测量表面倾角对差动共焦瞄准信号影响分析

普通共焦显微镜的轴向响应特性,因受到被测量表面的倾斜角影响引从而起轴向响应特性变化,而应用差动共焦光学系统对超精密加工的表面进行瞄准测量时,差动系统的瞄准信号也受到影响,并进而影响到测量系统对加工表面的测量精度及分辨特性。通过对差动共焦测量系统输出信号理论模型的分析得出被测量面的倾斜角变化不影响差动共焦输出信号零点位置;倾角在一定范围内变化时不影响瞄准测量分辨力的结论,并给出了实验分析结果。     

光栅尺测长式激光差动共焦曲率半径测量系统

为了增强高精度曲率半径测量仪器的抗环境干扰能力,满足现场使用需求,研制了一套基于光栅尺测长的激光差动共焦曲率半径测量系统。该系统利用差动共焦轴向光强响应曲线的过零点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,对被测样品的猫眼位置及共焦位置进行精确瞄准定位,并借助光栅尺测长得到透镜猫眼位置与共焦位置之间的距离,实现曲率半径的测量。实验表明,该系统相对测量精度优于510-6,满足高精度曲率半径测量的精度需求。     

用于自由曲面表面测量的激光差动共焦传感器

针对自由曲面测量问题,构建了一套高精度大量程激光差动共焦传感器。该传感器基于激光差动共焦原理,利用归一化单点定焦模型减小被测表面倾斜角度、反射率的影响,结合非等距分数阶累加预测算法预判焦点位置,实现快速跟踪定焦。将气浮导轨与PZT结合拓展轴向扫描范围。实验表明,该传感器轴向分辨力优于3nm,可测量表面倾斜角度达22°,轴向扫描范围达50mm,差动曲线的过零点标准偏差为5.7nm,有良好的重复性。该传感器为自由曲面的面型轮廓测量提供了一种新的方法。     

共焦元件测量系统数据处理中的高斯滤波算法

为进一步提高共焦元件参数测量系统的定焦精度,提出了运用高斯滤波算法对由共焦系统采集的光斑图像和共焦轴向强度响应信号进行滤波处理,以降低系统光学噪声对测量光斑图像的影响,削弱外界环境扰动等因素对共焦轴向强度响应信号的干扰。经理论分析和实验验证,在对测量光斑图像和共焦轴向强度响应信号进行高斯滤波算法处理后,可有效地抑制图像噪声,降低高次谐波干扰,进而提高系统的定焦精度。     

差动共焦式纳米级光聚焦探测系统的研究

为解决纳米级大范围的非接触测量问题 ,提出了基于差动式共焦显微技术的光聚焦探测系统。介绍了系统的工作原理和结构装置 ,对系统中的关键技术进行了优化设计 ,通过对共焦光路的差动设计 ,可以有效地抑制光源的噪声和漂移对测量结果的影响。初步实验结果表明 ,该系统的轴向分辨率可达 2 nm     

基于虚拟双差动共焦的快速表面轮廓测量方法

针对传统共焦显微技术定焦过程中扫描速度和扫描精度无法兼顾的问题,提出了一种基于虚拟双差动共焦的快速表面轮廓测量方法.其将传统共焦响应曲线向前平移和向后平移指定量得到虚拟前焦和虚拟后焦信号;然后将虚拟前、后焦信号与原始共焦信号分别相减,并将相减结果做相加处理得到虚拟双差动曲线.虚拟双差动曲线具有大线性范围、高定焦灵敏度的...     

具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法。该方法通过整形环形光式共焦测量法和锐化爱里斑主瓣，改善系统横向分辨力；通过差动共焦测量法改善系统的轴向分辨力，最终达到提高系统空间分辨能力的目的。理论分析和实验表明：整形环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善越明显，量程扩展范围越宽；当入射光波长λ=632.8nm，物镜数值孔径取NA=0.85，ε=0.5时，该系统的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。该方法为光触针测量系统空间分辨力的提高提供了1种新的方法，可广泛应用于超精密三维微细结构工件的超精密测量。     

五维自动调整差动共焦间隙测量方法

为精确、快速测量镜组内各透镜间的轴向间隙,提出一种基于五维自动调整的差动共焦间隙测量方法。该方法根据CCD探测器实时获取的光斑信号检测被测镜组光轴的平移偏差与倾斜偏差,依据偏差信息、通过五维自动调整技术实现镜组高精度调整,再利用差动共焦高精度层析定焦和镜组内部光线追迹实现轴向间隙高精度测量。分析和实验表明,本方法可以有效提高姿态调整效率3.4倍,透镜间隙重复测量精度可达到0.53μm。该方法为实现镜组间隙的快速高精度测量提供了有效途径,同时还为透镜的中心厚度、焦距、半径等多种参数快速高精度测量提供了有效方法。     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义.针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构.透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10μm.     

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器的线性色散物镜设计

基于光谱共焦的碱金属气室壁厚测量传感器是通过直接测量光波波长信息来得到透明材料厚度值,是一种非接触式厚度测量传感器.色散物镜是厚度测量传感器的核心部件,色散物镜的线性度和色散范围决定了厚度测量传感器的精度和分辨率.文章介绍了基于光谱共焦的厚度测量传感器的原理,分析了波长信息与轴向色散范围之间的关系,利用ZEMAX光学设...     

Improved axial resolution in confocal fluorescence microscopy using annular pupils

The axial image of a thick fluorescent layer is studied in a confocal microscope consisting of either circular or annular pupils. The response for circular pupils is sharper than that for annular pupils if a small pinhole detector is used. But when the size of the pinhole is larger than a certain value, the response in the latter case can become sharper than that in the former. This result implies that for a given detector of finite size, axial resolution in confocal fluorescence microscopy can be improved when an annular lens is used. Our experimental results qualitatively demonstrate the theoretical prediction. The strength of optical sectioning and the axial cross-section of the three-dimensional optical transfer function are also derived from the measured data.     

Dual-axes differential confocal microscopy with high axial resolution and long working distance

We discover that the slight transverse offset of a point detector results in a shift of the axial intensity response curve in a dual-axes confocal microscopy (DCM). Based on this, we propose a new dual-axes differential confocal microscopy (DDCM) with high axial resolution and long working distance, in which two point detectors are placed symmetrically about the collection axis. And a signal is obtained through the differential subtraction of two signals received simultaneously by the two point detectors. Theoretical analyses and preliminary experiments indicate that DDCM is feasible and suitable for the high precision tracing measurement of microstructures and surface contours.     

轴棱锥产生无衍射光束自再现特性的几何光学分析

由几何光学方法分析轴棱锥产生无衍射光束自再现特性,很好地解释了无衍射光束自再现的形成原理.在菲涅耳近似条件下,利用菲涅耳衍射理论可以对光传输进行很好地描述;而光束经过障碍物后的很小距离内,菲涅耳衍射近似条件已不满足,衍射理论不再适合描述光束的传输特性,这时可以利用几何光学分析光束传输特性.首先从几何光学角度对轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性进行了详细的描述,并对光束传输进行仿真,最后通过实验验证轴棱锥产生无衍射光束的自再现特性,实验结果与理论分析相符合. 关键词： 无衍射光束 几何光学 轴棱锥 自再现     

微分干涉差共焦显微膜层微结构缺陷探测系统

多层膜极紫外光刻掩模"白板"缺陷是制约下一代光刻技术发展的瓶颈之一,为提高对掩模"白板"上的膜层微结构缺陷的分辨能力,提出了一种微分干涉差共焦显微探测系统方案。基于标量衍射理论,计算了系统横向和轴向分辨率。利用MATLAB建模仿真,在数值孔径为0.65、工作波长为405 nm时,分析比较了微分干涉差共焦显微系统、传统显微系统和共焦显微系统的分辨率。结果表明微分干涉差共焦显微系统具有230 nm的横向分辨率和25 nm轴向台阶高度差的分辨能力(对应划痕等缺陷形式)。此外,仿真和分析了实际应用中探测器尺寸、样品轴向偏移等的影响,模拟分析了膜层微结构缺陷的探测,结果表明本系统可以探测200 nm宽、10 nm高的微结构缺陷,较另外两种系统有更好的探测能力。     

显微数字全息中物光波前重建方法研究和比较

根据全息理论和线性系统理论,采用离轴无透镜傅里叶变换全息记录光路,对利用菲涅耳近似法、基于瑞利—索末菲衍射积分的卷积法以及角谱理论方法数值重建全息图进行了比较研究,并做了计算机模拟验证.结果表明：菲涅耳近似法和角谱方法重建像质比较好,且菲涅耳方法重建速度快;在记录距离极小的情况下,尽管记录距离不满足通常的菲涅耳近似条件,菲涅耳近似公式仍然成立;自由空间脉冲响应的快速傅里叶变换的性质与距离有关,由卷积方法得到的再现像只在某一特定距离下比较理想;对于极小物场、大孔径显微数字全息来说,菲涅耳近似重建方法是较为有效的方法.     

基于CCD虚拟针孔探测的双轴共焦显微技术

双轴共焦显微技术具有独特的非共轴结构,与传统单轴共焦显微技术相比可利用较低数值孔径物镜实现较高的轴向分辨力,且具有工作距离大、信噪比高等优势。对基于CCD虚拟针孔(VPH)探测的双轴共焦显微成像系统的空间分辨特性进行了理论分析,并构建了相应的实验系统,对其轴向响应进行了实验验证。实验中照明物镜NAi=0.117,采集物镜NAc=0.106,θ=45°,得出系统轴向半高宽(FWHM)为2.63μm,比同等参数(NA=0.117)下单轴共焦显微系统的轴向FWHM高出约20倍。     

Spectrally encoded slit confocal microscopy

A simple and cost-effective method for real-time imaging in confocal microscopy is proposed. Spectrally encoded slit confocal microscopy (SESCoM) uses a spectral encoding technique together with a confocal slit aperture to achieve two-dimensional images. Simulation and experimental results of the SESCoM's axial and lateral performances are presented. The measured FWHM of the axial response is 1.15 mum when an objective with a NA of 0.95 is used. FWHMs of the lateral line spread functions are measured to be 236 and 244 nm along the x and y directions, respectively. Both the axial and the lateral experimental results agree well with the simulation results.     

菲涅耳圆孔衍射的解析处理

推导了傍轴条件下菲涅耳圆孔衍射场的级数解,进而讨论了一些具有重要理论和实验意义的问题．     

微型差动式共焦自聚焦光聚焦探测系统

为解决微小内轮廓尺寸为代表的微小尺寸的非接触式超精密测量问题，提出了将自聚焦透镜体积小的特点与共焦显微技术的高分辨率和绝对位置跟踪特性相结合的差动式自聚焦共焦微型显微技术的光探测技术，建立了相应的传感系统，介绍了系统的工作原理和构成，自聚焦透镜测头直径为1mm，两个探测器差动设置，不但消除了光源的光强漂移和探测器的电子漂移产生的共模噪声，提高了测量信噪比，而且有效地提高了系统的轴向分辨率，初步实验表明，系统轴向分辨率在倾斜率小于20度的范围内可达5nm。