【摘要】：隨著信息時代的不斷發(fā)展,隨著超精密制造技術(shù)的不斷更新進步,微納技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代科技最重要的發(fā)展方向之一,是尖端科技的代表。各種微納器件在極端裝備制造、生物醫(yī)學(xué)、航空航天、量子通信等眾多領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用,對各領(lǐng)域的發(fā)展產(chǎn)生了深遠影響。微納制造技術(shù)水平,已成為衡量一個國家科技水平的重要標志。測量,作為制造技術(shù)的重要手段之一,是加工精度的重要保證,要實現(xiàn)超高精度的微納器件加工,必須建立與之相對應(yīng)的高精度檢測方法。微納器件為實現(xiàn)更高的信息容量,不斷向高分辨力、復(fù)雜結(jié)構(gòu)發(fā)展。其分辨力已由微米發(fā)展至納米量級,結(jié)構(gòu)也由最開始的二維平面發(fā)展至三維立體結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有的微納結(jié)構(gòu)三維形貌檢測方法根據(jù)測量原理,可分為非光學(xué)檢測與光學(xué)檢測兩類。非光學(xué)類通常具有極高的測量分辨力,但采用掃描式探測方式,導(dǎo)致了測量速度慢、可能劃傷被測表面等諸多問題。光學(xué)測量手段具有非接觸、非破壞、測量速度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)點。其中,白光顯微干涉技術(shù),利用寬光譜低相干性,實現(xiàn)對微納器件三維形貌的高精度檢測,具有大測量范圍、高分辨力、非接觸檢測等優(yōu)勢,從而在微納結(jié)構(gòu)檢測領(lǐng)域獨樹一幟。白光顯微干涉術(shù)的出現(xiàn),為超精密檢測技術(shù)帶來了巨大進步,被認為是一種非常有前途的微納結(jié)構(gòu)形貌測量技術(shù),受到了國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注。白光顯微干涉技術(shù)近來發(fā)展十分迅速,但仍然存在一些急需解決的問題,比如:(1)受系統(tǒng)光源光強不穩(wěn)定、外界環(huán)境光和外界振動噪聲的影響,導(dǎo)致檢測精度下降,穩(wěn)定性不足;(2)檢測精度受限于掃描機構(gòu)的位移精度,檢測量程受限于壓電陶瓷器件的短行程,研發(fā)成本較高,也在一定程度上限制了該方法的使用;(3)檢測橫向分辨率不足,雖然其縱向分辨率不斷提高,但其橫向分辨率受限于光波衍射效應(yīng)。有限的物鏡數(shù)值孔徑使橫向分辨率最高僅為200 nm左右,而該成像分辨率已經(jīng)遠遠不能滿足人們對微納世界進行探索的需求。如何突破衍射極限,提高測量橫向分辨率,實現(xiàn)三維超分辨檢測,也成為急需解決的問題。本文基于白光顯微干涉技術(shù)重建三維形貌算法,首先分析了寬光譜干涉的理論分布模型,提出了基于時域調(diào)制度的檢測算法,改變現(xiàn)有技術(shù)將單個像素點孤立處理的現(xiàn)狀,利用單幀干涉圖中像素點與像素點之間的信息關(guān)系,充分利用時域、空域的寬光譜干涉信息來重建物體三維形貌信息,可增強檢測穩(wěn)定性和檢測精度。進而提出基于時域調(diào)制度判斷的縱向相位拼接算法,通過判斷干涉調(diào)制度數(shù)值,對有效像素點進行連續(xù)相位解析,通過縱向相位拼接恢復(fù)表面三維形貌。基于該方法的系統(tǒng)用步進電機替代壓電陶瓷掃描,通過外觸發(fā)相機高速實時采圖。結(jié)果證明該方法可以有效消除掃描步距不準引入的檢測誤差,同時擴大檢測高度范圍,提高檢測效率。為了提高橫向檢測分辨率,我們引入介質(zhì)微球?qū)崿F(xiàn)可見光寬波段超分辨成像,分析了介質(zhì)微球相關(guān)系統(tǒng)參數(shù),如尺寸大小、折射率、媒介的折射率、照明方式、浸沒深度等對成像的影響,驗證了通過暗場顯微模式、部分浸沒等方法來提高成像質(zhì)量。最后結(jié)合白光顯微干涉與介質(zhì)微球技術(shù),實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的三維超分辨檢測。本文主要研究分析了基于白光顯微干涉技術(shù)檢測尚存在的一些問題和挑戰(zhàn),提出了相應(yīng)解決方法,旨在提高系統(tǒng)檢測穩(wěn)定性、檢測精度、檢測效率和檢測橫向分辨率,為該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用提供了思路和基礎(chǔ)。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TP391.41;O436.1

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