CCD像元尺寸对傅里叶变换法相位测量精度的影响

针对傅里叶变换分析法中的离散过程理论分析存在的不足,对CCD采样过程中影响相位测量精度的主要因素进行了详细分析和仿真研究.讨论了CCD像元尺寸在采样过程中对傅里叶变换频谱的影响,理论分析了傅里叶变换法中CCD像元的尺寸、随机噪声和量化误差对相位测量精度的影响.计算机仿真和实验结果均表明,用傅里叶变换分析法对具有不同密度的干涉图进行分析时,CCD像元尺寸对采样后输出的光强信号的调制度、信噪比和频谱展宽均有影响,像元尺寸越大,采样后条纹信号的调制度和信噪比越低,其频谱展宽越大,经相位解算后得到的相位测量误差越大.以相位测量误差的RMS值大于0.05λ作为判断基准,信号的信噪比约为20,为扩展傅里叶变换分析法的动态测量范围提供了理论基础.     

移栅型全息光栅曝光干涉条纹锁定

为了提高全息光栅曝光系统的曝光对比度,抑制外部环境变化引起的曝光干涉条纹漂移,提出了一种移栅型干涉条纹锁定方法。采用分束光栅实现光源激光的分光及干涉条纹的相位调整。通过叠栅条纹间接测量干涉条纹相位变化,给出了双光电探测器的最佳探测位置。结合分光及相位调整功能,给出了分束光栅参数的设计方法。针对光栅曝光特点设计了控制器。从理论上对比了分束光栅与压电反射镜的相位调整性能。实验结果表明,采样频率为500Hz时,干涉条纹的低频漂移得到有效抑制,相位锁定精度达到0.13rad(3σ),即条纹漂移量低于±0.021个周期。该方法可以实时有效地锁定曝光干涉条纹,提高曝光对比度。且分束光栅偏转对条纹周期影响小,相位调整性能仅与分束光栅参数相关,便于光路设计。     

利用空域滤波虚光栅叠栅法提取干涉图波面

虚光栅叠栅条纹法是一种利用单幅干涉图提取波面信息的方法,为了解决叠栅条纹的滤波问题,提出了一种基于高斯函数的空域滤波法。利用高斯函数在空域中对叠栅条纹图进行模糊处理,滤除不需要的高频分量,仅保留包含波面相位信息的低频分量。重点研究了高斯函数滤波窗口的选择和干涉图的载频之间的对应关系。该方法具有计算量小、易于选取滤波窗口的优点。对一光学平面的面形测量结果表明,利用空域滤波虚光栅叠栅法提取的波面[峰谷(PV)值为0.080λ,均方根(RMS)值为0.020λ,λ=632.8nm]与利用Zygo GPI干涉仪的四步移相法得到的波面(PV值为0.079λ,RMS值为0.017λ)相吻合。     

干涉直条纹周期测量及其在位相检测中的应用

干涉条纹周期是干涉精密测量中的一个较为重要的参数.为了可以简单快速而不失准确性地测量条纹周期,采用了图像处理实现干涉条纹周期测量的较为简单实用的算法.通过MATLAB平台设计相应的图像数据处理软件,分析影响条纹周期测量精度的因素,给出处理过程对条纹倾斜度的要求,并应用于相板的位相的定量检测,获得了相板的位相大小.结果表明,测量相位精度达λ/20～λ/50或π/10～π/25.这一结果对位相物体的厚度和折射率的测量有很大的帮助.     

大梯度相位单幅干涉图的解相方法

针对加工中的大梯度相位在线检测需求,提出一种基于数字叠栅移相方法和牛顿迭代算法的单幅干涉图解相方法。在不同待测相位下,将所提方法的结果与其他3种典型的单幅干涉图解相方法进行仿真对比,结果表明,所提方法的解相精度较高。对离焦球面产生的大梯度相位进行测量实验,并将实验结果与ZYGO公司生产的干涉仪机械移相测量结果进行对比,验证了所提方法的有效性。     

干涉条纹数字分析系统

加拿大微至（WZ）光电子有限公司研制开发的“干涉条纹数字分析系统”能够高精度数字分析干涉条纹，测量精度达到λ／20-λ／50，系统由图像采集卡、个人计算机、软件和软件加密狗组成，实时采集或输入干涉条纹，自动分析处理干涉条纹，输出检测报告。     

双波长同步干涉检测中基于莫尔条纹加乘变换的合成波长载频交叠干涉术

双波长同步干涉测量(ＳＤＷＩ)能够以更高的效率扩展传统单波长干涉测量的测量范围, 但是难以直接从双波长同步干涉测量中生成的加性莫尔条纹包络线中解耦提取所需波长较长的拍频合成波长(λｓ )信息? 本文提出了一种从加性莫尔条纹图中提取相位分布信息的合成波长载频交叠干涉术。通过莫尔条纹加乘转换,在得到乘性莫尔条纹图中,合成波长的干涉信息以叠加形式独立于其他波长的干涉信息。随后,从 ４ 帧乘性莫尔条纹图的频谱滤波提取出相移为 π/ ２ 的合成波长移相干涉图。最 后,对提取的 ４ 帧合成波长移相干涉图进行重新排列合成单一时空条纹图(ＳＴＦ)。 通过将时域相移转换为空域载频,利用频谱 滤波和傅里叶逆变换提取出合成波长的测试相位。与传统的双波长空域傅里叶变换解调理论相比,本论文方法在不消除背景分 量的情况下,所需空域线性载频仅为前者的 ０.１２７ 倍左右。 仿真和实验结果验证了本文方法的可行性和适用性。     

白光显微干涉三维形貌测量中的移相误差校正方法

白光显微干涉术通过驱动干涉显微物镜垂直扫描移相,采集低相干干涉图序列,定位干涉包络中的零光程差位置,获取待测表面的三维形貌。微观形貌的计算由获取粗略形貌的垂直扫描（VSI）算法和获取精细形貌的移相（PSI）算法两部分组成。通常情况下,设置垂直扫描移相的步长为八分之一中心波长,但移相器误差和干涉显微物镜数值孔径效应等都会使得移相量偏离π/2。文中采用基于对比度变化重心提取的VSI算法,4M幅法和7幅法两种PSI算法,分别讨论了两种类型移相误差对形貌计算的影响。理论和数值分析结果表明,在宽带光作用下,7幅法仍对移相误差不敏感,4M幅法产生的精细相位误差形式恰好与干涉物镜数值孔径效应对条纹展宽的影响相一致,在从精细相位转换为精细形貌时相互抵消。因而,采用基于对比度变化重心提取的VSI算法和4M幅PSI算法计算形貌数据,干涉物镜数值孔径效应造成的移相误差无影响,移相器误差造成的形貌复原误差可以通过预先测量已知高度的标准台阶进行标定去除。应用上述移相误差校正方法测量了高度为460 nm的台阶,形貌测试结果正确且鲁棒。     

用投影全息干涉条纹测量物体三维面形

在以往投影测量三维面形的装置中,其产生激光干涉投影条纹的装置较大,且干涉条纹较容易受外界的影响而漂移和抖动,影响测量结果精度的提高,本文提出用离轴全息干涉条纹替代投影法的激光干涉仪投影条纹,并将其用于实际测量中,实验结果表明：该方法产生干涉条纹的装置简单,且不受外界振动的影响,光能利用率高,易于移相和解调,这使得三维形貌检测精度高、速度快、实用性更强。     

全视场外差移相双波长干涉面形检测技术

双波长干涉检测技术可以实现高动态范围与高测试精度的兼顾,是一种极具潜力的检测技术,用于干涉检测的压电位移机械移相技术存在着一些问题,使用全视场外差移相技术,低频差的外差光源与面阵探测器采集帧率相配合,相较于传统的压电位移机械移相技术,可以同时保证不同波长的移相精度,简化移相的复杂度,且可以方便实现多步移相。提出了全视场外差移相双波长干涉测量技术,并搭建了全视场外差移相双波长干涉测量系统,测试了在边缘最高偏离顶点球13 μm的非球面以及高度为(1.3±0.1) μm的台阶,经过实验验证其非球面面形PV测试精度为λ/3.53 (λ=633 nm),面形PV测试重复精度为λ/77.38,面形RMS测试精度为λ/14.16,面形RMS测试重复精度为λ/919.10,台阶高度测试精度为λ/16.19,测试重复精度为λ/311.85。     

接近式光刻对准中的叠栅干涉测角方法

干涉测量是众多科学与工程领域广泛采用的精密计量手段。探索了一种方便可控的基于双光栅衍射的叠栅干涉相敏测角方法,可直接用于接近式光刻过程中掩模衬底的倾斜矫正及面内角调节,便于微纳米器件及微光电子系统集成等相关应用。本方法旨在分别利用双光栅多次衍射产生的对称与相似级次,实现(m,-m)级叠栅干涉与(m,0)级叠栅干涉,产生相位与二者相对倾斜角、面内角有关的场分布。分析推导了叠栅干涉测角的基本原理,然后介绍相应的(m,-m)级与(m,0)级干涉测角方案设计。具体而言,二者均类似地根据条纹偏转及频率变化分别以离轴与同轴的方式监测倾斜及面内偏转角度。设计相应的组合光栅标记进行实验验证。实验结果及分析表明,倾斜角与面内角的调节精度分别可达10-3 rad及10-4 rad。     

电调谐波长移相干涉术

为了实现一体化结构干涉仪的现场数字化检测,提出了一种电调谐波长移相干涉术,通过控制注入电流,调制半导体激光器（LD）的波长,从而实现时域移相干涉。通过优化传统的随机移相干涉模型,采用最小二乘求解线性回归模型迭代算法求解相位,抑制了电调谐的控制精度有限、LD非线性引起的不等间隔移相,以及环境震动引起的各采样点位相变化不同步的干扰。将该方法应用于现场检测的便携式斐索干涉仪上,利用其与Zygo GPI XP/D型干涉仪测量同一块光学平晶,测量结果的峰谷值偏差为9.91 nm,均方根值偏差为5.22 nm,能满足现场定量检测的精度要求。该方法还可以应用于其他类型的激光干涉仪中。     

二维虚光栅移相莫尔条纹相位提取算法

目前二维干涉图所采用的相位提取算法大多以傅里叶变换法为主,而傅里叶变换法对噪声比较敏感。虚光栅移相莫尔条纹法具有较高的提取精度,而且抗噪性较好。在一维干涉图的基础上,提出了一种适用于二维干涉图相位提取的二维虚光栅移相莫尔条纹法,该方法通过构造一定相移量的二维虚光栅实现相位提取。与傅里叶变换法对比研究的仿真结果表明:对于同一幅二维干涉图,在干涉图不含噪声的情况下,傅里叶变换法与该方法的相对重构误差分别是5.52%和3.46%;在干涉图含噪声的情况下,随着噪声的增加,该方法在抗噪性方面的优势越来越明显。对二维横向剪切干涉仪零位校准装置所采集到的二维干涉图进行处理,实验结果表明,傅里叶变换法和该方法所得到的测量结果均方根值分别为0.0053λ和0.0037λ(λ=632.8 nm)。     

基于自相干叠栅条纹的光刻机对准技术

随着光刻技术向10nm及以下工艺节点的延伸,光刻工艺对套刻精度提出了更高的要求,相应的对准精度的要求已经达到亚纳米量级。提出一种基于自相干叠栅条纹的光刻机对准方法,其原理是利用对准系统的光学结构将位相型光栅对准标记的同级次衍射光束进行分束和转像,在对准系统像面上形成两组周期不同的干涉条纹,这两组干涉条纹进一步干涉叠加形成自相干叠栅条纹,组成自相干叠栅条纹的两组干涉条纹随对准标记的移动向相反方向移动,并将对准标记的位移量进行放大,从而提高对准标记位置测量的精度。通过对自相干叠栅条纹图像进行傅里叶变换和相位提取,分析其相位信息得到对准标记的位置。仿真结果表明,对准精度和对准重复精度分别可以达到0.07nm和0.11nm。     

相位凝固技术中干涉信号调制解调误差分析

为了进一步减小基于相位凝固技术的激光反馈干涉系统测量运动物体微位移时的测量误差,采用MATLAB数值仿真及曲线拟合的方法,对移相间隔和外腔反射面振动幅度引起的系统误差进行了理论分析。在系统实验中依据相位凝固原理对物体运动产生的干涉信号进行采样,获取多组光功率曲线,在光功率曲线上实时判向并标记特征点。根据特征点重构被测物体的微位移曲线,对重构得到的微位移台阶曲线进行多项式拟合以提高测量精度。结果表明,在固定移相间隔为/5、激光器波长为1550nm的情况下,测量分辨率优于/20(77.5nm),实际测量的绝对误差最大值为47.98nm,峰峰值误差平均值小于1nm。相位凝固技术调制解调干涉信号为微位移的方向辨识和高精度测量提供了新的解决方案。     

同步移相干涉的测量性能

详细分析了一种基于二维正交光栅衍射的同步移相干涉测量系统的组成结构,包括干涉系统、空间分光部件、偏振移相部件以及图像采集与处理系统。选择了二维正交透射光栅的四个衍射级次的光束作为测试光,理论和实验都证明这种方案具有良好的分光效果;用偏振方向依次改变45°的四片偏振片构成偏振阵列作为移相器件,并根据空间一致性要求,分割得到依次具有90°移相的四幅独立干涉图,获得了较高的移相精度;在幅频积低于100 Hzλ的振动环境中,系统测量重复性的峰谷值优于0.02λ,可以用于一般的在线检测和动态测量。     

频率啁啾对飞秒激光脉冲干涉场的影响

对具有频率啁啾的飞秒脉冲的干涉场分布特性进行了研究。分别模拟了物光存在啁啾、参考光存在啁啾以及物光与参考光均存在啁啾3种情况下高斯飞秒脉冲的干涉图,并从干涉图中提取了载频相位。通过对提取的载频相位分析,研究了频率啁啾对干涉场的影响。结果表明,脉冲的频率啁啾将导致干涉条纹对比度的下降和条纹周期的改变。当物光和参考光仅有一束存在啁啾时,干涉场条纹的对比度整体下降,并且条纹周期发生线性改变;当物光与参考光同时具有相同的频率啁啾时,位于干涉场边缘的条纹的衬比度会严重下降,这将导致干涉场的有效记录区域减小。本文研究对于飞秒数字全息的实验控制和数字重构精度均具有重要的参考价值。     

基于多点平均频率校正的多表面波长调谐移相干涉测量

为实现多表面干涉测量中强度叠加干涉信号的分离和相位解调,提出了一种基于频率校正的多表面波长移相干涉测量算法,可实现透明被测件各表面面形的同时重建。波长移相干涉技术可以根据各干涉谐波光程差(optical path difference, OPD)的不同使各表面干涉谐波具有不同的移相值,该差异为各信号分离和相位解调提供了基础。在现有的多表面测量技术中,往往通过被测件的腔长和光学厚度等信息对谐波频率进行粗估,但估计精度较低,且无法应对移相误差。因此,本文通过多点平均和频率校正实现了各干涉谐波频率的精确提取,能够有效消除异常值和加性高斯噪声(additive Gaussian noise, AGN)对频率求解精度的影响,并且仅通过干涉图之间的加权操作便可同时对各谐波相位进行解调,对比分析和实验结果验证了所提出的算法的可靠性。     

利用EALCD的数字全息干涉术

基于电寻址液晶(EALCD)读写图像实时、衍射效率高的特性,设计了以EALCD和CCD为关键器件的数字全息干涉系统.系统满足空间带宽积,时间、空间相干度和偏振度的要求,提高了干涉条纹的对比度,降低了散斑噪声等影响,实现了数字全息干涉术的高精度测试.利用双曝光全息干涉术原理,应用Matlab编程取代传统相移术中的压电位移...     

扫描干涉场曝光系统光斑尺寸与光路设计

在扫描干涉场曝光(SBIL)系统中,曝光光斑尺寸对干涉条纹的拼接精度、光栅制作效率及干涉场质量有着十分重要的影响。为获取合理的曝光光斑尺寸,基于高斯光束的传输规律及扫描拼接数学模型进行了数值模拟,讨论了曝光光斑尺寸对干涉条纹的非线性误差、刻线拼接误差和曝光对比度的影响。结果表明:小尺寸曝光光斑比大尺寸曝光光斑更有利于控制干涉条纹的非线性误差;由于存在周期测量误差,小尺寸曝光光斑有利于减小拼接后的刻线误差并提高曝光对比度。针对SBIL系统设计了曝光光路,并对所设计的光路进行了优化。对干涉场左右光斑形貌及干涉条纹相位的非线性误差进行了测量,结果表明:曝光光斑的束腰半径约为0.9mm,干涉条纹相位的非线性误差峰谷值为21.8nm。