一种样品形貌结构检测系统及方法

本发明属于样品形貌检测领域，更具体地，涉及一种样品形貌结构检测系统及方法。

背景技术：

1、随着消费级电子产品的发展，消费者对手机等电子产品的性能要求日益提升，因此对手机镜头模组、屏幕面板等器件的加工、装配要求逐渐提高。它们的表面形貌、装配精度是影响最终产品良品率的关键，因此需要与之相适应的精密检测手段。此类器件属于多层折射样品，传统的接触式测高仪不适用这类测量；光谱共焦传感器虽然可以测量多层透明样品，但需要已知折射率才能测出几何厚度；激光三角传感器由于照明光路与成像光路存在夹角，对于手机镜头模组这类大深径比样品难以测量。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种样品形貌结构检测系统及方法，旨在解决现有大深径比样品难以检测的问题。

2、为实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种样品形貌结构检测系统，包括：光源单元、参考臂、测量臂以及光分析成像模块；

3、所述光源单元，用于发射光束；

4、所述参考臂，用于将所述发射光束反射，提供第一路反射光束；

5、所述测量臂，用于将所述发射光束传输至待测样品，并将从待测样品反射的光束收集，提供第二路反射光束；

6、所述光分析成像模块，用于获取第一路反射光束和第二路反射光束的干涉光谱，以及第二路反射光束光谱，并基于预先标定的测量臂反射光谱中峰值波数与待测样品表面位置的关系和第二路反射光束光谱确定待测样品的每个反射界面的真实反射信号在傅里叶空间域的符号，以从干涉光谱逆傅里叶变换得到的空间域信号中提取出待测样品的真实反射信号，基于所述真实反射信号得到待测样品的形貌结构信息；去除了与真实反射信号对称的共轭镜像信号，进而使得正负傅里叶空间均可使用，将样品形貌的测量范围拓展为传统谱域干涉测量的两倍。

7、在一个可选的示例中，该系统还包括：第一分光器和第二分光器；

8、所述第一分光器，用于将所述发射光束分为两路，并将一路光束传入参考臂，另一路光束传入第二分光器，之后接收从参考臂反射的第一路反射光束，并将第一路反射光束传输至光分析成像模块；

9、所述第二分光器，用于将从第一分光器接收的光束传输至待测样品，并将从待测样品反射的第二路反射光束分为两路，一路传输至光分析成像模块，另一路传输至第一分光器；

10、所述第一分光器，还用于使从第二分光器接收的第二路反射光束与第一路反射光束发生干涉，并将干涉后的光谱信号传输至光分析成像模块。

11、在一个可选的示例中，该系统还包括：样品标定模块；

12、所述样品标定模块，用于标定测量臂反射光谱中峰值波数与待测样品表面位置的关系；

13、所述样品标定模块包括：位移台和反射单元；所述位移台承载反射单元，且控制反射单元在待测样品径深方向移动，所述反射单元用于对光束进行反射；

14、进行标定时，测量臂将光束传输至反射单元，且位移台控制反射单元变换位置，以便光分析成像模块获取反射单元在不同位置时从测量臂返回的反射光，之后光分析成像模块对相应的干涉光谱进行逆傅里叶变换，之后对逆傅里叶变化后傅里叶空间域的信号寻峰，确定不同信号峰对应的光程差，然后对测量臂反射光谱寻峰，确定对应的峰值波数，最后对光程差和峰值波数拟合得到波数与待测样品表面位置的关系；其中，所述光程差与反射单元在待测样品径深方向的位置有关。

15、在一个可选的示例中，所述光分析成像模块包括：

16、光分析单元，用于去除包含待测样品表面反射信息的干涉光谱的直流信号，对去除直流信号的光谱逆傅里叶变换得到第一空间域信号，并基于预先标定的波数与待测样品表面位置的关系将从待测样品表面反射的第二路反射光束的光谱信号转换为仅包含反射界面位置信息的第二空间域信号；之后对第二路反射光束逆傅里叶变换，得到第二路反射光束的自相关信号，并基于第二路反射光束的自相关信号从第一空间域信号中除去自相信号，得到第三空间域信号；最后基于第二空间域信号的局部极大值点和第一空间域信号的信号宽度对第三空间域信号滤波，之后除去镜像信号，得到第四空间域信号，将其作为待测样品的真实反射信号；

17、成像单元，用于基于待测样品的真实反射信号确定待测样品的形貌结构。

18、在一个可选的示例中，所述光分析单元得到的第一空间域信号为rc(z)，基于预先标定的波数k与待测样品表面位置z的关系将第二路反射光束i2(k)转换为rs(z)；对i2(k)逆傅里叶变换，得到仅包含自相关项的自相关信号ra(z)，并确定对应的自相关项强度ra(za)、以及坐标za；除去rc(z)中的自相关信号，得到第三空间域信号以rs(z)的局部极大值点zi为中心，生成给定宽度w的滤波函数：式中，rect为矩形函数，n为信号个数，对应反射界面个数，w由rc(z)的信号宽度决定；对rc1(z)滤波，得到去除镜像的样品真实反射信息r(z)＝rc1(z)f(z)。

19、在一个可选的示例中，所述成像单元基于真实反射信号得到待测样品的形貌结构信息，具体为：对真实反射信号进行傅里叶变换，之后对傅里叶变换后的信号求复数辐角，随后再对求复数辐角后的信息相位解包裹得到一个反射界面的连续相位分布，最后基于反射界面的连续相位分布确定单层折射结构上下反射界面的相位差，以及基于中心波数对应的介质光学厚度得到单层折射结构的介质折射率与中心波数时的折射率之比值，之后基于所述比值确定待测样品各层折射结构的折射率，并基于各层折射结构的折射率和上下反射界面的光学厚度对待测样品的形貌结构成像；其中，所述上下反射界面的光学厚度根据干涉光谱对应的傅里叶空间域信号内相邻两个待测样品真实反射信号之间的距离确定。

20、第二方面，本发明提供了一种样品形貌结构检测方法，包括以下步骤：光源单元、参考臂、测量臂以及光分析成像模块；

21、确定第一路反射光束；所述第一路反射光束作为参考光束；

22、确定从待测样品反射来的第二路反射光束；

23、确定第一路反射光束和第二路反射光束的干涉光谱，以及第二路反射光束光谱，并基于预先标定的测量臂反射光谱中峰值波数与待测样品表面位置的关系和第二路反射光束光谱确定待测样品的每个反射界面的真实反射信号在傅里叶空间域的符号，以从干涉光谱逆傅里叶变换得到的空间域信号中提取出待测样品的真实反射信号，基于所述真实反射信号得到待测样品的形貌结构信息；去除了与真实反射信号对称的共轭镜像信号，进而使得正负傅里叶空间均可使用，将样品形貌的测量范围拓展为传统谱域干涉测量的两倍。

24、在一个可选的示例中，从待测样品所在光路反射来的反射光谱中峰值波数与待测样品表面位置的关系，通过如下步骤确定：

25、将待测样品替换为反射部件，且所述反射部件能够在待测样品径深方向移动；

26、获取反射部件在不同位置时从反射部件上反射的光束，对参考光束与待测样品方向的反射光束的干涉光谱进行逆傅里叶变换，之后对逆傅里叶变化后傅里叶空间域的信号寻峰，确定不同信号峰对应的光程差，然后对测量臂反射光谱寻峰，确定对应的峰值波数，最后对光程差和峰值波数拟合得到波数与待测样品表面位置的关系；其中，所述光程差与反射部件在待测样品径深方向的位置有关。

27、在一个可选的示例中，所述待测样品的真实反射信号通过如下步骤确定：

28、去除包含待测样品表面反射信息的干涉光谱的直流信号；

29、对去除直流信号的光谱逆傅里叶变换得到第一空间域信号；

30、基于预先标定的波数与待测样品表面位置的关系将从待测样品表面反射的第二路反射光束的光谱信号转换为仅包含反射界面位置信息的第二空间域信号；

31、对第二路反射光束逆傅里叶变换，得到第二路反射光束的自相关信号，并基于第二路反射光束的自相关信号从第一空间域信号中除去自相信号，得到第三空间域信号；

32、基于第二空间域信号的局部极大值点和第一空间域信号的信号宽度对第三空间域信号滤波，之后除去镜像信号，得到第四空间域信号，将其作为待测样品的真实反射信号。

33、第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：至少一个存储器，用于存储程序；至少一个处理器，用于执行存储器存储的程序，当存储器存储的程序被执行时，处理器用于执行第一方面或第一方面的任一个可选的示例所描述的方法。

34、第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质存储有计算机程序，当计算机程序在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一个可选的示例所描述的方法。

35、第五方面，本发明提供一种计算机程序产品，当计算机程序产品在处理器上运行时，使得处理器执行第一方面或第一方面的任一个可选的示例所描述的方法。

36、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

37、本发明提供一种样品形貌结构检测系统及方法，利用样品反射光谱判断干涉信号在傅里叶空间的符号。在光学探头前接光纤耦合器，让光谱仪同时接收光学探头反射光i2，以及光学探头和参考臂的干涉光ic。干涉光ic经逆傅里叶变换后可以得到包含反射界面位置的空间域信息，但同一反射界面在空间域中存在一对关于0点对称的信号与镜像，无法判断真实信号在傅里叶空间的符号。基于光谱共焦原理，同一待测表面仅存在某一个波长的光可以良好聚焦，假设待测面位于z0处时，波长为λm的光聚焦，则此时光学探头反射光i2将存在一个位于λm的峰值信号。因此在i2中，单个反射界面仅存在一个信号，利用预先标定得到的z(k)关系曲线，可以将i2(k)从光谱域映射到空间域rs(z)，根据rs(z)中信号横坐标符号判断干涉信号在傅里叶空间的符号。故本发明提供的系统可以将参考面置于样品中间，正负傅里叶空间均可以使用，将样品的深度量程拓展值2倍。相比减小光源或者光分析成像单元带宽来拓展测量范围的方法，本发明保留了大带宽谱域干涉系统具有的高分辨率，且拓宽测量量程。

38、本发明提供一种样品形貌结构检测系统及方法，相比色散编码量程拓展方法，无需多次傅里叶变换，无需添加色散元件，相比外加相移器方法，无需添加压电位移台、电光调制器、声光调制器等相移调制设备，并且仅需单次测量，测量时间缩短。

39、本发明提供一种样品形貌结构检测系统及方法，设计反射信号提取算法。根据光谱共焦原理，对光学探头反射光谱i2(k)得到粗测的空间域反射信号，将其作为采样信号对干涉光谱ic(k)采样，去除绝大部分的共轭镜像和自相关，在利用信号与镜像的对称性，去除残余的镜像，最终得到所需要的互相关信号。

40、本发明提供一种样品形貌结构检测系统及方法，单次测量，不借助样品的几何信息获取样品折射率。通过谱域干涉测量，得到单个折射介质上下界面的相位差δφ(k)＝2kdn(k)，以及中心波数k0对应的介质光学厚度dn(k0)，最终得到介质折射率n(k)与中心波数k0时的折射率n(k0)之比，n(k)/n(k0)，对n(k)/n(k0)在折射率库中查找最接近的曲线，对应的材料即为所测样品的材料。

41、本发明提供一种样品形貌结构检测系统及方法，直接使用数值方法对干涉光谱拟合获取直流量。通过求解干涉光谱的上包络与下包络，计算得到直流量。常规去直流方法是对傅里叶变换后的结果处理，将0频附近的数值置0，缺点是直流量在傅里叶空间存在展宽，如果信号也在0频附近，则信号也会被除去。本发明所提出的去直流方法仅从波数域处理，去除直流量同时保留0频附近的信号。