同步移相干涉共焦显微成像技术研究

摘要

随着微电子、微系统、微光学等技术的发展，针对微米、亚微米尺度微结构进行三维精密测量的技术需求日益迫切。在现有各项微结构三维测量技术中共焦扫描显微测量技术以其独特的光学层析能力与高横向分辨力特性，引起了广泛的关注。然而共焦扫描显微测量技术应用于微结构的三维测量仍存在以下几点问题：1）传统共焦显微测量技术中存在高轴向分辨力与长工作距离之间的矛盾；2）现有共焦线性区扫描与差动共焦线性区扫描测量方法无法克服由样品反射率变化引入的影响，限制了其对混合材质元件及表面反射率变化剧烈元件的测量应用；3）共焦显微成像理论体系中缺乏对实际应用广泛的无限距共焦成像系统的详细分析。上述三个问题已经成为制约共焦扫描显微测量技术在微结构三维精密测量领域应用的主要技术瓶颈。
　　本课题“同步移相干涉共焦显微成像技术研究”针对上述问题开展了理论建模、特性分析和实验研究，力图为微结构三维形貌测量提供一种兼顾高分辨力、长工作距离和宽适用性的共焦扫描显微测量技术，同时为无限距共焦显微成像系统建立原理模型。本文的研究成果进一步完善了共焦显微成像理论体系，为无限距共焦及无限距干涉共焦系统应用奠定了理论基础，为共焦扫描显微测量技术实用化提供了技术储备，在微电子、微系统、微光学等领域有着广阔的应用前景。
　　本文完成的主要创新性工作如下：
　　1.提出了一种同步移相干涉共焦显微测量方法。首先利用差动共焦的双极性特点判断干涉相位主周期位置，然后在该主周期内利用相位求解离焦量，通过同步移相干涉与差动共焦的结合突破了测量物镜数值孔径 NA对轴向分辨力的限制，在提高轴向分辨力的同时有效增大了工作距离，同时克服了样品表面反射率变化对测量的影响。
　　2.建立了无限距共焦显微成像系统理论模型。该模型基于标量衍射理论与傅立叶光学理论描述了共焦显微与干涉共焦成像过程，指出干涉共焦相移比普通共焦强度响应对点探测器偏移敏感，单模光纤点探测器横移会导致轴向响应曲线峰值点位置平移但并不改变曲线形貌，干涉共焦理论横向分辨力是普通明场显微成像的1.12倍。
　　最后，对本课题研究的相关内容进行了实验验证。首先对提出的同步移相干涉共焦显微测量技术进行了实验验证，实验结果表明：
　　1.在测量物镜NA不同情况下，同步移相干涉共焦有效轴向分辨力均可达到1nm；
　　2.且在测量物镜NA=0.25、收集物镜NA=0.1、光源λ=632.8nm的同等条件下，同时工作距离可达10mm；
　　3.同步移相干涉共焦显微测量方法在被测表面反射率相对差异达到80％时仍能实现有效测量。
　　其次对建立的无限距共焦显微成像理论模型进行了实验验证，实验结果表明：
　　1.随测量物镜NA降低、收集物镜焦距 f减小，共焦轴向响应曲线展宽、系统分辨力降低；
　　2.随光源尺度的增加，共焦轴向响应曲线展宽、分辨力下降，但仍具有层析能力；
　　3.共轭距由20cm增加至100cm时轴向响应半高宽变化小于7%，共轭距离d0对共焦轴向响应基本无影响；
　　4.单模光纤点探测器横移5μm时共焦轴向响应峰值强度下降50%，峰值位置平移2.5μm左右，但归一化曲线形貌基本不变；
　　5.点探测器的横向偏离对干涉共焦相位的影响比对基本共焦轴向强度响应的影响剧烈。

目录

同步移相干涉共焦显微成像技术研究

RESEARCH ON COFOCAL SIMULTANEOUSPHASE-SHIFTING INTERFERENCE IMAGINGMICROSCOPY

摘 要

Abstract

目 录

CONTENTS

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景、目的和意义

1.2 共焦显微技术研究现状

1.3 共焦显微测量技术目前存在的问题

1.4 课题来源及主要研究内容

第2章 无限距共焦显微理论建模及特性分析

2.1 引言

2.2 标量衍射理论基础

2.3 无限距共焦系统成像理论

2.4 无限距共焦成像特性分析

2.5 无限距干涉共焦成像特性分析

2.6 本章小结

第3章 同步移相干涉共焦显微测量方法

3.1 引言

3.2 同步移相干涉基本原理

3.3 同步移相干涉共焦显微测量模型及测量方法

3.4 针孔位移对同步移相干涉共焦特性的影响

3.5 同步移相干涉共焦显微技术特性分析

3.6 本章小结

第4章 同步移相干涉共焦显微测量方法涉及的若干关键技术问题

4.1 引言

4.2 扫描方式对比分析

4.3 光源分析

4.4 物镜分析

4.5 光学系统调试

4.6 数据采集及图像重构

4.7 本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1 引言

5.2 同步移相干涉共焦显微综合测量装置

5.3 同步移相干涉共焦显微技术特性分析实验

5.4 同步移相干涉共焦显微成像技术典型样品测量实验

5.5 无限距共焦显微成像理论模型验证实验

5.6 本章小结

结 论

参考文献

附 录

攻读博士学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

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