發(fā)布時間：2021-07-06 18:20

　　顯微三維表面形貌測量技術(shù)在機械加工、納米技術(shù)和生物醫(yī)學(xué)等研究領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用,目前主流的技術(shù)包括掃描白光干涉顯微鏡、反射式共聚焦顯微鏡、數(shù)字全息顯微鏡和光切片結(jié)構(gòu)光照明顯微鏡等。其中光切片結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)可對樣品的三維表面形貌進行測量,具有高速、全彩、高分辨等優(yōu)點。然而,與所有采用落射式照明的三維顯微成像系統(tǒng)一樣,結(jié)構(gòu)光照明顯微系統(tǒng)能夠收集的來自物體表面的反射光的角度范圍受物鏡數(shù)值孔徑（Numerical Aperture,NA）的限制。在對大傾角物體成像時,物體表面的反射光無法被物鏡收集,從而造成了成像結(jié)果中信息丟失的問題。本文將基于多視角測量,解決結(jié)構(gòu)光照明顯微對大傾角物體成像時的信息丟失問題。主要研究內(nèi)容如下:1.提出了一種基于多視角融合的光切片結(jié)構(gòu)光照明顯微成像方法。傳統(tǒng)的光切片結(jié)構(gòu)光照明顯微系統(tǒng)受物鏡NA的限制,無法收集表面大斜率物體的反射光,因此會在圖像中產(chǎn)生信息丟失的問題。本文通過對樣品進行三維旋轉(zhuǎn),采集樣品在不同方向的光切片圖像,并利用多角度融合算法補全單一角度圖像中的丟失信息,最終可獲得完整的樣品三維形態(tài)與表面形貌。該方法解決了大傾角物體表面形貌測量時的信息... 

【文章來源】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所)陜西省

【文章頁數(shù)】：65 頁

【學(xué)位級別】：碩士

【部分圖文】：

白光干涉光強與光程差的關(guān)系

第1章緒論3廣泛的掃描白光干涉測量光路結(jié)構(gòu)，如圖1.2（c）所示[11]。該系統(tǒng)采用科勒照明的方式，將白光LED成像到物鏡的光瞳面，通過孔徑光闌和視場光闌處的調(diào)節(jié)，控制照明光場的大小和孔徑。白光經(jīng)過透鏡后打在分光鏡上經(jīng)過反射進入Mirau物鏡，光束在Mirau物鏡的分光板上透射和反射，反射光打在參考板上再反射至分光板，透射光打在待測樣品表面反射回分光板，兩路光發(fā)生干涉，干涉圖像最終被相機采集。此方式中發(fā)生干涉的參考光與測量光基本共路，抗干擾能力強，有利于提升測量穩(wěn)定性。利用壓電陶瓷控制參考鏡在垂直方向移動來改變參考光路與測量光路的光程差，垂直移動的過程中，相機采集到一系列的干涉圖樣，通過確定零級條紋的位置來得到待測樣品相應(yīng)的高度信息。圖1.2不同類型的白光掃描干涉系統(tǒng)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.確定零級條紋的位置是掃描白光干涉測量的關(guān)鍵技術(shù)，然而，背景噪聲、光源光譜寬度等都會影響零級條紋的定位精度。研究者提出了很多確定零級條紋位置的算法，包括重心算法、相移算法、空間頻域算法和互相關(guān)算法等[12]。理想的白光干涉信號以零光程差點左右對稱，計算出對稱點即信號的重心就得到了零光程差點的位置，該方法即為重心法[13]。該算法計算簡單，運算速度較快，但要求被處理的信號對稱，精度不高。相移算法[14,15]在干涉測量的信號處理中應(yīng)用非常

的相移法有三步法、四步法、Carre法和七步法等。以七步法為例，該算法前提是假定干涉信號在七步掃描距離內(nèi)是線性變化的，對光源的中心波長和采樣值要求精度高，結(jié)果受噪聲影響較大�？臻g頻域算法[16,17]通過快速傅里葉變換對白光干涉信號在頻域做分解，得到不同頻率對應(yīng)的相位值，即波數(shù)和相位的關(guān)系，從而得到零光程差的位置。該算法精度高，采樣間隔不需要特定數(shù)值，是白光干涉信號處理算法中較好的一種�；ハ嚓P(guān)算法[12]的適用性與掃描步長成比例，掃描步長越小，測試的準(zhǔn)確性更高，該算法的最大優(yōu)點是其抗噪性好。圖1.3三維表面形貌測量結(jié)果。（a）MEMs晶片表面三維形貌[16]；（b）30CrMnSiA韌窩斷口表面三維形貌[15]。Figure1.33Dsurfacetopographymeasurements.(a)3DimageofMEMSwafer.(b)3Dimageof30CrMnSiAdimplefracturesurface.為了進一步提升掃描白光干涉法的測量精度以及穩(wěn)定性，國內(nèi)外研究者一直在不斷努力，使白光掃描干涉技術(shù)在金屬、半導(dǎo)體等領(lǐng)域的表面形貌測量中發(fā)揮重要的作用。國外已經(jīng)有很成熟的商業(yè)化產(chǎn)品研發(fā)公司，如ZYGO公司和Taylor-Hobson公司等，其中白光干涉儀ZYGONewView7300采用Mirau型雙光束干涉光路，通過微位移控制器控制Mirau物鏡，實現(xiàn)軸向掃描，得到微觀表面形貌。新加坡國立大學(xué)Ma等人[18]使用三通道彩色CCD來記錄白光干涉圖，并提出了一種基于最小二乘估計的輪廓測量方法，該方法使用RGB（Red，Green，Blue）三個通道的相位信息，通過窗口傅里葉變換算法提取相位值，還提出了基于相位交叉技術(shù)的評估函數(shù)，以確定白光干涉圖像的零級條紋位置，通過此方法重建了微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-MechanicalSystem，MEMS）器件的微觀表面三維形貌，如圖1.3（a）所示。Kassamakov等人設(shè)計搭建了一套白光干涉

【參考文獻】：
期刊論文
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