位相干涉测量

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1、位相干涉法测量表面微观形貌表面形貌对物体成三维像、逐点获取物体表面三维坐标并精确地测量其表面几何形态的过程，称为表面形貌学（surfacetopography）表面形貌测量在工业产品自动检测、机械制造、电子工业、机器人视觉等领域均有应用价值表面微观形貌深度分辨率为纳米级或亚纳米级的测量，称为表面微观形貌表面微观形貌测量在微细加工、二元光学、X光光学、生物医学等领域均有着较大的应用价值测量方法概述机械触针法光学探针法光学法•结构光三角测量•阴影莫尔法•位相干涉测量扫描电子显微镜SEM扫描遂道显微镜STM及原子力显微镜AFM机械

2、触针轮廓仪金刚石触针与被测表面接触并随表面凸凹不平做上下移动位移传感器测量具有0.1nm的纵向分辨率和0.2μm的横向分辨率光学探针轮廓仪基于共轭成像原理，探针是聚集光束测量时光束跟踪被测表面并成像在探测器上，当被测表面与探测面共轭时，在探测器上的象点最小，点探测器接收到的能量最大；当被测表面偏离物点时，探测器上的象点变大，点探测器接收到的能量变小测量时控制物点与被测面重合，保证探测有最大输出，便可描画出被测表面的形貌光学法结构光三角测量法激光束经柱状透镜扩束并准直后成一片状光束，在物面上形成一条亮线。由于物面的高低不同，每条

3、投影线在CCD光敏面上的像为一曲线，计算该曲线上各像素点偏离标准象（基准线）位置的距离，便可以得到物体表面一个剖面的高度分布阴影莫尔法莫尔条纹阴影等高线图形显示物体三维像，将莫尔条纹作为空间编码，从受物体表面形貌调制的莫尔条纹图中提取相位信息并转换为物体表面轮廓由于莫尔法得到的仅仅是物体面形的等高线，因而无法判断物体的凹凸位相干涉测量法PMI基于光波干涉原理测量干涉图的光强分布提取受物体表面形貌调制而变化的光程差（干涉波前相位差）在整个光场中的空间起伏变化，经数据处理后得到物体表面微观形貌TOPO表面测量系统基于mirau干涉

4、显微镜相移：压电陶瓷驱动参考反射镜，使参考光与测量光之间的相位差随时间作线性变化，相移N-1次，获得N帧干涉图CCD探测干涉场上各点的光强，从N帧光强算式中提取每一点的相位值，由相位与被测表面各点高度转换关系式，可获得被测表面形貌的高度分布分辨率：垂直0.1nm，水平0.4μm扫描电子显微镜利用聚焦电子束作为电子探针，当探针扫描被测表面时，激发二次电子。探测器接收二次电子，经放大和处理后得到一幅扫描电子图像。由于二次电子的强度和分布与被测表面形貌有关，因此，扫描电子像反映了被测表面的几何形貌具有较高的纵向分辨率和横向分辨率，分

5、别达到10nm和2nm要求真空环境下工作，操作复杂，测量费时，且要求被测表面导电扫描遂道显微镜根据量子隧道效应测量直径为原子尺度的针尖在被测表面扫描，当两者间距离为几十nm时，形成隧道电流控制探针使其与被测表面的间隙锁定，保持隧道电流为定值，探针的上下移动量即为被测表面的轮廓原子力显微镜接触式测量，接触力极小，为10-7~10-11N，接触区域只有20nm大小纵向分辨率0.01nm，横向测量范围仅10m具有突出的分辨率，测量精度高，开辟了微结构的空间周期低于1m的测量区域。在此区域内，机械和光学轮廓仪几乎是无能为力的。但是

6、，测量范围非常狭窄，且涉及的技术难题多，操作环境要求高相移微分干涉显微测量系统光路结构系统特点相移驱动图像采集数据处理干涉显微镜干涉显微镜是显微镜与干涉系统相结合的产物利用位相干涉法测量通过判读一幅受物体表面形状调制的干涉图提取位相信息，由位相与待测物纵向深度间的转换关系式计算得到物体表面微观形貌相移干涉术原理激光作为照明光源，经扩束器扩展为平行光，分束器将该平行光分为测量光束与参考光束。两路光经待测物及参考镜反射后在干涉场发生干涉，形成干涉条纹驱动电路驱动参考镜产生几分之一波长量级的光程变化（相移phase-stepping

7、），以改变参考相位，并产生时间序列上的多幅干涉图表面微观形貌测量系统图移相方法偏振移相式中2θ为与检偏角有关的移相因子，改变θ角，即产生相位的移动偏振移相有两个优点：其一是检偏器的转角可以精密控制，故移相准确度高；其二是特别适用于干涉系统难以改变干涉臂光程的场合，例如共光路干涉显微镜情形微分干涉显微镜在本实验工作中，我们采用微分干涉显微镜（也称波面剪切干涉显微镜）作为主体，加入步进电机驱动相移器件、CCD探测器、图象采集电路、微型计算机等部分，共同组成相移干涉显微测量系统。微分干涉显微镜differentialinterfer

8、encecontrastmicroscope偏振干涉：起偏器、Nomarski偏振分光棱镜、检偏器微分相衬干涉显微镜的关键之处是在光路中加入了Nomarski偏振分光棱镜，以实现对光束的微分剪切及复合偏振的作用棱镜的双折射使两束光沿垂直于光轴方向产生一个横向位移△X，同时棱镜