5、MEMS测量中的光学轮廓技术

MEMS测量中的光学轮廓技术

1. 引言

在微系统及其组件的测量领域，已经发展出了多种方法。其中，白光干涉测量法、共聚焦显微镜技术和条纹投影技术是比较成熟的技术。白光干涉测量法和共聚焦显微镜技术结合了大测量范围和高垂直分辨率的优点，而条纹投影技术虽然灵敏度较低，但测量速度更快，对于不需要极高垂直分辨率的中大型物体具有优势。本文将重点介绍共聚焦显微镜技术和深度扫描条纹投影（DSFP）系统。

2. 共聚焦显微镜原理

2.1 共聚焦点传感器

共聚焦测量原理由M. Minsky在1957年发明，并于1961年获得专利。其发明目的是在生物样本测量中最小化杂散光。在共聚焦显微镜中，物体是逐点进行照明和检测的。

2.1.1 透射式共聚焦传感器

透射式共聚焦传感器的设置如图所示，点光源成像到物体上，物体点再成像到点探测器上，这通过针孔和光电二极管实现。照明和检测在三个维度上的调整至关重要，两者必须同轴，并在横向和轴向上对准同一点。测量点附近的物体点成像在针孔旁边，针孔会阻挡光线。沿公共光轴的点产生的大部分杂散光也会被阻挡，因为这些点的图像在点探测器上是散焦的，散焦图像比点探测器大，所以大部分光线无法到达探测器。在调整好的系统中，阻挡散焦光会产生很强的深度辨别能力。

2.1.2 反射式共聚焦传感器

反射式共聚焦传感器可用于测量反射表面。在这种情况下，照明和检测使用相同的成像光学元件，因此系统会自动相对于光轴进行调整。同样，点光源成像到物体表面，该点再成像到点探测器上，使用分束器分离照明和检测的光线。由于向侧面反射的光线不会再次击中透镜，共聚焦强度信号的幅度会根据物体地形的局部梯度而变