發(fā)布時間：2017-04-30 11:07

  本文關(guān)鍵詞：抗反射率實時激光差動共焦顯微成像方法與技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：共焦顯微術(shù)因其具有獨特的光學(xué)層析能力和卓越的橫向分辨力而在微機電、工業(yè)精密檢測、生物醫(yī)學(xué)和材料工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)應(yīng)用中有著極其重要的作用。但是現(xiàn)有共焦顯微鏡存在如下缺點：（1）采用焦點逐層掃描方式，成像效率低；（2）利用軸向響應(yīng)曲線響應(yīng)靈敏度最低的峰值探測焦點，軸向分辨力低；（3）易受環(huán)境光和光源波動干擾，成像信噪比低。上述缺點使共焦顯微鏡無法滿足在加工原位監(jiān)測、活生物樣品形態(tài)學(xué)分析和活細胞表面觀察等領(lǐng)域日益緊迫的實時快速和高空間分辨力高度輪廓成像需求。因此研究能夠?qū)崟r快速成像且空間分辨力高、成像信噪比好的光學(xué)高度輪廓顯微成像方法與技術(shù)已成為現(xiàn)代精密測試計量領(lǐng)域亟待研究的重大課題。 本課題“激光差動共焦顯微成像方法與技術(shù)研究”，在研究共焦顯微三維成像原理的基礎(chǔ)上，提出新的差動共焦顯微三維成像原理，研究新型的不受樣品反射率影響的、實時差動共焦顯微三維成像方法與技術(shù)，進而研制抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡。該研究內(nèi)容可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、光學(xué)超精密加工與檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，實現(xiàn)對測試對象的高空間分辨力實時成像與檢測，具有重要的理論價值和應(yīng)用價值。 研究內(nèi)容源于國家自然科學(xué)基金儀器專項“超分辨差動共焦顯微鏡的研制”（No.60927012）；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)項目“激光差動共焦掃描成像與檢測儀器研發(fā)及應(yīng)用研究”(No.2011YQ04013601)。本課題主要創(chuàng)新性工作如下： 提出了一種抗樣品反射率的實時激光差動共焦顯微成像方法，該方法基于差動共焦光路結(jié)構(gòu)，將差動共焦的前、后焦信號的差值除以前、后焦信號這二者的較大值，消除樣品反射率對表面輪廓成像影響，提高噪聲抑制性能，改善高度階躍響應(yīng)，實現(xiàn)對有復(fù)雜反射率薄樣品的三維表面輪廓實時成像和對有復(fù)雜反射率厚樣品的三維表面輪廓層析成像；建立了抗反射率實時激光差動共焦顯微三維成像理論模型，據(jù)此得到了探測器的最優(yōu)軸向偏移量，依據(jù)該模型研究了抗樣品反射率實時激光差動共焦顯微成像的成像性質(zhì)，研究表明抗反射率實時激光差動共焦顯微成像方法的軸向響應(yīng)特性不受樣品反射率影響、橫向響應(yīng)特性與共焦相似，且具有良好的噪聲抑制特性； 基于差動共焦顯微成像光路，進一步提出了激光差動共焦邊緣輪廓顯微探測方法，該方法將差動共焦的前、后焦信號的差值除以該差值的絕對值，實現(xiàn)對樣品邊緣輪廓的高精度實時掃描探測該方法邊緣定位準確，其優(yōu)點是定位精度為１個橫向掃描間隔，不受邊緣形狀、方向和樣品反射率的影響，且具有良好的噪聲抑制性； 提出了基于超分辨圖像復(fù)原的共焦微孔孔徑測量方法，該方法采用超分辨復(fù)原算法改善共焦光強圖像分辨力，建立了準確的微孔邊緣判據(jù)，實現(xiàn)了對亞微米微孔孔徑的快速測量，所得結(jié)果與掃描電鏡測量結(jié)果一致。該方法獲得優(yōu)于80nm的邊緣響應(yīng)，最小可測孔徑約0.19μm，測量殘差的均方根僅1.4nm。 基于抗反射率實時差動共焦顯微成像方法，參與研制了抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡并實現(xiàn)了抗反射率實時激光差動共焦顯微三維成像。成像實驗表明：抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡軸向分辨力高達2nm且無橫向分辨力損失，所得實驗結(jié)果與原子力顯微鏡測試結(jié)果高度符合。顯微鏡對在632.8nm波長下光學(xué)高度為259.8±5.38nm標準樣品HS-500G校準結(jié)果為263±22nm，k=2。故抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡具有良好、準確的三維成像性能和測量性能。 綜上所述，抗反射率實時差動共焦顯微三維成像原理豐富了共焦顯微成像理論；抗反射率實時激光差動共焦顯微成像方法實現(xiàn)了不受反射率影響的、高空間分辨力、實時表面輪廓成像；抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡具有針對不同樣品和不同測量目的的多種成像模式，具有同時實現(xiàn)光學(xué)層析和高度輪廓層析的成像能力，是一種具有極大發(fā)展?jié)摿蛷V泛應(yīng)用前景的新型精密顯微成像和測量儀器。
【關(guān)鍵詞】：共焦顯微術(shù) 抗反射實時差動共焦顯微三維成像理論 樣品反射率抑制 噪聲抑制 軸向分辨力 橫向分辨力 實時高度輪廓成像 高度輪廓層析成像
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TP391.41;O439
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 本論文的研究目的和意義12-13
• 1.2 共焦顯微成像方法研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢13-25
• 1.2.1 共焦顯微成像方法13-15
• 1.2.2 非干涉差分共焦顯微成像方法15-16
• 1.2.3 差動/三差動共焦顯微探測方法16-18
• 1.2.4 分光瞳共焦/差動共焦 theta 顯微成像方法18-21
• 1.2.5 彩色共焦顯微成像方法21-23
• 1.2.6 多光束并行共焦顯微成像方法23-25
• 1.3 現(xiàn)有共焦顯微成像方法存在的主要問題25-26
• 1.4 本論文主要研究內(nèi)容26-28
• 第2章 抗反射率實時激光差動共焦顯微三維成像理論研究28-64
• 2.1 引言28
• 2.2 共焦明場反射顯微成像理論28-34
• 2.3 抗反射率實時激光差動共焦顯微三維成像理論34-43
• 2.3.1 抗反射率實時激光差動共焦顯微成像公式36-37
• 2.3.2 抗反射率實時激光差動共焦顯微成像性質(zhì)37-43
• 2.4 探測器軸向偏移量的優(yōu)化43-46
• 2.4.1 探測器軸向偏移量對光強圖像 IA和 IB的影響43-44
• 2.4.2 探測器軸向偏移量對軸向響應(yīng)的影響44-45
• 2.4.3 探測器最佳軸向偏移量的確定45-46
• 2.5 抗反射率實時激光差動共焦顯微成像性能分析46-62
• 2.5.1 軸向響應(yīng)特性分析46-47
• 2.5.2 橫向響應(yīng)特性分析47-50
• 2.5.3 與現(xiàn)有差動共焦技術(shù)的分辨力比較50-52
• 2.5.4 表面結(jié)構(gòu)離焦對橫向響應(yīng)的影響分析52-58
• 2.5.5 反射率抑制性能分析58-59
• 2.5.6 噪聲抑制性能分析59-62
• 2.6 本章小結(jié)62-64
• 第3章 抗反射率實時激光差動共焦顯微成像方法研究64-94
• 3.1 引言64
• 3.2 抗反射率實時激光差動共焦中的光強顯微成像方法64-69
• 3.2.1 算數(shù)平均值、幾何平均值和最小值成像方法64-67
• 3.2.2 過零觸發(fā)成像方法67-69
• 3.3 抗反射率實時激光差動共焦表面輪廓顯微三維成像方法69-78
• 3.3.1 薄樣品單層掃描成像方法69-73
• 3.3.2 厚樣品多層掃描成像方法73-78
• 3.4 激光差動共焦邊緣輪廓顯微探測方法78-83
• 3.5 基于超分辨圖像復(fù)原的微孔孔徑測量方法83-92
• 3.6 本章小結(jié)92-94
• 第4章 抗反射率實時激光差動共焦顯微成像關(guān)鍵技術(shù)研究94-118
• 4.1 引言94
• 4.2 抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡設(shè)計裝調(diào)中的關(guān)鍵技術(shù)94-104
• 4.2.1 顯微鏡總體設(shè)計94-98
• 4.2.2 探測器針孔物理半徑的優(yōu)化98-102
• 4.2.3 探測器針孔軸向位置的優(yōu)化102-104
• 4.3 抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡測控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究104-110
• 4.4 抗反射率實時激光差動共焦顯微鏡數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵算法研究110-116
• 4.5 本章小結(jié)116-118
• 第5章 實驗結(jié)果及分析118-136
• 5.1 引言118
• 5.2 顯微鏡系統(tǒng)性能實驗118-123
• 5.2.1 系統(tǒng)三維掃描的穩(wěn)定性測試118-121
• 5.2.2 軸向響應(yīng)特性測試和軸向傳感曲線擬合121-122
• 5.2.3 軸向傳感測量準確性和重復(fù)性測試122-123
• 5.3 抗反射率實時激光差動共焦顯微三維成像實驗123-129
• 5.3.1 測試樣品 HS-500MG123-125
• 5.3.2 三維成像實驗125-129
• 5.4 顯微鏡校準和不確定度評定129-133
• 5.5 顯微鏡在光掩膜版測試中的應(yīng)用133-135
• 5.6 本章小結(jié)135-136
• 結(jié)論136-140
• 參考文獻140-152
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單152-154
• 致謝154-156
• 作者簡介156

【參考文獻】

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  本文關(guān)鍵詞：抗反射率實時激光差動共焦顯微成像方法與技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號：336734