基于中介層散射原理的共焦顯微測量技術(shù)及理論研究.pdf

1、隨著超精密加工工藝水平的不斷提升，元件表面的加工精度不斷提高，復(fù)雜微觀結(jié)構(gòu)和宏觀自由曲面的加工技術(shù)逐漸成熟，同時(shí)對相應(yīng)的測量技術(shù)也提出了需求。針對高曲率及大傾角表面的形狀測量，現(xiàn)有基于光學(xué)子孔徑拼接技術(shù)和機(jī)械掃描技術(shù)的測量方法由于引入更多的掃描和運(yùn)動自由度，不僅使儀器成本急劇增加，而且系統(tǒng)精度難以進(jìn)一步提高，無法實(shí)現(xiàn)對此類元件形狀特征的精密測量。另外，由于微觀高曲率及大傾角表面元件局部結(jié)構(gòu)對探測光的遮擋，即使引入多維機(jī)械掃描也難以測得此

2、類樣品的局部形狀。高曲率及大傾角表面的光學(xué)成像與測量成為目前計(jì)量領(lǐng)域極具挑戰(zhàn)性和亟待解決的難題之一。
　　本課題通過研究高曲率及大傾角元件在明場共焦成像模式下測量分辨率降低以至無法觀測的原因，提出了基于中介層散射原理的高曲率及大傾角表面共焦形狀測量方法，同時(shí)針對軸向峰值定位這一共焦測量技術(shù)的共性問題開展了深入分析。主要內(nèi)容如下：
　?。?）基于線性光學(xué)成像原理及共焦成像理論，對高曲率及大傾角表面的共焦顯微成像機(jī)理進(jìn)行研究，分

3、析了成像系統(tǒng)有限收集孔徑對信號光收集能力不足而導(dǎo)致的理論分辨率下降和信噪比降低的問題，并在共焦軸向響應(yīng)和傳遞函數(shù)兩個(gè)方面對光滑傾斜樣品的共焦成像能力進(jìn)行分析。
　?。?）針對傳統(tǒng)基于反射和衍射原理形狀測量方法中，高曲率及大傾角表面鏡面反射產(chǎn)生的信號光中心法線偏轉(zhuǎn)而引起的信號光有效收集孔徑減小，甚至無法被收集的問題，開展了基于中介層散射原理的高曲率及大傾角表面共焦形狀測量方法研究。利用物理氣相沉積技術(shù)，在樣品表面沉積一層易去除的納米

4、級厚度的中介層，構(gòu)建了一個(gè)各向同性散射表面，避免了由于樣品表面鏡面反射導(dǎo)致信號光中心法線偏轉(zhuǎn)的問題。載有樣品表面位置信息的散射信號總能充滿成像光瞳，不隨表面傾斜角度變化而變化，解決了大傾角表面測量分辨率降低甚至不可測的問題。在數(shù)值孔徑NA=0.75下對光滑傾斜曲面的探測能力達(dá)到88.4°，曲面可探測角度超過傳統(tǒng)反射成像方法理論極限的82％。同時(shí)，利用中介層共焦響應(yīng)同時(shí)產(chǎn)生軸向峰值位置移動和包絡(luò)展寬的卷積特性，進(jìn)行中介層厚度誤差校正，解決

5、了基于中介層散射共焦形狀測量的理論嚴(yán)密性問題。
　?。?）針對軸向響應(yīng)峰值定位這一共焦顯微儀器的共性核心問題，分析了高數(shù)值孔徑下共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)特性，建立了共焦系統(tǒng)sinc2軸向響應(yīng)模型，將sinc2模型的適用范圍從低數(shù)值孔徑情況下推廣至高數(shù)值孔徑，并提出了基于sinc2函數(shù)擬合的共焦軸向響應(yīng)峰值定位方法，sinc2擬合方法比高斯模型具有更高的擬合精度與效率。標(biāo)準(zhǔn)臺階高度測量實(shí)驗(yàn)證明，sinc2擬合方法平均擬合時(shí)間比高斯擬合方法縮