發(fā)布時(shí)間：2020-08-06 15:56

【摘要】：隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展,隨著超精密制造技術(shù)的不斷更新進(jìn)步,微納技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技最重要的發(fā)展方向之一,是尖端科技的代表。各種微納器件在極端裝備制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、量子通信等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用,對(duì)各領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。微納制造技術(shù)水平,已成為衡量一個(gè)國(guó)家科技水平的重要標(biāo)志。測(cè)量,作為制造技術(shù)的重要手段之一,是加工精度的重要保證,要實(shí)現(xiàn)超高精度的微納器件加工,必須建立與之相對(duì)應(yīng)的高精度檢測(cè)方法。微納器件為實(shí)現(xiàn)更高的信息容量,不斷向高分辨力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展。其分辨力已由微米發(fā)展至納米量級(jí),結(jié)構(gòu)也由最開始的二維平面發(fā)展至三維立體結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測(cè)方法根據(jù)測(cè)量原理,可分為非光學(xué)檢測(cè)與光學(xué)檢測(cè)兩類。非光學(xué)類通常具有極高的測(cè)量分辨力,但采用掃描式探測(cè)方式,導(dǎo)致了測(cè)量速度慢、可能劃傷被測(cè)表面等諸多問題。光學(xué)測(cè)量手段具有非接觸、非破壞、測(cè)量速度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。其中,白光顯微干涉技術(shù),利用寬光譜低相干性,實(shí)現(xiàn)對(duì)微納器件三維形貌的高精度檢測(cè),具有大測(cè)量范圍、高分辨力、非接觸檢測(cè)等優(yōu)勢(shì),從而在微納結(jié)構(gòu)檢測(cè)領(lǐng)域獨(dú)樹一幟。白光顯微干涉術(shù)的出現(xiàn),為超精密檢測(cè)技術(shù)帶來(lái)了巨大進(jìn)步,被認(rèn)為是一種非常有前途的微納結(jié)構(gòu)形貌測(cè)量技術(shù),受到了國(guó)內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。白光顯微干涉技術(shù)近來(lái)發(fā)展十分迅速,但仍然存在一些急需解決的問題,比如:(1)受系統(tǒng)光源光強(qiáng)不穩(wěn)定、外界環(huán)境光和外界振動(dòng)噪聲的影響,導(dǎo)致檢測(cè)精度下降,穩(wěn)定性不足;(2)檢測(cè)精度受限于掃描機(jī)構(gòu)的位移精度,檢測(cè)量程受限于壓電陶瓷器件的短行程,研發(fā)成本較高,也在一定程度上限制了該方法的使用;(3)檢測(cè)橫向分辨率不足,雖然其縱向分辨率不斷提高,但其橫向分辨率受限于光波衍射效應(yīng)。有限的物鏡數(shù)值孔徑使橫向分辨率最高僅為200 nm左右,而該成像分辨率已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們對(duì)微納世界進(jìn)行探索的需求。如何突破衍射極限,提高測(cè)量橫向分辨率,實(shí)現(xiàn)三維超分辨檢測(cè),也成為急需解決的問題。本文基于白光顯微干涉技術(shù)重建三維形貌算法,首先分析了寬光譜干涉的理論分布模型,提出了基于時(shí)域調(diào)制度的檢測(cè)算法,改變現(xiàn)有技術(shù)將單個(gè)像素點(diǎn)孤立處理的現(xiàn)狀,利用單幀干涉圖中像素點(diǎn)與像素點(diǎn)之間的信息關(guān)系,充分利用時(shí)域、空域的寬光譜干涉信息來(lái)重建物體三維形貌信息,可增強(qiáng)檢測(cè)穩(wěn)定性和檢測(cè)精度。進(jìn)而提出基于時(shí)域調(diào)制度判斷的縱向相位拼接算法,通過判斷干涉調(diào)制度數(shù)值,對(duì)有效像素點(diǎn)進(jìn)行連續(xù)相位解析,通過縱向相位拼接恢復(fù)表面三維形貌。基于該方法的系統(tǒng)用步進(jìn)電機(jī)替代壓電陶瓷掃描,通過外觸發(fā)相機(jī)高速實(shí)時(shí)采圖。結(jié)果證明該方法可以有效消除掃描步距不準(zhǔn)引入的檢測(cè)誤差,同時(shí)擴(kuò)大檢測(cè)高度范圍,提高檢測(cè)效率。為了提高橫向檢測(cè)分辨率,我們引入介質(zhì)微球?qū)崿F(xiàn)可見光寬波段超分辨成像,分析了介質(zhì)微球相關(guān)系統(tǒng)參數(shù),如尺寸大小、折射率、媒介的折射率、照明方式、浸沒深度等對(duì)成像的影響,驗(yàn)證了通過暗場(chǎng)顯微模式、部分浸沒等方法來(lái)提高成像質(zhì)量。最后結(jié)合白光顯微干涉與介質(zhì)微球技術(shù),實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的三維超分辨檢測(cè)。本文主要研究分析了基于白光顯微干涉技術(shù)檢測(cè)尚存在的一些問題和挑戰(zhàn),提出了相應(yīng)解決方法,旨在提高系統(tǒng)檢測(cè)穩(wěn)定性、檢測(cè)精度、檢測(cè)效率和檢測(cè)橫向分辨率,為該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用提供了思路和基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TP391.41;O436.1

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本文編號(hào)：2782634