垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量系统

依据白光干涉理论,研制了垂直扫描白光干涉表面三维形貌测量仪。重点对实现垂直扫描运动的工作台进行了分析。所研制的测量系统具有1nm的垂直分辨力,可用于表面粗糙度、台阶、膜厚、球面等三维形貌测量。     

基于SVMD-HD去噪的白光干涉解调算法

垂直扫描白光干涉法（VSWLI）是一种非接触式三维表面轮廓测量方法。蝙蝠翼作为VSWLI当中一种固有的缺陷，尤其在被测样品的台阶高度小于光源的相干长度时，台阶边缘处的蝙蝠翼尤为显著。相移干涉法不存在这种缺陷，但是存在相位模糊的问题。提出一种将Carré等步长相移算法与快速傅里叶变换（FFT）相干峰值检测技术相结合的白光干涉解调算法。该算法基于逐次变分模态分解（SVMD）与Hausdorff距离（HD）联合去噪。分别以高度为500 nm和1 200 nm的连续台阶器件和高度为10μm的标准台阶作为测试样品，进行实验测量验证。所提出的算法能够有效地抑制台阶高度跳变处的蝙蝠翼，克服相位模糊问题。     

高精度动态白光干涉测量方法

白光干涉测量技术具有精度高和非接触式测量的优点,是超精密加工领域中的一项重要测量手段。针对白光干涉测量技术容易受环境振动影响的问题,提出了一种动态垂直扫描干涉测量方法(DVSI)。该方法将白光干涉光路分为两个成像通道,得到与白光干涉图同步移相的准单色光干涉图。通过相位-倾斜迭代方法(PTI)对准单色光干涉图进行处理得到实际的移相扫描位置,对白光干涉信号进行相干峰位置的定位,并计算出粗糙的形貌分布,之后利用局部最小二乘方法(LLS)计算出精细的相位分布,将粗糙形貌以及精细相位相结合来复原出待测件的三维形貌。本研究通过数值仿真和实验对比对该方法进行了验证,结果表明本方法具有较好的抗振性能。     

基于多光束混合外差干涉的相位增强技术研究

激光外差干涉测量技术是微振动探测的重要手段,随着微纳应用的拓展,人们对精密测量系统的相位检测灵敏度提出了更高的要求.传统提高测量灵敏度的方法有优化外差干涉系统方案、改进相位重建算法和降低关键器件噪声等.本文提出了一种多光束混合干涉的相位增强方法,经过理论推导和实验验证得到如下近似条件:校正光与信号光的初相位相差πrad情况下,两光束的功率越接近,系统对目标的弱振动振幅响应越大.实验设计的两光束功率相差1%时,观察到了最大146倍的增强效果,该方法在微振动物体高灵敏度测量上具有较大的应用价值,在现有器件指标和相位解调算法不变的基础上可大幅提高外差干涉测量系统的探测能力.     

基于相位展开及拼接算法的一种高精度大量程宽光谱干涉显微术

宽光谱干涉显微术广泛应用于高精密检测领域,它测量样品形貌通常采用垂直扫描干涉术对亚微米至毫米级特征进行测量,以及相移干涉术对纳米级特征进行测量。其中,相移干涉术精度可达纳米级,但量程有限,高度变化对应的相位需限制在区间内。采用包裹相位展开算法可以扩展相移干涉术的量程,也仅适用于平滑表面,当高度起伏超出焦深或者光源相干长度的限定范围时,干涉条纹模糊或对比度丧失,所解算的结果将产生较大误差甚至错误。提出一种基于相位展开及拼接算法的高精度、大量程宽光谱干涉显微测量方法,以干涉条纹调制度量化条纹质量,条纹对比度高、成像清晰的区域对应调制度较高,定义当前焦面条纹调制度高于阈值的区域为理想区域,定义焦面条纹调制度低于阈值的区域为问题区域。以相位展开算法获得理想区域中的样品相位分布,问题区域的包裹相位不进行展开。使用微位移结构纵向移动物镜焦平面,选择合理的步长,使相邻焦面位置理想区域展开后的真实相位保持部分区域重合,根据重合区域的相位值均差可以实现不同焦面位置的高精度相位拼接,最终获得扩展量程的高精度真实相位结果,进而可以恢复样品完整的表面形貌分布。该算法通过对理想区域的筛选,避免了相位在问题区域展...     

垂直扫描白光干涉术用于微机电系统的尺寸表征

随着微机电系统的发展,器件设计和加工过程中的表征成为一个主要问题。提出了将扫描白光干涉表面轮廓测量方法用于微结构和器件的几何特性检测上。测量系统采用了米劳显微干涉仪,利用压电陶瓷物镜纳米定位器实现垂直方向100μm范围内的精确扫描,并通过傅里叶变换算法获取条纹包络峰的位置,进而得到器件的整体集合尺寸信息,与相移干涉方法相比大大提高了测量范围。通过测量纳米台阶对该系统进行了精度标定,测量重复性在亚纳米量级。最后通过测量微谐振器和微压力传感器的几何尺寸说明了该方法的功能。     

靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量技术

为了精密检测靶丸壳层厚度及其分布数据,开展了靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量技术研究。介绍了靶丸壳层的白光反射光谱及其光谱数据处理方法（极值法、峰值拟合法、干涉级次校正法等）的基本原理,搭建了基于白光反射光谱的精密回转轴系测量装置;开展了GDP靶丸壳层厚度及其分布的白光反射光谱测量、数据处理和可靠性验证实验,获得了靶丸壳层厚度圆周分布曲线。结果表明,基于峰值拟合法和干涉级次校正的白光反射光谱技术可实现靶丸壳层厚度及其分布的准确测量,其测量误差小于0.1 μm。     

透明薄膜的干涉相干峰分离算法

白光干涉技术具有高度唯一性,广泛地被使用在三维表面形貌和台阶高度的测量。但是测量透明薄膜时,薄膜表面和基面都有光线反射与参考光线交汇,在被测表面的同一个位置不同高度两次产生干涉条纹,其干涉相干图中出现两个峰值。通过分析透明薄膜产生的干涉相干图的特点,提出了两种算法用来分离不同表面产生的干涉条纹。理论分析和试验结果表明,利用垂直扫描白光干涉法测量透明薄膜,由峰值分离算法和定位算法分别提取薄膜的上下表面,能够得到透明薄膜的高精度三维形貌和厚度信息。     

Cu空心微球的精密连接技术

以Cu作为代用材料,通过分解实验方法,研究了扩散连接各工艺条件对靶丸参数的影响关系,获得适宜的工艺参数(温度小于600℃,压强小于6 MPa,时间60 min)。据此,实际连接Cu半球并制备出Cu空心微球。采用白光干涉仪、扫描电子显微镜、微米X射线断层扫描机等仪器对样品进行测试,结果显示连接界面无明显缺陷,内表面粗糙度小于50 nm,内球面直径差值小于20μm,连接强度满足机械加工要求。     

用原子力显微镜4π旋转技术测量靶丸表面粗糙度

原子力显微镜靶丸4π旋转装置,可以将靶丸在夹持状态下实现4π方向旋转,便于原子力显微镜对靶丸表面任一部分做扫描测量。应用该装置对各种靶丸的表面形貌进行了测量,测量结果表明,靶丸外表面粗糙度小于10nm,内表面粗糙度小于20nm。     

用原子力显微镜4π旋转技术测量靶丸表面粗糙度

 原子力显微镜靶丸4π旋转装置,可以将靶丸在夹持状态下实现4π方向旋转,便于原子力显微镜对靶丸表面任一部分做扫描测量。应用该装置对各种靶丸的表面形貌进行了测量,测量结果表明,靶丸外表面粗糙度小于10nm,内表面粗糙度小于20nm。     

用原子力显微镜4π旋转技术测量靶丸表面粗糙度

原子力显微镜靶丸４π旋转装置,可以将靶丸在夹持状态下实现４π方向旋转,便于原子力显微镜对靶丸表面任一部分做扫描测量。应用该装置对各种靶丸的表面形貌进行了测量,测量结果表明,靶丸外表面粗糙度小于１０ｎｍ,内表面粗糙度小于２０ｎｍ。     

垂直扫描白光干涉信号的计算机快速模拟

提出一种垂直扫描白光干涉信号的计算机快速模拟方法。该方法考虑到白光光源光谱分布及垂直扫描干涉系统对白光干涉信号的影响,通过正弦函数多项式拟合的方式减少模拟算法的运算量,消除了现有方法中数值积分运算量大,不便于实际分析的缺点。采用白光LED作为光源,用该方法对白光干涉信号进行模拟分析,并用直接数值积分信号模拟结果与白光干涉垂直扫描测量装置获得的实测信号进行对比,验证了该方法的准确性。     

靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量技术

靶丸内表面轮廓是激光核聚变靶丸的关键参数,需要精密检测。本文首先分析了基于白光共焦光谱和精密气浮轴系的靶丸内表面轮廓测量基本原理,建立了靶丸内表面轮廓的白光共焦光谱测量方法。此外,搭建了靶丸内表面轮廓测量实验装置,建立了基于靶丸光学图像的辅助调心方法,实现了靶丸内表面轮廓的精密测量,获得了准确的靶丸内表面轮廓曲线;最后,对测量结果的可靠性进行了实验验证和不确定度分析,结果表明,白光共焦光谱能实现靶丸内表面低阶轮廓的精密测量,其测量不确定度优于0.1μm。     

相移干涉法测量ICF微球内表面粗糙度

 通过分析光线通过微球壳层后各界面的相位分布,讨论了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的基本原理,研究了微球上部壳层对内表面粗糙度测量的影响,得到了聚苯乙烯,聚a甲基苯乙烯微球的内表面形貌特征图像,测量数据与原子力显微镜测量数据在同一量级。以微球壳层对超光滑碳化硅及单晶硅片表面形貌的调制作用为研究对象,讨论了微球的外表面粗糙度以及微球壁厚对内表面粗糙度测量结果的影响,确定了相移干涉法测量微球内表面粗糙度的不确定度,实验结果表明：对于表面粗糙度小于30 nm、厚度小于9 mm的微球,测量不确定度小于0.4 nm。     

微探针纳米尺度振动测试的实验研究

微探针是扫描探针显微镜(SPM)的重要组成部件,其共振频率等振动特性直接影响系统的性能。给出了系统微探针共振频率的测试方法,对微探针在压电陶瓷驱动力作用下的受迫振动进行了有限元分析。提出了相位变化0.1°所对应的0.1nm位移分辨率的双频激光外差干涉光学测量系统,对微探针纳米尺度振动特性进行了测试对比实验,并对SPM标定样块进行了比对分析。实验结果验证了双频激光外差干涉测量方法的可行性和其应用价值。     

扫描白光干涉测量技术的算法比较

干涉条纹零光程差位置的确定是扫描白光干涉测量的关键技术之一。介绍了扫描白光干涉法测量物体轮廓的原理,讨论了确定白光干涉条纹零级条纹位置的几种方法,并对随机生成的表面进行了大量的数字模拟测量和分析比较,得出了各种算法对测量准确度的影响。研究结果对白光干涉的应用研究提供了可靠的理论根据。     

激光CCD复合测量方法在ICF靶丸球度误差检测中的应用

 提出一种基于激光与CCD的复合式测量方法,结合二者的优势,通过测量同一标准球球心的位置标定出了二者光轴的位置关系,有效地把二者测量的数据融合到同一个坐标系中,从而实现高精度的3维测量。在对所测靶丸表面数据进行去噪处理后,采用拟牛顿法,以CCD所测惯性约束聚变(ICF)靶丸直径作为部分待求参数的初始值,可以有效避免该方法容易陷入局部最优化的缺陷。从而快速、准确地实现靶丸球度误差的测量。分别在两种测量模式下进行了实验,结果验证了该方法的有效性与鲁棒性。     

Mirau相移干涉法测量微透镜阵列面形

基于Mirau相移干涉法,在实验室环境下对微透镜阵列的微表面形貌进行了轮廓测量.实验使用He-Ne激光器作为光源,干涉成像系统由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成.在实验中使用压电陶瓷执行器作为相移器,通过5步相移法计算待测表面形貌.实验结果表明,基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列面形的测量,水平分辨率达到1.1 μm,垂直测量准确度达到6.33 nm,垂直测量范围为5 μm.对于微透镜阵列的面形测量,通过将微透镜阵列划分为若干微小区域以保证局部面形最大高度小于5 μm,然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形,再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建,最终得到整个微透镜阵列的精确微表面形貌.     

用激光二极管自混合干涉测量距离

通过改变激光二极管工作电流,利用自混合干涉信号的相位变化来测量外腔长度.激光二极管工作电流变化导致激光频率变化.工作电流变化引起的干涉信号的相位变化与外腔长度成正比.干涉信号的相位变化2π,对应光频变化的等效长度的1/2.由于改变工作电流激光二极管激光光频可调节范围远小于激光频率,光频变化的等效长度远大于激光波长,激光二极管自混合干涉测量距离的精度远小于测量位移的精度.