基于结构光照明显微的多视角表面形貌测量方法研究

发布时间：2021-07-06 18:20

　　显微三维表面形貌测量技术在机械加工、纳米技术和生物医学等研究领域发挥着至关重要的作用,目前主流的技术包括扫描白光干涉显微镜、反射式共聚焦显微镜、数字全息显微镜和光切片结构光照明显微镜等。其中光切片结构光照明显微技术可对样品的三维表面形貌进行测量,具有高速、全彩、高分辨等优点。然而,与所有采用落射式照明的三维显微成像系统一样,结构光照明显微系统能够收集的来自物体表面的反射光的角度范围受物镜数值孔径（Numerical Aperture,NA）的限制。在对大倾角物体成像时,物体表面的反射光无法被物镜收集,从而造成了成像结果中信息丢失的问题。本文将基于多视角测量,解决结构光照明显微对大倾角物体成像时的信息丢失问题。主要研究内容如下:1.提出了一种基于多视角融合的光切片结构光照明显微成像方法。传统的光切片结构光照明显微系统受物镜NA的限制,无法收集表面大斜率物体的反射光,因此会在图像中产生信息丢失的问题。本文通过对样品进行三维旋转,采集样品在不同方向的光切片图像,并利用多角度融合算法补全单一角度图像中的丢失信息,最终可获得完整的样品三维形态与表面形貌。该方法解决了大倾角物体表面形貌测量时的信息... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省

【文章页数】：65 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

白光干涉光强与光程差的关系

第1章绪论3广泛的扫描白光干涉测量光路结构，如图1.2（c）所示[11]。该系统采用科勒照明的方式，将白光LED成像到物镜的光瞳面，通过孔径光阑和视场光阑处的调节，控制照明光场的大小和孔径。白光经过透镜后打在分光镜上经过反射进入Mirau物镜，光束在Mirau物镜的分光板上透射和反射，反射光打在参考板上再反射至分光板，透射光打在待测样品表面反射回分光板，两路光发生干涉，干涉图像最终被相机采集。此方式中发生干涉的参考光与测量光基本共路，抗干扰能力强，有利于提升测量稳定性。利用压电陶瓷控制参考镜在垂直方向移动来改变参考光路与测量光路的光程差，垂直移动的过程中，相机采集到一系列的干涉图样，通过确定零级条纹的位置来得到待测样品相应的高度信息。图1.2不同类型的白光扫描干涉系统基本原理[8]。（a）Linnik型；（b）Michelson型；（c）Mirau型。Figure1.2Schematicdiagramsofdifferenttypesofscanningwhitelightinterferencemicroscopy.(a)Linnik-type.(b)Michelson-type.(c)Mirau-type.确定零级条纹的位置是扫描白光干涉测量的关键技术，然而，背景噪声、光源光谱宽度等都会影响零级条纹的定位精度。研究者提出了很多确定零级条纹位置的算法，包括重心算法、相移算法、空间频域算法和互相关算法等[12]。理想的白光干涉信号以零光程差点左右对称，计算出对称点即信号的重心就得到了零光程差点的位置，该方法即为重心法[13]。该算法计算简单，运算速度较快，但要求被处理的信号对称，精度不高。相移算法[14,15]在干涉测量的信号处理中应用非常

的相移法有三步法、四步法、Carre法和七步法等。以七步法为例，该算法前提是假定干涉信号在七步扫描距离内是线性变化的，对光源的中心波长和采样值要求精度高，结果受噪声影响较大。空间频域算法[16,17]通过快速傅里叶变换对白光干涉信号在频域做分解，得到不同频率对应的相位值，即波数和相位的关系，从而得到零光程差的位置。该算法精度高，采样间隔不需要特定数值，是白光干涉信号处理算法中较好的一种。互相关算法[12]的适用性与扫描步长成比例，扫描步长越小，测试的准确性更高，该算法的最大优点是其抗噪性好。图1.3三维表面形貌测量结果。（a）MEMs晶片表面三维形貌[16]；（b）30CrMnSiA韧窝断口表面三维形貌[15]。Figure1.33Dsurfacetopographymeasurements.(a)3DimageofMEMSwafer.(b)3Dimageof30CrMnSiAdimplefracturesurface.为了进一步提升扫描白光干涉法的测量精度以及稳定性，国内外研究者一直在不断努力，使白光扫描干涉技术在金属、半导体等领域的表面形貌测量中发挥重要的作用。国外已经有很成熟的商业化产品研发公司，如ZYGO公司和Taylor-Hobson公司等，其中白光干涉仪ZYGONewView7300采用Mirau型双光束干涉光路，通过微位移控制器控制Mirau物镜，实现轴向扫描，得到微观表面形貌。新加坡国立大学Ma等人[18]使用三通道彩色CCD来记录白光干涉图，并提出了一种基于最小二乘估计的轮廓测量方法，该方法使用RGB（Red，Green，Blue）三个通道的相位信息，通过窗口傅里叶变换算法提取相位值，还提出了基于相位交叉技术的评估函数，以确定白光干涉图像的零级条纹位置，通过此方法重建了微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）器件的微观表面三维形貌，如图1.3（a）所示。Kassamakov等人设计搭建了一套白光干涉

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3268742