Mirau相移干涉轮廓仪检测微表面三维形貌
微观表面形貌检测方法及其发展
１ ．１ ０ｎ ｍ
１ Ｈｍ
Ｕ ｒ ｎ
被引入表面形貌测量 ， 非接触测量 实现 并开始迅 速发展 。
１ ９ ５ ８年 苏 联 研 制 的 ＭＮＮ～４型 干 涉 显 微 镜 ］ 。１ ９ ６ ８年
点， 重点阐述 了 常 见 的光 学 测量 方 法 ， 并对 其 进 行 了 比
较 。并 重 点 分 析 了 光 学 干 涉 法 、 触 针 法 的基 本特 点 。
关键词 ： 微观表面形貌 ； 非接 触 测 量 ； 接触 式测量 ； 干 涉 法
年人们开始在图样 上提 出加 工条件 要 求的符 号 ， 对 表面
法、 散 射光 强对 比法 、 干 涉 显 微 镜 法及 白光 扫 描 法 等 。与 光 学方 法 不 同 ， 非 光学 式 扫 描 显 微镜 法 没 有 光 学 物 镜 ， 图
像观 察 不 是 通 过 光 学 表 面 ， 而 是 通 过 计 算 机 图 像 监 视 器
被测表面
图 １ 电 感触 针 式传 感 器 原 理 图
的非 接 触 式 形 貌 测 量 方 法 所 依 据 的 原 理 主 要 是 光 、 声、 电
或其结合 ， 其 中 光 学 方 法 在 非 接 触 式 形 貌 测 量 中 的 应 用 最为广泛 。
取决于电路系统 的放大倍 率 和数据 采集 系统 的分 辨率 。
它 是将 一 个 很 尖 的 触 针 （ 半 径 可 以 做 到 微 米 量 级 的金 刚
（ 收 稿 日期 ： ２ ０ １ ４ —０ ５ —２ ３ ）
（ ７ ） 由于在线超声波流量计 无温度补 偿装 置 ， 在气 温 变化 显著时 ， 可造成流量计 １ 左右的波动 ， 因此 ， 应加 强
微结构表面形貌的测量
光学精密工程OPTICS AND PRECISION ENGINEERING1999年 第7卷 第3期 Vol.7 No.3 1999微结构表面形貌的测量周明宝 林大键郭履容 郭永康 摘 要 总结了现有各种微结构表面形貌测量方法,概述了这些方法的原理、特性及发展现状,并对各种方法的优越性、存在问题以及应用范围进行了比较。
关键词 微结构 表面形貌 测量Measurement of Microstructures TopographyZHOU Ming-Bao,LIN Da-Jian（State Lab of Optical Technologies on Microfabrication, Institute of Optics & Electronics,Chinese Academy of Sciences, Chengdu 610209)GUO Lü-Rong,GUO Yong-Kang(Physics Department, Sichuan University, Chengdu 610041)Abstract The existing various methods used to measure the surface topography of micro-structures are described. The principle, property and present situation of these methods are analyzed. Comparison for superiority, the existing problems and the applied range of these methods are given. Key words：Microstructures, Surface topography, Measurement1 引 言 微结构是随着微细加工技术的出现才出现的,是随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细的。
Mirau相移干涉法测量微透镜阵列面形
0 1 2 3 ! "1 3 # $ , 4 5 1 6 7 8% $ $ &
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光学干涉技术在表面形貌测量中的应用
光学干涉技术在表面形貌测量中的应用引言表面形貌测量是一项重要的工程技术，广泛应用于制造业、材料科学、地质勘探等领域。
光学干涉技术作为一种非接触式测量方法，具有高精度、高分辨率、快速测量的优势，逐渐成为表面形貌测量的重要手段。
本文将探讨光学干涉技术在表面形貌测量中的应用。
一、光学干涉技术的基本原理光学干涉技术是利用光的干涉现象进行测量的一种方法。
其基本原理是：当两束光在空间中相遇时，由于光的波动性质，会产生干涉现象。
通过测量干涉条纹的特征，可以得到被测物体的形貌信息。
二、光学干涉技术在表面形貌测量中的应用1. 相位移干涉法相位移干涉法是一种常用的光学干涉技术，可以用于表面形貌的测量。
该方法通过改变光路差，产生不同相位的干涉条纹，通过分析干涉条纹的相位信息，可以得到被测物体的形貌数据。
相位移干涉法具有高精度、高分辨率的特点，广泛应用于微观表面形貌测量。
2. 全息干涉法全息干涉法是一种基于全息技术的表面形貌测量方法。
该方法通过将被测物体的全息图与参考波的全息图进行叠加，产生干涉条纹。
通过分析干涉条纹的特征，可以得到被测物体的形貌信息。
全息干涉法具有非接触、全场测量的特点，适用于大范围表面形貌测量。
3. 激光干涉法激光干涉法是一种利用激光光束进行表面形貌测量的方法。
该方法通过将激光光束照射到被测物体上，通过测量反射或散射的光的干涉条纹，可以得到被测物体的形貌信息。
激光干涉法具有高精度、高灵敏度的特点，广泛应用于微观表面形貌测量。
4. 光栅干涉法光栅干涉法是一种基于光栅的表面形貌测量方法。
该方法通过将光栅与被测物体进行叠加，产生干涉条纹。
通过分析干涉条纹的特征，可以得到被测物体的形貌信息。
光栅干涉法具有高精度、高分辨率的特点，适用于微观表面形貌测量。
三、光学干涉技术在实际应用中的挑战与发展光学干涉技术在表面形貌测量中具有广泛的应用前景，但也面临一些挑战。
首先，光学干涉技术对环境的要求较高，需要在无尘、无振动的条件下进行测量。
【CN109828365A】Mirau型超分辨率干涉显微物镜【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910137549.8(22)申请日 2019.02.25(71)申请人 南京理工大学地址 210094 江苏省南京市玄武区孝陵卫200号(72)发明人 袁群 徐伟 高志山 孙一峰 于颢彪 施帅飞 黄旭 胡乔伟 (74)专利代理机构 南京理工大学专利中心32203代理人 朱沉雁(51)Int.Cl.G02B 21/00(2006.01)G02B 21/18(2006.01)G02B 21/02(2006.01)G02B 27/58(2006.01)(54)发明名称Mirau型超分辨率干涉显微物镜(57)摘要本发明公开了一种Mirau型超分辨率干涉显微物镜，利用干涉显微物镜实现亚纳米级轴向分辨率，利用微球透镜突破衍射极限，实现二维横向超分辨。
本文提出将干涉显微物镜和微球透镜相融合的超分辨干涉显微物镜，在干涉显微物镜和待测样品之间加入微球透镜，优化设计参考平板、分光平板、显微物镜的参数，获得清晰的三维超分辨干涉条纹，实现三维高分辨率成像。
本方法能够以简单的光学手段实现横向超分辨，获取待测微结构的三维高分辨信息，无需对样品进行复杂的标记处理，可以实现快速、无损的测量，具有很强的实用价值。
权利要求书1页 说明书4页 附图3页CN 109828365 A 2019.05.31C N 109828365A1.一种Mirau型超分辨率干涉显微物镜，其特征在于：包括沿共光轴依次设置的显微物镜（1）、参考平板（2）、分光平板（3）和微球透镜薄膜（4），微球透镜薄膜（4）设置在待测样品（5）的顶面，采用Mirau型干涉光路结构，由分光平板（3）分光，参考平板（2）位于参考臂上，微球透镜薄膜（4）位于测试臂上；照明光（9）依次通过显微物镜（1）、参考平板（2），在分光平板（3）的分光平面处被分为两束，一束入射到参考平板（2）的参考面返回，形成参考光，另一束经过微球透镜薄膜（4）之后入射到待测样品（5）返回，形成测试光；参考光和测试光在分光平板（3）上重合后发生干涉，经参考平板（2）和显微物镜（1）后出射。
基于mirau干涉显微镜的微光学表面参数测量研究
３微小表面面形和球面曲率半径的测量研究硕士论文ｊ３微小表面面形和球面曲率半径的测量研究球面曲率半径限ａｄｉｕｓｏｆｔｌｌｅＣｕⅣａｔｕｒｅ，ＲＯＣ）是决定透镜光学性能的主要参数之一，而表面形貌决定着表面成像质量的优劣。
本章将从条纹分析术及移相干涉术出发，分别研究根据静态单幅干涉图和动态多幅干涉图分析微表面形貌与球面曲率半径的方法。
其中，条纹法主要用于研究球面曲率半径的测量方法，重点研究怎样尽可能的抑制噪声的影响，移相干涉法中着重分析、比较不同移相算法对误差的敏感程度３．１概述球面曲率半径的测量有很多种，主要可分为接触式和非接触式。
如激光球面干涉仪法、球径仪法、刀口仪法、平行板剪切干涉法、自准直显微镜法、球面样板法、牛顿环法、自准直望远镜法、莫尔偏折术法以及干涉显微镜法等【３３１。
不同的测量方法有着各自不同的特点，现着重概述以下几种方法的原理及优、缺点。
（１）球面样板法测量原理如图３７１所示，使选用的球面样板的ＲＯＣ与被测球面的ＲＯＣ的标准值相同，在被测球面与标准球面样板之间会产生空气层，当两者的ＲＯＣ相同时，空气层厚度处处相等，不会产生条纹，若不等则会产生若干条环形条纹。
这样，在已知样板Ｉ的Ｃ的情况下，根据换算公式，就可求出被测球面的ＲＯＣ。
ｉ眵≤Ｉ形形Ｉｌ、捌黼一一…………———１厂——一一——————Ａｒ、ｌ＼～，／ｈ图３．１球面样板法测量原理图图３．２球径仪测量原理图（２）球径仪法的基本原理是通过被测球面上某部分球缺对应的弦半径和矢高的相关运算进而获得球面的Ｉ的Ｃ。
如图３．２所示为其测量原理图，其中Ｃ∞为被测球面的一部分，Ｄ是球面的球心，ＣｆＤ为对应的弦，彳Ｃ＝彳Ｄ＝厂是弦半径，彳Ｂ＝办为矢高。
在直角三角形洲Ｄ中：。
相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及应用
相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及应用一、引言随着科学技术的不断发展，人们对于三维形貌测量的需求越来越大。
而相位辅助投显并行三维形貌测量技术因其高精度、高速度、非接触性等优点，逐渐成为了三维形貌测量领域中的热门技术之一。
本文将详细介绍相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及其应用。
二、相位辅助投显并行三维形貌测量原理1. 光栅投影原理光栅投影是相位辅助投显并行三维形貌测量中的关键技术之一。
它通过在被测物体表面上投射一系列周期性的灰度条纹，利用物体表面反射回来的光线与灰度条纹进行干涉，从而得到物体表面高程信息。
2. 相移法原理相移法是相位辅助投显并行三维形貌测量中另一个重要的关键技术。
它通过改变灰度条纹的相位差，实现对物体表面高程信息的获取。
3. 投影仪和相机的选择在相位辅助投显并行三维形貌测量中，投影仪和相机的选择对测量结果的精度和速度有着至关重要的影响。
一般来说，投影仪需要具有高亮度、高分辨率、低失真等特点；相机则需要具有高灵敏度、高分辨率、低噪声等特点。
三、相位辅助投显并行三维形貌测量应用1. 工业制造领域相位辅助投显并行三维形貌测量技术可以应用于工业制造领域中的产品质量检测、表面缺陷检测、尺寸精度检测等方面。
例如，在汽车制造过程中，可以利用该技术对汽车外壳进行三维形貌测量，从而确保汽车外壳的尺寸精度和表面质量符合标准要求。
2. 医疗领域相位辅助投显并行三维形貌测量技术还可以应用于医疗领域中的牙科治疗、骨科手术等方面。
例如，在牙科治疗中，可以利用该技术对患者的牙齿进行三维形貌测量，从而制定出更加精准的治疗方案。
3. 文化遗产保护领域相位辅助投显并行三维形貌测量技术还可以应用于文化遗产保护领域中的文物复原、文物数字化等方面。
例如，在对古建筑进行复原时，可以利用该技术对古建筑进行三维形貌测量，从而更加精准地还原出古建筑的原貌。
四、相位辅助投显并行三维形貌测量技术发展趋势1. 高速度化随着科学技术的不断发展，人们对于相位辅助投显并行三维形貌测量技术的速度要求也越来越高。
三维轮廓仪的测量原理
三维轮廓仪的测量原理
三维轮廓仪的测量原理基于斯特鲁凯尔原理，即通过测量物体在激光光束下的形状和位置来得到物体的三维轮廓。
具体来说，三维轮廓仪通过激光光源发出一束光束，该光束经过透镜系统被聚焦到一个点上。
在光束照射下，物体的表面会产生散射光。
传感器会接收到散射光，并将其转化为电信号。
传感器可以是光电二极管阵列、CCD或CMOS传感器等。
接收到的电信号经过处理，可以得到散射光的位置和强度信息。
通过测量物体不同位置处的散射光的位置和强度，可以推导出物体的三维形状。
在测量过程中，需要对光束进行扫描或旋转，以便覆盖整个物体表面的区域。
通过将不同位置处测得的三维信息进行拼接，可以得到物体的完整三维轮廓。
总结起来，三维轮廓仪的测量原理是通过激光光束照射物体表面，接收到散射光的位置和强度信息，进而推导出物体的三维形状。
相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及应用
相位辅助投显并行三维形貌测量关键技术及应用相位辅助投显并行三维形貌测量技术是一种基于投影仪和相机的非接触式三维测量技术，通过相机对投影仪投射在被测物体上的光斑进行拍摄，结合相位差测量原理，可以获取物体表面的三维形貌信息。
这种技术具有测量速度快、分辨率高、适用于复杂形状的物体以及光照条件不受限等优点，因此在工业制造、医学影像、文物保护等领域得到了广泛应用。
相位辅助投显并行三维形貌测量的关键技术主要包括：相位偏移方法、相机标定、相位解包、反射光干扰消除等。
1. 相位偏移方法：相位偏移是指投影仪在进行投影时通过改变投影光斑的相位来实现对被测物体表面进行三维形貌测量的一种方法。
常用的相位偏移方法包括基于四步相移法、基于三步相移法和基于多步相移法。
这些方法通过改变投影光斑的相位，可以获取物体表面在不同相位下的图像，通过相位差计算从而得到物体表面形貌信息。
2. 相机标定：相机标定是指确定相机的内外参数，包括像素尺寸、畸变参数、相机外参等。
通过相机标定可以将像素坐标和物理坐标之间建立映射关系，以便后续的三维形貌测量。
相机标定方法常用的有棋盘格法、角点法、校准板法等。
3. 相位解包：相机拍摄到的图像中包含了物体表面的相位信息，但由于光的波长有限，相机无法直接测量到物体表面的相位信息，只能测量到相位的2π的整数倍。
因此需要相位解包算法将相机测量到的相位信息解包成连续的相位。
常用的相位解包算法有多频率解包法、限制解包法等。
4. 反射光干扰消除：在相位辅助投显并行三维形貌测量中，物体表面的反射光会干扰到测量结果。
这种干扰可以通过选择合适的投射光源、增加滤光器等方式来消除。
例如，可以使用投射光的特殊颜色和相机的滤光器来选择只接收投射光的波长，从而减少反射光的干扰。
相位辅助投显并行三维形貌测量在许多领域都得到了广泛的应用。
在工业制造领域，该技术可以用于测量工件的形貌和表面缺陷，用于质量控制和检测。
在医学影像领域，该技术可以用于人体器官的三维成像，用于临床诊断和手术导航。
Mirau相移干涉轮廓仪检测微表面三维形貌
phase-shifting algorithm; Optical fiber connector
tanϕ(x, y) = 2(I2 − I4 )
(4)
2I3 − I5 − I1
这样就可以得到被测面的位相ϕ(x, y)
h(x, y) = λ × ϕ(x, y) = λ × ϕ(x, y)
(5)
2 2π 4π
由方程(5)就可以得到被测面的高度值，从而得到其三维形貌。
1.2 Mirau 相移干涉轮廓仪
图 3 光纤连接器的干涉图 Fig.3 Interferogram of optical fiber connector
图 4 光纤连接器的表面形貌 Fig.4 Surface topography of optical fiber connector
4.结论
基于 Mirau 干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪。Mirau 干涉物镜和镜筒 透镜之间是平行光，其放大倍率为 10，数值孔径为 0.3，工作距 5mm。Mirau 干涉物镜中参考 面和被测面对于分束面是对称的，增加了支撑板，补偿板和分束板的表面质量要求相同。PZT 为移相器。用轮廓仪检测了光纤连接器端面，连续采集了 5 幅干涉图，经过五步相移法得到表 面三维形貌。
Type of interference
Mirau
Numerical aperture
0.3
Magnification (β) -10
Working distance (mm)
20^(×) Mirau型白光干涉显微物镜的设计
20^(×) Mirau型白光干涉显微物镜的设计
陈卉
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2022(52)9
【摘要】对于具有动态特性的MEMS陀螺仪表面形貌的检测,采用传统接触式检
测方式难以实现。
本文设计一款无限远场校正的20^(×) Mirau型白光干涉显微物镜成像系统,实现对MEMS陀螺仪无接触式的表面缺陷检测。
系统工作于可见光波段,数值孔径NA=0.3,放大倍率为20倍,工作距离3.1 mm,总体长度为45.85 mm。
系统包含光学成像部分和Mirau型干涉部分,光学成像部分的成像质量接近衍射极限,各项设计指标均满足要求;通过VirtualLab软件对干涉物镜进行光路的干涉仿真并得到清晰的干涉条纹,验证了设计的合理性。
【总页数】5页(P1402-1406)
【作者】陈卉
【作者单位】中国电子科技集团公司第十一研究所
【正文语种】中文
【中图分类】O435
【相关文献】
1.光学和光学仪器——显微镜——显微镜物镜及相关转换器的物镜螺纹第2部分
M25×0.75mm型物镜螺纹ISO8038-2:20012.显微镜——显微镜物镜及相关转换器的物镜螺纹第1部分RMS型物镜螺纹(4/5in×1/36in)ISO8038-1:19973.利用
Mirau显微干涉仪测量微器件的纳米级运动4.微表面形貌检测中Mirau干涉物镜的优化设计5.计量型白光干涉显微镜干涉图像处理技术
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基于泰曼-格林干涉的表面三维微观形貌测量的研究的开题报告
基于泰曼-格林干涉的表面三维微观形貌测量的研究
的开题报告
一、研究背景：
表面形貌的快速和准确测量是精密加工、光学工程、机械制造等领域中不可或缺的技术手段之一。
在现代工业生产中，高精度的表面测量不仅可以有效提高产品性能和质量，同时也可节约成本和提高效率。
因此，对表面形貌的测量技术进行研究和探索具有重要的现实意义。
基于干涉技术的形貌测量技术是目前较为常用和有效的一种方法。
干涉仪通过衡量光束的相位差，可以获得目标表面纳米级的高精度形貌信息。
于此基础上，本研究将以泰曼-格林干涉为基础结合计算机图像处理技术，研究表面三维微观形貌的测量方法和技术。
二、研究目的：
本研究的主要目的是探究基于泰曼-格林干涉技术的表面三维微观形貌测量方法及其技术优化，旨在对未来高精度测量技术，例如计算机辅助制造、光学制造、微电子制造等行业提供有价值的技术支持。
三、研究内容：
1. 泰曼-格林干涉技术原理及其在形貌测量中的应用;
2. 表面三维微观形貌的计算机图像处理方法;
3. 基于傅里叶变换的表面微观形貌分析与处理方法;
4. 泰曼-格林干涉结合计算机图像处理技术的表面三维微观形貌测量实验;
5. 实验结果分析与优化方法探究。
四、研究意义：
本研究的意义在于探究基于泰曼-格林干涉技术的表面三维微观形貌测量技术。
该技术在制造业及其他相关领域均有较为广泛的应用。
本研究的实验成果，将为制造业等领域提供重要的技术支持和创新基础，有助于提高产品质量和生产效率。
基于两步相移干涉的微表面形貌检测系统
基于两步相移干涉的微表面形貌检测系统蔡怀宇;李光耀;黄战华【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2016(40)1【摘要】To measure microsurface profile of an object , a spatial two-step phase-shifting interferometer was proposed based on an improved Michelson architecture .Based on a Tyman-Grean polarization interferometer , the improved Michelson architecture was used as beam-splitting unit, two linear polarizing plates with polarization direction of 0°and 45°were taken as phase-shifting elements.The interferometer can simultaneously capture two interferograms with phase shift of 90°with a single CCD camera . Phases were extracted and surface topography information was obtained by discrete Hilbert transform .A two-step phase-shifting interferometer was set up and glass plate surface was measured to verify the feasibility of this system .In the laboratory environment, the root mean square error of measurement results was less than 0.02λ.The system can be used in measurement of microsurface profile and has good stability .%为了精确稳定地测量物体微表面形貌,设计了一种基于改进迈克尔逊结构的空间两步相移干涉系统. 该系统在泰曼-格林偏振干涉仪的基础之上,使用改进的迈克尔逊结构实现分光,采用偏振方向分别为0 °和45 °的两偏振片作为相移器件,在单个CCD相机中同时记录两幅具有90°相移的干涉图像,然后由离散希尔伯特变换法提取相位,获取物体表面形貌信息. 搭建了两步相移干涉光路,并通过对玻璃平板表面的检测,验证了该系统的可行性. 结果表明,在实验室环境下系统重复测量结果的均方根误差小于0 .02λ,在实际微表面测量中具有良好的稳定性.【总页数】5页(P20-24)【作者】蔡怀宇;李光耀;黄战华【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津300072;天津大学精密仪器与光电子工程学院光电信息技术教育部重点实验室(天津大学),天津300072【正文语种】中文【中图分类】TN247【相关文献】1.反远距成像相移剪切散斑干涉检测系统 [J], 朱猛;李翔宇;李秀明;黄战华2.基于白光干涉术的微器件三维表面形貌恢复研究 [J], 申路;王宇华;杨永强3.检测微表面形貌的Mirau相移干涉轮廓仪 [J], 张红霞;张以谟;井文才;周革;李岩4.微表面形貌大视场检测相移显微干涉仪研制 [J], 张红霞;张以谟;井文才;李朝辉;周革;朱蔚5.基于两步正交相移干涉的振幅图像光学加密技术 [J], 曾大奎;马利红;刘健;金伟民因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
基于多波长干涉的瞬态轮廓检测Mirau显微镜
基于多波长干涉的瞬态轮廓检测Mirau显微镜
龚玉婷;吕鑫;刘维;孔明
【期刊名称】《光子学报》
【年(卷),期】2024(53)1
【摘要】针对单波长Mirau干涉显微镜存在测量范围小和2π模糊等问题,提出了多波长Mirau偏振干涉显微镜,以实现微观轮廓的大动态范围测量的和表面粗糙度等显微结构的瞬态检测。
系统利用R、G、B三个单色LED光源实现多波长干涉;利用彩色偏振相机获取瞬态相移干涉条纹图,降低实时瞬态检测中复杂的环境扰动影响;利用线栅偏振片调节条纹对比度,满足不同被测对象的反射率检测要求。
为验证系统方案的可行性,经过系统误差补偿校准后测量标称值为1.9939μm的标准微米台阶,结果与标称值的偏差约为5.4 nm。
利用该方法与Wyko干涉仪对金刚石车削凸面反射镜表面微观轮廓和表面粗糙度进行测量,表面粗糙度测量结果均方根值偏差为3.7 nm,验证了该系统可实现高精度的大动态范围测量。
【总页数】9页(P57-65)
【作者】龚玉婷;吕鑫;刘维;孔明
【作者单位】中国计量大学计量测试工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TH741
【相关文献】
1.基于垂直扫描白光干涉法的6JA干涉显微镜的改造
2.基于卓越波长的瞬态表面波法的应用
3.双波长干涉显微镜波长的双约束标定
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白光干涉仪测量的那些3D形貌
白光干涉仪3D形貌测量之美
白光干涉仪能测什么？有着“纳米眼”之称的白光干涉仪，是一款在纵向分辨率上可实现0.1nm的分辨率和测量可靠性的光学测量仪器。
下面就让我们一起来领略下国产白光干涉仪镜头下的3D显微之美。
SuperViewW1白光干涉仪
白光干涉仪采用的光学轮廓测量法可以非接触式测量非平坦样品，轻松测量出弯曲和其他非平面表面，还可以测出曲面的表面光洁度、纹理和粗糙度等，同时不会像探针是轮廓仪那样损坏薄膜。
白光干涉仪3D形貌图片：
图1.超光滑_纳米级表面
图2.分成了32阶的纳米级微纳光学元件
图3.半导体芯片表面外观
图4.微纳凹凸圆表面
图5.拼接_摩擦磨损工艺零部件
图6.拼接_大区域超光滑凹球面
图7.光学衍射元器件
除主要用于测量表面形貌或测量表面轮廓外，具有的测量晶圆翘曲度功能，非常适合晶圆，太阳能电池和玻璃面板的翘曲度测量，应变测量以及表面形貌测量。
非接触高精密光学测量方式，不会划伤甚至破坏工件，不仅能进行更高精度测量，在整个测量过程还不会触碰到表面影响光洁度，能保留完整的晶圆片表面形貌。
测量工序效率高，直接在屏幕上了解当前晶圆翘曲度、平面度、平整度的数据。
硅晶圆粗糙度测量
晶圆IC减薄后的粗糙度检测
白光干涉仪所具有技术竞争力在于接触式和光学三维轮廓仪的结合。
通过利用接触式及非接触式双模式基于技术上的优势获得获得全面的表面特性。
既可以用于科学研究，也可以用于工业产品的检测。
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张红霞♣，张以谟，井文才，周革，李朝辉，李岩
天津大学精密仪器与光电子工程学院 300072， 光电信息技术科学教育部重点实验室（天津大学） 摘要：基于 Mirau 双光束干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪。Mirau 干涉物 镜中增加了支撑板，补偿板和分束板的表面质量要求相同，物镜为筒长无限的长工作距物镜。 Mirau 干涉物镜的数值孔径 NA=0.3，放大率β=-10，工作距 5mm。移项器是压电陶瓷传感器 PZT。连续采集了 5 幅光纤连接器端面的干涉图，经五步相移法得到表面三维形貌。 关键词：Mirau 干涉；相移干涉轮廓仪；Mirau 干涉物镜；五步相移法；光纤连接器 Microsurface Three-dimensional Topography Measurement
Key words: Mirau interference; Phase-shifting interferometry; Mirau interference objective; Five-step
phase-shifting algorithm; Optical fiber connector
图 3 光纤连接器的干涉图 Fig.3 Interferogram of optical fiber connector
图 4 光纤连接器的表面形貌 Fig.4 Surface topography of optical fiber connector
4.结论
基于 Mirau 干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪。Mirau 干涉物镜和镜筒 透镜之间是平行光，其放大倍率为 10，数值孔径为 0.3，工作距 5mm。Mirau 干涉物镜中参考 面和被测面对于分束面是对称的，增加了支撑板，补偿板和分束板的表面质量要求相同。PZT 为移相器。用轮廓仪检测了光纤连接器端面，连续采集了 5 幅干涉图，经过五步相移法得到表 面三维形貌。
双光束 Mirau 干涉在物镜和被测面间放置参考板和分光板。因为物镜在产生干涉的两束光 的前面，因而在测量时物镜不会引入附加光程差。由于参考光和测量光近似共路，因此可排除 很多干扰的影响[3]。
∗国家自然科学基金(60377031)；天津市自然科学基金资助项目(023602411) ♣电话 022-27403147 email: zhanghongxia@
引言
随着微细加工技术的不断进步和微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微表面的不断 出现，迫切需要微表面三维形貌测量的相关技术[1]。干涉显微测量就是用光波干涉和显微放大 的原理，进行非接触表面测量，而且不依据传统的条纹形状和间距的干涉条纹判读法来测量表 面形貌，而是采用如外差干涉[2]、锁相干涉以及相移干涉这些实时位相自动测量技术来快速精 密测量表面形貌，它一次测出的是一个面上的表面形貌。
的引进了相移量，则干涉光强变为：
I (x, y) = I0 (x, y)(1+ Acos(ϕ (x, y)+α ))
(2)
式中，α是人为引进的相移量，如采用五步相移法，假设参考面每步的相移量为π/2，则五步的
光强值为
I1 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) − π )]
I2 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) − π / 2)]
涉场中任一点在不同相移量下的光强值来求解该点相位[4,5]。干涉条纹的光强为
I (x, y)=I0(x, y)(1+ Acos(ϕ (x, y)))
(1)
式中 I (x, y) 为干涉条纹光强， I0 (x, y) 是直流光强， A 为调制幅度，ϕ(x, y) 是被测面和参
考面对应点的相位差，方程(1)有三个未知数 I0 (x, y)，A 和ϕ(x, y) 。在相移干涉中，由于人为
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基于 Mirau 干涉，设计了检测微表面形貌的 Mirau 相移干涉轮廓仪，分析了 Mirau 干涉中 物镜的结构，给出其结构参数。用 Mirau 相移干涉轮廓仪检测了光纤连接器端面，得到了多幅 干涉图，运用相移五步算法得到了表面形貌。
1．Mirau 相移干涉轮廓仪
1.1 相移干涉检测原理
相移干涉就是在参考或测量光中引进已知相移量，人为改变两相干光束的相对相位，从干
图 1 Mirau 相移干涉轮廓仪
Fig.1 Mirau phase-shifting interferometry
图 1 是 Mirau 相移干涉轮廓仪，由 Mirau 干涉成像光路和照明光路组成。干涉成像光路包 括 Mirau 干涉物镜和镜筒透镜，相移器 PZT 带动干涉物镜在垂直方向上移动。由于参考面在 Mirau 干涉物镜的内部，则被测面和干涉物镜的距离随着 PZT 的移动而改变，从而改变了两支 光束的光程差，实现了相移干涉。因为干涉物镜移动时，干涉成像系统的成像位置关系应该不 变，且像差不应该变坏，所以干涉物镜和镜筒透镜之间是平行光。照明光路由光源，集光镜， 孔径光阑，视场光阑，聚光镜，滤光片和干涉物镜组成。光源是卤素灯，加了干涉滤光片增大 相干长度。照明光路采用柯拉照明，提供被测面均匀又充足的反射式照明，并且通过改变孔径 光阑的大小改变被测面的光强，改变视场光阑的大小改变被测面的照明范围。照明光路和干涉 成像光路用分束棱镜相连。被测面和参考面形成的干涉条纹，经过干涉物镜到镜筒透镜，被 CCD 接收。CCD 把干涉光信号转化为电信号后通过图像采集卡送到计算机中进行处理。
相移器选用压电陶瓷传感器 PZT(Piezoelectric Transducer)，是闭环电容式反馈控制。
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Source
Aperture stop Field Stop
CCD Lens
Filter
Move
Beam splitter PZT
Interference Objective
Surface
Mirau 相移干涉轮廓仪的具体装置如下，光源采用冷反射定向照明卤素灯，PZT 采用了博 实精密测控有限公司生产的精密定位控制器，位移分辨率达到 1nm，重复定位精度达到 5nm。 CCD 采用了 WAT-902H 型号。
用 Mirau 相移干涉轮廓仪检测了光纤连接器端面。因为端面是光滑的曲面，它和参考面形 成了等厚的干涉条纹，如图 3 所示。PZT 每移动λ/8，就采集一幅干涉图，共采集了 5 幅干涉图， 输入到计算机中进行处理，得到了光纤连接器的三维形貌，如图 4 所示。
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Mirau 干涉物镜的参数如表 1 所示，数值孔径 NA=0.3，放大率β=-10，工作距 5mm，横向 分辨率∆x≥0.887µm ，景深∆=±2.956µm。
表 1 Mirau 干涉物镜的参数
Tab.1 The parameters of Mirau interference objective
Type of interference
Mirau
Numerical aperture
0.3
Magnification (β) -10
Working distance (mm)
5
Lateral resolution (µm)
0.887
Depth of field (µm)
±2.96
3．实验装置及结果
by the Mirau phase-shifting interferometry
ZHANG Hong-xia， ZHANG Yi-mo， JING Wen-cai， ZHOU Ge， LI Zhao-hui，LI Yan College of Precision Instrument & Opto-electronics Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, P. R. China,
参考文献:
[1] 周明宝，林大键，郭履容，郭永康，微结构表面形貌的测量，光学精密工程，1999, 7(3):7-13 [2] 余贵华，樊瑜瑾，光干涉法显微镜测量三维表面形貌研究，现代机械，1999,3:19-20 [3] A.G.Olszak, J.Schmit,M.G.Heaton, Interferometry: Technology and Application, Veeco Metrology
Objective Lens Supported Plate Reference Surface a Compensate Plate
b
Beam Splitter
Test Surface
图 2 Mirau 干涉物镜
Fig2.Mirau interference Objective
我们设计的 Mirau 干涉物镜的结构如图 2 所示[9]，由物镜和 Mirau 干涉头组成。Mirau 干 涉头中增加了支撑板，它是普通的光学平板，并且它在发生干涉的元件前面，不会引起两支光 路的光程差，则没有严格的表面质量要求。参考面是镀在支撑板中间的铝反射膜，直径和干涉 系统的视场相当。为了平衡光程，增加了补偿板，它和分束板用析光膜胶合。分束板和补偿板 的厚度，面型精度和平行度完全一样。分束板和补偿板的厚度都为 1mm，支撑板的厚度为 1.5mm。 并且通过析光膜的不同的反射/透射率来平衡两支相干光束的光强。Mirau 干涉头对干涉物镜的 光焦度没有贡献，引起的像差用后面的物镜进行补偿。因为物镜前面要放置 Mirau 干涉头，所 以物镜必须是长工作距物镜，而且从干涉物镜中出射的光束应为平行光，则物镜应为筒长无限 的显微物镜。
I3 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y))]
(3)
I4 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) + π / 2)]
I5 = I0 (x, y)[1+ Acos(ϕ (x, y) + π )]