Linnik型白光显微干涉光谱测量系统与方法研究

摘要

白光干涉光谱技术作为一种新兴的无损、高效、高精度的测量方法在微纳尺度的几何量测试等相关领域得到了愈来愈广泛的应用。白光干涉光谱技术通过光谱仪的处理将传统的对干涉条纹的测量转变为对谱密度函数的测量，通过分析样品干涉光谱特性，得到相应的测量信息，其结合了白光干涉的精度和光谱分析的速度，达到高精度快速测量的目的。而面对传统的Michelson和Mirau干涉结构因工作距离的限制难以测量更为复杂样品的问题，本文提出基于双长工作距离物镜的Linnik结构白光显微干涉光谱测量系统。该结构可以具有较大的工作距离，使系统对于测量环境和复杂样品具有更好的适应性。本文开展的主要工作如下:
　　1.深入了解了微纳几何量检测技术和白光干涉光谱测量技术的基本现状，提出使用Linnik式干涉结构解决对长工作距离的测量需求。
　　2.分析了白光光谱干涉的基本理论。从白光基本干涉特性、条纹可见度分析、显微干涉基本模型分析、光的相干性理论等阐述白光光谱干涉的基本理论，并简要介绍了用白光干涉光谱法测量绝对距离和薄膜厚度的原理。
　　3.设计、搭建和调试了Linnik式白光显微干涉光谱测量系统，其主要包括运动和机械支撑部分、光学显微干涉部分、信号采集和成像部分和软件程序部分。其中程序部分的工作主要包括了硬件设备集成控制设计编程和相关数据处理算法的优化和完善。
　　4.分析研究了系统相位信号，介绍和比较了常用的相位提取算法，分析等效厚度的定义和引起其变化的原因，以及采用波长校正的方法恒定等效厚度值的意义，分析双显微物镜带来的相位畸变及其对测量产生的影响，并通过相关实验提取一定条件下的非线性相位畸变，介绍了基于薄膜非线性相位频率的初值估计理论和局部优化算法。
　　5.完成了系统和环境稳定性测试，通过绝对距离实验说明系统的测量能力和测量精度，并完成对薄膜样品厚度的测量实验，验证了系统消除镜头非线性相位畸变的必要性以及测量系统和方法的可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 微纳米技术现状

1．1．1 超精密加工

1．1．2 薄膜技术

1．2 微纳检测技术

1．2．1 非光学几何量检测

1．2．2 光学几何量检测

1．3 白光干涉光谱测量

1．4 论文主要内容

第二章 白光光谱干涉基本理论

2．1 白光干涉基本原理

2．1．1 白光干涉特性

2．1．2 条纹可见度

2．1．3 基本显微干涉模型

2．2 干涉的相干性理论

2．3 测量绝对距离与薄膜特性

第三章 系统的设计与构建

3．1 系统整体设计

3．2 系统硬件构成

3．2．1 运动和机械支撑部分

3．2．2 光学干涉模块

3．2．3 成像和信号采集部分

3．2．4 系统总体搭建安装

3．3 系统的软件程序

3．3．1 系统硬件控制程序

3．3．2 数据处理软件程序

第四章 白光显微干涉光谱数据处理

4．1 相位提取算法

4．1．1 傅立叶变换

4．1．2 时间相移

4．2 相位提取方法比较

4．2．1 对仿真信号的处理

4．2．2 时间相移步数的选择

4．3 系统非线性相位分析

4．3．1 Michelson结构测量非薄膜结构

4．3．2 Linnik结构测量非薄膜结构

4．3．3 Linnik结构测量薄膜结构

4．4 薄膜初值预估与局部优化算法

4．4．1 基于非线性相位频率的初值预估理论

4．4．2 局部优化算法的选择

第五章 实验结果与分析

5．1 系统稳定性

5．1．1 光源稳定性

5．1．2 温度稳定性

5．2 实验结果分析

5．2．1 绝对距离测量

5．2．2 薄膜厚度测量

第六章 总结与展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢