基于白光显微干涉术的微纳结构三维形貌及其超分辨检测

发布时间：2020-08-06 15:56

【摘要】：随着信息时代的不断发展,随着超精密制造技术的不断更新进步,微纳技术已经成为现代科技最重要的发展方向之一,是尖端科技的代表。各种微纳器件在极端装备制造、生物医学、航空航天、量子通信等众多领域具有重要的应用,对各领域的发展产生了深远影响。微纳制造技术水平,已成为衡量一个国家科技水平的重要标志。测量,作为制造技术的重要手段之一,是加工精度的重要保证,要实现超高精度的微纳器件加工,必须建立与之相对应的高精度检测方法。微纳器件为实现更高的信息容量,不断向高分辨力、复杂结构发展。其分辨力已由微米发展至纳米量级,结构也由最开始的二维平面发展至三维立体结构。现有的微纳结构三维形貌检测方法根据测量原理,可分为非光学检测与光学检测两类。非光学类通常具有极高的测量分辨力,但采用扫描式探测方式,导致了测量速度慢、可能划伤被测表面等诸多问题。光学测量手段具有非接触、非破坏、测量速度高、系统结构简单等优点。其中,白光显微干涉技术,利用宽光谱低相干性,实现对微纳器件三维形貌的高精度检测,具有大测量范围、高分辨力、非接触检测等优势,从而在微纳结构检测领域独树一帜。白光显微干涉术的出现,为超精密检测技术带来了巨大进步,被认为是一种非常有前途的微纳结构形貌测量技术,受到了国内外研究人员的广泛关注。白光显微干涉技术近来发展十分迅速,但仍然存在一些急需解决的问题,比如:(1)受系统光源光强不稳定、外界环境光和外界振动噪声的影响,导致检测精度下降,稳定性不足;(2)检测精度受限于扫描机构的位移精度,检测量程受限于压电陶瓷器件的短行程,研发成本较高,也在一定程度上限制了该方法的使用;(3)检测横向分辨率不足,虽然其纵向分辨率不断提高,但其横向分辨率受限于光波衍射效应。有限的物镜数值孔径使横向分辨率最高仅为200 nm左右,而该成像分辨率已经远远不能满足人们对微纳世界进行探索的需求。如何突破衍射极限,提高测量横向分辨率,实现三维超分辨检测,也成为急需解决的问题。本文基于白光显微干涉技术重建三维形貌算法,首先分析了宽光谱干涉的理论分布模型,提出了基于时域调制度的检测算法,改变现有技术将单个像素点孤立处理的现状,利用单帧干涉图中像素点与像素点之间的信息关系,充分利用时域、空域的宽光谱干涉信息来重建物体三维形貌信息,可增强检测稳定性和检测精度。进而提出基于时域调制度判断的纵向相位拼接算法,通过判断干涉调制度数值,对有效像素点进行连续相位解析,通过纵向相位拼接恢复表面三维形貌。基于该方法的系统用步进电机替代压电陶瓷扫描,通过外触发相机高速实时采图。结果证明该方法可以有效消除扫描步距不准引入的检测误差,同时扩大检测高度范围,提高检测效率。为了提高横向检测分辨率,我们引入介质微球实现可见光宽波段超分辨成像,分析了介质微球相关系统参数,如尺寸大小、折射率、媒介的折射率、照明方式、浸没深度等对成像的影响,验证了通过暗场显微模式、部分浸没等方法来提高成像质量。最后结合白光显微干涉与介质微球技术,实现微纳结构的三维超分辨检测。本文主要研究分析了基于白光显微干涉技术检测尚存在的一些问题和挑战,提出了相应解决方法,旨在提高系统检测稳定性、检测精度、检测效率和检测横向分辨率,为该技术的更广泛应用提供了思路和基础。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP391.41;O436.1

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