基于纳米测量机的自适应白光扫描干涉测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微结构光学测试技术领域。具体讲，涉及基于纳米测量机的自适应白 光扫描干涉测量方法。
【背景技术】
[0002]白光扫描干涉术作为一种重要的测量方法具有非接触、测量速度快和测量精度高 等优点，被广泛的应用到汽车、光学、半导体工业等产业中并取得了巨大的发展。它利用宽 光谱的白光作为照明光源，使干涉条纹只出现在很短的空间范围以内。白光干涉条纹中的 最大光强值点就代表了零级干涉条纹的位置，有效的避免了传统单色光相移干涉中的相位 模糊问题，使白光干涉术的垂直测量范围理论上仅受扫描装置行程的限制。
[0003]目前，对该技术的研究重点主要在如何提高测量精度上。而测量精度的研究又主 要集中于如何更加精确的定位白光干涉术中的相干峰感知位置以及如何将其它测量技术 与白光干涉术相结合等方面。在国外，美国Zygo公司的Groot等人研究了白光干涉信号中 的条纹级次辨识方法。Recknagel等人使用离散小波变换处理白光干涉信号，并在欠采样的 情况下实现了信号重建。Sandz等人提出了一种白光相移干涉七帧法，该方法建立在白光干 涉信号局部线性假设的基础上。将七个测量方程进行线形组合，合并为单色光相移干涉术 中的四帧法进行计算，取得了不错的效果。在国内，华中科技大学研制出了基于同一显微镜 为基体，实现了原子力探针扫描测量和非接触的光学测量两种功能的复合型超精密表面形 貌测量仪，大大地提高了水平方向和垂直方向测量精度。天津大学将Carr6等步长相移法 与白光垂直扫描相结合实现了一种具有亚纳米级分辨力的等步长白光相移干涉术。
[0004] 然而，测量效率对测量过程来说同样重要。对于大间断结构高度大于四分之一波 长时，单色光相移干涉术测量受到了限制。白光扫描干涉术可以克服单色光相移干涉术中 的相位模糊问题，增大垂直测量范围。但是，在对垂直大间断台阶结构的测试中，传统的白 光扫描干涉术不考虑样品结构或条件是否出现变化，扫描都按固定的步长进行。当干涉物 镜完成结构上表面扫描向下表面运行过程中，由于物镜景深相比被测结构要小得多，所以 当物镜再次聚焦于下表面前，CCD摄像机提取到的是没有干涉条纹存在的离焦状态图像。 从信号处理的角度来讲，在所提取到的信号中，只有对应于台阶结构上下表面的部分才具 有测量意义，而这部分相比于所采集信号总量来说只占很小一部分，因此，测量效率大大降 低。测量效率的降低又将导致测量过程更易受到外界环境因素变化的影响。这些因素包括 振动、温度变化、空气波动等。因此，为了能够在不损失精度的前提下尽可能缩短测量时间， 本发明提出了应用于垂直方向大间断台阶结构的自适应扫描策略。
【发明内容】
[0005] 为克服技术的不足，实现在不损失精度的前提下尽可能缩短测量时间，提高大间 断结构相关信息的测试效率。为此，本发明采取的技术方案是，基于纳米测量机的自适应白 光扫描干涉测量方法，包括如下步骤：
[0006] (1)纳米测量机初始化，设置台阶上表面包括快速扫描步长、精细扫描步长及离焦 阈值的测量参数；
[0007] (2)手动调节至台阶上表面，按照设置的扫描步长进行精细扫描并存储图像；
[0008] (3)按照评价函数和离焦阈值判断所采集图像是否处于离焦扫描状态，如果处于 离焦状态则记录位置并按照设定的步长进行快速扫描；
[0009] (4)在扫描接近下表面附近，判断当由离焦转换成聚焦状态时恢复精细扫描，记录 位置并存储图像；
[0010] (5)当再次处于离焦状态时停止扫描，读取存储的上下表面有效图像；
[0011] (6)绘制光强曲线图，计算相干峰位置，进行倾斜调整后获取被测结构高度信息。
[0012] 所述的评价函数采用Variance函数：利用图像灰度标准差作为评价依据，数学表 达式为：
[0013]
[0014] 其中f(i)为函数值，i为扫描位置，（X，y)为像素点的坐标位置，:f为像素的灰度 平均值。
[0015] 利用重心法获取每个像素的光强变化曲线的包络峰的位置，从而获取被测结构的 高度信息，重心法的计算公式为：
[0016]
[0017] 其中h是被测表面的高度，（X，y)为像素点的坐标位置，i是扫描位置，Ii是扫描 位置处的光强。
[0018] 使用公式之前，需首先移除干涉信号的背景光强值，使曲线重心仅由信号的交流 部分计算得出。
[0019] 与已有技术相比，本发明的技术特点与效果：
[0020] 本发明提出一种应用于白光扫描干涉测量的自适应扫描方法，能够控制纳米测量 机系统仅在有干涉条纹存在的空间区域采集图像，而在其它区域加速运行，有效提高了大 间断结构相关信息的测试效率。
【附图说明】
[0021] 图1是白光自适应扫描干涉方法的算法流程图；
[0022] 图2是基于纳米测量机的自适应白光扫描干涉原理图；
[0023] 图3是评价函数示意图；
[0024] 图4是白光扫描光强曲线。
【具体实施方式】
[0025] 本发明所要解决的技术问题是，在对一些垂直尺度较大器件的测试中，传统白光 扫描干涉术存在测量时间长，信号利用率低等问题。本发明提出一种应用于白光扫描干涉 测量的自适应扫描方法，能够控制纳米测量机系统仅在有干涉条纹存在的空间区域采集图 像，而在其它区域加速运行，有效提高了大间断结构相关信息的测试效率。
[0026] 本发明所采用的技术方案是：测量系统以纳米测量机（NMM)作为系统运动部件； 光学干涉系统使用Mirau显微干涉物镜；图像采集系统包括CCD摄像机和图像采集卡；使 用光纤光源进行照明，并利用气浮隔振平台减少实验中的低频振动影响；和纳米测量机相 连的计算机中包含由LABVIEW编写的实验系统控制程序和MATLAB编写的测量数据分析以 及信号处理程序。基于纳米测量机的白光自适应扫描干涉方法，实现对大间断结构（如台 阶）的高度信息的快速精确，其实现步骤为：
[0027] (1)纳米测量机