Mirau型干涉显微物镜干涉平板装配误差容限分析

针对Mirau型干涉显微物镜中干涉平板的装配误差问题,建立了参考板倾斜时的干涉光强表征模型,通过对光瞳面内测试光束和参考光束的分割,求解参考板倾斜时干涉光强的积分表达形式,通过数值计算定量分析参考板倾斜度对干涉条纹包络、对比度的影响,并采用宽带光八步移相算法进行三维形貌复原,据此确定参考板倾斜误差的容限。设计了50×Mirau型干涉显微物镜的参考板倾斜验证结构,通过实验测量了标准台阶板,验证了仿真分析模型的准确性,确定了50×干涉显微物镜中参考板倾斜误差容限为1.5°。     

移相器类进动现象对干涉测量的影响

压电晶体(PZT)光学移相器作为移相干涉仪(PSI)的关键部件，其移相误差直接影响被测波面的相位复原精度。分析了压电晶体移相器在移相过程中导致干涉图旋转的原因——类进动，其本质是移相器在伸长的同时其参考镜端面法线方向绕着伸长方向产生旋转。利用典型的Hariharan五步移相算法。得出了类进动现象所导致的波面相位复原误差计算公式，给出了在测试孔径上的误差分布图。对影响误差大小的主要因素如干涉条纹的宽度、旋转的角度和测试口径等进行了具体分析，由此推导出在移相干涉仪光学调整过程中控制干涉图旋转误差的准则。     

基于线性移相误差的[WT《A》]N步移相算法

移相误差是影响移相干涉术测量精度的主要来源,针对移相器的线性移相误差,文中提出一种新型的移相干涉术算法-N步移相算法。该算法通过最小二乘法估计出移相器做等步移相时的实际移相相位,利用上述估计值代入相位计算公式获得被测物体的相位分布。同时对该算法进行仿真研究,其结果表明,算法能准确地估计移相相位,获得被测物体的精确相位分布,并可实现λ/100的高精度测量,且在测量精度上明显优于其他算法。     

测量薄膜厚度的数字叠栅技术

现代干涉测试的核心是用合理的算法处理干涉图而获得所需的面形及参数。由于常见的相移法要通过移相器有规律地移动采集多幅干涉图并数字化后求取波面的相位分布,这样必然引入由于移相器的线性及非线性误差所带来的计算误差,因此需要事先对移相器进行标定。采用了数字叠栅方法,利用一幅静态干涉图与一个正弦光栅的四幅光强分布图叠加,从而实现相移式动态干涉测试的效果,借助于相移法处理干涉图原理,可获得波面相位分布,从而实现对薄膜厚度的测量。由于正弦光栅的初始相位是由计算机产生的,所给出的相位移动不含任何移相误差,因此可提高测量的精度。     

对包络变化及移相误差不敏感的宽带光八步移相算法

提出了一种用于测量微观表面三维形貌的宽带光八步移相算法.该算法通过定位宽带光干涉条纹的零相位差位置实现微观轮廓的测量.计算宽带光移相干涉信号中相邻采样点的相位差得到实际移相间隔,从而实现实际移相量的在线标定以及移相误差的校正.分析了倾斜SiC平面的移相干涉条纹,计算结果的标准均方差为1.646 nm,与不存在移相误差时的计算结果吻合.宽带光八步移相算法对干涉包络的变化不敏感,能够抑制移相误差,是一种实用、高精度的微观表面轮廓测量方法.     

大倍率干涉显微物镜的光学系统设计北大核心CSCD

干涉显微物镜是干涉测量显微镜的关键部件,在微纳表面三维形貌测量中应用广泛。设计了一款无限远共轭大倍率Mirau干涉显微物镜,其放大倍率为50×,数值孔径为0.5。基于系统长工作距的特性,干涉物镜采用反远距物镜结构。根据二级光谱理论,分析了干涉物镜的二级色差校正,合理选择了玻璃材料和初始结构。利用光学设计软件Code-V进行系统优化设计,设计结果表明,光学系统全视场范围内在800lp/mm处的调制传递函数大于0.3,其他各项指标满足设计要求。通过非序列模式建模对所设计的干涉物镜进行光线追迹,仿真分析得到清晰的牛顿环干涉图,结果验证了设计的合理性。     

文摘

提出了一种用偏光干涉仪进行线宽测量的方法.众所周知,对偏振光而言在边缘部分呈各向异性状态,用偏光干涉仪把所发生的偏振光状态的变化作为相位和对比度检测出来.在光学显微镜上方加装片和移相元件构成偏光干涉仪.入射光在被测样品的边缘部分变TE偏振光和TM偏振光.从这些偏振干涉相位信息变化的部分和对比度信息最小的部分可以检测出边缘.相位和对比度由液晶移相器用8挡移相法进行分析.实验中使用的是用硅制作顶形微结构(线宽100 nm～1200nm,深度160nm),结果显示可以侧量到波长以下的线宽.实验中考虑边缘的倾斜、试件的射质乃深度、照明系统的数值孔径等因     

采用短相干光源的动态斐索干涉仪

为了实现斐索型干涉仪的动态干涉测试,研究了一种采用短相干光源的动态斐索干涉仪。以中心波长为638 nm、带宽为0.1 nm的二极管泵浦固体激光器作为光源,与偏振延迟装置结合得到一对短相干正交线偏振光,通过调节光源模块中两支线偏振光的光程差来匹配斐索干涉腔的长度,从而获取一对光程差为0的相干光束。使用偏振相机采集得到四幅位相依次相差/2的移相干涉图,按照四步移相算法解算相位,恢复待测元件的表面面形。采用光强归一化算法有效地抑制了偏振态误差导致的移相干涉图光强不一致在最终恢复波面中引入的一倍频波纹误差。采用琼斯矢量和琼斯矩阵分析了干涉图对比度与s光和p光光强比值的关系,并分析了1/4波片方位角误差对最终恢复波面的影响。利用该装置和Zygo GPI XP型干涉仪测量了同一块光学平晶,其均方根值相差0.024,峰谷值相差0.026。     

短相干光源偏振移相Fizeau干涉仪的实验研究

研究了一种偏振移相Fizeau干涉仪,以中心波长为650nm的多纵模半导体激光器作为光源,利用光源短相干特性和一套偏振延迟装置分出一对偏振方向正交参考光和测试光,采用巴比列-索列尔补偿器作为偏振移相器,采集四幅移相干涉图按照传统移相算法图,测试了一块平行平板的前表面面形。PV值为0.0682λ,RMS值为0.0127λ。该方法的优点是移相精度高,移相时无须推动参考镜,可适用于大口径系统的干涉测试,同时消除了多表面干涉杂散条纹的影响。     

基于白光倾斜扫描干涉术的微结构测量方法

针对白光垂直扫描干涉技术由于测试系统中物镜视场和移相器的行程限制,使其不能进行较大横向范围的测试.本文使用白光倾斜扫描干涉术代替垂直扫描,以扩展其横向测量范围,提高测试效率.基于纳米测量机(NMM)搭建了测试系统,由NMM代替传统的压电陶瓷(PZT)带动被测物体进行倾斜扫描.分析了倾斜扫描的测量原理,针对本系统提出了倾...     

一种两步相移数字全息的设计与实验验证

为了快速有效地测量微小透明物体表面形貌，设计了一种基于Mach-Zehnder干涉仪的两步相移数字全息系统。该系统使用两个相同的CCD在不同距离同时采集干涉图像，利用光学相移单元在每个CCD记录的干涉图之间形成一个π的相移，然后通过光的空间传递函数及傅里叶变换给出了相位重建的算法。搭建了两步相移干涉光路，以微透镜阵列作为待测物体，验证了该系统的可行性。结果表明，该系统比四步相移法节省一半以上的时间，且能够达到与四步相移法相一致的相位重建结果。该方法对提高相位重建效率具有一定的帮助。     

一种基于电荷泵锁相环的高精度数字移相方法

移相器是相控阵雷达的核心器件,随着工作频率的逐步提升,传统移相器的插入损耗和相位控制误差恶化严重,导致额外增加的功耗及波束性能变差.本文基于电荷泵锁相环（Charge Pump Phase-Locked Loop,CP-PLL）开展了高精度数字移相方法的研究.在分析CP-PLL相位数学模型与移相机理的基础上,提出了通过数控电流源的方法实现对输出信号相位的精确控制,建立电路模型开展仿真分析,并设计了实验电路模块,通过仿真和实测的对比验证了该方法的有效性和精确性,实现了移相步进优于1°,移相精度优于移相值的10%.该CP-PLL可通过作为本振信号或直接产生发射信号应用于相控阵雷达系统中,具有精度高、功耗低、易集成等特点,从而取代移相器,有效提升相控阵雷达的性能.     

可见光移相点衍射干涉仪的空气扰动误差分析

为了提高可见光移相点衍射干涉仪的测量精度,对空气扰动误差的分析以及有效的抑制是十分必要的。利用自行设计的十三步移相算法与传统的五步移相算法对空气扰动误差进行了理论分析与仿真计算,分析结果证明了新算法的优越性,并且通过对干涉仪的空气扰动误差的分析,最终得到了干涉仪工作的环境控制条件,如果采用十三步移相算法,保证空气温度变化控制在±0.005℃以内,压强变化控制在±1 Pa以内,水汽压变化控制在±5 Pa以内,温度梯度变化控制在0~0.01℃范围内,压强梯度变化控制在0~2 Pa范围内,最后再对多次测量结果取平均,则空气扰动误差引起的位相误差将在测量精度允许的范围内。在现有的实验条件下搭建了原理实验装置,实验结果表明:十三步算法和五步算法的结果相近,但十三步算法的重复性优于五步算法。采用十三步算法,在所构建的实验装置上实现了RMS值优于λ/10 000(λ=632.8 nm)的检测重复性。     

任意正弦调制的正弦移相干涉波面测量方法

针对正弦移相干涉（SinPSI）中位相调制无法精确控制的问题,提出了一种从时域频谱提取波面信息的任意正弦调制SinPSI方法（ASM-SinPSI）。首先,根据SinPSI信号频谱的第一、三个谱峰强度关系确定调制幅度,并采用空间随机点的方法避免了分母零值的问题,然后从SinPSI信号的前三个谱峰中获得波面位相的正切数值与符号信息,最后以反正切计算波面位相。数值仿真表明:在未知调制信息情况下,ASM-SinPSI的波面位相提取误差为0.016 rad。在调制幅度为1.6、2、2.5、3 rad时的测量实验中,ASM-SinPSI均可精确提取波面位相,与真实波面偏差的最大值为0.058 7 rad。在1.5~3.5 rad区间内的任意调制幅度下,ASM-SinPSI无需精确预知调制信息即可高精度提取波面位相,放宽了对移相器的严苛要求。     

Mask topography effects in projection printing of phase-shiftingmasks

Topography effects of glass edges in phase-shifting masks (PSM's) on image quality are assessed using the rigorous electromagnetic simulation program TEMPEST on three different optical systems for four PSM technologies including alternating, rim, attenuated, and chromeless. The scalar and thin mask approximations used in simulation programs such as SPLAT can be in error by as much as 20% for certain classes of shifter edges. A feature size independent bias of 0.021 λ/NA per edge is recommended for alternating masks with vertical edges because light is lost near the etched glass edges. No direct electromagnetic interaction between chromium edges and shifter edges was found for rim phase-shifting masks. The rim dimension can thus be designed solely on the basis of the sidelobe level and peak intensity. For attenuated PSM, edge effects are less severe but sidelobe problems occur. For a center to sidelobe contrast of 0.6 over a DOF of 3 RU, a lower transmission of 4% is recommended. For chromeless PSM, the imbalance in image peaks is shown to be affected by the optical stepper parameters. In any PSM technology, it appears that a 360° glass protrusion may produce a drastic drop in intensity due to resonant effects     

星载分布式SAR干涉信号分析

星载分布式合成孔径雷达(SAR)具有双站和斜视的特点,本文分析了在这种情况下干涉信号的一些特征:(1)干涉信号相位与成像处理间的关系;(2)考虑地形情况下,干涉信号相位差及其相干性;(3)考虑配准误差时干涉信号相位差及其相干性。仿真分析了一系统干涉信号相干性随地形、基线及配准误差的变化。     

基于液晶的太赫兹反射式波束扫描天线

提出了一种基于液晶的太赫兹电控反射式移相器及其构成的波束扫描阵列天线。通过采用液晶调控的开槽结构移相器,解决了液晶调控过程中谐振层覆盖面不足造成的液晶取向不均、边缘效应和饱和电压增大等问题。设计了工作在380 GHz三开槽的移相器,对谐振频点的表面电流分布和谐振频点进行了仿真分析。数值计算结果表明当液晶相对介电常数在2.47~3.26范围内变化,377~392 GHz频率范围内移相器能够实现360°的相移。采用三开槽结构反射相移单元,设计了工作于380 GHz的电控波束扫描阵列天线,实现了30°范围内的一维波束扫描,主瓣增益大于20 dBi。     

两步相移数字全息再现像的分割研究

图像分割是从图像分析到图像处理的关键步骤,因此对该全息再现图的分割具有重要意义。传统的相移数字全息技术记录次数多、记录时的曝光次数较多,因而随机误差大。项目组提出了一种基于参考光估计的两步相移数字全息术,只需记录两幅相移全息图就可实现原物光波的重建。选取了水平集算法进行分割处理,鉴于水平集算法特点,为了提高分割精确度和效率,提出了一种粗分割与细分割相结合的方法。实验证明,该方法对于两步相移全息再现图的分割具有较好效果。