白光同步相移显微干涉动态表面形貌精密测量技术与系统研究

Precision measurement of dynamic surface topography under the conditions of product environments, is an important foundation for surface quality monitoring, process evaluation and effective compensation of errors. Dynamic precision measurements for in plane and out of plane movement of MEMS, IC,thin film and other products and scientific samples is the premise of its dynamic characteristic and reliability characterization and their manufacturing process analysis and effective applications. Therefore, dynamical surface topography and structure precision measurement is of great significance. Making use of optical interferometry technique, which has the features of non-contact, full field, and high-precision, the project will investigate high-precision measurement theory and technology for dynamic surface topography and structure. Main researches are focused on the white light interference microscopy synchronous phase shifting technology, which helps continuous dynamic precision surface topography measurement; Based on white light synchronous phase shifting interference and color CCD image acquisition, the white light interference and multi-wavelength interferometric phase analysis technology are investigated to realize precision measurement of dynamic surface structure with large range; Quick reconstruction algorithm for dynamic interference phase is also investigated based on CUDA. Finally，based on the research above, a precision measurement system for dynamic surface topography and structure is constructed based on white light synchronous phase shifting interferometry. The research by the project will be significant for quality guarantee of precision machining surface topography and structure, and also for analysis of dynamic characteristics, reliability and manufacturing process and research on biological science.

产品表面形貌在位工况环境下动态精密测量，是表面质量监测、工艺评价和误差有效补偿的基础；诸如MEMS、IC、薄膜、微器件等产品和科学样件表面形貌在面和离面动态精密测量是其动态特性、可靠性、制造工艺分析及有效应用的前提。因此，动态表面形貌和结构精密测量面临广泛需要。本项目利用光学干涉测量技术非接触、全场、高精度特点，研究动态表面形貌和结构精密测量的理论和技术。主要研究白光同步相移显微干涉技术，建立白光同步相移干涉显微镜；研究等效波长干涉解包裹技术和双等效波长干涉等级搜索匹配求解技术,实现白光同步相移显微干涉的相位解析及被测表面重建；研究基于并行计算架构的干涉相位恢复和表面重建算法的快速实现。在此基础上，建构白光同步相移显微干涉动态表面形貌与结构精密测量系统。项目研究对于精密加工表面形貌与结构质量保证,MEMS、IC、薄膜、微器件动态特性、可靠性与制造工艺分析及生物科学研究等都具有重要意义。

产品表面形貌在位工况环境下动态精密测量，是表面质量监测、工艺评价和误差有效补偿的基础；诸如MEMS、IC、薄膜、微器件等产品和科学样件表面形貌在面和离面动态精密测量是其动态特性、可靠性、制造工艺分析及有效应用的前提。因此，动态表面形貌和结构精密测量面临广泛需要。本项目利用光学干涉测量技术非接触、全场、高精度特点，研究动态表面形貌和结构精密测量的理论和技术。主要研究白光同步相移显微干涉技术，建立白光同步相移干涉显微镜；研究等效波长干涉解包裹技术和双等效波长干涉等级搜索匹配求解技术,实现白光同步相移显微干涉的相位解析及被测表面重建；研究基于并行计算架构的干涉相位恢复和表面重建算法的快速实现。在此基础上，建构白光同步相移显微干涉动态表面形貌与结构精密测量系统。项目围绕上述目标及内容展开研究，完成了同步相移干涉系统的设计与建立，研究了干涉图之间的配准技术，提出并实现了一种结合加速鲁棒特征提取(SURF)和随机采样一致性算法(RANSAC)结合的多步干涉图配准方法；分析了同步相移干涉中的系统误差因素，提出并研究了系统误差校准、补偿及抑制办法，有效解决了同步相移干涉光路系统误差因素影响；研究并实现了多波长同步相移干涉方法，探讨了多波长干涉光强信号在相机RGB三通道的解耦技术，提出并实现了基于等效波长及单波长级次辨识技术的大范围高精度相位恢复算法；研究了基于CUDA的表面形貌和结构快速重建算法，完成了动态测量系统软件的开发，构建了完整的动态表面形貌测量系统。最后完成了白光同步相移显微干涉动态表面形貌与结构精密测量系统装置一套，可以实现150Hz表面形貌与结构动态测量，视场直径800um，垂直测量范围8um，横向分辨率1um，纵向分辨率1nm。申请专利4项，发表文章18 篇，其中三大检索文章15 篇，培养了研究生8 名，撰写研究报告3 份，达到了预期成果目标。项目成果对于精密加工表面形貌与结构质量保证，MEMS、IC、薄膜、微器件动态特性、可靠性与制造工艺分析及生物科学研究等都具有重要意义。