点光源下的Talbot效应在阴影叠栅中的应用

传统的阴影叠栅轮廓术的测量深度十分有限。根据点光源照明下Talbot自成像的空间分布规律,提出将点光源下的Talbot效应应用于阴影叠栅三维轮廓测量的方法。推导点光源模型下阴影叠栅测量系统中相机接收到的光强随物体到光栅距离变化的数学表达式。数值模拟和实验表明,相对于传统的阴影叠栅轮廓术,利用Talbot效应会大大增加阴影叠栅轮廓术的测量深度。分别使用文中所提出的方法和传统的阴影叠栅轮廓术对同一物体表面进行测量,两次测量结果之差在±5μm内。说明将点光源下的Talbot效应应用于阴影叠栅轮廓测量能够准确地反映物体表面的三维形貌。     

阴影叠栅相移非线性误差补偿算法研究

相移阴影叠栅干涉场的相位(高度)存在非线性关系,而传统的相移阴影叠栅技术往往忽略了相位与高度的非线性关系,从而在测量系统中引入测量误差。对此提出了一种基于迭代相位解调自调算法相移阴影叠栅技术,该方法利用最小二乘技术获得相移量估算值,利用该估算值通过迭代算法消除相移阴影叠栅的全场相位误差,从而得到正确的相位分布。模拟计算表明该方法可以有效解决相移不均产生的相位测量误差问题,且可实现光栅移动量的精确估算,其误差不超过3.4%。对比实验进一步说明了所提出方法的正确性和优越性。     

码盘偏心对叠栅条纹信号相位影响的理论分析

增量式光学编码器根据径向辐射光栅产生的叠栅条纹进行角度测量，两光栅码盘轴之间及其与系统转动轴之间的偏心和晃动，影响着编码器读头输出的叠栅条纹信号的相位，这给角度测量带来了一定的系统误差。根据光栅码盘产生叠栅条纹的基本理论，在改进计量光栅码盘理论模型的基础上，推导出码盘偏心情况下码盘读头输出的叠栅条纹信号相位的理论公式，对码盘偏心给叠栅条纹信号相位带来的偏差、增量式光学编码器光学设计原理及消除此由此带来的系统误差的技术原理进行了分析与讨论。     

叠栅条纹相位分布对对准精度的影响分析

光刻对准中,一般将硅片和掩模对准标记制作成周期接近的光栅,通过光栅标记叠加形成的叠栅条纹的相位信息,探测掩模和硅片的相对位置关系。在实际的应用中,叠栅条纹的方向不仅与对准标记的几何位置有关,而且还与CCD的位置有关。为了将叠栅条纹的光刻对准方法推向实际应用,从矩形光栅到叠栅条纹,分析了一般光栅的相位分布规律。根据叠栅条纹相位特性分析了掩模、基片和CCD的几何位置对对准精度的影响;建立了实际对准偏差与理论值的数学关系模型。研究表明,没有角位移的情况下,当位移值小于0.4pixel时,理论上最大对准误差低于0.002pixel。     

一种解调阴影叠栅条纹的新方法

本文提出了一种叠栅条纹解调技术,我们称它为频移叠栅法,它不同于相移叠栅法,前者改变了叠栅条纹分布的频率,后者只是改变了叠栅条纹的相位.本文从阴影叠栅图分布的基本公式出发,借助于相移阴影叠栅法的思想推导并得出了频移阴影叠栅法的公式,在此基础上给出了特定条件下的实用公式.同时也分析了其相位图,将其主值范围从0～π拓展到0～2π,解决了其去包裹中正负号确定问题.最后给出了实验结果,并分析和模拟了由于频移的不准确给测量结果带来的影响.     

基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术

双N步相移轮廓术虽然可以大大降低由于光栅条纹的非正弦性所导致的相位误差,但增加了一倍的投影条纹数量,降低了测量效率。针对此问题,本文提出一种基于彩色编码光栅投影的双N步相移轮廓术,它将原相移条纹和附加相移条纹编码成双色条纹,融合到一幅彩色光栅条纹中投影,然后从采集的彩色条纹中提取两套条纹的相位信息,分别解包裹相位后,融合两包裹相位以减小相位误差。为验证所提方法的有效性,将该方法与两种典型的相位展开算法结合进行实验。实验结果证明,所提方法能有效降低相位误差,且不需要增加任何额外的光栅条纹,测量效率提高了46%。     

叠栅条纹和CCD用于位移和角度的测量

将叠栅条纹测量技术和CCD器件结合应用于角度和位移的智能测量系统,该系统利用光栅的衍射自成像现象产生虚拟光栅,与另一光栅形成叠栅条纹,并用CCD光电转换系统,测量叠栅条纹的距离,可得到两光栅间的夹角.当任意一片光栅沿垂直于栅线方向移动时,通过数出移过叠栅条纹数目,即可得到相应光栅移动的位移.本文还分析和讨论了误差来源及给实验带来的影响.     

基于校正多相位快速傅里叶变换算法的叠栅条纹相位差测量

叠栅条纹相位差测量是光栅位移测量中的关键技术,在两块光栅相对运动过程中,叠栅条纹信号的频率会因光栅夹角误差的存在而发生偏移,采用传统多相位快速傅里叶变换(MPFFT)算法计算任意时刻叠栅条纹相位值会产生测量误差,导致相位差测量不准确。为了减少频偏所产生的相位测量误差,提出了一种校正MPFFT相位测量算法,推导出了基于相位差校正法的MPFFT谱校正模型。仿真结果表明,在无噪声情况下,当光栅夹角误差为0.1°时,信号的最大频率偏移量约为4.19kHz,传统MPFFT相位测量误差大于100°,经相位校正后,相位测量误差小于0.2°,相位差测量误差小于0.004°;在高斯噪声和谐波干扰情况下,相位差测量误差小于0.2°,当取栅距为20μm时,相位差测量误差所产生的位移测量误差小于0.0111μm,为光栅位移纳米级测量提供了参考。     

基于叠栅条纹的光刻对准理论分析及标定方法

在线光栅用于纳米光刻对准理论的基础上,为实现光栅方向的标定和掩模硅片对准,提出一种利用相位斜率消除角位移的新方法,并给出线光栅标记及其对准原理。在对准前,掩模对准标记和硅片对准标记存在角位移,重点讨论了此种情况下叠栅条纹的特性以及与光栅物理参数的关系,并给出了相应的计算公式。基于傅里叶频域分析法,对叠栅条纹频率成分与条纹的关系做了简要分析。利用提取叠栅条纹行列方向的一维相位,通过数据拟合,得出了相位斜率与角位移的内在关系,实现了条纹方向的标定。模拟实验结果表明,该方法简单可靠,可分辨的最小角位移低于0.02°。     

提高叠栅条纹信号质量的一种新方法

在国内外普遍使用的细栅距幅光栅叠栅条纹系统中,衍射效应是很明显的,这是造成叠栅条纹信号的衬比(度)和正弦性不好的主要原因.本文在分析了叠栅条纹信号的基础上,导出了衍射光栅副中±1级叠栅条纹的相位与光栅副间隔,光线入射角等的关系,提出了用±1级叠栅条纹来提高叠栅条纹的信号质量,实验结果与理论分析一致,实际应用,效果良好.     

基于复合光栅的大范围高精度对准方法

提出一种基于复合光栅的对准方法,满足接近式光刻高精度、大范围对准需要。该复合光栅由周期具有微小差异的小周期光栅以及与之相正交的大周期小范围光栅组成。对准过程中,通过对叠栅条纹进行高精度相位解析,实现精对准;通过直接求取大周期光栅位置实现粗对准。由于两个方向上的光栅相互正交,傅里叶变换提取频谱时将不受影响。分别分析小周期光栅的叠栅条纹相位分布,以及大周期光栅的强度分布,实现大范围、高精度对准。推导了基片、掩模相对移动量与复合光栅变化之间的关系。通过计算机模拟对该对准方法进行了仿真分析,考虑噪声的基础上,对准精度可以达到16.5 nm;通过实验系统对该对准方法进行了验证与分析,对准精度可以达到30.19 nm。     

电寻址液晶光阀系统上的叠栅条纹的观察与测量

利用电寻址液晶光阀系统生成叠栅条纹,对教学实验室中较难实现的圆形光栅及其动态叠栅条纹进行了模拟,并且利用电寻址的动态叠栅条纹测量了圆形光栅转速.此外,提出了远场衍射观察光线偏折的方法.     

码盘偏心对叠栅条纹信号相位的影响

根据两计量光栅产生叠栅条纹的几何光学基本理论,在改进计量光栅码盘理论模型的基础上,推导出码盘偏心情况下读头输出的叠栅条纹信号相位的理论公式,对码盘偏心给叠栅条纹信号相位带来的偏差进行了分析与讨论.     

三维显示中基于彩色叠栅条纹的视差障栅参数设计

为确定三维显示中视差障栅(PB)的最优参数,提出一种基于彩色叠栅条纹的PB参数设计方法。液晶显示器(LCD)和PB简化为相应参数的黑白光栅模型,而具有特定参数的特定辐射光栅作为周期和倾角变化的PB模型,通过序数方程和傅里叶分析方法分析特定辐射光栅和LCD单色等效黑白光栅的叠加图样,由此推断出不同PB周期的低频主导条纹频率组项,然后利用傅里叶理论的部分和提取方法(PSE)分析不同PB周期的低频主导叠栅条纹的强度轮廓,得出PB的最佳节距和相应倾斜角度。实验结果表明,所设计的PB三维显示系统没有出现降低像质的叠栅条纹,具有较好的三维显示效果。     

相移阴影莫尔条纹正交化解调技术

提出一种基于克莱姆正则化分析法的三帧自标定相移阴影莫尔三维轮廓技术.该技术首先采用移动光栅的方法获得相移条纹图,然后通过不同帧相移条纹图相减去除条纹图背景,进而结合克莱姆正交化法和最小二乘法,发展了一种相位解调方法,提取了测量相位.以五步Harlharan算法为参考,用不同算法对同一物体表面进行测量.结果表明,相对于典型的三步相移法和主量分析方法,提出的方法测量得到的相位误差最小(0.5rad),且简化了测量过程.     

任意相移阴影叠栅相位解调技术的研究

结合时域和频域干涉图分析方法,提出一种任意相移阴影叠栅条纹图相位解调技术,降低了干涉图在采样过程中对相移量的严格标定要求,补偿了相移阴影叠栅技术固有的相移不匀误差。使用空域技术确定采样干涉图的正交信号,进而得到了采样干涉图的相移量,然后运用任意相移相位提取算法搜索测量相位信息。实验证明此方法简单方便、求解迅速,且优于典型的相移算法,其测量误差的标准差不超过3×10-3 mm,该方法为提高相移阴影叠栅技术的测量精度提供了有效手段。     

基于双光栅的纳米测量方法

针对两个物体或平面的相对位移和间隙的纳米级变化量,提出并研究了一种光栅测量方法.采用两组周期接近的微光栅重叠可以产生一组周期分布的条纹,条纹的周期相对于两光栅周期被大幅度放大,并将光栅间的位移反应在条纹的相位信息中.建立了关于双光栅产生叠栅条纹的复振幅分布的近似理论模型.基于该模型设计了一种能够测量两个平行平面相对位移和间隙的方法.针对光栅移动产生相应条纹的过程进行了数值计算.结果表明,两个平行平面的相对微位移将引起相应条纹的大位移,并且该方法最终能在纳米级以内分辨两平面(物体)的相对位移或者间隙变化量.     

光载波条纹图的计算机辅助分析——阶梯形虚拟光栅解调法

本文提出一种两维光测条纹图的相位测量技术--阶梯形虚光栅解调算法。此法只需要获取一幅光载波条纹图,由计算机产生两个由N(整数)个象素构成、透射函数呈阶梯形分布、彼此间有一定相位差的两个虚光栅(参考信号),通过在整数域的运算实现对条纹图和虚光栅的相乘型叠加,低通滤波后得到两个相位差已知的叠栅函数,然后从两个相差为已知值的正弦信号中提取相位信息。理论分析和计算机模拟表明,具有相当高的测量精度,计算简便快捷。文中还给出了阶梯虚光栅解调法在投影光栅法三维形貌测量中的应用实例。     

基于双频投影条纹的全自动相位解包裹方法

为了在相位轮廓测量术中更简便可靠地获取待测面的相位场,提出了一种利用双频投影条纹的叠栅特性进行全自动相位解包裹的方法。该方法通过分析双频投影条纹的条纹级数之间及相位之间的关系,推导了一套利用该双频条纹的相位主值获取真实相位场的公式。在利用这套公式进行解包裹时,各点的相位求取都是单独进行的,因此不会出现误差传递的现象;同时求解的相位场保持了相移法求解的相位精度。实验证实了该方法的可行性,并得到很好的测量结果。     

采用二维载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术

为解决三维形貌测量中非连续相位解包问题并提高测量精度,提出了采用二维网格光栅作为空间载频条纹的二维伽博小波变换轮廓术。与采用一维单一频率载频条纹轮廓术比较,该方法可以获得两倍的测量信息,并且可以达到相同的测量精度。提取二维网格条纹中的两个调制相位时,该方法不必设计带通滤波器来分离两个一维条纹,而是直接应用二维伽博小波变换。通过检测小波脊,从一幅变形网格光栅图像中直接提取两个方向光栅条纹各自所对应的包裹相位分布,结合查表法进行解包从而得到确定的调制相位分布。给出了详细的理论推导,实验结果证实了该方法的可行性。