基于Linnik型白光显微干涉光谱测量方法

针对在复杂测量环境下实现薄膜类样品的高精度测量需求,基于白光干涉光谱测量理论,搭建了Linnik型白光显微干涉光谱测量系统,该系统具有较长的工作距离.系统采用5步相移算法实现相位信息的精确提取,通过对绝对距离以及标准薄膜样品的测试,验证了方法的可行性,并在此基础上利用系统实现了对微结构表面形貌和不同材料薄膜厚度的纳米级精度测量.     

基于白光干涉的空间频域算法研究

为了精确定位白光干涉条纹的零光程差位置,采用空间频域算法通过傅里叶变换提取白光干涉信号中心波长的相位信息并结合包络中心算法去除相位模糊从而实现零光程定位.实例测量了具有相位突变的计算全息元件的表面轮廓,其平均刻蚀深度为1.63 μm.测量表面形貌连续分布的微透镜阵列,0.32 mm×0.32 mm视场内表面PV为370...     

利用白光扫描干涉测量表面微观形貌

由于激光显微干涉只能测量表面微观形貌的相对高度值,不能进行绝对测量,本文提出了白光显微干涉测量方法,研制了测量仪器,并对CCD像素格值和PZT进行了标定.该仪器以白光干涉理论为基础,利用空间频域算法计算白光干涉图零级条纹中心位置,根据零级条纹中心移动量来得到被测工件表面微观形貌.对被测工件表面进行了测试,试验结果表明:...     

衍射光学元件表面形貌测量方法研究

提出了一种基于双光路双波长相移干涉显微原理的新型 DOE三维表面形貌测量方法 ,并建立了相应的测量系统。理论分析和测量结果表明 ,测量系统纵向分辨率为 0 .5 nm,横向分辨率约为 0 .5 μm(NA=0 .4) ,在整个纵向测量范围内重复测量精度优于 1 .3nm,满足了 DOE表面形貌测量的需要。     

基于白光相移干涉术的微结构几何尺寸表征

将Carré等步长相移法与白光垂直扫描相结合形成了一种白光等步长相移算法,该方法快速、准确、非接触,垂直分辨力可达亚纳米级.测量系统集成了Mirau显微干涉物镜,并通过高精度压电陶瓷纳米定位器带动物镜进行垂直扫描.分析了Carré法应用于白光干涉信号的相位提取的精度,对不同扫描步距以及不同信噪比情况下的测量进行了计算机仿真,确定了测量参数.结合重心法将相位计算的数据范围直接定位于干涉信号的零级条纹,从而省去了相位解包裹过程.通过对微谐振器和标准台阶的测量说明了该方法的有效性,并使用白光相移干涉、白光垂直扫描和单色光相移干涉对44 nm标准台阶进行了测量,并对测量结果进行了比较.     

基于干涉显微原理的表面形貌测量系统

根据光学干涉显微法原理,设计开发了一套微纳结构表面形貌测量系统.该系统采用林尼克干涉显微镜,通过参考镜扫描的方法将扫描器与相移器集为一体,分别采用五步相移算法和基于采样定理的包络均方函数(SEST)算法实现相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)两种模式对微纳结构的表面形貌测量.为验证该系统性能,采用标准多刻线样板和标准台阶作为样件对VSI 和PSI 两种模式分别进行了测量实验.结果证明,该系统能够完成微纳结构表面形貌的快速精确测量,可以满足微电子、微机电系统中微纳结构的表面形貌测量要求.     

基于空间频域算法的三维微观形貌的测量

白光干涉术测量表面形貌,解决了单色光干涉测量中的相位不确定困扰。基于扫描白光干涉术的空间频域算法,具有受噪声影响小、计算精度高的优点。运用这一算法通过Mirau扫描干涉显微镜对台阶状样品表面进行了两次白光扫描测试,得出了台阶表面形貌结果,且两次测量的台阶高度相差不超过1 nm。同时,利用Zygo Newview 7200白光形貌仪对同一样品表面进行了测试对比,结果表明:两者得到的样品表面形貌一致,台阶高度相差0.9 nm。此外,实验数据处理的结果还表明:运用空间频域算法进行分析时二阶以上的色散完全可以忽略。     

白光干涉测量法中蝠翼效应的模拟分析

为探索白光干涉仪在测量矩形台阶时的蝠翼效应误差,建立白光干涉虚拟测量模型.在模型中,考虑白光光源带宽和干涉物镜数值孔径以及圆孔衍射模型的影响,分析蝠翼效应与真实台阶高度、光源中心波长之间的关系.模拟结果表明当台阶高度差是λ0/4的奇数倍时会出现蝠翼效应,且越接近λ0/4的奇数倍,蝠翼效应越显著.关于对蝠翼误差的补偿,分...     

光谱域光纤白光干涉测量技术

光谱域光纤白光干涉测量技术(WLI)具有精度高、动态范围大、工程实用性强等优点,在光纤传感和精密测量领域有广泛的应用价值。本文回顾了光谱域光纤白光干涉测量技术的发展历程,重点介绍了本研究组在这一领域所开拓的基于相位测量技术的光谱域光纤WLI,包括傅里叶变换WLI及其相对测量术、波长扫描WLI、相移WLI、波数扫描WLI、互相关WLI、步进相移WLI,并展示了该技术在光纤温度、压力、应变等传感器中的应用。     

白光干涉测量系统的测量不确定度评定

白光干涉测量系统(white-light interference system,WLIS)广泛用于微纳米表面形貌的精密测量,其测量不确定度评定是研究白光干涉测量系统计量特性的一项重要工作.基于微纳米线间隔和台阶,建立了 WLIS测量表面形貌时的测量模型,明确了测量不确定度来源;以5000 nm的线间隔和180 nm的...     

用散斑干涉光谱分布检测瞬态温度

为了提高对瞬态温度检测的灵敏度,提出了基于散斑干涉条纹光谱分析的瞬态温度反演算法.系统利用散斑干涉形成干涉条纹,由于瞬态温度的变化会使材料应变,从而使散斑干涉条纹改变.被测表面形变前后获得的干涉条纹由面阵 CCD 采集,其对应的光谱密度分布函数也会发生相应的改变,即由散斑干涉条纹反演得到的中心波长振幅发生改变.通过对两次中心波长幅值的比值的检测和计算,即可获得被测的瞬态温度.在分析计算了瞬态温度变化与材料应变、材料应变与干涉条纹变化的函数关系的基础上,推导了瞬态温度变化与干涉条纹振幅及相位函数关系.实验采用660 nm 半导体激光器,SI6600型面阵 CCD 探测器,从获得的光谱分布函数中提取中心波长处幅值比值,通过计算和标定,最终温度检测精度可达到±2℃.相比传统的直接检测干涉条纹的变化量,由被测面形变量推导温度的方法精度提高了近一个数量级,其精度更高、检测均匀性更好、稳定性更好.     

全视场外差白光干涉测量技术

为了解决传统白光干涉测量技术中对线性位移机构的位移精度要求过高的问题,本文提出了一种全视场外差白光干涉测量技术。该技术主要通过使用存在差频的白光干涉信号作为光源来实现在大扫描步长和低扫描精度条件下相干峰位置的高精度检测。本文首先建立了白光外差干涉的数学模型,再根据数学模型提供的光强信号特性提出了整体系统设计方案,然后对测量方案的可行性进行了实验验证。最后针对多种误差对算法计算精度的影响进行了理论分析和数据对比。误差分析的结果表明:白光外差干涉测量技术提供更高的测量精度和更好的抗干扰性能,有效地降低了传统白光干涉测量对线性位移机构精度的严苛依赖,为光学自由曲面检测技术提供了更多的可选解决方案。     

测量薄膜折射率的光栅衍射干涉方法

根据光的干涉理论,讨论了条纹周期数对测量薄膜折射率不确定性的影响,推导出干涉条纹错位量与薄膜折射率和厚度的关系式。由此提出采用光栅衍射干涉测量薄膜折射率的方法和实验方案。实验表明:该方法的干涉条纹测量精度达λ/10~λ/20,薄膜折射率测量精度可达 0.01 以上。     

Linnik白光干涉仪自动对焦及光程差最小化

众所周知由于两个干涉臂光路不匹配和参考镜面与被测表面的离焦,要得到相干长度非常短的Linnik白光干涉仪的干涉条纹是非常困难的.本文提出了一种自动调节的方法来解决这个问题.为了实现参考镜面和被测表面的对焦,在商用DVD读取头的基础上,对其像散法进行改进,具体方法是对和信号SS设定一个阈值,通过此阈值对归一化后的FES曲线(NFES)进行裁剪,从而获得一个与离焦距离成单调关系的曲线(TNFES),其过零点对应的就是焦点.经过实验证明,改进后的自动对焦系统的动态范围为190 μm,平均灵敏度70 mV/μm,平均标准偏差0.041 μm,分辨率4.4 nm,不确定度55 nm.此外为了最小化两个干涉臂的光程差,本文采用均方根RMSFC算法来计算成像在CCD上的干涉条纹的对比度,通过找到其最大值来最小化光程差.实验证明本文提出的自动方法可以有效地获得Linnik白光干涉仪的干涉条纹.     

Discontinuous surface measurement by wavelength-tuning interferometry with the excess fraction method correcting scanning nonlinearity

Wavelength-tuning interferometry can measure surface shapes with discontinuous steps using a unit of synthetic wavelength that is usually larger than the step height. However, measurement resolution decreases for large step heights since the synthetic wavelength becomes much larger than the source wavelength. The excess fraction method with a piezoelectric transducer phase shifting is applied to two-dimensional surface shape measurements. Systematic errors caused by nonlinearity in source frequency scanning are fully corrected by a correlation analysis between the observed and calculated interference fringes. Experiment results demonstrate that the determination of absolute interference order gives the profile of a surface with a step height of 1?mm with an accuracy of 12?nm.     

Phase Shift Effects in Fabry-Perot Interferometry

A method is demonstrated for utilizing in Fabry-Perot interferometry the data on reflection phase shift dispersion obtained from fringes of equal chromatic order. Unknown wavelengths can be calculated from the Fabry-Perot patterns obtained with a large etalon spacing, even without prior knowledge of the phase shift of the reflecting surfaces. When the theoretical phase shift as a function of wavelength is known approximately, then the correct orders of interference can be determined for both the Fabry-Perot fringes and fringes of equal chromatic order. From the wavelengths of the latter the phase shift dispersion can be measured to an accuracy of about 10 A. The method is especially useful for reflectors with large dispersion of phase shift, such as multilayers. Results in the visible spectrum are reported for aluminum films and a pair of dielectric 15-layer broadband reflectors.     

相关共路干涉技术测量表面轮廓的研究

提出一种集共路干涉与相关处理为一体的非接触表面轮廓仪。这种新的结构体系克服了同类仪器中环境干扰、导轨误差及光源噪声影响，适合于高精度表面轮廓测试。仪器测量精度优于４ｎｍ。     

Sinusoidal wavelength-scanning interferometer with a superluminescent diode for step-profile measurement

In sinusoidal phase-modulating interferometry an optical path length (OPD) larger than a wavelength is measured by detection of sinusoidal phase-modulation amplitude Z(b) of the interference signal that is produced by sinusoidal scanning of the wavelength of a light source. A light source with a large scanning width of wavelength is created by use of a superluminescent laser diode for the error in the measured value obtained by Z(b) to be smaller than half of the central wavelength. In this situation the measured value can be combined with a fractional value of the OPD obtained from the conventional phase of the interference signal. A sinusoidal wavelength-scanning interferometer with the light source measures an OPD over a few tens of micrometers with a high accuracy of a few nanometers.     

Effect of a change in phase of the reflected wave on measurements of the shape of a surface in optical profilometry

We examine the effect of a change in phase of the reflected electromagnetic wave when measuring a surface profile using a scanning white-light interference microscope and a phase-shifting coherent light interference microscope. We present the results of experiments measuring the thickness of an aluminum coating deposited on a silicon wafer, without any phase shift correction and with phase shift correction, calculated from handbook data and from the results of ellipsometric measurements. We compare with the results of measurements on the same object on an atomic force microscope.     

串连差分白光干涉法测量金属极薄带厚度

利用白光作为光源的干涉仪(WLI)克服了单色相干光干涉相位不确定,不能够进行绝对测量的缺点,本文设计了一种串连差分白光干涉(DMLI)测量极薄金属带材厚度的新系统.该系统的特点是由两个迈克尔逊干涉仪(MI)串联组成差分干涉系统,两个干涉仪的测量反射面由薄带的两个对应表面承担,干涉系统的最后输出信号只与薄带的厚度有关,而与薄带在测量光路中的位置无关.理论分析及实验结果表明,该系统既有干涉测量的高精度,高灵敏度,又具有较强的抗干扰能力.