微镜镜面翘曲程度检测装置以及检测方法与流程

本发明涉及光学微机电系统领域，尤其涉及一种微镜镜面翘曲程度检测装置以及检测方法。

背景技术：

微镜是基于mems工艺技术制造的集成了光学微反射镜和微驱动器的mems芯片，是光学mems器件中的核心元件，其镜面尺寸通常为数百微米至数千微米。曲率半径是表征微镜表面变形、翘曲的主要技术参数。微镜通常采用表面镀有金或铝等金属材料、光学介质反射膜的硅薄膜，硅薄膜的厚度一般为数微米至数十微米厚，而金属薄膜的厚度通常仅为数百纳米。由于硅、金属两种薄膜材料的热膨胀系数、杨氏模量的不同，以及薄膜内部存在应力，导致微镜偏离标准平面而出现变形、翘曲。微镜的形状通常为圆形，其变形亦近似为球面。球面的曲率半径是衡量变形大小的一个重要参数。微镜镜面较大的形变会使芯片封装后的光器件光学插入损耗增大，降低了mems光学器件的光学性能指标，同时镜面较大的形变也意味着微镜受温度影响比较大，器件的热可靠性不太高。因此，在mems光学元件中，对微镜的形变及翘曲评价是非常重要的。

但是，mems器件中采用的微镜的变形量实际上是很小的，直径1mm左右微镜面的最大变形高度仅在微米量级，无法用眼睛或常用的光学仪器(如显微镜)直接感知出来，给微镜面形变检测评估带来了很大的技术困难。现有技术中对于mems微镜面形变的分析手段主要采用光学形貌仪。但光学形貌仪设备昂贵，并且每次测试都需要严格校准光路，使用成本高，翘曲程度测量的精度也不高，因此仅能少量使用，仅限于镜面翘曲程度的定性测量，根本无法满足对微镜进行批量化、定量测试的要求。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够满足批量化、定量测试要求的微镜镜面翘曲程度检测装置以及检测方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种微镜镜面翘曲程度检测装置，包括：样品台，用于放置一待测微镜；入射光模块，用于产生一束照射至待测微镜表面的入射光，入射光照射在所述待测微镜表面形成入射光斑，光斑尺寸小于微镜镜面；驱动模块，机械连接至样品台和/或入射光模块，驱动两者发生相对位移，以使入射光斑在所述待测微镜镜面发生直线移动；反射光模块，用于将待测微镜表面的反射光汇聚形成一反射光斑，并测量驱动模块驱动样品台和反射光模块相对移动的过程中反射光斑的位移量。

可选的，所述检测装置还包括一分光镜，所述分光镜设置在反射射光的光路上，用以改变自于待测微镜的反射光的方向，使所述反射光入射至反射光模块。

可选的，所述入射光模块产生的入射光以一夹角入射待测微镜的镜面，入射光在待测微镜上反射后直接入射至反射光模块。

可选的，所述入射光模块包括一光源，以及一第一聚焦透镜，所述第一聚焦透镜用于将光源发出的光汇聚至待测微镜镜面形成入射光斑，光斑尺寸小于微镜镜面尺寸。

可选的，所述入射光斑的形状选自于圆形光斑、椭圆光斑和十字叉丝型光斑中的一种。

可选的，所述反射光模块包括一第二聚焦透镜以及一摄像头，所述第二聚焦透镜用于将待测微镜镜面的反射光汇聚并聚焦形成反射光斑，所述摄像头摄取所述第二聚焦透镜焦点处的反射光斑。所述摄像头的成像镜头位置，使反射光斑在摄像头成像面上形成为一个多像素的反射光斑。反射光斑在摄像头中所呈的像的尺寸不小于3×3像素。

可选的，所述驱动模块驱动样品台和入射光模块发生相对位移，导致入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动而形成经过所述待测微镜镜面的中心点的一运动轨迹。上述运动优选为直线运动，且入射光斑的移动轨迹在待测微镜的镜面内部。

一种微镜翘曲程度检测方法，包括如下步骤：提供一待测微镜；将一束入射光照射至待测微镜镜面，在所述待测微镜镜面形成入射光斑，并将反射光汇聚形成一反射光斑；使待测微镜和入射光发生相对位移，以使入射光斑在所述待测微镜镜面发生直线移动；测量入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动的过程中反射光斑的位移量；经过计算可以获得微镜镜面的翘曲程度。

可选的，所述入射光与待测微镜的镜面垂直或接近垂直，所述将反射光汇聚形成一反射光斑的步骤具体是将一分光镜设置在反射光的光路上，用以改变自于待测微镜的反射光的传播方向。

可选的，所述入射光斑的形状选自于圆形光斑、椭圆光斑和十字叉丝型光斑中的一种。

可选的，使待测微镜与入射光发生相对位移，以使入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动的步骤中，还包括调整待测微镜和入射光的相对位置，以形成经过所述待测微镜镜面中心点的一直线运动轨迹。

可选的，所述调整待测微镜和入射光的相对位置，以形成经过所述待测微镜镜面中心点的一运动轨迹的步骤，是以反射光斑的随动轨迹为一直线为校准依据。

可选的，测量入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动的过程中反射光斑的位移量，同时记录一一对应的微镜移动位移量，包括如下步骤：采集反射光斑中像素点的灰度；根据灰度计算反射光斑的灰度质心点；将灰度质心点的位移距离作为反射光斑的位移量。

可选的，测量入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动的过程中反射光斑的位移量的步骤中，具体包括如下步骤：在所述移动的过程中进行间隔采样，获得多个入射光斑和对应的反射光斑的采样点；获得每个采样点的入射光斑在待测微镜表面的位移量，以及反射光斑的位移量；绘制出入射光斑在待测微镜镜面的位移量与反射光斑的位移量之间的曲线，并计算经过直线拟合后的直线斜率，即可以换算出微镜镜面的曲率半径。

本发明的优点在于，采用的测试光路固定，且计算方法简单。将微镜置于测试区域即可以迅速完成测试，无需复杂的光路校准和对焦，也无需复杂的数据处理。

附图说明

附图1是本发明所述微镜翘曲程度检测装置的一具体实施方式的装置结构示意图。

附图2是本发明所述微镜翘曲程度检测装置的另一具体实施方式的装置结构示意图。

附图3是本发明所述微镜翘曲程度检测装置的具体实施方式中待测翘曲微镜镜面的反射光方向随入射位置变化的示意图。

附图4是本发明所述微镜翘曲程度检测装置的具体实施方式中反射光斑灰度质心计算的成像面直角坐标图。

附图5是本发明所述微镜翘曲程度检测装置的具体实施方式中入射光斑在待测微镜镜面的位移量与反射光斑的位移量之间的曲线。

附图6是本发明所述微镜翘曲程度检测装置的具体实施方式中反射光斑的直线运动轨迹示意图。

附图7是本发明所述微镜翘曲程度检测方法的具体实施方式中所述方法的实施步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的微镜镜面翘曲程度检测装置以及检测方法的具体实施方式做详细说明。

首先结合附图给出本发明所述微镜镜面翘曲程度检测装置的一具体实施方式。附图1是本具体实施方式所述装置的结构示意图，包括：样品台10、入射光模块11、反射光模块12以及驱动模块13。附图1仅作图示，不做测量依据，实际操作中待测芯片样品的尺寸是很小的，仅为毫米级，但芯片样品台的尺寸是厘米级的，以保证芯片能水平放置。本具体实施方式也可以设计晶圆级的测试装置，此时样品台可以是分米级的。

所述样品台上放置一待测微镜19，其包含一个微反射镜面。待测微镜19为被测样品，不是本具体实施方式所述装置的一部分。在本具体实施方式中，所述待测微镜19是一光学mems芯片。所述mems芯片可以包括一个待测微镜19，或者包括多个待测微镜19构成的阵列，对应于晶圆级的微镜测试。对于包括由多个待测微镜19构成的阵列的具体实施方式，可以通过平移样品台10或者入射光模块11和反射光模块12的方式对多个待测微镜19逐一进行测试。

入射光模块11用于产生一束照射至待测微镜19表面的入射光，入射光照射在所述待测微镜19镜面形成入射光斑。在本具体实施方式中，所述入射光模块包括一光源112以及一第一聚焦透镜114，所述第一聚焦透镜114用于将光源112发出的光汇聚至待测微镜19镜面形成入射光斑。所述光源112可以是气体激光器、半导体激光器、以及二极管中的任意一种。并可选地，可以进一步在光源112和第一聚焦透镜114之间设置一小通光孔以获得点光源的效果。光源112的发射光可以是可见光或者红外光，并优选为易于通过肉眼调节的可见光。光源112发出的光经过第一聚焦透镜114进行汇聚，全部的入射光都被汇聚在所述待测微镜19的镜面上一个局部区域，形成一完整的入射光斑，光斑的尺寸小于微镜19的尺寸，并保证微镜移动过程中光斑不被移出微镜镜面。在其它的具体实施方式中，所述第一聚焦透镜114被替换为一透镜组以获得更好的汇聚效果。并且若光源112发出的光线的准直性较好，例如对于采用发散角很小的气体激光器作为光源112的具体实施方式，也可以不采用包括第一聚焦透镜114在内的任何聚焦装置，使光源112发出的光直接全部照射在待测微镜19镜面。

所述入射光斑的形状选自于圆形光斑、椭圆形光斑和十字叉丝型光斑中的一种。圆形光斑的优点在于第一聚焦透镜114的汇聚光斑是圆形的，椭圆光斑的优点在于放松对第一聚焦透镜114的像差要求，降低成本，而十字叉丝形状的光斑的优点在于有利于准确计算、观察反射光斑的中心点的位置。

驱动模块13机械连接至样品台10和/或入射光模块11，驱动两者发生相对位移，以使入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动。在本具体实施方式中，驱动模块13机械连接至样品台10，驱动样品台发生移动，该移动方向能够使入射光斑在所述待测微镜19镜面发生移动。在其它的具体实施方式中，驱动模块13机械连接至入射光模块11，或同时连接样品台10和入射光模块11，驱动样品台10和入射光模块11相对移动。相对移动的方向优选为垂直于入射光的方向。

反射光模块12用于将待测微镜镜面的反射光汇聚形成一反射光斑，并测量驱动模块13驱动样品台10和入射光模块11相对移动的过程中，反射光斑的位移量。在本具体实施方式中，所述反射光模块12包括一第二聚焦透镜124以及一摄像头122，所述第二聚焦透镜124用于将待测微镜19镜面的反射光汇聚并聚焦形成反射光斑，所述摄像头122摄取所述第二聚焦透镜124的焦点处的反射光斑。为了获得较佳的反射光斑质心定位精度，摄像头122的成像镜头位置使反射光斑在摄像头成像面上形成为一个多像素光斑，即形成离焦。离焦的作用在于使反射光斑具有一尺寸，更容易准确的计算出反射光斑的灰度质心点，即反射光斑的图像质心，从而计算出反射光斑精确到亚像素精度的准确位置。反射光斑的尺寸应当适当，在摄像头122中所呈的像不应当小于3×3像素，考虑定位精度与计算量的折中，优选的像素点范围是3×3至11×11像素之间。在其它的具体实施方式中，所述第二聚焦透镜124被替换为一透镜组以获得更好的汇聚效果。摄像头122可以是ccd以及cmos摄像头中的任意一种。

在本具体实施方式中，为了节省空间尺寸，入射光模块的光源112以及第一聚焦透镜114与待测微镜19共轴设置。这导致所述入射光模块11产生的入射光与待测微镜19的镜面垂直，并且反射光的光路与入射光的光路是重合的，这为收集反射光带来了难度。为了节省空间，入射光模块的光源112以及第一聚焦透镜114与待测微镜19之间或共轴设置，或与待测微镜19的轴向具有一小角度，这一角度会导致反射光与入射光光路重叠，或者彼此之间的距离无法放置光学元件。因此在本具体实施方式中，所述检测装置还包括一分光镜14，所述分光镜14设置在反射光的光路上，亦是入射光的光路上，用以改变自于待测微镜19的反射光的方向，使所述反射光入射至反射光模块12。可选地，分光镜14可以采用偏振分光镜，并配合光学波片，可以减少分光镜的光能损失。

参考附图2所示是本发明所述微镜镜面翘曲程度检测装置的另一具体实施方式的结构示意图，即无分光镜的测量光路。在本具体实施方式中，入射光模块11、反射光模块12、样品台10以及驱动模块13的结构与前一具体实施方式相同，但设置的相对位置发生了变化。入射光模块的光源112以及第一聚焦透镜114与待测微镜19的轴向具有一较大的角度，反射光的光路与入射光的光路不重合且具有足够满足测量要求的距离，因此无需额外的分光装置，反射光模块12即可以收集到入射光。

对于以上两种实施方式中的任何一种，如果待测微镜19的镜面是平整无翘曲的，即曲率半径无穷大，则无论待测微镜19与入射光斑之间如何相对移动，反射光斑的位置是不移动的。但实际上，由于待测微镜19镜面的金属反射膜与镜面薄膜的硅单晶材料之间热膨胀系数、杨氏模量的不同，金属薄膜制作工艺的不同，以及金属薄膜内部存在应力等问题，待测微镜19的镜面是向外凸起的。这样待测微镜19与入射光斑之间的相对移动会导致反射光斑的位移。待测微镜19镜面的光反射示意图如图3所示，其中r为待测微镜19镜面的曲率半径，用以衡量微镜镜面的翘曲程度，x为入射光斑在待测微镜19表面的位移量，λ为入射光波长，θ为位移x对应的微镜镜面圆心角。当θ较小时，位移x近似为对应的圆弧弧长，由图3可以推算出如下方程式：

上式中δl为反射光斑的位移量，f为第二聚焦透镜124的焦距。在采用一透镜组代替第二聚焦透镜124的具体实施方式中，f为透镜组的等效焦距。上式中，若反射光斑不移动，则δl为0，r为无穷大，对应的物理意义为待测微镜19的镜面是平整的。

反射光斑的位移量δl的计算方式是通过计算摄像头122摄取到的反射光斑中心点的位移得到的。反射光斑中心点优选为反射光斑的灰度质心点，即反射光斑的图像质心。

参考附图4是反射光斑图像质心的计算示意图。圆形为反射光斑的轮廓示意，设反射光斑图像灰度值为c(x,y)，图像坐标原点为o，图像质心位置坐标(xc，yc)可由以下公式确定：

其求和的范围为光斑尺寸的范围。对于采用椭圆、十字叉丝形状的入射光斑的具体实施方式，反射光斑亦为椭圆、十字叉丝，因此也可以根据反射光斑形状计算出椭圆、十字叉丝的中心点作为图像质心。

根据每一次的微镜移动，可以计算出等效的微镜镜面的曲率半径。为了提高测量准确性，可以反复实施上述步骤进行多次测量，以获得多个曲率半径的数值，将这些数值进行平均或直线拟合可以减少曲率半径测量误差，并以计算后的曲率半径作为评价微镜镜面翘曲程度的参数。

具体的说，上述方法中，只需要将入射光斑移动一次，就可以得到一组入射光斑在待测微镜19镜面的位移量x，以及反射光斑的位移量δl，从而计算出待测微镜19的曲率半径r，用以衡量微镜镜面的翘曲程度。而为了提高计算精度，在所述驱动模块13驱动样品台10和入射光模块11发生相对位移的过程中进行间隔采样，获得多个采样点。在每个采样点上都会获得一个入射光斑在待测微镜19表面的位移量x，以及反射光斑的位移量δl，可以绘制出δl(或者θ)与x之间的曲线，如附图5所示。计算经过直线拟合后的斜率即可以换算出r的值。对于δl为负数时可以将图5拓展至第三象限或者取其绝对值|δl|进行计算。

附图6是反射光斑的一种优选的运动轨迹示意图。为了获得最准确的测量效果，优选所述驱动模块13驱动样品台10和入射光模块11发生相对位移，导致入射光斑在所述待测微镜19镜面发生移动而形成经过所述待测微镜19镜面的中心点的一运动轨迹。这样的运动轨迹能够使反射光斑的运动轨迹为附图6所示的一条直线，从而提高上述算法的精确度。并且，反射光斑的随动轨迹是否为一直线还可以作为调整依据，用以校准调整待测微镜19和入射光的相对位置。

接下来结合附图给出本发明所述微镜镜面翘曲程度检测方法的一具体实施方式。附图7是本具体实施方式所述方法的实施步骤示意图，包括：步骤s60，提供一待测微镜；步骤s61，将一束入射光照射至待测微镜镜面上，在所述待测微镜镜面形成入射光斑，并将反射光汇聚形成一反射光斑；步骤s62，使待测微镜和入射光发生相对位移，以使入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动；步骤s63，测量入射光斑在所述待测微镜镜面发生移动的过程中反射光斑的位移量。

以上步骤的实施请进一步参考上述关于装置的具体实施方式，以及附图1-附图6。但本具体实施方式中的步骤并不仅限于采用上述装置实施，任何一种能够满足本具体实施方式所述步骤要求的装置都可以用于实施体实施方式。

步骤s61中，一种优选的实施方式是所述入射光与待测微镜的镜面垂直或呈一小角度以节省设备空间，但需要将一分光镜设置在反射光的光路上，用以改变自于待测微镜的反射光的方向。本步骤中所述入射光斑的形状选自于圆形光斑、椭圆和十字叉丝型光斑中的一种。圆形光斑的优点在于第一聚焦透镜的汇聚光斑是圆形的，椭圆光斑的优点在于放松对第一聚焦透镜的像差要求，降低成本，而十字叉丝形状的光斑的优点在于有利于准确计算、观察反射光斑的中心点的位置。

步骤s62中，还包括调整待测微镜和入射光的相对位置，以形成经过所述待测微镜的中心点的一运动轨迹。这样的运动轨迹能够使反射光斑的运动轨迹为附图6所示的一条直线，从而提高上述算法的精确度。本步骤所述调整待测微镜和入射光的相对位置，以形成经过所述待测微镜的中心点的一运动轨迹的步骤，是以反射光斑的随动轨迹为一直线为校准依据。

步骤s63还可以进步包括如下步骤：采集反射光斑中像素点的图像灰度值；根据灰度计算反射光斑的灰度质心；将灰度质心的位移距离作为反射光斑的位移量。

根据每一次的微镜移动，可以计算出等效的微镜镜面的曲率半径。为了提高测量准确性，可以反复实施上述步骤进行多次测量，以获得多个曲率半径的数值，将这些数值进行平均或直线拟合可以减少曲率半径测量误差，并以计算后的曲率半径作为评价微镜镜面翘曲程度的参数。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。