彩色共焦系统可调制色散物镜设计

针对彩色共焦距测量系统中测量范围和分辨率的调制问题,采用色散和聚焦功能分离的思路设计了一款色散物镜,其色散功能由纯球面折射透镜组成的色散管镜来实现,聚焦功能则采用商业物镜实现。使用ZEMAX软件对色散管镜的结构、材料及像差进行了设计及优化,仿真结果显示所设计的色散管镜在可见光范围内能获得优于230mm的轴向线性色散,实际加工的成品管镜的轴向线性色散范围可达160mm。实验测量了色散管镜及它结合不同聚焦物镜后的色散特性。实验结果表明,色散管镜结合不同聚焦能力的物镜能够具有高线性度的轴向色散区域;结合4倍和10倍放大倍率的商用物镜,分别获得了1 300μm和225μm的测量范围,其轴向分辨率分别为2μm和0.4μm,实现了测量范围和分辨率的调制。     

基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦测量系统

彩色共聚焦技术因其高分辨率、高测速的特点,在表面形貌测量领域备受关注,然而现有的彩色共聚焦技术多为单点测量,一定程度上限制了测量效率。本文在彩色共聚焦技术的基础上,以DMD作为光分束器件,结合自主研发的大口径色散管镜,利用面阵彩色相机作为光电接收器件,研究和建立了基于数字微镜器件的并行彩色共聚焦实验平台,实现了对被测物面上多个探测点的并行图像处理。最终,利用所搭建的并行彩色共聚焦测量系统,对50μm高的台阶和自制台阶进行了测量,并对硬币的表面形貌进行了三维恢复。实验结果表明,该测量系统的轴向测量范围为300μm,测量精度达到微米级;同时,能够较好地恢复硬币的表面形貌特征,具有较好的测量效率与可靠性。     

光谱共焦显微镜的线性色散物镜设计

由于色散物镜轴向色散与波长间的非线性会导致仪器整体性能下降,本文研究了光学系统轴向色散与透镜组之间的关系,推导了轴向色散的传递公式.为得到较大的线性轴向色散,根据轴向色散的传递公式提出了一种正负透镜组均采用线性色散光焦度组合且正负透镜组分离的镜头结构.光学优化设计表明,具有正负透镜分离结构的色散物镜可以得到低的球差和大的轴向色散,而且具有较大的工作距离.设计的色散物镜在430～710 nm得到了1 mm的轴向色散,轴向色散与波长之间的相对非线性度为4.6％,灵敏度的波动量小于整体的1/3,优于之前的研究.采用所设计的色散物镜,光谱共焦显微镜能够得到优于0.3 μm的轴向分辨率和优于5 μm的横向分辨率,满足精密测量的需求.     

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2 μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。     

高精度激光共焦半导体晶圆厚度测量

针对半导体晶圆厚度的高精度非接触测量问题与需求,提出了基于激光共焦的高精度晶圆厚度测量方法。该方法利用高分辨音圈纳米位移台驱动激光共焦光探针轴向运动扫描,利用激光共焦轴向响应曲线的峰值点对应物镜聚焦焦点的特性,分别对被测晶圆上下表面进行高精度瞄准定位;通过光线追迹算法精确计算出晶圆表面每个采样点的物理坐标,实现了晶圆厚度的高精度非接触测量。基于该方法构建了激光共焦半导体晶圆厚度测量传感器,实验和分析表明,该传感器的轴向分辨力优于5 nm,轴向扫描范围可达5.7 mm,6种晶圆厚度测量重复性均优于100 nm,单次测量时长小于400 ms。将共焦定焦技术有效地应用于半导体测量领域,为晶圆厚度的高精度、无损在线测量提供了一种新技术。     

激光差动共焦曲率半径测量系统的研制

针对国内高精度曲率半径计量需求,研制一套激光差动共焦曲率半径测量系统.该系统采用差动共焦定焦技术,利用轴向光强响应曲线的过零点精确对应物镜聚焦焦点这一特性,借助过零点对被测件的猫眼和共焦位置进行精密瞄准定位,通过干涉测长技术获取两点间的距离,继而实现曲率半径的高精度测量.该测量系统的机电控制由主控软件完成,可实现机电扫描、数据采集及数据处理,自动化程度高.实验证明,该系统定焦灵敏度高,受环境波动影响小,测量精度可达3×10-6,满足了高精度曲率半径的计量需求.     

共聚焦激光扫描显微系统光学设计

为了实现非接触式、快速高精度的光学检测,设计了一种共聚焦激光扫描显微光学系统。在保证设计指标的前提下,简化了各光组的结构,采用7片球面透镜并以K9玻璃作为透镜材料。使用Zemax软件对光学系统进行了设计和仿真。结果表明:物镜的数值孔径为0.49;系统的径向和轴向光学分辨率分别为0.400μm和0.772μm;显微聚焦系统聚焦弥散斑直径小于2μm;照明系统聚焦弥散斑直径小于10μm;探测系统的聚焦光斑直径小于20μm;根据仿真结果确定了针孔1和针孔2的尺寸均为20μm,且厚度不超过0.1mm;各子系统的MTF曲线均接近衍射极限,具有很高的光学传输效率。     

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS).该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量.该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力.将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准.初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5 nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10 nm.该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径.     

点扫描激光共焦显微镜物镜参数的确定

在设计点扫描激光共焦显微镜测量系统时 ,物镜参数的选择是至关重要的 ,因为它的数值孔径大小直接影响着系统的测量精度。本文对系统测量精度达到 1μm时物镜参数的选择进行了详细的阐述。     

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。     

基于条纹式转盘的共聚焦三维形貌测量技术

由于共聚焦显微镜的光学切片特性，可通过三维测量采集工业表面缺陷和粗糙度等信息，因此在表面计量领域有着广泛的应用和研究价值。本文结合孔径相关技术和加权最小二乘拟合及迭代算法，低成本地搭建了条纹转盘共聚焦测量系统，其测量速度比商用共聚焦系统快约38%。     

激光差动共焦透镜中心厚度测量系统的研制

基于高精度光学共焦定位技术研制了一种全新的非接触透镜中心厚度测量系统,该系统利用差动共焦技术的高轴向层析特性和轴向响应曲线的绝对零点对被测透镜的前表面顶点和后表面顶点分别进行精密瞄准定位;同时,利用激光干涉仪获得透镜前、后表面顶点的位置坐标;然后通过光线追迹算法计算透镜中心厚度,进而实现了透镜中心厚度的高精度非接触测量。实验结果表明,该系统测量精度高,测量标准差小于1μm,满足透镜中心厚度测量的精度要求。     

用于共聚焦显微镜物镜微调压电Z轴定位平台设计

针对共聚焦显微镜检测系统光学成像中物镜成像质量不稳定,要求定位精度高、安装空间小等问题,设计了一个基于倒圆角直梁型柔性铰链的压电Z轴物镜定位平台。采用带有应变片传感器的压电陶瓷作为动力驱动,单平行四杆机构为放大机构对压电陶瓷产生的位移进行高线性放大。通过计算出倒圆角直梁型柔性铰链的刚度,推导出物镜定位平台的输出位移以及系统容许设计最大刚度,利用ANSYS对物镜定位平台进行了静力学、模态分析验证。文中选用PZT压电陶瓷规格5 mm×5 mm×36 mm,利用压电控制器BP-303检测陶瓷实时位移以及提供0～150 V电压斜坡信号,物镜定位平台输出端位移由传感器测得,实际输出位移与理论计算结果、仿真分析结果分别相差2.02%、3.8%,定位台输出端最大输出位移为101.4μm,最小调节分辨率为0.33 nm,系统谐振频率为618.84 Hz,满足物镜的快速聚焦和定位需求。     

激光共聚焦扫描显微镜的光学设计

为获得较高分辨率的细胞图像,设计了激光共聚焦光学系统。通过较复杂结构物镜实现了照明光路系统和发射光路系统的设计。用Zemax对照明光路和发射光路进行了设计,仿真过程中照明光路的聚焦弥散斑直径小于1μm,照明针孔处的聚焦弥散斑直径小于20μm,发射光路的聚焦弥散斑直径小于20μm,同时照明光路和发射光路的MTF曲线接近衍射极限,达到较理想的情况。     

高分辨力分光瞳差动共聚焦传感技术研究

为了提高现有共聚焦传感技术的轴向分辨力、实现微观形貌的高精度测量,在提出分光瞳差动共聚焦传感技术的基础上,对其关键参数优化理论进行了进一步研究,并研制了一种具有最优参数的分光瞳差动共聚焦显微传感器,其融合了分光瞳差动共聚焦显微技术和基于可编辑探测器件的虚拟针孔技术,利用探测区域偏移可使分光瞳共聚焦显微技术轴向特性曲线产生相移这一特性,沿特定方向在探测面上对称设置两个虚拟针孔,通过探测它们的强度响应并进行差动处理实现高轴向分辨力、高定位精度测量。对所研制的传感器进行了轴向响应特性及传感器非线性验证,给出了其轴向相对位移测量公式,还利用所研传感器对实际的高度标准样品进行了测量,经实验验证,所研传感器轴向分辨力可达5 nm,横向分辨力为0.82μm,为微细结构三维表面的高精度测量提供了一种新的传感技术及系统。     

激光聚变靶丸球度测量与评定

为了解决激光聚变靶丸表面形貌高精度测量与评定的难题,提出一种激光差动共焦靶丸球度测量与评定方法,该方法利用激光差动共焦测量系统的轴向响应曲线的过零点与其物镜焦点位置相对应这一特性实现对靶丸表面的定焦,通过将靶丸在两个正交的方向上分别旋转,测量并获取靶丸表面的数个截面,实现靶丸表面全形貌测量,利用最小区域球度评定算法,建立靶丸球度评定的三维模型,对靶丸表面形貌进行定量评定。搭建实验装置对靶丸表面进行采样测量,评定结果显示,该方法的测量重复性为0.15μm,为靶丸表面形貌测量与评定提供了一种可行方案。     

结构光照明并行物方差动快速测量方法研究

激光扫描差动共聚焦显微测量方法具有纳米量级的轴向测量精度,然而信号在离焦位置获取,横向分辨率较低,而且使用激光逐点扫描方式,测量速度慢;基于空间光相位调制的结构光照明显微成像方法,可以实现超分辨率成像,但不具备高的轴向测量精度,因此这两种方法都不能满足微纳加工过程中复杂物体微观表面形貌在线、在位测量的要求。将空间光相位调制结构光照明显微成像技术与差动轴向测量方法结合,提出基于结构光照明的并行物方差动快速测量方法。该方法只需要使用一台面阵相机做探测器,在结构光照明相位调制模式下,获取样品在焦前和焦后位置的相位图像并分别合成对应的焦前及焦后高分辨率图像I_A和I_B,对两幅图像进行求差而建立差动信号I_D,再根据预先刻度好的差动曲线就可以得出被测样品在各个位置的表面高度。使用该方法对500 nm步高、10μm周期的标准样品进行测量,标准差为2.8 nm,相对误差为0.6%,完成一幅包含2 048×2 048个位置的表面形貌测量耗时65 ms。测量实验结果表明,该方法可以进行快速、在线纳米量级高精度轴向测量,可以实现15/s次三维形貌纳米量级精度测量。     

针孔对单轴法线跟踪式测量系统零位测量的影响（英文）

针对大曲率表面面形测量问题,提出一种单轴法线跟踪式测量方法。通过运用Collins公式,研究了倾斜角度对基于高斯光束测量系统的影响;通过理论分析和数值模拟,证明了在待测面倾斜的情况下,高斯光束与点光源作用下差动共焦系统的零位位置有明显不同;推导出高斯光束测量系统中针孔最佳尺寸和实际系统参数的关系,指出实验中波长为633nm测量系统的针孔最佳直径在20μm到35μm之间。     

针孔对单轴法线跟踪式测量系统零位测量的影响

针对大曲率表面面形测量问题,提出一种单轴法线跟踪式测量方法。通过运用 Collins 公式,研究了倾斜角度对基于高斯光束测量系统的影响;通过理论分析和数值模拟,证明了在待测面倾斜的情况下,高斯光束与点光源作用下差动共焦系统的零位位置有明显不同;推导出高斯光束测量系统中针孔最佳尺寸和实际系统参数的关系,指出实验中波长为633 nm 测量系统的针孔最佳直径在20μm 到35μm 之间。     

激光差动共焦透镜中心偏测量系统设计与实现

针对国内外透镜中心偏高精度测量的迫切需求,研制了一套激光差动共焦透镜中心偏测量系统。该系统从中心偏非接触测量的核心定焦原理入手,结合激光差动共焦定焦技术,解决了清晰度法定焦精度差的难题。在光学测量系统误差分析的基础上,对系统再次优化设计,并利用差动共焦轴向光强响应曲线过零点的位置与被测镜猫眼和共焦点精确对应这一特性,实现了透镜中心偏的高精度测量。通过实验表明,该系统测量精度为0.49%,与传统的清晰度法定焦测量相比,透镜中心偏的测量精度有效提高了6倍。该系统将差动共焦定焦技术有效的应用于透镜中心偏测量中,提高了被测镜猫眼和共焦位置的定焦能力,实现了高精度测量系统的设计,在光学测试和透镜加工及装配领域具有广阔的应用前景。