基于白光干涉原理的三维微表面形貌测量技术研究

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1、华中科技大学硕士学位论文摘要为满足微机电系统(MEMS,Micro-Electro-MechanicalSystem)产业化及实验研究对表面形貌测量工具的需求，本文对垂直扫描白光干涉技术做了深入的研究，设计开发了一套基于Linnik干涉结构的扫描白光干涉三维表面形貌测量系统，具有长工作距离、快速、非接触及三维全场测量等特点，主要工作如下：基于一种新颖的LED准直方法，设计了一套扫描白光干涉表面形貌测量系统。研究了光源相干长度、光学系统分辨率及CCD分辨率。研究了目前白光干涉测量中的主要算法，重点研究了相移算法和基于采样定理的平方包络函数估计(SEST,Square-e

2、nvelopfunctionEstimationbySamplingTheory)快速处理算法。提出了在SEST算法中应用循环缓冲器定位相干区域的方法，进一步减少了数据存储量及计算量，提高了测量速度。对上述两种算法做了仿真研究，结果表明，光源的频谱宽度对相移算法和SEST算法的精度影响较大，同等条件下相移算法精度比SEST算法高，但是由于相移算法的采用间隔小，故测量速度比较慢。开发了一套扫描白光干涉三维表面形貌测量系统，可工作在相移干涉模式(PSI,Phase-ShiftInterferometry)和垂直扫描干涉模式(VSI,VerticalScanningInter

3、ferometry)下。在基于面向对象技术的VC++6.0集成开发环境下完成了系统软件的设计开发，编程实现了三步相移、五步相移及SEST等测量算法。提出了一种有效地存储表面形貌测量结果的文件格式。对美国VEECO公司的标准台阶做了测量，比较了不同处理算法下的测量结果，结果表明系统具有良好的可操作性和较高的测量精度。关键词：白光干涉三维微表面形貌SEST算法MEMS相移算法I华中科技大学硕士学位论文AbstractForMEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)characterization,averticalscanningwhit

4、e-lightinterferometricmeasurementsystem,whichhasthecharacteristicsoflong-work-distance,fast,non-contactandfullfieldmeasurement,hasbeendevelopedtoaddressthegrowingdemandforstaticanddynamiccharacterizationofMEMSdevices.Themaincontentsofthisthesiscomprisethefollowingaspects:BasedonanovelLED

5、collimationmethod,averticalscanningwhite-lightinterferometrysurfaceprofilerisdesigned.Thecoherencelengthoflightsource,system’sresolutionandCCDresolutionareanalyzed.Themainwhite-lightinterferenceprocessingalgorithmisintroduced,particularly,thephase-shiftingalgorithmandSEST(Square-envelopf

6、unctionEstimationbySamplingTheory)algorithmbasedonsamplingtheoryisstudieddeeply.AmethodusingacircularbuffertolocateinterferenceregionisproposedbasedonSESTalgorithm,whichreducethenumberofsamplingdataandcomputationalcost,increaseddataprocessingspeed.Thealgorithmofphase-shiftingandSESTissim

7、ulatedbycomputer;theresultsshowthatthespectralwidthoflightsourcehasgreatimpacttotheaccuracy.Theaccuracyofphase-shiftingalgorithmishigherthanthatofSESTalgorithmunderthesamecondition,butthemeasurementspeedislowerbecauseofthenarrowsamplinginterval.Averticalscanningwhite-ligh