高分辨率微分移相干涉显微测量系统的研究

摘要

移相干涉显微系统在表面形貌测量领域具有诸多突出的优点,如系统结构简单,抗环境干扰能力强,可实现三维非接触定量测量,分辨率高等。因而被广泛应用在各大领域微细加工表面形貌的测量。
　　以往在移相干涉测量中,常用激光器作为照明光源,因为激光的方向性好,相干长度长,使系统具有较高的分辨率和较大的测量范围。但正因为激光过强的相干性,被各光学元件中的缺陷,杂质,甚至空气中的尘埃散射的杂散光仍具有一定的相干性,在接收屏上会发生干涉,形成相干噪声或散斑噪声,这些噪声很难用算法去除,严重影响了系统的测量精度。
　　本论文基于弱相干光源(LED)照明,搭建起了微分移相干涉显微测量系统。LED发射的光束经准直和滤波,相干性得到一定改善,由此获得的部分相干光不仅可以满足干涉测量的条件,而且被散射的杂散光不会产生干涉,很好地抑制了相干噪声及散斑噪声,提高了系统的测量精度。
　　本系统对多种样品进行测量,验证了改良方案的可行性。首先对已知平整度的蓝宝石基片进行测量,测量值与实际值符合的很好,表明系统具有很高的分辨率;其次对硬盘表面上规则排布着棒状结构的区域进行测量,结果显示,系统具有很强的表面形貌重构能力,对硬盘其他平滑区域进行测量,结果表明被测区域的粗糙度为2nm左右,这说明本系统可以实现对纳米量级高平滑表面的测量;最后对铝质金属板表面进行测量,得到其表面起伏度为亚微米量级,理论上本系统可测量的最大起伏度为微米量级,所以,此系统适用于微纳表面形貌的测量。为了验证系统的可靠性,考察了系统的重复测量精度,结果显示系统的重复测量精度为亚纳米量级。

目录

高分辨率微分移相干涉显微测量系统的研究

RESEARCH OF HIGH-RESOLUTION MEASURING SYSTEM BASED ON DIFFERENTIAL PHASE-SHIFTING INTERFERENCE MICROSCOPY

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 课题背景及研究意义

1.2 表面相貌测量技术的发展现状

1.3 本论文主要研究内容

第2章 基于弱相干理论构建移相干涉显微系统

2.1 引言

2.2 光学系统设计

2.3 干涉成像系统设计

2.4 照明系统设计

2.5 系统的光路结构

2.6 本章小结

第3章 弱相干光信息处理算法

3.1 引言

3.2 干涉图的噪声预处理

3.3 相位测量算法

3.4 恢复表面形貌算法

3.5 GUI设计

3.6 本章小结

第4章 实验结果与误差分析

4.1 引言

4.2 实验结果

4.3 系统测量性能分析

4.4 系统误差分析

4.5 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

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致谢