基于空间平移变换的数字差动共焦三维显微测量技术研究

摘要

差动共焦显微测量技术是一种应用于微纳米尺度三维微结构样品的光学显微测量技术。因其具有轴向分辨力高、线性测量范围大和无损快速测量等优点，被广泛应用于微电子器件、微光机电系统和大口径微结构器件等领域的测量。但是该技术目前仍然存在以下三个问题：双点探测器严格对称装配难度大、轴向与横向最佳分辨力获取位置不一致和固定不变的差动平移量无法匹配不同物镜切换需求。上述问题成为了该技术进一步提高可靠性、准确性和通用性的瓶颈。
　　针对以上问题，本课题“基于空间平移变换的数字差动共焦三维显微测量技术研究”提出了数字差动共焦三维显微测量方法，该方法将单一探测器收集的三维数字离散化光强矩阵，进行轴向空间平移变换，构造两组含有差动平移量调制信息的数字差动共焦光强矩阵，进而获得了与传统差动共焦系统双探测器物理离焦等价的探测效应；同时得到了自动控制的数字差动平移量，其与传统物理差动平移量具有等价替换效应，并提出了匹配不同物镜切换的最佳数字差动平移量计算模型，从而能够有效克服传统差动共焦的上述缺点。
　　本课题主要研究内容如下：
　　首先，针对传统差动共焦成像原理需要使用双点探测器实现，但其难以严格对称安装的问题，开展了使用单探测器完成探测的数字差动共焦成像机理研究。通过单一点探测器获取三维数字离散化光强矩阵，继而根据空间平移变换理论对测量矩阵进行数字差动平移，实现了等价于传统差动共焦双点探测器获取探测数据的探测效应，从而为易装配、高可靠性的新型三维微结构测量技术的发展提供新的技术途径。
　　其次，针对传统差动共焦技术中轴向与横向最佳分辨力获取位置不一致以及固定不变的差动平移量无法匹配不同物镜切换需求的两个问题，开展了基于空间平移变换理论的数字差动共焦传感特性研究。通过建立单一准焦点探测器代替双离焦点探测器的测量模型，实现了兼顾轴向与横向最佳分辨力获取位置的测量传感特性；通过建立最佳数字差动平移量评估计算模型，利用数字差动平移量与传统物理差动平移量具有等价替换效应，实现了满足不同数值孔径物镜所需差动平移量之间的数字化切换方法，研究结果表明，对英国国家物理实验室提供的ACG0.5型标准台阶样品，分别使用NA=0.4、0.55和0.9三种不同数值孔径物镜进行测试，测量结果与标称值相比偏差均小于6nm，不确定度均小于20nm（k=2）。
　　最后，开展了数字差动共焦关键技术与实验分析研究，通过将数字差动共焦原理进行硬件集成，以及数字差动共焦测量数据处理方法进行软件描述，完成了数字差动共焦测量技术的工程样机；通过对数字差动共焦工程样机测试过程及输出结果的分析，给出了测试数字差动共焦设备技术性能的技术途径，对英国国家物理实验室提供的ACG2.1型标准台阶样品（标称高度2049±4nm，k=2）进行测试，在中心截面的测量结果为：2043±14nm,k=2；用ASP2.0型星标靶样品对样机进行横向分辨力测试，结果表明样机的横向测量分辨力为699nm。

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第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究的目的和意义

1.2 国内外三维微结构样品显微测量技术的研究现状

1.3 国内外共焦显微技术发展历程及研究现状

1.4 差动共焦显微测量技术发展历程及研究现状

1.5 本领域存在的科学问题

1.6 课题来源及主要研究内容

第2章 空间平移变换数字差动共焦成像机理研究

2.1 引言

2.2 数字差动共焦成像系统组成结构

2.3 基于亥姆霍兹方程的照明物体散射场传播模型

2.4 基于夫琅禾费近似的远场成像传播模型

2.5 数字差动共焦成像系统的空间平移变换性质

2.6 本章小结

第3章 空间平移变换数字差动共焦传感特性分析

3.1 引言

3.2 数字差动共焦传感模式分类与获取步骤

3.3 不同数值孔径物镜差动平移量最佳匹配的传感特性分析

3.4 轴向与横向最佳分辨力获取位置一致的传感特性分析

3.5 光电噪声抑制的传感特性分析

3.6 数字差动共焦系统和传统共焦系统传感特性对比分析

3.7 数字差动共焦系统和传统差动共焦系统传感特性对比分析

3.8 本章小结

第4章 数字差动共焦显微测量系统研制

4.1 引言

4.2 数字差动共焦三维微结构测量仪总体设计

4.3 数字差动共焦测量仪传感测头关键技术研究

4.4 数字差动共焦软件算法流程关键技术研究

4.5 数字差动共焦测量系统集成

4.6 本章小结

第5章 实验结果与误差分析

5.1 引言

5.2 数字差动共焦系统最佳数字差动平移量匹配理论验证实验

5.3 数字差动共焦系统轴向测量结果不确定度分析

5.4 数字差动共焦测量系统横向测量结果分辨力评估实验

5.5 数字差动共焦系统不同数值孔径物镜匹配实验

5.6 数字差动共焦系统与传统差动共焦系统传感特性对比实验

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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