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高分辨率微分移相干涉显微测量系统的研究

作　者: 赵勇
导　师: 姚勇
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 物理电子学
关键词: 共光路移相干涉显微弱相干光干涉分辨率重复测量精度
分类号: TP274
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 32次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-13
  1.1 课题背景及研究意义  8
  1.2 表面形貌测量技术的发展现状  8-12
  1.3 本论文主要研究内容  12-13
第2章基于弱相干理论构建移相干涉显微系统  13-33
  2.1 引言  13
  2.2 光学系统设计  13-14
  2.3 干涉成像系统设计  14-25
    2.3.1 干涉显微镜  14-18
    2.3.2 单轴平晶  18-21
    2.3.3 移相器  21-25
  2.4 照明系统设计  25-31
    2.4.1 照明的方法和设计原则  25-26
    2.4.2 光在系统中的能量传播  26-28
    2.4.3 光源的选择  28-29
    2.4.4 LED 的相干性  29-31
    2.4.5 准直与滤波  31
  2.5 系统的光路结构  31-32
  2.6 本章小结  32-33
第3章弱相干光信息处理算法  33-39
  3.1 引言  33
  3.2 干涉图的噪声预处理  33-34
  3.3 相位测量算法  34-35
  3.4 恢复表面形貌算法  35-36
  3.5 GUI 设计  36-38
  3.6 本章小结  38-39
第4章实验结果与误差分析  39-56
  4.1 引言  39
  4.2 实验结果  39-50
    4.2.1 蓝宝石基片测量  39-43
    4.2.2 电脑硬盘测量  43-48
    4.2.3 铝质金属板测量  48-50
    4.2.4 样品粗糙度  50
  4.3 系统测量性能分析  50-53
    4.3.1 横向分辨率  50-51
    4.3.2 纵向分辨率  51
    4.3.3 垂直测量范围  51-52
    4.3.4 重复测量精度  52-53
  4.4 系统误差分析  53-55
    4.4.1 移相器误差  53-54
    4.4.2 单轴平晶误差  54
    4.4.3 CCD 误差  54-55
  4.5 本章小结  55-56
结论  56-57
参考文献  57-61
攻读学位期间发表的学术论文  61-63
致谢  63

高分辨率微分移相干涉显微测量系统的研究

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