本文關(guān)鍵詞：抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像方法與技術(shù)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：共焦顯微術(shù)因其具有獨(dú)特的光學(xué)層析能力和卓越的橫向分辨力而在微機(jī)電、工業(yè)精密檢測、生物醫(yī)學(xué)和材料工程等領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)應(yīng)用中有著極其重要的作用。但是現(xiàn)有共焦顯微鏡存在如下缺點(diǎn)：（1）采用焦點(diǎn)逐層掃描方式，成像效率低；（2）利用軸向響應(yīng)曲線響應(yīng)靈敏度最低的峰值探測焦點(diǎn)，軸向分辨力低；（3）易受環(huán)境光和光源波動(dòng)干擾，成像信噪比低。上述缺點(diǎn)使共焦顯微鏡無法滿足在加工原位監(jiān)測、活生物樣品形態(tài)學(xué)分析和活細(xì)胞表面觀察等領(lǐng)域日益緊迫的實(shí)時(shí)快速和高空間分辨力高度輪廓成像需求。因此研究能夠?qū)崟r(shí)快速成像且空間分辨力高、成像信噪比好的光學(xué)高度輪廓顯微成像方法與技術(shù)已成為現(xiàn)代精密測試計(jì)量領(lǐng)域亟待研究的重大課題。 本課題“激光差動(dòng)共焦顯微成像方法與技術(shù)研究”，在研究共焦顯微三維成像原理的基礎(chǔ)上，提出新的差動(dòng)共焦顯微三維成像原理，研究新型的不受樣品反射率影響的、實(shí)時(shí)差動(dòng)共焦顯微三維成像方法與技術(shù)，進(jìn)而研制抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡。該研究內(nèi)容可廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體加工、光學(xué)超精密加工與檢測、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)測試對(duì)象的高空間分辨力實(shí)時(shí)成像與檢測，具有重要的理論價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。 研究內(nèi)容源于國家自然科學(xué)基金儀器專項(xiàng)“超分辨差動(dòng)共焦顯微鏡的研制”（No.60927012）；國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)項(xiàng)目“激光差動(dòng)共焦掃描成像與檢測儀器研發(fā)及應(yīng)用研究”(No.2011YQ04013601)。本課題主要?jiǎng)?chuàng)新性工作如下： 提出了一種抗樣品反射率的實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像方法，該方法基于差動(dòng)共焦光路結(jié)構(gòu)，將差動(dòng)共焦的前、后焦信號(hào)的差值除以前、后焦信號(hào)這二者的較大值，消除樣品反射率對(duì)表面輪廓成像影響，提高噪聲抑制性能，改善高度階躍響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有復(fù)雜反射率薄樣品的三維表面輪廓實(shí)時(shí)成像和對(duì)有復(fù)雜反射率厚樣品的三維表面輪廓層析成像；建立了抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微三維成像理論模型，據(jù)此得到了探測器的最優(yōu)軸向偏移量，依據(jù)該模型研究了抗樣品反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像的成像性質(zhì)，研究表明抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像方法的軸向響應(yīng)特性不受樣品反射率影響、橫向響應(yīng)特性與共焦相似，且具有良好的噪聲抑制特性； 基于差動(dòng)共焦顯微成像光路，進(jìn)一步提出了激光差動(dòng)共焦邊緣輪廓顯微探測方法，該方法將差動(dòng)共焦的前、后焦信號(hào)的差值除以該差值的絕對(duì)值，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品邊緣輪廓的高精度實(shí)時(shí)掃描探測該方法邊緣定位準(zhǔn)確，其優(yōu)點(diǎn)是定位精度為１個(gè)橫向掃描間隔，不受邊緣形狀、方向和樣品反射率的影響，且具有良好的噪聲抑制性； 提出了基于超分辨圖像復(fù)原的共焦微孔孔徑測量方法，該方法采用超分辨復(fù)原算法改善共焦光強(qiáng)圖像分辨力，建立了準(zhǔn)確的微孔邊緣判據(jù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)亞微米微孔孔徑的快速測量，所得結(jié)果與掃描電鏡測量結(jié)果一致。該方法獲得優(yōu)于80nm的邊緣響應(yīng)，最小可測孔徑約0.19μm，測量殘差的均方根僅1.4nm。 基于抗反射率實(shí)時(shí)差動(dòng)共焦顯微成像方法，參與研制了抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡并實(shí)現(xiàn)了抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微三維成像。成像實(shí)驗(yàn)表明：抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡軸向分辨力高達(dá)2nm且無橫向分辨力損失，所得實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原子力顯微鏡測試結(jié)果高度符合。顯微鏡對(duì)在632.8nm波長下光學(xué)高度為259.8±5.38nm標(biāo)準(zhǔn)樣品HS-500G校準(zhǔn)結(jié)果為263±22nm，k=2。故抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡具有良好、準(zhǔn)確的三維成像性能和測量性能。 綜上所述，抗反射率實(shí)時(shí)差動(dòng)共焦顯微三維成像原理豐富了共焦顯微成像理論；抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像方法實(shí)現(xiàn)了不受反射率影響的、高空間分辨力、實(shí)時(shí)表面輪廓成像；抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡具有針對(duì)不同樣品和不同測量目的的多種成像模式，具有同時(shí)實(shí)現(xiàn)光學(xué)層析和高度輪廓層析的成像能力，是一種具有極大發(fā)展?jié)摿蛷V泛應(yīng)用前景的新型精密顯微成像和測量儀器。
【關(guān)鍵詞】：共焦顯微術(shù) 抗反射實(shí)時(shí)差動(dòng)共焦顯微三維成像理論 樣品反射率抑制 噪聲抑制 軸向分辨力 橫向分辨力 實(shí)時(shí)高度輪廓成像 高度輪廓層析成像
【學(xué)位授予單位】：北京理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TP391.41;O439
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-12
• 第1章 緒論12-28
• 1.1 本論文的研究目的和意義12-13
• 1.2 共焦顯微成像方法研究現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢13-25
• 1.2.1 共焦顯微成像方法13-15
• 1.2.2 非干涉差分共焦顯微成像方法15-16
• 1.2.3 差動(dòng)/三差動(dòng)共焦顯微探測方法16-18
• 1.2.4 分光瞳共焦/差動(dòng)共焦 theta 顯微成像方法18-21
• 1.2.5 彩色共焦顯微成像方法21-23
• 1.2.6 多光束并行共焦顯微成像方法23-25
• 1.3 現(xiàn)有共焦顯微成像方法存在的主要問題25-26
• 1.4 本論文主要研究內(nèi)容26-28
• 第2章 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微三維成像理論研究28-64
• 2.1 引言28
• 2.2 共焦明場反射顯微成像理論28-34
• 2.3 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微三維成像理論34-43
• 2.3.1 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像公式36-37
• 2.3.2 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像性質(zhì)37-43
• 2.4 探測器軸向偏移量的優(yōu)化43-46
• 2.4.1 探測器軸向偏移量對(duì)光強(qiáng)圖像 IA和 IB的影響43-44
• 2.4.2 探測器軸向偏移量對(duì)軸向響應(yīng)的影響44-45
• 2.4.3 探測器最佳軸向偏移量的確定45-46
• 2.5 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像性能分析46-62
• 2.5.1 軸向響應(yīng)特性分析46-47
• 2.5.2 橫向響應(yīng)特性分析47-50
• 2.5.3 與現(xiàn)有差動(dòng)共焦技術(shù)的分辨力比較50-52
• 2.5.4 表面結(jié)構(gòu)離焦對(duì)橫向響應(yīng)的影響分析52-58
• 2.5.5 反射率抑制性能分析58-59
• 2.5.6 噪聲抑制性能分析59-62
• 2.6 本章小結(jié)62-64
• 第3章 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像方法研究64-94
• 3.1 引言64
• 3.2 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦中的光強(qiáng)顯微成像方法64-69
• 3.2.1 算數(shù)平均值、幾何平均值和最小值成像方法64-67
• 3.2.2 過零觸發(fā)成像方法67-69
• 3.3 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦表面輪廓顯微三維成像方法69-78
• 3.3.1 薄樣品單層掃描成像方法69-73
• 3.3.2 厚樣品多層掃描成像方法73-78
• 3.4 激光差動(dòng)共焦邊緣輪廓顯微探測方法78-83
• 3.5 基于超分辨圖像復(fù)原的微孔孔徑測量方法83-92
• 3.6 本章小結(jié)92-94
• 第4章 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微成像關(guān)鍵技術(shù)研究94-118
• 4.1 引言94
• 4.2 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡設(shè)計(jì)裝調(diào)中的關(guān)鍵技術(shù)94-104
• 4.2.1 顯微鏡總體設(shè)計(jì)94-98
• 4.2.2 探測器針孔物理半徑的優(yōu)化98-102
• 4.2.3 探測器針孔軸向位置的優(yōu)化102-104
• 4.3 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡測控系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)研究104-110
• 4.4 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微鏡數(shù)據(jù)處理中的關(guān)鍵算法研究110-116
• 4.5 本章小結(jié)116-118
• 第5章 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析118-136
• 5.1 引言118
• 5.2 顯微鏡系統(tǒng)性能實(shí)驗(yàn)118-123
• 5.2.1 系統(tǒng)三維掃描的穩(wěn)定性測試118-121
• 5.2.2 軸向響應(yīng)特性測試和軸向傳感曲線擬合121-122
• 5.2.3 軸向傳感測量準(zhǔn)確性和重復(fù)性測試122-123
• 5.3 抗反射率實(shí)時(shí)激光差動(dòng)共焦顯微三維成像實(shí)驗(yàn)123-129
• 5.3.1 測試樣品 HS-500MG123-125
• 5.3.2 三維成像實(shí)驗(yàn)125-129
• 5.4 顯微鏡校準(zhǔn)和不確定度評(píng)定129-133
• 5.5 顯微鏡在光掩膜版測試中的應(yīng)用133-135
• 5.6 本章小結(jié)135-136
• 結(jié)論136-140
• 參考文獻(xiàn)140-152
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表論文與研究成果清單152-154
• 致謝154-156
• 作者簡介156

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：336734