精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究

发布时间：2016-12-15 06:46

本文关键词：精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究，由笔耕文化传播整理发布。

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精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究

王世通；

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原文摘要

精密超光滑表面元件的缺陷数字化检测是光学加工及检测领域迫切需要解决的关键技术问题。空间光学、惯性约束核聚变、高功率激光、微光学、极紫外光刻、超大规模集成电路等光学前沿和电子工业领域大量应用大口径超光滑表面元件,因此都需要对元件的表面质量进行严格的控制——要求检测出几百毫米口径表面上随机孤立分布、形状尺寸各异的缺陷,检测分辨率达亚微米量级。目前国内外采用目视法、滤波成像法、角谱分析法等对表面缺陷进行检测,但大多只是原理性方案,由于视场受限、难以定量等技术障碍而无法建立高效、自动化的检测分析设备。而作为一种有效的表面缺陷检测手段,基于光在表面缺陷产生散射效应的检测技术可以实现亚微米量级的检测精度,并具有很好的仪器化实现前景。然而,现有表面散射研究多侧重于缺陷对电磁场的调制和损伤机制,而缺陷散射检测的理论体系尚不完备,仍有很多基础性问题和关键技术需要进行更深入的研究。本论文主要研究的是精密表面缺陷检测散射成像技术和系统、基于有限时域差分算法的表面缺陷散射成像理论研究、基于显微散射暗场成像的精密表面缺陷检测系统原理与方案、系统视觉模块误差分析与系统标定与畸变校正技术、基于多维参数的缺陷逆向识别算法研究等。该研究对于实现精密表面缺陷散射成像检测技术具有重要的意义。主要研究内容包括：论述了精密表面缺陷检测技术在现代光学检测及光学加工领域的重要应用意义。比对了精密表面缺陷国际标准、美国标准和中国标准,指出了现行标准的局限性；综合国内外精密表面缺陷检测、特别是基于散射机制的精密表面缺陷检测技术研究进展情况,提出了研究客观、快速、自动化检测精密表面缺陷检测系统及标准的必要性。介绍了基于显微散射暗场成像的精密表面缺陷检测原理及初步方案。并结合实际待检缺陷应用要求,重点分析系统基于显微暗场成像原理的机器视觉模块实现中的关键参数,详细论述了高低双倍率优化扫描检测方案、子图像快速拼接技术和缺陷数字化高精度快速定标技术,并对上述方案和技术的要求及现实依据进行了说明与讨论。基于有限时域差分算法的矢量衍射理论,建立了表面缺陷散射电磁及成像模型,利用表面散射理论机理研究分析了惯性约束核聚变系统中缺陷的影响。仿真研究了宽光谱白光斜入射条件,研究了远场散射成像计算方法,分析了光源入射及像面探测器接收角度、缺陷截面形状、缺陷宽度深度对散射成像造成的影响,进而为系统散射成像过程的分析、缺分析了系统机器视觉模块中存在的畸变对缺陷特征提取造成的检测误差,建立了显微散射暗场成像系统标定数学模型,提出了一种适用于高分辨率精密测量系统的标定及畸变校正方法,设计了可使用电子束曝光、离子束刻蚀工艺制作的畸变校正标准图案板,并介绍了利用标准图案板求解内部参数的系统标定方法,给出了详细标定流程及畸变校正评价方法,形成了完善的理论体系和技术方法。提出了通过将系统实际成像情况与散射成像仿真进行匹配而实现对缺陷进行检测的原理；该原理能够解决散射暗场成像中由衍射造成的宽度识别误差,并能够通过单帧暗场图像实现对缺陷三维信息的精确快速检测。同时利用表面散射电磁模型建立了微观缺陷电磁仿真数据库,并研究了显微散射成像过程,重点分析了实际散射成像过程中的点扩散函数和相关度判别原理。仿真分析了对缺陷宽度和深度的逆向识别过程,为缺陷识别奠定了理论基础。该技术对基于显微散射暗场成像的精密表面缺陷检测技术进行了延伸与完善。建立了基于显微散射暗场成像的精密表面缺陷检测系统,使用系统标定及畸变校正方法对系统的内部参数进行了标定实验,并分析了标定精度和畸变误差,标定精度可以控制在1个像素以内,视场边缘相对畸变量从标定前的4%减小到标定后的不到0.1%；同时对缺陷标准板上的缺陷样本分别进行了宽度和深度逆向识别实验,将识别结果与SEM和台阶仪进行比较；识别实验得出了衍射增宽缺陷的正确宽度,并给出了缺陷的参考深度值,检测精度优于100nm,达到了预期的实验结果,进而对所提出的检测技术、系统进行了原理性实验论证。总结了本文所开展的相关工作,并对下一步研究方向进行了展望并提出了相关的建议。分析了系统机器视觉模块中存在的畸变对缺陷特征提取造成的检测误差,建立了显微散射暗场成像系统标定数学模型,提出了一种适用于高分辨率精密测量系统的标定及畸变校正方法,设计了可使用电子束曝光、离子束刻蚀工艺制作的畸变校正标准图案板,并介绍了利用标准图案板求解内部参数的系统标定方法,给出了详细标定流程及畸变校正评价方法,形成了完善的理论体系和技术方法。提出了通过将系统实际成像情况与散射成像仿真进行匹配而实现对缺陷进行检测的原理；该原理能够解决散射暗场成像中由衍射造成的宽度识别误差,并能够通过单帧暗场图像实现对缺陷三维信息的精确快速检测。同时利用表面散射电磁模型建立了微观缺陷电磁仿真数据库,并研究了显微散射成像过程,重点分析了实际散射成像过程中的点扩散函数和相关度判别原理。仿真分析了对缺陷宽度和深度的逆向识别过程,为缺陷识别奠定了理论基础。该技术对基于显微散射暗场成像的精密表面缺陷检测技术进行了延伸与完善。建立了基于显微散射暗场成像的精密表面缺陷检测系统,使用系统标定及畸变校正方法对系统的内部参数进行了标定实验,并分析了标定精度和畸变误差,标定精度可以控制在1个像素以内,视场边缘相对畸变量从标定前的4%减小到标定后的不到0.1%；同时对缺陷标准板上的缺陷样本分别进行了宽度和深度逆向识别实验,将识别结果与SEM和台阶仪进行比较；识别实验得出了衍射增宽缺陷的正确宽度,并给出了缺陷的参考深度值,检测精度优于100nm,达到了预期的实验结果,进而对所提出的检测技术、系统进行了原理性实验论证。总结了本文所开展的相关工作,并对下一步研究方向进行了展望并提出了相关的建议。陷多维参数的识别提供直接的参考依据。

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本文关键词：精密表面缺陷检测散射成像理论建模及系统分析研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：213330

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