（测试计量技术及仪器专业论文）电子散斑干涉测量技术在微结构测试中的应用研究.pdf

摘要 测试在研究和生产领域扮演着十分重要的角色。目前微结构的众多测 试方法大多针对光学平滑表面，这给微结构的科学研究和生产测试等应用 都带来了很大限制。 电子散斑干涉技术拥有光学测量技术的高精度、非接触、全场测量等 优点，又具有电子技术的高速度、自动化、操作简便等特长，还能对具有 散射表面的物体进行变形测量；因此近年来深受各国工程界和研究者的青 睐。目前，研究者们又不断努力将其应用于微观测试领域，以达到扩充微 观测试方法的目的。 本文在充分调研的基础上，设计并建立了结合相移技术的电子散斑干 涉显微测试系统，通过反射率较高表面的形貌测量对系统的性能进行验 证，并对散射表面的变形进行了初步的测试研究。本文的主要工作包括以 下几个方面： 1 对国内外微结构测试方法和散斑测试技术做出充分的调研，并分析 了电子散斑干涉技术在微结构几何量测量应用中的特点； 2 设计并组建了基于l i n n i k 显微干涉结构的e s p i 相移显微测试系 统； 3 将表面反射率较高的微结构作为测量对象，进行系统的调试和评价 实验，得到较好的表面形貌测量实验结果； 4 进行了散射表面离面变形的测试的初步实验研究，并对散斑干涉条 纹图像预处理方法作了有益的探讨。 关键词：微结构测试，离面位移，电子散斑干涉，l i n n i k a b s t r a c t t e s ti s a c t i n gt h ee x t r e m e l yi m p o r t a n tr o l ei n t h er e s e a r c ha n dt h e p r o d u c t i o n m a n yt e s t i n gm e t h o d so fm i e r o s t r u c t u r ea i m sa tt h eo p t i c se v e n s u r f a c e t h i sh a sa l lb r o u g h tl i m i tf o rt h em i c r o s t r u c t u r ep r o d u c t i o nt e s ta n d t h ea p p l i c a t i o nd o m a i n e l e c t r o n i cs p e c k l ep a t t e r ni n t e r f e r o m e t r y ( e s p i ) t e c h n o l o g yh a s o p t i c a lm e a s u r e m e n tm e r i t s o nh i g ha c c u r a c y ，n o n - c o n t a c t ，w h o l ef i e l d m e a s u r e m e n t ，i ta l s oh a st h ee l e c t r o n i ct e c h n o l o g y sa d v a n t a g e ss u c ha sh i g h v e l o c i t y ，t h ea u t o m a t i o n ，t h eo p e r a t i o ne a s i l ya n ds oo n ，a n di tc a nm e a s u r e t h ed i s t o r t i o no fo p t i c ss c o r e ds u r f a c e ，r e c e n ty e a r s ，e n g i n e e r sa n dr e s e a r c h e r s f r o mv a r i o u sc o u n t r i e sa r ei n t e r e s t e di nt h i st e c h n o l o g y a tp r e s e n t ，t h e r e s e a r c h e r sw o r kh a r dt oa p p l yi ti nt h em i c r o s c o p i ct e s td o m a i n ，f o rt h e e x p a n s i o no fm i c r o s c o p i ct e s tm e t h o d t h i sa r t i c l eb a s e do nt h ef u l l i n v e s t i g a t i o na n ds t u d yf o u n d a t i o n i t a t t e m p t san e wm i c r o s c o p i cs t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i ct e s tm e t h o d ，d e s i g n e da n d e s t a b l i s h e dt h ee l e c t r o n i c s p e c k l ei n t e r f e r e n c e m i c r ot e s t s y s t e mw i t h p h a s e - s h i f tt e c h n o l o g y i nt h i sa r t i c l em e a s u r e m e n to fo p t i c se v e ns u r f a c e p r o f i l eh a sb e e nr e a l i z e d t h i sh a sc o n f i r m e dt h es y s t e mp e r f o r m a n c e t h e s p e c k l ei n t e r f e r e n c ef r i n g ep a t t e r n sw h i c hs t a n df o r t h eo u t o fp l a n ed i s t o r t i o n o fo p t i c ss c o r e ds u r f a c eh a v eb e e no b t a i n e db yt h i ss y s t e m t h i sa r t i c l e s p r i m et a s ki n c l u d i n gf o l l o w i n gs e v e r a la s p e c t s ： 1 m a d ed e t a i l e d i n v e s t i g a t i o na n ds t u d yt ot h em i c r o s t r u c t u r e t e s t m e t h o d sa n dt h es p e c k l et e s tt e c h n o l o g yb yr e a d i n gm a s so fd o m e s t i ca n d f o r e i g np a p e r sa n da r t i c l e s a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r so fu s i n ge s p ii nt h ef i e l d o fm i c r o s t r u c t u r em e a s u r e m e n t 2 d e s i g n e da n de s t a b l i s h e dt h ee s p ip h a s e - s h i f tm i c r ot e s ts y s t e m ， w h i c hi sb a s e do nl i n n i km i c r oi m a g i n gt e c h n o l o g y 3 c a r r i e do nt h es y s t e md e b u g g i n ga n dt h ea p p r a i s a le x p e r i m e n tu s i n g t h em i c r o s t r u c t u r ew i t h h i g hr e f l e c t i v i t ys u r f a c e ，a n do b t a i n e dg o o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t s 4 c a r r i e do nt h ee x p e r i m e n t so fm e a s u r i n gt h eo u t - o fp l a n ed i s t o r t i o no f s c a t t e r e ds u r f a c eu s i n gt h ee s t a b l i s h m e n ts y s t e m ，a n dh a sm a d et h eb e n e f i c i a l d i s c u s s i o nt ot h es p e c k l ei n t e r f e r e n c ef r i n g ei m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d s k e y w o r d s ：o u t - o fp l a n ed i s t o r t i o n ，m i c r o s t r u c t u r et e s t i n g ，e s p i ，l i n n i k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者虢书铸签字日期如7 年占月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丕壅盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名音旨 导师签名 签字日期：力唧年6 月j 多日签字日期：丑叼年 第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了微结构的发展状况和微结构在现代社会中的重要作 用，阐述了微结构测试技术在微结构开发和应用中的重要意义，之后对 微结构的各种测试技术的研究现状和发展趋势进行了调研，特别对散斑 测量技术的发展历程进行了回顾，最后提出课题研究的主要目的和内容。 1 1 微结构的发展概况 1 9 5 9 年1 2 月的美国物理学会议上，诺贝尔奖获得者、著名物理学 家费曼博士( r i c h a r dp f e y n m a n ) 作了一个极富远见且具有开拓性的重 要报告：t h e r ei sp l e n t yo fr o o ma tt h eb o t t o m 【。报告中，他描述了微 型机械制造技术从宏观到微观的发展途径：同时他还论述了以原子、分 子为模块构筑各种物质的一条由小到大的b o t t o m u p 的新的道路；从此， 人类进入了发展微观技术的新纪元 2 - 3 。 微机电系统( m i c r oe l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m s ，缩写为m e m s ) ，在 欧洲它被称为微系统( m i c r os y s t e m ) ，在日本它被称为微机械( m i c r o m a c h i n e ) ，目前国际上通常称m e m s 。m e m s 发源于微电子技术，其材 料以硅为主，目前的主要加工技术沿用半导体制造工艺。m e m s 技术是建 立在微米纳米技术基础上的2 1 世纪前沿技术，是对微米纳米尺度的 材料进行设计、加工、制造、测量和控制的技术；它采用微电子技术和 微加工技术( 包括硅微加工技术、光刻铸造成型( l i g a ) 技术和精密机械 加工等多种微加工技术) 相结合的制造工艺，制造出关键尺寸在亚微米 至亚毫米范围内的微传感器、微执行器和微系统；它将传感、处理与执 行融于一体，以提供一种或者多种特定功能1 4 。 m e m s 的研究具有极强的学科交叉特性：m e m s 的制造涉及到设计、 制造、工艺、测试、控制、材料、能源以及系统集成和封装等多种技术； 同时，还需要材料学、物理学、化学、生物学、微光学和微电子学等学 科作为理论基础。 目前m e m s 的研究主要集中在以下三个方向【5 】：微型传感器( m i c r o s e n s o r s ) ，微型执行器( m i c r oa c t u a t o r s ) 和微型系统( m i c r os y s t e m s ) 。 微型传感器具有体积小、质量轻、响应快、灵敏度高和成本低的优势； 第一章绪论 目前己开发的微型传感器可以测量各种物理量、化学量和生物量，例如 位移、速度、加速度、压力、应力、应变、声、光、电、磁、热、p h 值、 离子浓度及生物分子浓度等。微型执行器用于提供各种运动和控制，是 m e m s 中的关键部分；目前研究的微型执行器主要有微型马达、微型镊子、 微型泵、微型阀及微型光学器件、打印机喷头和硬盘磁头等。将微型传 感器、微型执行器及相关的信号处理和控制电路集成在一起，便形成能 够完成一定功能的微电子机械系统。正在研究的微系统有数字化微镜器 件、d n a 分析系统、微传输系统和微流量控制系统等。 m e m s 器件已成功地应用于自动控制、信息、生化、医疗、环境监 测、航空航天和国防军事等重要领域，目前已经在市场上应用的m e m s 器 件主要有压力传感器、加速度计、陀螺仪、麦克风、数字微镜阵列、微 流体器件等等。在汽车工业中，微加工的加速度传感器已广泛用于汽车 稳定系统( a b s ) 和安全气囊传感器；压力传感器被用于控制引擎的燃烧 状况；而大量的用m e m s 技术加工而成的打印头和硬盘头则在p c 机和喷墨 打印机中得到应用。t 6 - 7 1 上世纪八十年代末美国u cb e r k e l e y 采用微电子技术中的表面牺牲层技 术制备了可动执行部件，m e m s 技术开始迅速进入系统研究阶段；九十 年代，美国a d i 公司利用与i c 集成的表面牺牲层技术成功地形成了微加 速度计的市场，标志着m e m s 进入产业化阶段：进入二十一世纪之后， m e m s 产业更是蓬勃发展。根据半导体设备和材料国际组织s e m i 最新发 布的市场研究报告，2 0 0 5 年全球m e m s 相关产品( 包括汽车安全气囊系 统，显示系统等) 市场总值为4 8 0 亿美元，至2 0 1 0 年将达到9 5 0 亿美元； 随着在消费电子领域应用的不断扩大，m e m s 器件市场将以1 3 的复合 年平均增长率，从2 0 0 5 年的5 3 亿美元增长到2 0 1 0 年的9 9 亿美元【4 j 。 目前m e m s 正在从实验室研究走向应用，并向产业化方向挺进。 由于微结构的微小尺寸和精细的特征，使得以往宏观的原理和测试 手段不能适用于微结构，难于保证微结构器件的质量和可靠性；因此， 需要探索有效的测试手段帮助生产人员鉴别微型器件的质量，同时反馈 微观信息；而有效的信息反馈则有助于研究人员积累对微结构的认识、 工艺的改进以及产品可靠性和合格率的提高。 1 2 精密测试技术与微结构测试技术 2 第一章绪论 随着人们对微结构研究的深入和m e m s 的迅速发展，精密测试技术 的发展显得越发重要。一般来说，微结构拥有毫米级的整体尺寸和微米 级的局部结构尺寸。适用于微结构m e m s 的测试技术应当同时具有大视 场、横向和纵向分辨率高，动态测试频谱宽度达到m h z 等性能。显然， 传统的测试技术和方法已不能满足要求，研制精度高、简单便捷、成本 低的新的检测手段成为发展微机电系统的迫切需要。 在微结构的设计、制造等过程中，主要需要检测的参数包括微机械 量、微几何量、微材料特性及电学参数，其中电学参数检测方法相对比 较成熟，科研人员则是从材料力学特性、微结构应力应变、微结构动态 参数和微小几何量测量四个方面着手研究微结构测试技术【2 】。 目前，微结构测试技术的常用方法一般分为接触式和非接触式两大 类。接触式测量，如触针式轮廓仪，用于对表面轮廓、表面粗糙度的测 量，有电感式、压电式和光电式等，此外，扫描隧道显微镜( s t m ) 、原 子力显微镜( a f m ) 等也是重要的测试仪器。 非接触式测量多采用光学方法和各种显微镜法。光学方法有激光干 涉法，这种方法测量精度高，利用外差法可提高抗干扰能力，但均需要 对干涉条纹进行判读；衍射方法，对细丝直径测量、狭缝测量方面有特 色。光学显微镜法( 包括红外、紫外和x 线显微镜) 具有直观、精度较 高的特点，但对于微结构越来越细的加工趋势，其分辨率已不能满足要 求；近二十年发展起来的扫描电子显微镜( s e m ) ，由于使用聚焦电子束 替代光学显微镜中的光束，分辨率可达到分子量级，成为研究微观领域 的得力工具。光切法、干涉法、共焦显微干涉法等非接触测量方法已经 成为对微结构器件几何量精密测量的主要方法，其中，将计算机视觉技 术与光学显微技术相结合的微视觉测量方法越来越受到重视。 光学测试技术具有非接触、快速、高灵敏度和高精度的优点，较好 地满足了微结构测试的要求，许多光学测试方法都已应用到微结构的测 试中。下面简述应用于微结构测试中的几种重要的光学干涉测试技术。 1 2 1 传统干涉技术 干涉是指被测物体反射、折射或衍射的一束光波与参考镜面反射的 另一束光波融合时产生干涉条纹的方法。这种方法技术相对简单，发展 成熟，在与显微镜以及现代的计算机视觉技术和c c d 成像技术结合之 后，性能大为提高，广泛应用于各种测试中。 3 第一章绪论 传统干涉技术用于微观测量主要有三种方式】。 一、相移干涉测量法( p h a s es h i f t i n gi n t e r f e r o m e t r y ，p s i ) ，特点是 精度高，测量速度快，垂直方向分辨率可以达到亚纳米级，测量范围可 以达到几微米；主要受到景深和相干长度的制约。但是如果被测表面不 连续，有垂直梯度变化较大的结构如阶梯、沟槽、洞、岛状结构时，得 不到有效的干涉图；而且当测试表面具有陡峭的斜坡时，产生的干涉条 纹很细很密，以至于用面阵c c d 难以探测和分辨，这些极大地限制了它 的应用范围。 二、垂直扫描干涉测量法( v e r t i c a ls c a n n i n gi n t e r f e r o m e t r y ，v s i ) 也称为白光干涉法，使用白光作为光源，这种方法并不需要对干涉条纹 的具体形状进行分析，它依据的是白光干涉原理。白光干涉条纹基本上 要在等光程差位置才能够观察到，而且条纹数目少，干涉条纹在零光程 差附近对比度最大，通过观察白光干涉零级条纹就可确定零光程差位置， 通过微调参考镜的位置对被测件进行垂直方向的扫描记录下每一点零光 程差的位置，即可获得被测件表面三维信息。这种测量方法适合于对垂 直梯度较大的不连续表面进行测量，测量精度可以达到纳米级，测量时 间相对p s i 较长，垂直方向测量范围可以达到几个毫米，比较适合于 m e m s 测量。 三、增强型的v s i ( e n h a n c e dv s i ) ，简称e v s i ，也称为白光相移干 涉测量法，结合了白光干涉和相移干涉的优点，具有垂直方向测量范围 大，测量精度高的特点。干涉仪的水平方向的分辨率取决于光学系统的 数值孔径和所用光源的波长。 1 2 2 莫尔条纹干涉技术 当两种周期性的图案( 如计量光栅的图案) 重叠在一起时，产生第 三种周期性图案，这就是莫尔条纹，它可以应用衍射干涉原理，认为由 条纹构成的新的亮度分布，可按衍射波之间的干涉结果来描述。随着光 栅制作工艺的改进、电子细分技术和计算机技术的出现，莫尔条纹干涉 技术不仅广泛地应用在长度、角度、振动、应力、变形、位移、面形和 折射率等测量方面，而且还扩展到自动跟踪、轨迹控制、变形测试、物 体轮廓测试等方面。它不仅可以测量一维、二维信息，而且通过适当的 处理，也可测量空间的三维信息。同经典干涉术相比，莫尔条纹干涉技 术具有信号强，信噪比高；可进行高倍细分；不受高压和温度影响；系 4 第一章绪论 统结构简单，稳定性高；测角方便等优点。【9 】 1 2 3 全息干涉技术 全息干涉技术在光学数据捕获和显示方面是最有效的技术之一，它 是将相隔一段时间拍摄的物体波分别记录在同一张全息图上，照明此全 息图时，再现的两光波就发生干涉。由干涉条纹就可精密的检测任意形 状的，任何表面状态的三维测试器件。同传统干涉技术相比有以下主要 区别： 1 ) 全息干涉可以对一个物体在不同时刻的状态进行对比，探测物体 在一段时间内发生的任何位置和形状的变化，精度达到0 5 9 m 以上。 2 ) 能够对粗糙表面的三维表面进行测量，精度可达光波波长量级。 3 ) 全息图再现的像具有三维性质，用全息技术就可以通过干涉测量 方法从许多不同视角去观察一个形状复杂的物体，一个干涉测量全息图 就相当用一般干涉测量进行的多次观察。 这些优点是全息干涉技术扩大了干涉测量的应用领域，成为现在迅 速发展的既灵敏又准确的一种非接触光学测试方法，可用于测量表面粗 糙度、变形，缺陷检测以及振动测量等领域。例如，透镜安装前后变形 量的测量，分析静态和动态下同一个器件尺寸的变化。利用激光全息干 涉进行形状和尺寸测量时，测量精度可达0 1 0 5 i _ t m 1 0 】。 1 2 4 电子散斑干涉技术 电子散斑干涉技术( e s p i ) 是涵盖了激光技术，计算机视觉技术， 信息和图像处理技术，全息干涉和散斑干涉技术等诸多现代科技的结晶。 它具有全场、非接触、高精度和高灵敏度、抗干扰能力强、快速实现和 在线检测等优点【1 1 1 。e s p i 技术自问世以来就得到广泛的应用，它的应用 领域有位移和变形测量，应变分析，动态测试，无损探伤等。可以应用 于检测工程机械领域的各种变形、振动、冲击、表面粗糙度、刚度和硬 度等特性；检测复合材料、集成电路、压力容器和焊接物体的表面或内 部缺陷，成为无损检测的一种有效的补偿手段，还可以用于土木结构和 水利设施的变形测量。e s p i 在机械、土木、水利、电器、航空航天、兵 器工业以及生物医学领域具有非常重要的地位和广阔的前景。 这样一项前景广阔的技术却只经历了4 0 年的发展过程。19 6 6 年， b r u c h 和e n n o s 在实验中发现散斑具有可测的强度和确定的相位，从而为 第一章绪论 散斑的应用奠定了基础。之后，格罗( g r o h ) 把散斑效应应用到计量领 域中，他把待测物体的散斑图片作为一种阴影掩模，置于原来的位置之 后，通过测试透射光的强度来测试疲劳损伤。l9 6 8 年，b r u c h 和t o k s k i 提出散斑照相术。l9 6 9 年l e e n d e r t z 在国际光学会议上，提出了散斑相关 干涉计量技术( s p c i ) ，这是散斑计量技术的一个重要发展，基于这种 思想，他又提出了剪切散斑干涉术( s s i ) 。这成为一种非常实用的方法。 19 7 1 年英国莱斯特郡l o u g h b o r o u g h 大学的j n b u t t e r s 等用闭路电视系统 实现了电子散斑干涉( e s p i ) 。此后十年间，科学家们不断完善散斑技术 的基本原理和它的性质的研究，为以后的研究与应用打下了基础【l 卜1 4 】。 在早期的检测中，由于用全息干板为纪录介质，因而需要复杂的光 学滤波系统和数据后续处理，因此该技术应用相当不便。直到电子摄像 系统应用于测量领域，e s p i 得到广泛的应用；进入八十年代，集成化的 存储设备和电子计算机的飞速发展，也大大促进了e s p i 的发展。 在此期间国内的科学工作者也做了许多相关的研究工作，19 8 9 年， 天津大学首次研制成功了电子错位散斑干涉系统，随后又开发了d s s p i 系统；1 9 9 2 年，中国科技大学将半导体激光器成功地应用于电子散斑干 涉中，并由可切换的双频光栅实现了错位；l9 9 3 年西安交大研制了光纤 电子散斑干涉系统【1 5 19 1 。 鉴于e s p i 的迅速发展和它在科学和工程应用中的重要影响， s p i e ( t h es o c i e t yo fp h o t o o p t i c a li n s t r u m e n t a t i o ne n g i n e e r s ) 于19 9 6 年专 门出了一本里程碑式的文集，收集了6 8 篇在e s p i 原理和应用方面具有 重要影响的论文，并建议为了纪念早期研究者的贡献，将t v - h o l o g r a p h y 、 d s p i 和e l e c t r o o p t i ch o l o g r a p h y 等统称为电子散斑干涉e s p i 。 近年来，随着微结构制造技术的发展，越来越多的研究已经集中到 应用e s p i 澳4 量m e m s 中微结构的特性 2 0 - 2 5 】。e s p i 结合显微光学系统之 后，被广泛地应用于微尺度对象的动态和静态力学性能检测，如等厚显 微干涉、长工作距离显微e s p i 检测等 2 6 - 2 8 】。 德国c h e m n i t z 技术大学的sk u r t h 等人建立的m e m s 动态测试系统 1 2 9 ，如图1 1 所示，采用了电子散斑干涉技术，通过检测m e m s 运动引 起的散斑图像变化实现m e m s 动态参数的测试与分析，该系统利用声光 调制器实现频闪照明，通过三个不同方向的散斑照明实现m e m s 面内运 动和离面运动的测量，并通过相移技术提取干涉图像的相位信息。 6 第一章绪沦 a n ：a p e r t u r es t o p p z tp i e z od r i v e f b ：8 t v a t i n 9s t o p 图1 1 基于电子散斑技术的动态测试系统 国内在这方面的研究也正在蓬勃发展，例如清华大学李喜德等建立 的电子散斑干涉微尺度全场检测系统实现了对微桥和悬臂器件的静态和 动态力学性能检测 3 0 - 3 4 】。 1 3 本课题研究的主要目的和内容 随着m e m s 为代表的微结构产业的飞速发展，国内外对微结构动态 测试技术的研究也进入了蓬勃发展的阶段，而国内的研究工作却刚刚起 步不久。天津大学精密测试技术与仪器国家重点实验室提出建设微结构 光学综合测试工作站的构想，并建立了基于计算机微视觉和图像运动估 计技术的动态测试分析系统，实现m e m s 面内运动的测试；基于计算机 视觉和显微干涉技术的m e m s 动态测试系统，实现了m e m s 离面运动 的测试；但是对于粗糙表面的测量还存在技术上的问题。而电子散斑干 涉的基本特征就是对散射表面的分析，研究电子散斑干涉在微结构测试 中的应用是对微结构测试工作站研究工作的补充和完善。 本文在认真调研和充分分析微观测试中的光学干涉测试方法和散斑 测试技术发展现状的基础上，为了拓展m e m s 测试技术的应用领域，提 出采用数字散斑干涉技术的微结构几何量特性测试的方案，并组建相移 e s p i 显微测试系统，实现了静态离面变形的测量。对以后的研究工作做 出了良好的铺垫。具体完成的工作主要有： 1 对国内外微结构测试方法和散斑测试技术做出充分的调研，分析 7 第一章绪论 了电子散斑干涉技术的发展及现状，对其在微结构几何量测晕应用中的 特点给予说明； 2 通过对几种显微干涉结构的仔细分析，设计并组建了基于l i n n i k 显微干涉结构的e s p i 相移显微测试系统；同时设计了电子散斑干涉的加 载结构； 3 将表面反射率较高的微结构作为测量对象，对系统进行调试和评 价实验，得到较好的表面形貌测量实验结果，对本文设计的实验系统做 出了评价； 4 对散射表面离面变形进行了初步实验测试，得到变形引起的散斑 干涉条纹图，并对散斑干涉条纹图像预处理方法作了有益的探讨。 8 第二章电子散斑测试技术 第二章电子散斑显微测试技术 e s p i 涵盖了激光技术、计算机视觉技术、信息和图像处理技术、全 息干涉和散斑干涉技术等诸多现代科学技术，在科学检测领域具有非常 重要的地位和广阔的前景。显微干涉结构具有表面信息直观、测量精度 高和全视场三维测量等优点，测量精度很高。 本章首先分析了散斑的产生原理以及散斑的物理性质；对散斑计量 的几种主要技术进行了简要的介绍，并探讨了电子散斑干涉方法的原理； 然后对几种显微干涉结构的原理和特点进行了分析，利用l i n n i k 显微结 构实现电子散斑干涉，构成电子散斑显微测试结构。 2 1 散斑的物理特性 2 1 1 散斑现象 所谓散斑( s p e c k l e ) ，一般来说就是电磁波或者粒子束经受介质的无 规则散射之后，其散射场会呈现无规律分布的斑纹结构。本文研究的散 斑是由激光产生的激光散斑( 1 a s e rs p e c k l e ) ，以下简称散斑。 激光产生散斑的基本方法有三种。第一种是用扩束的激光照射固体 的散射表面，在空间形成散斑：空间散斑随物体表面的变化而产生位移。 第二种方法是用束准直的激光光束照明一个透射的散射表面，由透射 光束产生散斑；这种情况下，空间散斑位移往往与光束传播方向的变化 有关。第三种方法是用激光光束直接照射空间粒子场，在空间弥漫的粒 子的散射光形成散斑；这种情况下，空间散斑位移和粒子的运动状态有 关 3 5 1 【36 1 。而微结构的制造材料符合第一种情况，因此本文仅讨论第一 种情况。 激光照射在散射表面，形成明暗相间的亮斑和暗斑分布的散斑现象。 散斑效应仅存在于散射表面，这种表面的表面不平度大于或等于照射光 束的波长量级。由于激光的高度相干性和物面相对于光波的粗糙性，使 得在距离物体表面适当远的散射回波是由许多来自表面不同的微观区域 的相干子波共同构成的，而不同的子波的光程差可能为0 一n 个波长，因 此具有不同相位的子波相互产生干涉，结果产生颗粒状随机的强度分布。 由上述过程可以知道，要形成散斑，必须符合以下两个条件：1 ) 入 9 第草电子敞鲢f 测试技术 射光线的州f 二度要足够高：激光是种合适的光源。2 ) 必须自迂与的教 射表面：为使散射光均匀，粗糙袅嘶也要均匀。 1 客观散麝f2 ) 主观散斑 用2 1 散斑图像 敞斑在窄问的分布称为客观散斑，而经过成像系统，竹像平面形成 的敬斑称为主观散斑或成像散斑。每一个客观散斑是由整个散射袭面的 光干涉的结果，只有并散射光都相干，才能得到清晰的散斑；而土观散 斑巾只要成像区域附近的散射光相干就可以的到清晰的散斑图像；因此 主现散斑对光源的相干性要求比客观散斑低。在散斑计量技术巾通常 用主观散斑来进行测量。1 2 12 散斑的大小 散斑颗粒的大小可以用它的平均直径a 来表示，而颗粒尺寸的严格 定义是二二相邻两个散斑颗粒之间距离的统计平均值，客观散斑的太小由 产生散斑的激光波k 及租糙表面圆形照明区域对该散斑的孔径角口所 决定，见公式2 j ；而我们晟感兴趣的是主观散斑，物平面主观散斑大 小一可以根据成像关系由成像透镜焦距与孔径之比f ( 即光圈数) 和成 像系统的放大倍数m 表示为公式2 - 2 ，p “”1 口= 06 l z s i n “ o - 。12 2 扩( 1 + m ) m ( 2 1 ) ( 2 ，2 ) 第二章电子散斑测试技术 由公式可知散斑的大小与物体表面的粗糙程度无关。 2 1 3 散斑的光强分布 用完全相干的激光照明粗糙表面时，其散射波的相位是无规则的分 布的，并且都偏振在同一平面。理论上可以推导这些散斑强度分布的概 率密度函数， p ( i ) d i = 不1e x p 杀 讲 ( 2 - 3 ) 式中p ( i ) d i 表示散斑强度在，与，+ 刃之间的概率密度， 为散斑 强度的概率平均值。 这种完全杂乱无章的随机散斑图称为正态散斑图，其强度分布为负 指数概率密度函数。最可能出现的强度接近于零，因此正态散斑图中黑 散斑比其它强度的散斑多。这一结论在1 9 7 4 年由m c k e c h i n e 得到实验验 证【l0 1 。 2 2 散斑计量技术 在众多的散斑计量技术中，散斑照相技术、散斑干涉技术、电子散 斑干涉技术、数字散斑相关技术和时间序列散斑技术构成了散斑计量的 主体框架。 2 2 1 散斑照相技术 物体 激光 成像透镜像平面 图2 2 散斑照相技术原理 第二章电子散斑测试技术 如图2 2 ，激光从某一方向照明散射物体，在物体前面的空问中形 成散斑，通过透镜成像，在成像平面记录物体变形前后的散斑图，得到 双曝光散斑图，分析双曝光散斑图，可以提取物体的位移。这样的方法 称为散斑照相法，用这种方法可以测量物体的面内位移，位移梯度和形 貌等。 散斑图的位移分析有两种方法，即逐点分析法和全场分析法。逐点 分析法即用一束激光照明散斑图，在接收平面上获得由激光衍射晕调制 的等间距的y o u n g s 条纹。这种条纹方向垂直于物体表面的位移方向， 物体表面位移d 满足公式：d = 2 l m 。式中九为照明光波长，为y o u n g s 条纹间距，m 为成像放大倍数。 全场分析法需要用准直的激光对双曝光记录的散斑图进行全场照 明，然后用傅立叶变换法分析透散斑图的频谱分布，并在频谱平面进行 滤波，这样在成像面上获得代表散斑位移等高线的全场投影条纹。 逐点分析法可以方便地获取物体表面某点的变形数据，但是需要分 析处理大量的条纹图。全场分析法可以直观快速地观察表面的全场变形， 但是较难实现条纹自动化处理。 散斑照相技术的优点在于不需要参考光就可实现物体表面的变形测 量，这使得检测系统比较简单，对测量环境的要求也不高。缺点在于计 量精度不高，受到物体表面形成的散斑大小的限制，其最小可测量位移 以缸= 兄( 1 + m ) f m ，f 为成像系统的f 数。 2 2 2 散斑干涉技术 散斑干涉属于双光束干涉，是被测物体表面散射光产生的散斑和另 一参考光发生干涉，参考光可以是平面波、球面波，甚至是另一粗糙面 的散斑场，这种组合散斑场的技术就称为散斑干涉技术。 由于由两光束发生干涉，所以合成散斑场中亮度的分布决定于两束 相干光的光程差。如果光程差是光波半波长的偶数倍时，此处斑的亮度 不变，称之为相关；如果光程差是光波半波长的奇数倍时，则亮度发生 翻转，称之为不相关。若被测表面发生变形或位移，则变化后的表面相 对于原来的表面可以分为相关区域和不相关区域，这两部分的轨迹就构 成了两幅散斑图的干涉条纹形状，这种条纹称为相关条纹。 由于散斑干涉需要复杂的条纹处理和严格的测量环境，因此在早期 发展受到限制，直到电子散斑干涉技术产生。 1 2 第二章电子散斑测试技术 随着视频记录设备和计算机图象处理技术的发展，产生了散斑照相 技术的数字化版本数字散斑照相技术( d s p ) 或者称为数字散斑相关技术 ( d s c m ) 。 通常在数字散斑测量中，为了获得较高的计量精度，需要对相关函 数进行插值，即亚像素散斑相关，可以获得相关峰移动分辨率到0 0 l 像 素。d s c m 技术系统简单，对测量环境没有特别要求；但是这一技术的 缺点是没有实时性，并且测量灵敏度较低。 散斑照相技术和散斑干涉技术的区别在于单光束干涉和双光束干 涉，前者基于散斑颗粒位置的变化进行测量，而后者则是基于散斑场相 位的变化进行测量。 2 2 3 电子散斑干涉技术： 电子散斑干涉技术( e s p i ) 是一种对散射表面进行无损全场测量的 技术，是现代高科技成果的结晶。e s p i 最引人入胜的特点是它将双光束 干涉技术、数字化记录设备和计算机图像处理系统相结合，实现了散射 表面位移、变形和形貌的全场、实时和无损检测【l 2 1 。 散斑干涉技术有两种基本的模式，分别检测面内位移和离面位移， 它们的原理图如图2 3 和2 4 所示。 图2 - 3 离面e s p i 检测原理图 被测物 离面e s p i 检测系统中，激光经分光镜分为两束，一束直接透射到被 测物表面，另一束反射到参考镜；由物体表面漫反射的物光和直接射入 接收器靶面的参考光叠加形成双光束干涉。 第二章电子散斑测试技术 图2 4 面内e s p i 检测原理图 在面内e s p i 系统中，则是由两束物光对称入射于物体表面，再由成 像系统收集物体表面漫射光场而在接收器靶面发生干涉。在电子散斑干 涉检测中，将物体变形前后对应的散斑干涉场分别记录下来然后用数字 相减方式获得强度相关条纹场。 首先来分析散斑干涉图像在变形前后的数学表达式。设物光强度为 i o ，参考光强度为i r ，物体表面的散斑光强表达式为： ，。一 i l = i o + i r + 2 4 i o i r c o s # ( 2 - 4 ) 其中矽是与物面信息有关的散斑项。 当物体发生变形之后，相位的改变为 一o = _ l - j - l , 矿( 1 + c o s 0 ) + u s i n o 】 ( 2 - 5 ) 以 其中五为激光波长，0 是照明光与物体表面法线的夹角，w 是物体发生 的离面位移，u 是物体发生的面内位移。此时像面上的干涉光强变为： 1 2 = i o + i r + 2 4 i o i r c o s ( # + 矽) ( 2 - 6 ) 将变形前后的图像相减，得到 i l 1 2 = 4 4 i o i r s i n ( a # 2 ) s i n ( # + a # 2 ) ( 2 - 7 ) 式中s i n ( a # 2 ) 是由于物体位移产生的低频部分，是条纹项； s i n ( + a # 2 ) 含有散斑部分，是高频噪声项。 1 4 第二章电子散斑测试技术 当= 2 k ；, r ，k = l ，2 ，3 ，时，s i n ( a # 2 ) = 0 ，此时光强最弱，出现暗 条纹； 当= ( 2 k + 1 ) z ，k = l ，2 ，3 ，时，s i n ( a # 2 ) = l ，此时光强最强，公 式( 2 - 7 ) 仅剩散斑项，出现带有散斑的亮条纹。 对于离面位移光路，c o s o = l ，s i n o = 0 ，2 - 5 式化简为， ：_ 4 z w ( 2 - 8 ) 此时相邻的亮条纹或者暗条纹的间距代表痧= 2 石，相应的离面位移 为w = x 2 。 对于面内位移的光路， 矽：竿【形( c 。s 秒一c 。s 臼) + 【，( s i n 口+ s i n 臼) 】：竿u s i n o 2 - 9 测量时增大0 值可以提高灵敏度。 e s p i 的信息提取是基于强度相关条纹方式，这种方式能迅速反映全 场变形的分布和大小，因此在缺陷无损测量方面有独特的优势。但是， 由于这种只有在条纹场的极值位置，相位函数才有确定的值，又因为散 斑噪声的影响，其检测精度只能达到l 2 波长量级。随后相应产生的相 移e s p i ( p s e s p i ) 和载波e s p i ( c e s p i ) 技术，通过在干涉场种引入相 移器和载波装置，可以直接解调变形引起的原理相位，然后再经过相位 解包裹处理，获得干涉场的全场相位分布，进而得到位移信息。这两种 技术可以获得很高的测量精度，在严格控制测量环境的条件下，精度可 以达到波长的百分之一。 由于e s p i 技术表现出明显的全场、高精度和实时的优点，基于e s p i 框架又建立起直接进行位移梯度测量的剪切e s p i ( s e s p i ) 。这一技术通 过剪切光学系统实现剪切干涉，具有抗干扰能力强的优点1 3 9 1 。散斑剪切 干涉是继电子散斑干涉技术之后发展的一种测量位移导数的技术，它能 直接测定位移的微分，对于应变分析非常有利。它的基本原理是散斑照 相和剪切理论的结合，在散斑照相的基础上通过不同的剪切元件，把单 光束散斑变为双光束散斑。 e s p i 及其相关技术的发展，使得散斑检测技术获得了极大的成功， 但是由于e s p i 技术是基于双光束干涉，所以在检测中，对环境和待测对 象都有一定的要求，这使得该技术在走出实验室方面受到一定限制。故 第二章电子散斑测试技术 此，基于单光束成像的散斑照相技术得到重视，由于视频技术和计算机 图象处理技术的引入，产生了数字散斑相关技术( d s c m ) 又称为数字 散斑照相技术。d s c m 检测系统简单，对检测环境没有严格要求，在工 程中得到了广泛应用。 基于以上分析，e s p i 既可以测量反射率较高表面，又可以测量粗糙 表面，本文选择电子散斑干涉技术和微结构测试技术相结合作为实现光 学粗糙表面测量的方法。 下面介绍显微干涉结构的选择。 2 3e s p i 显微干涉结构 e s p i 应用于微观领域，离不开对显微结构的应用。显微干涉结构是 显微系统和干涉结构结合的产物，与其它光学干涉技术相比，它具有表 面信息直观、测量精度高和全视场三维测量等优点，特别是相移干涉技 术在显微干涉系统中的应用，使得显微干涉系统的测量精度大大提高， 离面测量分辨率超过0 1 n m 。根据测量光路与参考光路是否共路，它可 以分为分光路和共光路两种类型。 共光路干涉指产生干涉的参考光和测试光走过同样的光程，都从被 测表面返回，因此抗干扰能力很强，且不需要参考反射镜，适用于生产 环境中使用。 分光路干涉就是干涉的测试光和参考光不在同一条光路上，因此需 要使用精度很高的标准面作为参考面。根据分光方式的不同可以分为 m i c h c l s o n 型、m i r a u 型和l i n n i k 型三种类型。 被测表面 ( a ) m i c h e l s o n 型 被测表面 c o ) m i r a u 型 被测表面 ( c ) l i n n i k