多模式的干涉共焦显微系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种多模式的干涉共焦显微系统，其特征在于，包括：三个光源，分别为红光光源、绿光光源以及蓝光光源；分色合光器，将光源发出的光组合为一束；准直匀光器，将分色合光器发出的光折射为准直均匀的光线；全反射棱镜，使光线朝预定的方向射出；空间光调制器，对光线进行特定的照明光场调制；控制器，分别控制各个光源和空间光调制器；分光棱镜，使光线朝垂直的方向射出；物镜，将光线照射在被测物表面并收集被测物表面的反射光；筒镜，通过折射使光汇聚于筒镜的焦点；成像探测器，将筒镜汇聚的光形成被测物的表面图像；以及移相器，与物镜相连，用于移动物镜的位置，其中，物镜是Mirau干涉物镜和明场显微物镜中的任意一种。
【专利说明】多模式的干巧共焦显微系统
【技术领域】
[0001] 本发明设及精密=维测量领域，具体设及一种可实现多模式切换、具有良好测量 适应性的干设共焦显微系统。
【背景技术】
[0002] 随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细，微电路、微光学元件、微机械W及其它 各种微结构不断出现，使得测量微结构表面形貌的需求越发迫切。微结构表面是由微观结 构单元组成的复杂=维结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，而且要求 有较高的横向分辨率和纵向分辨率。同时，与测量平滑表面不同，测量微结构表面不仅要测 量表面的粗趟度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。
[0003] 干设显微法是光学干设法与显微系统相结合的产物，通过在干设仪上增加显微放 大视觉系统，提高了干设图的横向分辨率，使之能够实现微结构的=维表面形貌测量。随着 计算机技术、现代控制技术W及图像处理技术的发展，干设显微法出现了测量精度达到纳 米级别的单色光相移干设法（PSI)和白光垂直扫描干设法（VSI)。与其它表面形貌测量方 法相比，干设显微法具有快速、非接触的优点，而且可W与环境加载系统配合完成真空、压 力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电系统W及微光机电系统的结构 表面形貌测量上得到了广泛应用。
[0004] 单色光相移干设法（PSI)是基于单色光干设的一种相位测量方法，通过测量分析 干设图的干设相位。来提取样品表面的高度信息。PSI法一般使用微位移器诸如压电陶 瓷（PZT)等，产生干设图相位CD的移动，利用S幅W上的相移干设图的光强值来求取样品 表面的高度值。单色光干设条纹存在着周期性，如果相邻两个点的高度超过1/4波长，即干 设相位值超过n，那么某一个干设图光强值就可能对应着不同的光程差值。因此，PSI法不 能测量高度超过该单色光1/4波长的台阶结构。
[0005] 白光垂直扫描干设法（VSI)是基于白光干设的一种垂直扫描测量方法，通过测量 分析干设图零光程差位置来提取样品表面高度信息。由于白光是宽带光源，因此白光干设 图是不同波长光干设的叠加。由于白光相干距离短，干设图在零光程差位置时某些特征参 数如光强、对比度会达到最大值，因此VSI法通过精确移动测量平面M，扫描被测表面得到 一系列不同高度值的干设图，然后应用白光干设处理算法提取被测表面各点的垂向零光程 差位置，进而还原被测表面的=维形貌。与PSI法相比，VSI法克服了台阶高度测量受限的 缺点，但是目前其测量精度比PSI法低。
[0006] 共焦显微镜技术是通过获取样品表面不同高度处的切片图像，然后计算各幅切片 图像光强峰值的位置，得到被测物的表面=维形貌。在共焦显微系统中，点光源、被测物表 面W及探测器前的小孔=者之间是互相共辆的。通过扫描机构使得共焦显微镜可W将整个 被测物表面上的点全部成像，再经过图像融合处理得到整个平面的图像；或者可W使用结 构光来达到面成像，精度比点成像稍差，但是速度快很多。=维共焦图像不但具有比普通显 微镜更高的横向分辨率，而且更突出的优点是它具有很强的物体轴向细节的分辨能力，尤 其比较适合粗趟样品表面的测量。
[0007] 但是由于被测物体表面的多样性，不同表面粗趟度水平或者台阶高度的样品所需 要应用的算法不同，当下并没有任何一种算法可W适应任何情况。所W需要可W同时存在 多种测量方式的=维显微测量系统，该样的话，不论被测物的特性如何都可W应用适合的 算法得到表面形貌。
【发明内容】
[000引本发明是针对上述问题进行的，目的在于提供一种多模式的干设共焦显微系统， 可W根据被测物的测量需要切换适合的测量模式来对被测物的表面进行测量。
[0009] 本发明为实现上述目的，采用了 W下的技术方案：
[0010] 本发明提供一种多模式的干设共焦显微系统，其特征在于，包括；=个光源，分别 为红光光源、绿光光源W及藍光光源；分色合光器，将光源发出的光组合为一束，由相互交 叉设置的一个透红光反绿光的反光镜和一个透红光反藍光的反光镜构成；准直匀光器，将 分色合光器发出的光折射为准直均匀的光线；全反射棱镜，通过折射和反射使光线朝预定 的方向射出；空间光调制器，接收全反射棱镜发出的光线并对光线进行特定的照明光场调 审IJ，经过照明光场调制的光线穿过全反射棱镜后射出；控制器，分别控制各个光源的开启， 并控制空间光调制器选择特定的照明光场调制；分光棱镜，接收穿过全反射棱镜后射出的 光线，使光线朝垂直的方向射出；物镜，接收从分光棱镜射出的光线并将该光线照射在被测 物表面，收集被测物表面的反射光，使反射光反向射出，穿过分光棱镜；筒镜，接收穿过分光 棱镜的光，并通过折射使光汇聚于筒镜的焦点；成像探测器，位于筒镜的焦点处，将筒镜汇 聚的光形成被测物的表面图像；W及移相器，与物镜相连，用于移动物镜的位置，其中，物镜 是Mirau干设物镜和明场显微物镜中的任意一种，
[0011] 在使用单色光工作模式时，控制器控制红光光源、绿光光源W及藍光光源中任 一一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制器将空间光调制器设置为全开状态作为 反射镜，物镜是Mirau干设物镜；
[0012] 在使用白光扫描干设工作模式时，控制器控制=个光源同时发光，经过分色合光 器后输出白光，同时将空间光调制器设置为全开状态作为反射镜，物镜是Mirau干设物镜；
[0013] 在使用单色光共焦测量工作模式时，控制器控制红光光源、绿光光源W及藍光光 源中任意一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制空间光调制器的像素状态为黑白 间隔的方波和正弦条纹中的任意一种，使得射入空间光调制器的光线被调制成结构光，物 镜是明场显微物镜。
[0014] 发明的作用与效果
[0015] 根据本发明所设及的多模式的干设共焦显微系统，因为通过控制器控制单一光源 发光，并控制空间光调制器为全开状态，作为反射镜，并采用Mirau干设物镜作为物镜，即 可使探测器接收干设光，得到被测物在单色光照射下的干设图像；通过控制器控制=个光 源同时发光，通过分色合光器后输出白光，并控制空间光调制器为全开状态，作为反射镜， 并采用Mirau干设物镜作为物镜，即可使探测器接收干设光，得到被测物在白光照射下的 干设图像；通过控制器控制单个光源发光，并控制空间光调制器为黑白间隔的方波或正弦 条纹并产生所需的相移量，并采用明场显微物镜作为物镜，得到被测物在物镜焦面处的切 片图，然后采用移相器控制明场显微物镜的焦面位置，通过被测物不同高度处的切片图得 到被测物的表面形貌，因此该多模式的干设共焦显微系统能够在多种测量模式之间切换， 根据被测物表面的特征和测量需要，选择适合的测量模式和算法，从而具有良好的测量适 应性。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1是实施例中多模式的干设共焦显微系统的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017] W下结合附图，对本发明所设及的多模式的干设共焦显微系统作详细阐述。
[0018] 图1是实施例中多模式的干设共焦显微系统的结构示意图。
[0019] 如图1所示，多模式的干设共焦显微系统10包括光源11、光源12、光源13、分色 合光器14、准直匀光器15、全反射棱镜16、空间光调制器17、控制器18、分光棱镜19、物镜 20、筒镜21、成像探测器22 W及移相器23。
[0020] 光源11、光源12和光源13分别是红光光源11、绿光光源12和藍光光源13,可W 分别发出单色光。
[0021] 分色合光器14由一个透红光反绿光的反光镜和一个透红光反藍光的反光镜相互 交叉设置而形成，能够将=个光源发出的光合成为一束。
[0022] 准直匀光器15用于将分色合光器14发出的光折射为准直均匀的光线。
[0023] 全反射棱镜16通过折射和反射使光线朝预定的方向射出。
[0024] 空间光调制器17接收全反射棱镜16发出的光线，对光线进行特定的照明光场调 审IJ，调制后的光线垂直穿过全反射棱镜16后射出。
[0025] 控制器18分别与光源11、光源12和光源13 W及空间光调制器17相连，用于分别 控制S个光源的开启，并控制空间光调制器17进行特定的照明光场调制。
[0026] 分光棱镜19接收空间光调制器17调制后从全反射棱镜16射出的光线，使该光线 沿垂直的方向射出。
[0027] 物镜20接收从分光棱镜19射出的光线并将该光线照射在被测物24(图中未示 出）表面，收集被测物24表面的反射光，使反射光反向射出，穿过分光棱镜19。物镜20可 W在Mirau干设物镜和明场显微物镜之间切换。
[0028] 筒镜21接收穿过分光棱镜19的光，使光线汇聚于筒镜21的焦点处。
[0029] 成像探测器22位于筒镜21的焦点处，接收筒镜21汇聚的光并形成被测物24的 表面图像。
[0030] 移相器23与物镜20相连，用于控制物镜20的移动。
[0031] 当使用单色光工作模式时，控制器18控制红光光源11、绿光光源12 W及藍光光源 13中任一一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制器18将空间光调制器17设置为全 开状态作为反射镜，物镜20是Mirau干设物镜20。Mirau干设物镜20将接收到的单色光 分成两束光，分别照射到Mirau干设物镜20的参考平面（图中未示出）和被测物24的表 面，被参考平面和被测物24反射的光发生干设，然后被Mirau干设物镜20收集，穿过分光 棱镜19,被筒镜21折射后被探测器22接收，得到单色光的干设图像。
[0032] 在探测器22上每一个像素得到的光强数值可W表示为W下公式：
[003引 I (X, y) = A+Bcos [本（X, y) + 0 ] (1)
[0034] 式中A是背景光强，B是调制度，（X，y)是干设系统中参考平面的反射光和被测物 24表面的反射光的相位差，0是参考平面在微位移器的控制下进行的相移值。
[0035] 可见公式（1)中有=个未知数，至少要=个方程才能求解。N步干设相移 算法求解的最终的相位值都和各帖干设光强度有关。表示为；4 =f(Ii，12，...，I。） (2)
[0036] 通过公式（1)和公式似，可W求出干设图像每个点的被包裹的相位值，其范围在 [-n，31 ]，然后使用街包裹算法求得所有像素点连续的相位值，该些相位值就对应了被测 物24表面的相对高度。
[0037] 在使用白光扫描干设工作模式时，控制器18控制红光光源11、绿光光源12和藍光 光源13同时发光，经过分色合光器14后输出白光，同时将空间光调制器17设置为全开状 态作为反射镜，物镜20是Mirau干设物镜20。Mirau干设物镜20将接收到的白光分成两 束光，分别照射到Mirau干设物镜20的参考平面（图中未示出）和被测物24的表面，被参 考平面和被测物24反射的光发生干设，然后被Mirau干设物镜20收集，穿过分光棱镜19， 被筒镜21折射后被探测器22接收，得到白光干设图像。
[003引在探测器22上每一个像素得到的光强数值就是公式（1)在一定波长范围内的叠 力口，表不为：
[0039]
【权利要求】
1. 一种多模式的干涉共焦显微系统，其特征在于，包括： 三个光源，分别为红光光源、绿光光源以及蓝光光源； 分色合光器，将所述光源发出的光组合为一束，由相互交叉设置的一个透红光反绿光 的反光镜和一个透红光反蓝光的反光镜构成； 准直匀光器，将所述分色合光器发出的光折射为准直均匀的光线； 全反射棱镜，通过折射和反射使所述光线朝预定的方向射出； 空间光调制器，接收所述全反射棱镜发出的光线并对所述光线进行特定的照明光场调 制，经过照明光场调制的光线穿过所述全反射棱镜后射出； 控制器，分别控制各个所述光源的开启，并控制所述空间光调制器选择所述特定的照 明光场调制； 分光棱镜，接收穿过所述全反射棱镜后射出的光线，使所述光线朝垂直的方向射出； 物镜，接收从所述分光棱镜射出的光线并将该光线照射在被测物表面，收集所述被测 物表面的反射光，使所述反射光反向射出，穿过所述分光棱镜； 筒镜，接收穿过所述分光棱镜的光，并通过折射使所述光汇聚于所述筒镜的焦点； 成像探测器，位于所述筒镜的所述焦点处，将所述筒镜汇聚的光形成所述被测物的表 面图像；以及 移相器，与所述物镜相连，用于移动所述物镜的位置， 其中，所述物镜是Mirau干涉物镜和明场显微物镜中的任意一种， 在使用单色光工作模式时，所述控制器控制所述红光光源、所述绿光光源以及所述蓝 光光源中任一一个所述光源发光，其他两个所述光源不发光，同时所述控制器将所述空间 光调制器设置为全开状态作为反射镜，所述物镜是Mirau干涉物镜； 在使用白光扫描干涉工作模式时，所述控制器控制三个所述光源同时发光，经过所述 分色合光器后输出白光，同时将所述空间光调制器设置为全开状态作为反射镜，所述物镜 是Mirau干涉物镜； 在使用单色光共焦测量工作模式时，所述控制器控制所述红光光源、所述绿光光源以 及所述蓝光光源中任意一个所述光源发光，其他两个所述光源不发光，同时控制所述空间 光调制器的像素状态为黑白间隔的方波和正弦条纹中的任意一种，使得射入所述空间光调 制器的光线被调制成结构光，所述物镜是明场显微物镜。
【文档编号】G01B11/25GK104501739SQ201410778274
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】万新军, 杨波, 张薇, 朱伟超 申请人:上海理工大学