圖5.使用本發(fā)明所得1μm尺度象差光斑的等灰度圖。這是一個N·A＝0.85的顯微物鏡的焦斑圖。
本發(fā)明的光電混合裝置包括五部分計算機1、顯示器2、A/D變換和存儲部分3、光電探頭4和光學部分5。如圖1所示。
本發(fā)明的關鍵在于光學部分5包括象傳遞系統(tǒng)6、被測物支架7、鑒別率板12、軟邊光欄13和照明系統(tǒng)8。其中象傳遞系統(tǒng)6包含有以象傳遞方式排列的兩種照相物鏡9和10。排列時，靠物方的照相物鏡10相對于放置在光電探頭4接收面前的照相物鏡9是反方向放置的。也就是在照相物鏡10的象面處放物，在其物方找放大象。照相物鏡10可以是普通照相鏡頭，也可以是全息透鏡或者是傅里葉透鏡。照相物鏡9通常是標準鏡頭。光電探頭4與照相物鏡9之間的距離可以調(diào)節(jié)，一般調(diào)節(jié)距離可從5毫米至20毫米，視測量對象而定。用改變高斯成象辦法改變象的放大倍率。
被測目標11或鑒別率板12是置于光學部分5中的被測物支架7上，被測物支架7置于照明系統(tǒng)8的均勻照明區(qū)的位置上，被測目標11或鑒別率板12的象經(jīng)過置于被測物支架7與象傳遞系統(tǒng)6之間的軟邊光欄13，進入象傳遞系統(tǒng)6，經(jīng)過象傳遞系統(tǒng)6中的照相物鏡10在照相物鏡9的物空間形成一放大的象，再經(jīng)過照相物鏡9把象進一步放大，并成象于光電探頭4的接收面上，這樣被測量的光學圖象經(jīng)光電探頭4采樣之后變?yōu)殡妼W信號，再經(jīng)A/D變換之后進入存儲部分3，然后進入計算機1，以供計算機進行數(shù)據(jù)提取和功能處理，其結果由顯示器2顯示出。
本發(fā)明中的光電探頭4和光學部分5中的各個部分都應該共光軸，并且各部分相互之間的距離可以縱向調(diào)節(jié)，也可以固定。被測物支架7最好是三維可調(diào)的。光電探頭是CCD相機，或是VIDECON，或者是其它種類的攝象機。
本發(fā)明的照明系統(tǒng)8可以采用四只鎢絲或碘鎢燈泡組成一方形，照明毛玻璃，其中間區(qū)域呈均勻照明區(qū)。或者是用磨砂白熾燈離焦照射，也可獲得均勻照明區(qū)。照明系統(tǒng)8的照明強度最好是可以控制的，以滿足對不同類型曝光量或不同照度的測量對象。圖中所示的被測物支架7可置放被測目標11也可置放鑒別率板12。當每測量一種被測目標11時，首先將鑒別率板12置于被測物支架7上，進行測量，以便標定象元之間的尺寸，從而確定被測物之尺度。鑒別率板12是作為標準計量所使用的微電子學元件?？砂醇毝确譃槎鄼n次，細度越高，測量結果的精度越高。它屬于標準計量光學元件。其置于被測物支架7與象傳遞系統(tǒng)6之間的軟邊光欄13為測量較大目標時才起作用。
測量方法利用上述本發(fā)明的測量裝置，其測量次序是先以鑒別率板12標定象元之間的距離，然后進行被測目標11的測量工作。也就是說在測量被測目標之前，首先在被測物支架7上放置相應尺度的鑒別率板12，測量采集標準線寬所占象元數(shù)目與實際所測目標尺度的比值。在光學圖象采集到以后的數(shù)據(jù)處理程序如下1.時間和空間平滑時間平滑要多次采樣，求和平均，減小探測器時間上的隨機起伏?？臻g平滑除了一般的空間濾波等手段外主要是在測量條狀對象時，首先對垂直于被測方向的各行數(shù)據(jù)進行相加，再進行平均。這樣可以有效地取消空間隨機起伏噪音。
2.插值各種探測器本身有一個空間分辨問題。例如VIDECON有380-700條線，而通用CCD的象素元高度約在27μm左右，寬度約在10-21μm范圍內(nèi)。一般其高度為寬度的2倍。也就是說采樣點的距離是一定的。但是在兩采樣點之間的圖象并非無灰度，為了彌補被探測象元之邊緣掩模掉的灰度值，我們利用已采到的灰度值為依據(jù)進行插值。通常有以下二種方法A.線性插值法在該方法中從模型上我們把二采樣點的灰度變化視為一直線。用線性插值公式對N個點的一元或M×N個點的二元函數(shù)列表，進行成組插值。例如在一元函數(shù)列表插值中，給定N個插值結點X1＜X2＜……＜XN，以及對應的函數(shù)值Y1，Y2…YN則在X點的插值公式
Y(x)＝YI+(X-XI)/(XI+1-XI)×(YI+1-YI)1 X<X2左邊角I=I XJ<X<XJ+1J=2,3...N-2N-1 X>Xn-1右邊角該方法適用于灰度范圍較寬的圖象處理。
B.非線性插值-拉格朗日插值法該方法是由相鄰三點的采樣點決定相鄰二點之間的插值。三點決定一條曲線趨勢，對灰度值相對變化梯度大，灰度曲線陡直的，線性插值更好。而對灰度變化平緩者用這種非線性插值-拉格朗日插值法比線性插值效果好。
上述插值方法恰當?shù)赜迷诒景l(fā)明中對于提高測量精度起了關鍵作用。
本發(fā)明的計算機控制流程圖如圖2所示。
本發(fā)明的優(yōu)點1.分辨率高。利用該裝置及其測量方法可獲得亞微米級的測量分辨率。2.有長的工作距離和大的景深區(qū)。既使把圖象放大到1000倍，工作距離也在6毫米以上，為在非理想環(huán)境下工作創(chuàng)造了條件。3.結構新穎、簡單且操作方便。本發(fā)明利用象傳遞系統(tǒng)可調(diào)焦的照相物鏡很容易獲得被測物的清晰圖象，而數(shù)據(jù)處理方法皆菜單式，操作方便。4.因采用鑒別率板，對被測目標可進行絕對測量，不受周圍環(huán)境影響。5.應用面廣且造價便宜。既可用于測量線度，也可用于測微光斑尺寸。實際上有相當多的領域可利用本發(fā)明的測量裝置和測量方法。
實施例1
應用本發(fā)明的測量裝置及其方法對儀器儀表游絲截面寬度的測量。其測量裝置如圖1所示。光電探頭4采用CCD相機，照明系統(tǒng)8采用四只鎢絲燈泡組成一方形，照明毛玻璃，中間區(qū)域為均勻照明區(qū)。鑒別率板12采用10微米的標準線寬為標定象元間距之標準。照相物鏡9采用標準鏡頭，照相物鏡10也是采用的標準鏡頭。測量方法中的計算機程序流程圖如圖2所示。對于微米級的儀器儀表游絲截面寬度測量結果如圖2所示。
實施例2采用本發(fā)明如圖1所示的測量裝置及其上述的測量方法對微光斑尺度的測量。所使用的光學系統(tǒng)5與實施例1相同，鑒別率板12采用1微米的標準線寬為標定象元間距之標準，照明光源是激光，所測量的是激光束經(jīng)過象傳遞系統(tǒng)6之后焦斑空間尺度和灰度分布。結果如圖4和圖5所示。
對20微米以上尺度被測目標的測量可用一級放大系統(tǒng)。鑒別率板的選用可根據(jù)所測目標的尺度決定。
光學圖象經(jīng)過數(shù)字化之后，再利用C語言或BASIC語言進行數(shù)據(jù)提取和功能處理。
權利要求
1.一種亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法，由五部分計算機(1)、顯示器(2)、A/D轉(zhuǎn)換和存儲部分(3)、光電探頭(4)和光學部分(5)所構成，其特征在于光學部分(5)含有象傳遞系統(tǒng)(6)、軟邊光欄(13)、被測物支架(7)、鑒別率板(12)和照明系統(tǒng)(8)，其中鑒別率板(12)和被測目標(11)是先后置于被測物支架(7)上，被測物支架(7)置于照明系統(tǒng)(8)的均勻照明區(qū)的位置上，鑒別率板(12)和被測目標(11)的象經(jīng)過置于被測物支架(7)與象傳遞系統(tǒng)(6)之間的軟邊光欄(13)再通過象傳遞系統(tǒng)(6)，成象于光電探頭(4)的接收面上，光電探頭(4)將光學圖象變成電信號輸送到A/D變換和存儲部分(3)中，然后進入計算機(1)，計算機(1)所計算的結果由顯示器(2)顯示出。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法，其特征在于象傳遞系統(tǒng)(6)含有以象傳遞方式排列的兩種照相物鏡(9)和(10)，其中安置在靠物方的照相物鏡(10)與置于光電探頭(4)接收面前的照相物鏡(9)兩者是反方向置放的，也就是說照相物鏡(10)的象面處放物，而在它的物方找放大象。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法，其特征在于照相物鏡(10)是普通照相鏡頭，或者是全息透鏡，或者是傅里葉透鏡。
4.一種亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法，其特征在于利用亞微米分辨率的光電混合測量裝置，每測量一被測目標(11)之前，首先在被測物支架(7)上放置相應尺度的鑒別率板(12)，測量采集標準線寬所占象元數(shù)目與實際被測目標尺度的比較，計算機的處理數(shù)據(jù)采用時間和空間平滑以及插值的方法。
全文摘要
本發(fā)明是一種亞微米分辨率的光電混合測量裝置及其測量方法，它可以測量標準線寬，也可以測量微光斑尺度。它由計算機、顯示器、A/D轉(zhuǎn)換和存儲部分、光電探頭和含有象傳遞系統(tǒng)、軟邊光欄、被測物支架、鑒別率板和照明系統(tǒng)的光學部分所構成。本發(fā)明的測量裝置及其測量方法具有分辨率高(分辨率是亞微米級的)，工作距離長、景深區(qū)大、可做到絕對測量，不受周圍環(huán)境的影響，結構簡單，操作方便，造價低，應用面廣等優(yōu)點。
文檔編號G01B21/02GK1089718SQ93112518
公開日1994年7月20日 申請日期1993年8月10日 優(yōu)先權日1993年8月10日
發(fā)明者王桂英, 丁軍, 陳秋水, 黃柳紅 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所