專利名稱：基片上微粒高度測量方法
技術領域：
本發明涉及一種微粒高度測量方法，特別是一種固體基片表面的微粒高度的測量方 法，屬光學檢測技術領域。
背景技術：
固體及液體粒子，特別是微小粒子的大小或是尺寸信息對與許多領域都是十分重要的。 例如，在工業生產過程中很多材料是以粉體的形式存在和使用的，粉體顆粒盼形狀及尺寸 大小對于產品質量、生產效率以及生產過程控制都會產生非常重要的影響。又如，液體霧 化產生的液滴的大小對于包括燃燒過程、環境濕度控制在內的各種應用都是至關重要的。 對于微粒直徑的測量，已有多種不同的方法，應用較為廣泛的是光學方法。這些光學方法 包括基于光散射理論的激光粒度儀和相位激光多普勒粒子測量技術。激光粒度儀是利用一 束準直的激光束照射到被測粒子上，根據米氏散射理論，由于粒子對光的散射作用將產生 與粒子直徑有直接關系的散射光分布。通過檢測散射光分布即可根據散射模型計算出粒子 的分布。為實現有效的散射光分布檢測，通常的激光粒度儀采用環狀的光探測器陣列。目 前也有采用CCD構成激光粒度儀的研究報道。相位激光多普勒粒子測量技術則是利用粒子 對兩束相交的激光束產生的多普勒信號的相位與粒子直徑的關系實現對粒徑的測量，其主 要特點是能夠測量出單個粒子的大小。理論上講，上述兩種方法只適合球形粒子測量，原 因是其模型都是建立在球形粒子散射基礎上的。對與非球形粒子，上述方法只能給出近似 的結果。在很多情況下，固體顆粒的形狀是非球形的，甚至是無規則的。在這種情況下， 顆粒沿不同取向的尺寸不同，甚至差別很大。這時很難定義顆粒的直徑，也就使粒徑的測 量變得愈加困難。另一方面，隨著各種新學科和新技術的出現和發展，對微小結構的精確 測量和表征己成為測量技術提出了新的課題。例如，當前快速發展的基于微機電系統 (MEMS)的器件，其特征結構尺寸在微米量級。對于這類器件的檢測，不僅需要高精度 和高分辨率，還要求測量系統具有在線和快速檢測功能。此外，在半導體和生物技術領域， 經常遇到檢測在基片表面制作或生長出的微小結構或生物微粒的問題。發明內容本發明的目的就是提供一種基片上微粒高度測量方法，該方法過程簡單，易于實現，測量精度高。本發明是通過以下技術方案加以實現的， 一種基片上微粒高度測量方法，該方法采用 的裝置包括微位移平臺103，微位移平臺上面放置固定微粒的基片102，基片上方設置帶 有CCD攝像機106的光學顯微鏡105，計算機107控制微位移平臺的移動及與CCD攝像機 連接，用于照射基片上微粒的平行光光源104所構成，對基片上微粒尺寸測量，其特征在于包括以下過程將一束平行光以與基片上表面成第一固定角度^照射到表面固定微粒的 基片表面，待測微粒在基片表面形成陰影，光學顯微鏡將此陰影成像到CCD攝像機上，計 算機采集并存儲第一幅數字圖像；之后計算機控制微位移平臺沿著Y軸移動一已知距離， 再由計算機采集并存儲第二幅數字圖像；之后將一束平行光以與基片上表面成第二固定角度^照射待測微粒的基片表面，待測微粒在基片表面形成陰影，光學顯微鏡將此陰影成像到CCD攝像機上，計算機采集并存儲第三幅數字圖像；由第一幅數字圖像和第二幅數字圖 像測得它們之間的Y軸方向位移D，再由微位移平臺移動的已知距離計算出光學顯微成像 系統的放大率"；由第二幅數字圖像和第三幅數字圖像測得它們之間的位移L，由丄/[" ("g 02 - "g A)]計算出待測微粒距基片表面的高度值。本發明優點在于，利用顯微光學成像與斜入射平行光投影相結合，采用數字圖像處理 和在線實時標定實現對基片上微粒高度的快速測量。具有測量精度高、實時在線標定，方 法簡單，易于實現，對與粒子的形狀無特殊要求的特點，適合于基片表面制作或生長出的 微小結構以及由基片采樣得到的固體顆粒的尺寸測量。
圖1為本發明涉及的微粒高度測量裝置結構框圖。圖中101為固定在基片上的待測微粒；102為基片；103為微位移平臺；104為平行光光源；105為光學顯微鏡；106為CCD探測器；107為計算機。 圖2為待測微粒在基片表面形成陰影示意圖。圖中108為待測微粒在基片表面形成陰影圖像。圖3為以平行光與基片上表面成第一固定角度^照射微粒時記錄的第一幅數字圖像。 圖4為微位移平臺沿著Y軸移動一已知距離后，以平行光與基片上表面成第一固定角 度^照射微粒時記錄的第二幅數字圖像。圖5為以平行光與基片上表面成第二固定角度^2照射時記錄的第三幅數字圖像。
具體實施方式
如附圖1所示，顯微鏡105采用帶CCD攝像機106的臺式正置奧林巴斯顯微鏡，CCD 攝像機與一臺式計算機107相連。照明平行光104由使用帶光纖輸出的光源產生，該光源 帶有兩分支光纖。微位移平臺103采用線性電動平臺，由步進電機驅動，其分辨率為1微 米。實驗使用微粒粒徑在100微米左右的金剛砂作為實驗樣品，金剛砂隨機散布在硅片上。照明光源置于顯微鏡105左頂!l，照明角度&和^2分別選取為30°和60° 。微位移平臺103的移動方向為前后方向，即與照明方向相互垂直的方向。選用20X顯微物鏡，測量開始前 先調節顯微鏡使其對金剛砂的陰影聚焦，使之CCD上形成清晰的圖像，之后測量中保持該 狀態。在照明角度為30。時，由計算機107采集并保存第一幅數字圖像。之后計算機107控 制微位移平臺103向前移動100微米，由計算機107采集并保存第二幅數字圖像。之后將 照明角度改為60°，由計算機107采集并保存第三幅數字圖像。由第一幅數字圖像和第二幅 數字圖像可以測量出陰影在圖像上下方向即Y軸向上的位移D，并由D/100計算成像系統的放大率P;由第二幅數字圖像和第三幅數字圖像可以測量出陰影在圖像左右方向即X軸向上的位移L;再由￡ /[-("g 30 ° - "g 60 °)]計算出待測金剛砂距基片表面的高度值。本領域的專業技術人員都清楚，本發明的思想可采用上面列舉的具體實施方式
以外的 其它方式實現。
權利要求
1. 一種基片上微粒高度測量方法，該方法采用的裝置包括微位移平臺(103)，微位移平臺上面放置固定微粒的基片(102)，基片上方設置帶有CCD攝像機(106)的光學顯微鏡(105)，計算機(107)控制微位移平臺的移動及與CCD攝像機連接，用于照射基片上微粒的平行光光源(104)所構成，對基片上微粒尺寸測量，其特征在于包括以下過程將一束平行光以與基片上表面成第一固定角度θ1照射到表面固定微粒的基片表面，待測微粒在基片表面形成陰影，光學顯微鏡將此陰影成像到CCD攝像機上，計算機采集并存儲第一幅數字圖像；之后計算機控制微位移平臺沿著Y軸移動一已知距離，再由計算機采集并存儲第二幅數字圖像；之后將一束平行光以與基片上表面成第二固定角度θ2照射待測微粒的基片表面，待測微粒在基片表面形成陰影，光學顯微鏡將此陰影成像到CCD攝像機上，計算機采集并存儲第三幅數字圖像；由第一幅數字圖像和第二幅數字圖像測得它們之間的Y軸方向位移D，再由微位移平臺移動的已知距離計算出光學顯微成像系統的放大率β；由第二幅數字圖像和第三幅數字圖像測得它們之間的位移L，由L/[β(ctgθ2-ctgθ1)]計算出待測微粒距基片表面的高度值。
全文摘要
本發明公開了一種基片上微粒高度測量方法。該方法采用包括微位移平臺、帶有CCD攝像機的光學顯微鏡、計算機和平行光光源所構成裝置。測量基片上微粒高度過程包括將一束平行光以與基片上表面成第一固定角度θ<sub>1</sub>照射基片表面微粒，獲第一幅數字圖像；移動微位移平臺一已知距離，獲第二幅數字圖像；將一束平行光以與基片上表面成第二固定角度θ<sub>2</sub>照射基片表面微粒，獲第三幅數字圖像。由第一幅數字圖像和第二幅數字圖像測得它們之間的位移D，再由微位移平臺移動的已知距離計算光學顯微成像系統的放大率β；由第二幅數字圖像和第三幅數字圖像測得它們之間的位移L，由L/[β(ctg θ<sub>2</sub>-ctg θ<sub>1</sub>)]計算出微粒距基片表面的高度值。本發明優點在于過程簡單，易于實現。
文檔編號G01B11/02GK101251372SQ200810052669
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月9日 優先權日2008年4月9日
發明者李恩邦 申請人:天津大學