對(duì)稱離焦的共焦微位移傳感方法研究.pdf

1、隨著微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)的發(fā)展,加工尺寸由一般尺寸向微米級(jí)、亞微米級(jí)甚至是納米級(jí)尺寸過渡,這就對(duì)三維微結(jié)構(gòu)的超精密測(cè)量提出了更高的要求。在諸多的微結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)中,共焦顯微系統(tǒng)憑借其精度高、分辨力高、非接觸以及能夠三維成像的特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于微電子、微光學(xué)以及生物工程領(lǐng)域。由于系統(tǒng)分辨力是衡量測(cè)量技術(shù)性能的重要指標(biāo)之一,系統(tǒng)空間分辨力的改善措施成為諸多共焦研究方向中的熱點(diǎn)。在分析離焦像差對(duì)共焦顯微系統(tǒng)軸向以及橫向光強(qiáng)分布特性影響的基礎(chǔ)上，給出了

2、一種對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)以努力提高系統(tǒng)軸向分辨力。針對(duì)反射式的共焦顯微系統(tǒng),研究了對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的具體實(shí)現(xiàn)方式。本研究主要內(nèi)容包括：
　　⑴對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的理論分析。根據(jù)共焦系統(tǒng)軸向特性是由其照明臂以及探測(cè)臂軸向特性的乘積構(gòu)成的結(jié)論(即系統(tǒng)的乘積性),給出了共焦顯微系統(tǒng)的對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)模型。利用給出的結(jié)構(gòu)模型,推導(dǎo)出了對(duì)稱離焦?fàn)顟B(tài)下共焦系統(tǒng)的橫向以及軸向光強(qiáng)分布函數(shù),詳細(xì)分析了探測(cè)與照明光路關(guān)于焦平面對(duì)稱離焦時(shí)所產(chǎn)生的超分辨特性。仿真結(jié)果表明,

3、該方法可以很好地改善軸向分辨能力。
　?、茖?duì)稱離焦的性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的建立。Juana給出的復(fù)振幅光瞳濾波器評(píng)價(jià)模型(包括橫向超分辨因子GT、軸向超分辨因子GA以及斯特焦?fàn)柋萐)是通過光瞳濾波器的二階展開建立的,很難直接用來評(píng)價(jià)對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的性能。本文采用斯特焦?fàn)柋萐、半極值全寬FWHM以及旁瓣抑制比 M這3個(gè)指標(biāo)建立了對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的評(píng)價(jià)模型。利用MATLAB,系統(tǒng)地仿真了上述3個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨對(duì)稱離焦系數(shù)20DW的連續(xù)變化趨勢(shì),并優(yōu)化出

4、對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的最優(yōu)對(duì)稱離焦系數(shù)區(qū)間。
　?、菍?duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式。在實(shí)際的反射式共焦顯微系統(tǒng)中,顯微物鏡承擔(dān)著照明以及信息收集的雙重任務(wù),無法實(shí)現(xiàn)顯微物鏡的焦點(diǎn)分離以構(gòu)建對(duì)稱離焦的結(jié)構(gòu)。針對(duì)這個(gè)問題,構(gòu)思了三種對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)方式。其一,基于二次位相光瞳的對(duì)稱離焦的實(shí)現(xiàn)方式。理論推導(dǎo)了該實(shí)現(xiàn)方式下系統(tǒng)的軸向以及橫向光強(qiáng)分布函數(shù)的形式。其二,基于焦移效應(yīng)的對(duì)稱離焦的實(shí)現(xiàn)方式。首先,文中分析得出,用以構(gòu)建對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的一組位相型光

5、瞳濾波器需具備3個(gè)基本特性,包括軸向焦移量Fu互為相反數(shù)、軸向超分辨因子 AG相等以及斯特焦?fàn)柋萐相等。然后,本文給出一組位相光瞳濾波器具備這3個(gè)特性的兩個(gè)充分條件,并給出嚴(yán)密地理論證明。最后,給出符合充分條件的一組位相光瞳濾波器以驗(yàn)證所推導(dǎo)條件的正確性。其三,基于差動(dòng)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱離焦實(shí)現(xiàn)方式。文中主要闡述了該實(shí)現(xiàn)方式的實(shí)現(xiàn)過程,并給出了系統(tǒng)軸向特性的仿真。
　?、葘?shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)稱離焦結(jié)構(gòu)的軸向特性。完成了平臺(tái)所需器件的選型以及光學(xué)實(shí)驗(yàn)