一种兼顾动态范围和精度的干涉形貌测量方法

本发明涉及形貌测量，尤其是涉及一种兼顾动态范围和精度的干涉形貌测量方法。

背景技术：

1、高精度形貌测量技术已广泛应用于光学元件、芯片和微电子器件、微机械部件等产品的形貌及形变量测试，在精密机械、精密仪器、光学、半导体等领域具有重要应用。由于应用环境和需求的不同，不同精密元器件表面起伏程度差异较大，导致动态范围小的形貌测量技术应用范围受到极大的限制。因此，为满足多样化应用的需求，迫切需要大动态范围、高精度的形貌测量方法。

2、干涉形貌测量技术具有无接触、纳米精度及可溯源的特性，是目前最常用的形貌测量技术。然而，传统干涉形貌测量的动态范围，在百毫米视场下仅微米或亚微米。较小的动态范围导致传统干涉形貌测量技术仅能测量平坦表面的形貌。目前，干涉面型测量技术动态范围扩展的主要方法包括，拓展测量波长、补偿测量波前或分区域拼接等。其中，拓展测量波长法利用两个或多个波长合成一个较长的波长来实现大动态范围测量，但测量波长变长会导致测量精度下降。补偿测量波前法通过对测量光入射波前进行特定补偿，避免待测光出现高频信息，实现大动态范围测量，但该方法需要根据被测表面设计值提前制作补偿器，通用性较差。分区域拼接法通过将被测表面划分成若干个子区域，降低每次探测的条纹密度，最后通过拼接手段实现大动态范围测量，但该方法测量过程易受机械运动影响，导致测量精度下降。可见，现有干涉形貌测量方法在扩展动态范围时，会面临精度下降、通用性降低及稳定度降低等问题。

3、实际测量时，被测表面起伏超出干涉形貌测量系统动态范围最直接的表现是，干涉图像出现不满足奈奎斯特定律的条纹密集区域，导致形貌测量结果产生错误。从频域分析，干涉形貌测量动态范围受限的本质原因是，受光学系统低通滤波特性影响，干涉形貌测量系统频谱检测能力小于被测表面的频谱范围。因而，如果能提升频谱检测能力，干涉形貌测量系统就能在不牺牲测量精度及通用性的情况下，拓展动态范围，实现大动态范围、高精度形貌测量。

技术实现思路

1、本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种兼顾动态范围和精度的干涉形貌测量方法，实现大动态范围、高精度形貌测量。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

3、一种兼顾动态范围和精度的干涉形貌测量方法，包括以下步骤：

4、将激光分为测量光和参考光，测量光照射被测样品表面，并经过被测样品表面调制后形成待测光；将该待测光与参考光干涉，形成干涉图案；

5、改变测量光的角度，使得测量光以不同的入射角照射被测样品，并记录对应的干涉图案；

6、提取各干涉图案所记录待测光的频谱信息，从而获得待测光频谱信息中与样品相关的低频信息；

7、根据各干涉图案对应的入射角计算频域的频谱偏移量，从而利用频谱拼接技术融合各干涉图案所记录待测光的低频信息，得到被测样本表面形貌原始频谱信息，从而构建被测样品表面的高分辨三维形貌。

8、进一步地，所述低频信息的获取过程包括：

9、分别计算各干涉图案所包含待测光的频谱信息与干涉形貌测量系统相干传递函数的哈达玛乘积，获得各干涉图案所对应待测光频谱信息中的低频信息。

10、进一步地，所述入射角为测量光与系统光轴的夹角，包括为测量光与系统x轴的夹角αn以及测量光与系统y轴的夹角βn，所述频谱偏移量的表达式为(2πsinαn/λ,2πsinβn/λ)，其中λ为波长。

11、进一步地，所述利用频谱拼接技术融合各干涉图案所记录待测光的低频信息，具体为：

12、以测量光垂直照射被测样品所得的干涉图案记录的待测光低频信息为中心，构建拓展频谱，其它干涉图案记录的待测光低频信息根据对应的频谱偏移量进行平移后，融合到所述拓展频谱中对应的高频区域，从而拼接得到被测样本表面形貌原始频谱信息。

13、进一步地，所述提取各干涉图案的频谱信息前还包括：通过相位解析技术获取待测光的波前相位；

14、所述相位解析技术为虚拟移相解包裹方法，该虚拟移相解包裹方法的处理过程包括：通过图像处理算法或神经网络对测量光第n个入射角下获得的干涉图案进行虚拟移相，获得其对应相移量为π/2，π和3π/2的干涉图像和再计算包裹相位最后利用基于非连续路径可靠性排序的解包裹算法获取待测光的波前相位

15、进一步地，所述提取各干涉图案的频谱信息前还包括：通过相位解析技术获取待测光的波前相位；

16、所述相位解析技术为物理移相解包裹方法，该物理移相解包裹方法的处理过程包括：在每个测量光入射角下通过物理移相获取相移量分别为0，π/2，π和3π/2的四幅干涉图像和再计算包裹相位最后利用基于非连续路径可靠性排序的解包裹算法获取待测光的波前相位

17、进一步地，所述提取各干涉图案的频谱信息前还包括：通过相位解析技术获取待测光的波前相位；

18、所述相位解析技术为基于偏振相机的移相解包裹方法，该基于偏振相机的移相解包裹方法的处理过程包括：在测量光和参考光的光路中分别放置偏振片a和偏振片b，将测量光和参考光分别设置为相对于水平方向偏振角为45°和135度的线偏光，在偏振相机前放置四分之一波片将待测光和参考光分别转变为左旋与右旋圆偏光，偏振相机相邻四个像素上镀有四个不同偏振方向的偏振膜，偏振方向分别为0°、45°、90°和135°，偏振相机单次曝光能同时记录相移量分别为0、π/2、π、3π/2的干涉图像和再计算包裹相位最后利用基于非连续路径可靠性排序的解包裹算法获取待测光的波前相位

19、进一步地，所述方法还包括利用形貌矫正技术对所得高分辨三维形貌进行优化，具体包括以下步骤：

20、s101：将获得的被测样品高分辨三维形貌作为初始值，生成p个搜索样本tp；

21、s102：将各个搜索样本依次带入预设的频域扫描干涉形貌测量系统模型中，获得n个测量光入射角对应的预测干涉图gp,n，(n＝0,1,2,…,n)；

22、s103：将各个预测干涉图gp,n分别与对应的实测干涉图进行比较，并获取差异值之和作为误差反馈值fp，该误差反馈值fp的计算表达式为：

23、

24、s104：将搜索样本按误差反馈值大小进行排序，淘汰掉部分反馈值较大的搜索样本，并将剩余搜索样本按误差反馈值分配权重，计算确定后续搜索方向；

25、s105：根据搜索方向再次生成p个搜索样本，并重复步骤s102至步骤s104，直至满足收敛条件，以最后一次搜索的最优搜索样本计算出被测样品高分辨三维形貌，作为高精度形貌测量结果。

26、进一步地，若所述被测样品为球面元件，则将激光分为测量光和参考光后，形成干涉图案的过程包括：

27、利用会聚镜将测量光会聚成球面波，且球面波聚焦点与球面元件的球心重合，收集球面元件返回的待测光；将该待测光与参考光干涉，形成所述干涉图案。

28、进一步地，若所述被测样品为柱面元件，则将激光分为测量光和参考光后，形成干涉图案的过程包括：

29、利用柱面镜将测量光会聚成柱面波，且柱面波会聚所成的光线与柱面元件的轴线重合，收集柱面元件返回的待测光；将该待测光与参考光干涉，形成所述干涉图案。

30、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

31、(1)本发明通过扫描测量光的入射角，将原本处于高频区域无法探测的被测表面频谱信息移动至低频可探测区域，提升了干涉形貌测量系统的频谱探测能力，能够在不损失测量精度的条件下，扩展干涉面形测量系统动态范围；

32、(2)本发明测量利用形貌矫正技术对频谱拼接后所得初始形貌结果进行偏差矫正，能够大幅降低系统误差和随机误差对形貌测量精度的影响，形貌测量鲁棒性高；

33、(3)本发明无需提前知道被测表面的先验信息，能够测量未知工件的表面形貌，具有很强的通用性，可用于对加工过程中元器件进行在线形貌测量；

34、(4)本发明将光场调控与干涉形貌测量相结合，不仅能高精度控制测量光的入射角，还能补偿测量光波前中由光学元件及其装调误差引入的畸变保障干涉测量的准确性；

35、(5)本发明在测量过程中不需任何其他辅助设备，结构简单，调整和操作方便。