超分辨移相共焦和復(fù)色差動共焦掃描顯微技術(shù)及理論.pdf

1、共焦掃描顯微測量技術(shù)是一種用于微米及亞微米尺度測量的三維光學(xué)顯微技術(shù)。因其具有無需樣品制備、測量速度快、成本低、不損傷測量表面以及可直接測量高度大于半波長的臺階輪廓等優(yōu)點，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)測量，成為現(xiàn)代微納米計量、測量科學(xué)領(lǐng)域的重要分支。
　　提高測量分辨率，擴展量程范圍，增強抗擾動能力是儀器科學(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和長時間掃描測量光功率漂移擾動，以滿足微米及亞微米尺度幾何參數(shù)無損測量需求。然而，受光學(xué)掃描物鏡焦深擴展與軸向探測靈敏度提高的矛盾關(guān)系制約以及軸向探測靈敏度與測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抑制特性的兼顧性問題，為實現(xiàn)混合材料、摻雜材料基底以及曲面、大臺階微結(jié)構(gòu)輪廓幾何參數(shù)無損測量提供關(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、微光機電元件、微溝槽結(jié)構(gòu)機械元件、紅外探測器光敏元件的微結(jié)構(gòu)輪廓幾何參數(shù)無損測量。本課題主

4、要研究內(nèi)容如下：
　　首先，針對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)，降低了旁瓣強度最小化濾波器設(shè)計目標(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)制的等價關(guān)系模型，分析了分支光路調(diào)整誤差對超分辨濾波效果的影響，而且對合成復(fù)振幅超分辨濾波原理進(jìn)行了實驗驗證。該濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、相位調(diào)制精度高、易于批量制造的優(yōu)點；
　　第三，針對傳統(tǒng)共焦掃描顯微測量技術(shù)的原理局限，開展了超分辨移相共焦掃描顯微測量機理研究，深入闡述了超分辨移相共焦顯微測量方法兼顧獲得高分辨率、大量程和非均勻反射擾動

6、抑制特性的原理先進(jìn)性，重點分析了移相誤差、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、橫向測量特性的變化規(guī)律。實驗表明，在 NA＝0.85、λ=632.8nm條件下，軸向分辨率達(dá)到0.5nm，橫向線寬測量結(jié)果相對于標(biāo)準(zhǔn)光柵標(biāo)稱寬度的比較誤差小于0.15μm；
　　最后，針對傳統(tǒng)共焦掃描顯微測量技術(shù)的原理局限，開展了超分辨復(fù)色差動共焦掃描顯微測量機理研究，利用復(fù)色光聚