抗反射率实时激光差动共焦显微成像方法与技术研究

发布时间：2017-04-30 11:07

  本文关键词：抗反射率实时激光差动共焦显微成像方法与技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：共焦显微术因其具有独特的光学层析能力和卓越的横向分辨力而在微机电、工业精密检测、生物医学和材料工程等领域的基础理论研究和工业应用中有着极其重要的作用。但是现有共焦显微镜存在如下缺点：（1）采用焦点逐层扫描方式，成像效率低；（2）利用轴向响应曲线响应灵敏度最低的峰值探测焦点，轴向分辨力低；（3）易受环境光和光源波动干扰，成像信噪比低。上述缺点使共焦显微镜无法满足在加工原位监测、活生物样品形态学分析和活细胞表面观察等领域日益紧迫的实时快速和高空间分辨力高度轮廓成像需求。因此研究能够实时快速成像且空间分辨力高、成像信噪比好的光学高度轮廓显微成像方法与技术已成为现代精密测试计量领域亟待研究的重大课题。 本课题“激光差动共焦显微成像方法与技术研究”，在研究共焦显微三维成像原理的基础上，提出新的差动共焦显微三维成像原理，研究新型的不受样品反射率影响的、实时差动共焦显微三维成像方法与技术，进而研制抗反射率实时激光差动共焦显微镜。该研究内容可广泛应用于半导体加工、光学超精密加工与检测、生物医学等领域，实现对测试对象的高空间分辨力实时成像与检测，具有重要的理论价值和应用价值。 研究内容源于国家自然科学基金仪器专项“超分辨差动共焦显微镜的研制”（No.60927012）；国家重大科学仪器设备开发项目“激光差动共焦扫描成像与检测仪器研发及应用研究”(No.2011YQ04013601)。本课题主要创新性工作如下： 提出了一种抗样品反射率的实时激光差动共焦显微成像方法，该方法基于差动共焦光路结构，将差动共焦的前、后焦信号的差值除以前、后焦信号这二者的较大值，消除样品反射率对表面轮廓成像影响，提高噪声抑制性能，改善高度阶跃响应，实现对有复杂反射率薄样品的三维表面轮廓实时成像和对有复杂反射率厚样品的三维表面轮廓层析成像；建立了抗反射率实时激光差动共焦显微三维成像理论模型，据此得到了探测器的最优轴向偏移量，依据该模型研究了抗样品反射率实时激光差动共焦显微成像的成像性质，研究表明抗反射率实时激光差动共焦显微成像方法的轴向响应特性不受样品反射率影响、横向响应特性与共焦相似，且具有良好的噪声抑制特性； 基于差动共焦显微成像光路，进一步提出了激光差动共焦边缘轮廓显微探测方法，该方法将差动共焦的前、后焦信号的差值除以该差值的绝对值，实现对样品边缘轮廓的高精度实时扫描探测该方法边缘定位准确，其优点是定位精度为１个横向扫描间隔，不受边缘形状、方向和样品反射率的影响，且具有良好的噪声抑制性； 提出了基于超分辨图像复原的共焦微孔孔径测量方法，该方法采用超分辨复原算法改善共焦光强图像分辨力，建立了准确的微孔边缘判据，实现了对亚微米微孔孔径的快速测量，所得结果与扫描电镜测量结果一致。该方法获得优于80nm的边缘响应，最小可测孔径约0.19μm，测量残差的均方根仅1.4nm。 基于抗反射率实时差动共焦显微成像方法，参与研制了抗反射率实时激光差动共焦显微镜并实现了抗反射率实时激光差动共焦显微三维成像。成像实验表明：抗反射率实时激光差动共焦显微镜轴向分辨力高达2nm且无横向分辨力损失，所得实验结果与原子力显微镜测试结果高度符合。显微镜对在632.8nm波长下光学高度为259.8±5.38nm标准样品HS-500G校准结果为263±22nm，k=2。故抗反射率实时激光差动共焦显微镜具有良好、准确的三维成像性能和测量性能。 综上所述，抗反射率实时差动共焦显微三维成像原理丰富了共焦显微成像理论；抗反射率实时激光差动共焦显微成像方法实现了不受反射率影响的、高空间分辨力、实时表面轮廓成像；抗反射率实时激光差动共焦显微镜具有针对不同样品和不同测量目的的多种成像模式，具有同时实现光学层析和高度轮廓层析的成像能力，是一种具有极大发展潜力和广泛应用前景的新型精密显微成像和测量仪器。
【关键词】：共焦显微术 抗反射实时差动共焦显微三维成像理论 样品反射率抑制 噪声抑制 轴向分辨力 横向分辨力 实时高度轮廓成像 高度轮廓层析成像
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TP391.41;O439
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 绪论12-28
• 1.1 本论文的研究目的和意义12-13
• 1.2 共焦显微成像方法研究现状及其发展趋势13-25
• 1.2.1 共焦显微成像方法13-15
• 1.2.2 非干涉差分共焦显微成像方法15-16
• 1.2.3 差动/三差动共焦显微探测方法16-18
• 1.2.4 分光瞳共焦/差动共焦 theta 显微成像方法18-21
• 1.2.5 彩色共焦显微成像方法21-23
• 1.2.6 多光束并行共焦显微成像方法23-25
• 1.3 现有共焦显微成像方法存在的主要问题25-26
• 1.4 本论文主要研究内容26-28
• 第2章 抗反射率实时激光差动共焦显微三维成像理论研究28-64
• 2.1 引言28
• 2.2 共焦明场反射显微成像理论28-34
• 2.3 抗反射率实时激光差动共焦显微三维成像理论34-43
• 2.3.1 抗反射率实时激光差动共焦显微成像公式36-37
• 2.3.2 抗反射率实时激光差动共焦显微成像性质37-43
• 2.4 探测器轴向偏移量的优化43-46
• 2.4.1 探测器轴向偏移量对光强图像 IA和 IB的影响43-44
• 2.4.2 探测器轴向偏移量对轴向响应的影响44-45
• 2.4.3 探测器最佳轴向偏移量的确定45-46
• 2.5 抗反射率实时激光差动共焦显微成像性能分析46-62
• 2.5.1 轴向响应特性分析46-47
• 2.5.2 横向响应特性分析47-50
• 2.5.3 与现有差动共焦技术的分辨力比较50-52
• 2.5.4 表面结构离焦对横向响应的影响分析52-58
• 2.5.5 反射率抑制性能分析58-59
• 2.5.6 噪声抑制性能分析59-62
• 2.6 本章小结62-64
• 第3章 抗反射率实时激光差动共焦显微成像方法研究64-94
• 3.1 引言64
• 3.2 抗反射率实时激光差动共焦中的光强显微成像方法64-69
• 3.2.1 算数平均值、几何平均值和最小值成像方法64-67
• 3.2.2 过零触发成像方法67-69
• 3.3 抗反射率实时激光差动共焦表面轮廓显微三维成像方法69-78
• 3.3.1 薄样品单层扫描成像方法69-73
• 3.3.2 厚样品多层扫描成像方法73-78
• 3.4 激光差动共焦边缘轮廓显微探测方法78-83
• 3.5 基于超分辨图像复原的微孔孔径测量方法83-92
• 3.6 本章小结92-94
• 第4章 抗反射率实时激光差动共焦显微成像关键技术研究94-118
• 4.1 引言94
• 4.2 抗反射率实时激光差动共焦显微镜设计装调中的关键技术94-104
• 4.2.1 显微镜总体设计94-98
• 4.2.2 探测器针孔物理半径的优化98-102
• 4.2.3 探测器针孔轴向位置的优化102-104
• 4.3 抗反射率实时激光差动共焦显微镜测控系统中的关键技术研究104-110
• 4.4 抗反射率实时激光差动共焦显微镜数据处理中的关键算法研究110-116
• 4.5 本章小结116-118
• 第5章 实验结果及分析118-136
• 5.1 引言118
• 5.2 显微镜系统性能实验118-123
• 5.2.1 系统三维扫描的稳定性测试118-121
• 5.2.2 轴向响应特性测试和轴向传感曲线拟合121-122
• 5.2.3 轴向传感测量准确性和重复性测试122-123
• 5.3 抗反射率实时激光差动共焦显微三维成像实验123-129
• 5.3.1 测试样品 HS-500MG123-125
• 5.3.2 三维成像实验125-129
• 5.4 显微镜校准和不确定度评定129-133
• 5.5 显微镜在光掩膜版测试中的应用133-135
• 5.6 本章小结135-136
• 结论136-140
• 参考文献140-152
• 攻读学位期间发表论文与研究成果清单152-154
• 致谢154-156
• 作者简介156

【参考文献】

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