同步移相干涉共焦顯微成像技術研究.pdf

1、隨著微電子、微系統(tǒng)、微光學等技術的發(fā)展，針對微米、亞微米尺度微結構進行三維精密測量的技術需求日益迫切。在現(xiàn)有各項微結構三維測量技術中共焦掃描顯微測量技術以其獨特的光學層析能力與高橫向分辨力特性，引起了廣泛的關注。然而共焦掃描顯微測量技術應用于微結構的三維測量仍存在以下幾點問題：1）傳統(tǒng)共焦顯微測量技術中存在高軸向分辨力與長工作距離之間的矛盾；2）現(xiàn)有共焦線性區(qū)掃描與差動共焦線性區(qū)掃描測量方法無法克服由樣品反射率變化引入的影響，限制了其對

2、混合材質元件及表面反射率變化劇烈元件的測量應用；3）共焦顯微成像理論體系中缺乏對實際應用廣泛的無限距共焦成像系統(tǒng)的詳細分析。上述三個問題已經成為制約共焦掃描顯微測量技術在微結構三維精密測量領域應用的主要技術瓶頸。
　　本課題“同步移相干涉共焦顯微成像技術研究”針對上述問題開展了理論建模、特性分析和實驗研究，力圖為微結構三維形貌測量提供一種兼顧高分辨力、長工作距離和寬適用性的共焦掃描顯微測量技術，同時為無限距共焦顯微成像系統(tǒng)建立原理

3、模型。本文的研究成果進一步完善了共焦顯微成像理論體系，為無限距共焦及無限距干涉共焦系統(tǒng)應用奠定了理論基礎，為共焦掃描顯微測量技術實用化提供了技術儲備，在微電子、微系統(tǒng)、微光學等領域有著廣闊的應用前景。
　　本文完成的主要創(chuàng)新性工作如下：
　　1.提出了一種同步移相干涉共焦顯微測量方法。首先利用差動共焦的雙極性特點判斷干涉相位主周期位置，然后在該主周期內利用相位求解離焦量，通過同步移相干涉與差動共焦的結合突破了測量物鏡數(shù)值孔徑

4、 NA對軸向分辨力的限制，在提高軸向分辨力的同時有效增大了工作距離，同時克服了樣品表面反射率變化對測量的影響。
　　2.建立了無限距共焦顯微成像系統(tǒng)理論模型。該模型基于標量衍射理論與傅立葉光學理論描述了共焦顯微與干涉共焦成像過程，指出干涉共焦相移比普通共焦強度響應對點探測器偏移敏感，單模光纖點探測器橫移會導致軸向響應曲線峰值點位置平移但并不改變曲線形貌，干涉共焦理論橫向分辨力是普通明場顯微成像的1.12倍。
　　最后，對本課

5、題研究的相關內容進行了實驗驗證。首先對提出的同步移相干涉共焦顯微測量技術進行了實驗驗證，實驗結果表明：
　　1.在測量物鏡NA不同情況下，同步移相干涉共焦有效軸向分辨力均可達到1nm；
　　2.且在測量物鏡NA=0.25、收集物鏡NA=0.1、光源λ=632.8nm的同等條件下，同時工作距離可達10mm；
　　3.同步移相干涉共焦顯微測量方法在被測表面反射率相對差異達到80％時仍能實現(xiàn)有效測量。
　　其次對建立的

6、無限距共焦顯微成像理論模型進行了實驗驗證，實驗結果表明：
　　1.隨測量物鏡NA降低、收集物鏡焦距 f減小，共焦軸向響應曲線展寬、系統(tǒng)分辨力降低；
　　2.隨光源尺度的增加，共焦軸向響應曲線展寬、分辨力下降，但仍具有層析能力；
　　3.共軛距由20cm增加至100cm時軸向響應半高寬變化小于7%，共軛距離d0對共焦軸向響應基本無影響；
　　4.單模光纖點探測器橫移5μm時共焦軸向響應峰值強度下降50%，峰值位置平