本文關(guān)鍵詞：基于中介層散射原理的共焦顯微測量技術(shù)及理論研究

  更多相關(guān)文章： 共焦顯微技術(shù) 中介層散射 高曲率 物理氣相沉積 共焦峰值定位

【摘要】：隨著超精密加工工藝水平的不斷提升,元件表面的加工精度不斷提高,復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)和宏觀自由曲面的加工技術(shù)逐漸成熟,同時對相應(yīng)的測量技術(shù)也提出了需求。針對高曲率及大傾角表面的形狀測量,現(xiàn)有基于光學(xué)子孔徑拼接技術(shù)和機(jī)械掃描技術(shù)的測量方法由于引入更多的掃描和運(yùn)動自由度,不僅使儀器成本急劇增加,而且系統(tǒng)精度難以進(jìn)一步提高,無法實現(xiàn)對此類元件形狀特征的精密測量。另外,由于微觀高曲率及大傾角表面元件局部結(jié)構(gòu)對探測光的遮擋,即使引入多維機(jī)械掃描也難以測得此類樣品的局部形狀。高曲率及大傾角表面的光學(xué)成像與測量成為目前計量領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性和亟待解決的難題之一。本課題通過研究高曲率及大傾角元件在明場共焦成像模式下測量分辨率降低以至無法觀測的原因,提出了基于中介層散射原理的高曲率及大傾角表面共焦形狀測量方法,同時針對軸向峰值定位這一共焦測量技術(shù)的共性問題開展了深入分析。主要內(nèi)容如下:(1)基于線性光學(xué)成像原理及共焦成像理論,對高曲率及大傾角表面的共焦顯微成像機(jī)理進(jìn)行研究,分析了成像系統(tǒng)有限收集孔徑對信號光收集能力不足而導(dǎo)致的理論分辨率下降和信噪比降低的問題,并在共焦軸向響應(yīng)和傳遞函數(shù)兩個方面對光滑傾斜樣品的共焦成像能力進(jìn)行分析。(2)針對傳統(tǒng)基于反射和衍射原理形狀測量方法中,高曲率及大傾角表面鏡面反射產(chǎn)生的信號光中心法線偏轉(zhuǎn)而引起的信號光有效收集孔徑減小,甚至無法被收集的問題,開展了基于中介層散射原理的高曲率及大傾角表面共焦形狀測量方法研究。利用物理氣相沉積技術(shù),在樣品表面沉積一層易去除的納米級厚度的中介層,構(gòu)建了一個各向同性散射表面,避免了由于樣品表面鏡面反射導(dǎo)致信號光中心法線偏轉(zhuǎn)的問題。載有樣品表面位置信息的散射信號總能充滿成像光瞳,不隨表面傾斜角度變化而變化,解決了大傾角表面測量分辨率降低甚至不可測的問題。在數(shù)值孔徑NA=0.75下對光滑傾斜曲面的探測能力達(dá)到88.4°,曲面可探測角度超過傳統(tǒng)反射成像方法理論極限的82%。同時,利用中介層共焦響應(yīng)同時產(chǎn)生軸向峰值位置移動和包絡(luò)展寬的卷積特性,進(jìn)行中介層厚度誤差校正,解決了基于中介層散射共焦形狀測量的理論嚴(yán)密性問題。(3)針對軸向響應(yīng)峰值定位這一共焦顯微儀器的共性核心問題,分析了高數(shù)值孔徑下共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)特性,建立了共焦系統(tǒng)sinc2軸向響應(yīng)模型,將sinc2模型的適用范圍從低數(shù)值孔徑情況下推廣至高數(shù)值孔徑,并提出了基于sinc2函數(shù)擬合的共焦軸向響應(yīng)峰值定位方法,sinc2擬合方法比高斯模型具有更高的擬合精度與效率。標(biāo)準(zhǔn)臺階高度測量實驗證明,sinc2擬合方法平均擬合時間比高斯擬合方法縮短21.3%。(4)開展中介層散射共焦測量儀器集成研究,為高曲率及大傾角樣品提供成像及面形測量手段。闡述了中介層散射共焦測量系統(tǒng)及儀器集成的核心技術(shù),并集成了中介層散射共焦測量儀器裝置,包括激光照明模塊、光束掃描模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和寬場成像模塊等,對典型高曲率及大傾角樣品進(jìn)行了面型測量,并對熒光染色生物樣品進(jìn)行了掃描成像及三維輪廓檢測等。
【關(guān)鍵詞】：共焦顯微技術(shù) 中介層散射 高曲率 物理氣相沉積 共焦峰值定位
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TH742
【目錄】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-12
• 第1章 緒論12-29
• 1.1 課題背景及研究的目的和意義12-13
• 1.2 光學(xué)顯微面形測量技術(shù)13-22
• 1.2.1 相移干涉顯微技術(shù)13-15
• 1.2.2 白光干涉顯微技術(shù)15-17
• 1.2.3 共焦顯微技術(shù)17-20
• 1.2.4 結(jié)構(gòu)光照明層析顯微技術(shù)20-22
• 1.3 高曲率及大傾角表面面形測量方法22-26
• 1.3.1 掃描拼接測量法23-24
• 1.3.2 熒光液浸入式測量方法24-26
• 1.4 本課題所涉及的科學(xué)問題26-27
• 1.5 本文的主要研究內(nèi)容27-29
• 第2章 反射式明場共焦顯微成像機(jī)理29-48
• 2.1 引言29
• 2.2 明場共焦顯微技術(shù)的成像機(jī)理29-39
• 2.2.1 單透鏡衍射成像29-34
• 2.2.2 相干共焦掃描成像機(jī)理34-37
• 2.2.3 相干共焦成像系統(tǒng)傳遞函數(shù)分析37-39
• 2.3 高曲率及大傾角表面成像性能分析39-46
• 2.3.1 傾斜表面軸向響應(yīng)分析39-44
• 2.3.2 傳遞函數(shù)分析44-46
• 2.4 本章小結(jié)46-48
• 第3章 中介層散射共焦顯微形狀測量方法48-67
• 3.1 引言48
• 3.2 熒光中介層沉積48-52
• 3.2.1 熒光中介層沉積率分析50-51
• 3.2.2 熒光中介層沉積均勻性分析51-52
• 3.3 中介層散射共焦顯微成像原理52-55
• 3.4 明場共焦與熒光共焦成像特性比較55-59
• 3.5 中介層厚度不均誤差分析與校正59-65
• 3.6 本章小結(jié)65-67
• 第4章 共焦表面位置定位算法67-82
• 4.1 引言67
• 4.2 峰值定位質(zhì)心算法67-69
• 4.3 峰值定位非線性擬合算法69-74
• 4.4 零點提取線性擬合算法74-76
• 4.5 共焦峰值位置精度的MONTE-CARLO分析76-81
• 4.6 本章小結(jié)81-82
• 第5章 中介層散射共焦儀器集成及實驗82-103
• 5.1 引言82
• 5.2 光滑銦球陣列測量實驗82-86
• 5.2.1 樣品制備82-84
• 5.2.2 樣品測量84-86
• 5.2.3 中介層去除86
• 5.3 熒光中介層臺階測量實驗86-91
• 5.3.1 沉積均勻性實驗86-88
• 5.3.2 透明基底熒光中介層臺階測量88-90
• 5.3.3 反射基底熒光中介層臺階測量90-91
• 5.4 中介層散射共焦儀器集成研究91-102
• 5.4.1 共焦顯微鏡探測光路實現(xiàn)92-94
• 5.4.2 共焦顯微鏡三維掃描實現(xiàn)94-95
• 5.4.3 實驗裝置95-97
• 5.4.4 柱面微透鏡陣列測量實驗97-98
• 5.4.5 花粉測量實驗98-100
• 5.4.6 光柵測量實驗100-102
• 5.5 本章小結(jié)102-103
• 結(jié)論103-105
• 參考文獻(xiàn)105-113
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其它成果113-116
• 致謝116-117
• 個人簡歷117

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