超分辨移相共焦和復(fù)色差動(dòng)共焦掃描顯微技術(shù)及理論.pdf

1、共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)是一種用于微米及亞微米尺度測(cè)量的三維光學(xué)顯微技術(shù)。因其具有無需樣品制備、測(cè)量速度快、成本低、不損傷測(cè)量表面以及可直接測(cè)量高度大于半波長(zhǎng)的臺(tái)階輪廓等優(yōu)點(diǎn)，而被廣泛用于材料學(xué)、微電子學(xué)、光學(xué)、生物工程學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的三維微尺度結(jié)構(gòu)測(cè)量，成為現(xiàn)代微納米計(jì)量、測(cè)量科學(xué)領(lǐng)域的重要分支。
　　提高測(cè)量分辨率，擴(kuò)展量程范圍，增強(qiáng)抗擾動(dòng)能力是儀器科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的核心問題。近年來，由于曲面、大臺(tái)階微結(jié)構(gòu)元件橫向線寬加工精度日益提高

2、，軸向刻蝕深度不斷增大，以及混合材料、摻雜材料基底微結(jié)構(gòu)元件的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代光學(xué)立體顯微技術(shù)發(fā)展迫切需要兼顧獲得三維高分辨率和大量程特性，抑制表面反射率跳變擾動(dòng)和長(zhǎng)時(shí)間掃描測(cè)量光功率漂移擾動(dòng)，以滿足微米及亞微米尺度幾何參數(shù)無損測(cè)量需求。然而，受光學(xué)掃描物鏡焦深擴(kuò)展與軸向探測(cè)靈敏度提高的矛盾關(guān)系制約以及軸向探測(cè)靈敏度與測(cè)量光能量損失的相關(guān)性制約，現(xiàn)有共焦掃描顯微技術(shù)難以兼顧上述特性?？梢?，三維高分辨率、大量程和非均勻反射擾動(dòng)抑制特性的兼顧

3、性問題是現(xiàn)代共焦掃描顯微技術(shù)發(fā)展亟待解決的重要課題。
　　課題“超分辨移相共焦和復(fù)色差動(dòng)共焦掃描顯微技術(shù)及理論”的研究目的是解決共焦掃描顯微技術(shù)三維高分辨率、大量程和非均勻反射擾動(dòng)抑制特性的兼顧性問題，為實(shí)現(xiàn)混合材料、摻雜材料基底以及曲面、大臺(tái)階微結(jié)構(gòu)輪廓幾何參數(shù)無損測(cè)量提供關(guān)鍵技術(shù)和基礎(chǔ)理論。研究成果可推廣應(yīng)用于微光學(xué)元件、大規(guī)模集成電路、微光機(jī)電元件、微溝槽結(jié)構(gòu)機(jī)械元件、紅外探測(cè)器光敏元件的微結(jié)構(gòu)輪廓幾何參數(shù)無損測(cè)量。本課題主

4、要研究?jī)?nèi)容如下：
　　首先，針對(duì)超分辨濾波噪聲抑制問題，基于凸函數(shù)優(yōu)化理論開展了超分辨濾波器設(shè)計(jì)中旁瓣全局最小化控制方法的研究，通過相位旋轉(zhuǎn)變換和變量代換將旁瓣振幅模函數(shù)轉(zhuǎn)換為凸函數(shù)，降低了旁瓣強(qiáng)度最小化濾波器設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)的階次，進(jìn)而給出可滿足旁瓣全局最小化抑制充分必要條件的超分辨濾波器設(shè)計(jì)方法，解決了在完整復(fù)振幅定義區(qū)間上 N區(qū)等寬環(huán)帶超分辨濾波器設(shè)計(jì)旁瓣全局最小化充分性、嚴(yán)密性問題，證明了其旁瓣全局最小化濾波器解的不唯一性；<

5、br>　　其后，提出了合成復(fù)振幅超分辨濾波器，不僅給出了合成濾波器相位調(diào)制元件參數(shù)與傳統(tǒng)復(fù)振幅調(diào)制的等價(jià)關(guān)系模型，分析了分支光路調(diào)整誤差對(duì)超分辨濾波效果的影響，而且對(duì)合成復(fù)振幅超分辨濾波原理進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、相位調(diào)制精度高、易于批量制造的優(yōu)點(diǎn)；
　　第三，針對(duì)傳統(tǒng)共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)的原理局限，開展了超分辨移相共焦掃描顯微測(cè)量機(jī)理研究，深入闡述了超分辨移相共焦顯微測(cè)量方法兼顧獲得高分辨率、大量程和非均勻反射擾動(dòng)

6、抑制特性的原理先進(jìn)性，重點(diǎn)分析了移相誤差、二次共焦定位誤差的影響規(guī)律和軸向量程擴(kuò)展特性，討論了近軸與非近軸衍射系統(tǒng)普遍適用性和邊緣位置判據(jù)，揭示了軸向、橫向測(cè)量特性的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)表明，在 NA＝0.85、λ=632.8nm條件下，軸向分辨率達(dá)到0.5nm，橫向線寬測(cè)量結(jié)果相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)光柵標(biāo)稱寬度的比較誤差小于0.15μm；
　　最后，針對(duì)傳統(tǒng)共焦掃描顯微測(cè)量技術(shù)的原理局限，開展了超分辨復(fù)色差動(dòng)共焦掃描顯微測(cè)量機(jī)理研究，利用復(fù)色光聚