基于白光扫描干涉术的超精密表面几何参数大范围快速测量方法

Ultra precision testing technology is of great significance for the development of modern techniques. With the ultra-precision components kept developing on structure complexity and application fields,the requests of measurement range and efficiency are becoming increasingly important,the research in this area will surely arouse extensive attention from both sides of science and industry.This porject presents new white light scanning interferometry based unique methods to perform fast measurement for large rang surface geometric parameters evaluation,and further develops perfect functioned white light interferometry. By studying the principle model,system calibration and data re-construction method of the two-angle white light tilted scanning interferometry,the proposed method can carry truly large horizontal range measurement in millimeter scale,without the need of stitching.By researching the focusing strategy under microscopy interferometric condition, the system can realize the self-adaptively adjusting of scaning speed during the test. The research of this work meets the requirements of ultra-precision manufacture,giving solutions with nanometer accuracy on the tradeoff between efficiency and measurement range,and can be applied in the field of wafer-level quality control and ultra-precision optical surface evaluation.

超精密检测技术对现代科技发展意义重大。随着超精密元件在结构复杂度和应用领域上的进一步发展，对测量范围与效率的需求逐渐显现，这一领域的研究势必将引起科学界与产业界的广泛关注。本项目基于白光扫描干涉术研究超精密表面几何参数的大范围快速测量新方法，并研制功能优越的光学显微干涉测试系统。通过研究双角度白光倾斜扫描干涉术的原理模型、系统标定方案及数据重建方法，实现水平方向不依赖拼接技术的毫米量级大范围测量；通过研究显微干涉条件下的调焦策略，实现垂直扫描过程中扫描速度的自适应调整。本研究针对超精密加工领域的测试需求，在实现纳米级测量分辨力的前提下，解决了大范围与高效率问题，为晶片级制造中的质量控制和超精密光学表面评价提供了重要的解决方案。

白光扫描干涉术近年来发展迅速，广泛应用于诸多领域。然而，测量对象的变化与新的应用需求的涌现，对白光扫描干涉术提出了新的挑战，特别是在大尺度测量时。另一方面，目前主流的白光扫描干涉仪都被国外品牌所垄断，仅有的一些国内生产商缺乏足够的理论研究经验，所提供的产品仅能满足最基本的测试任务。.本课题基于上述背景，重点对大范围测量理论和测量系统开发两方面问题展开研究。首先研究了双角度白光倾斜扫描干涉术，解决了该方法的关键理论问题，实现了毫米量级的大范围一维水平测量一次扫描完成，提升了测试效率。第二，研究了垂直大尺度下的变速扫描问题，并注意到在系统调整过程中的时间开销同样是降低扫描效率的重要因素。因此，本课题基于运动检测和调焦评价函数开发了干涉条纹识别与变速扫描技术，使系统在调整过程中能够实时对干涉条纹进行探测，且扫描过程中系统根据图像的聚焦情况不断调整扫描速度。第三，本课题研究了微结构低重叠度拼接方法，实现了三维的大范围高精度拼接。该方法从特征抽取的思路出发，针对微结构，特别是MEMS (Micro-Electro-Mechanical System)器件优化了配准搜索范围，大幅降低了拼接所需的重叠度，针对扫描过程噪声带来的拼接结构偏差问题提出了矫正方案，实验表明该方法在重叠度为6%时仍能够实现正确拼接。最后，本课题开发了性能优越的白光扫描干涉仪（尚未完成），构建了系统硬件并开发了软件系统，且开发过程中结合了部分理论研究的成果。该系统下位机基于Linux环境开发，考虑到白光干涉信号的数据处理特点，使用了TILEncore-Gx36多核加速卡(包含36个CUP核)完成运算工作，研究了内存管理、多线程运算、视频流传输等关键技术问题。目前，该系统已经具备了基本功能。.综上，在三年的项目工作中，本课题研究了涉及白光扫描干涉术的若干理论与工程问题，取得了一定的成果，完成了既定的课题目标。