Ricerca sul rilevamento della forma tridimensionale del microscopio a illuminazione interferometrica a luce non parallela
Il rapido sviluppo della produzione di macchinari e dell'industria elettronica ha proposto requisiti più elevati per la tecnologia di rilevamento della morfologia microscopica. Allo stato attuale, il rilevamento della forma tridimensionale può essere suddiviso in due categorie: contatto e non contatto. Il metodo di contatto si riferisce principalmente al metodo dello stilo. Il suo principio è convertire il piccolo spostamento nella direzione verticale dello stilo in un segnale elettrico e amplificarlo, in modo da ottenere la distribuzione della forma tridimensionale della superficie di rilevamento. I metodi di rilevamento senza contatto includono principalmente il metodo di focalizzazione del raggio, il metodo di proiezione della luce strutturata e l'interferometria. Il metodo di messa a fuoco del raggio utilizza il punto luminoso focalizzato come una sonda ottica per scansionare la superficie di rilevamento per ottenere dati tridimensionali. Questo metodo può eseguire il rilevamento tridimensionale di contorni complessi, ma la velocità di misurazione è lenta. L'interferometria e i metodi di proiezione della luce strutturata rilevano i contorni della superficie risolvendo le deformazioni marginali, dove l'interferometria utilizza il principio della coerenza delle fibre o della coerenza del raggio parallelo, inclusa l'interferometria laser e l'interferometria a scansione di luce bianca. Quando si utilizza la coerenza della fibra ottica, deve cooperare con la lente dell'obiettivo con una grande distanza di lavoro, che limita l'ingrandimento della lente dell'obiettivo. L'interferometria a scansione di luce bianca utilizza la luce bianca ad ampio spettro come sorgente di illuminazione e utilizza il principio della coerenza del raggio parallelo. L'errore di una singola misurazione è entro 20 nm. Informazioni come il contrasto e l'intensità della luce determinano la profondità assoluta della superficie da misurare. Il metodo di proiezione della luce strutturata evita l'uso di dispositivi di scansione e ha la massima velocità di ricostruzione. Tuttavia, quando c'è un angolo tra il piano di proiezione e il piano del palcoscenico, il periodo marginale deve essere corretto, quindi questo metodo non è adatto per la morfologia di precisione a livello di submicron. Misurazione In questo documento vengono combinati i vantaggi del metodo di proiezione della luce strutturata e del metodo dell'interferometria a luce parallela, il raggio di luce viene diffratto dal modulatore di luce spaziale e vengono utilizzati due ordini di diffrazione con intensità luminosa ravvicinata per interferire e generare frange. Regola la fase della frangia. Poiché si evita l'uso di dispositivi di scansione e piani di riferimento, il metodo proposto non richiede l'uso di obiettivi di interferenza e non ha limiti sull'apertura numerica degli obiettivi utilizzati, il processo di ricostruzione è rapido e si può ottenere una risoluzione laterale più elevata. Inoltre, poiché le frange sono generate dall'interferenza del raggio di luce, la fase è distribuita linearmente con le coordinate dei pixel e non vi è alcun fenomeno di variazione periodica delle frange nel metodo di proiezione. Infine, questo documento utilizza il modulo di confronto della rugosità con Ra di 100 nm come campione testato per condurre esperimenti. Il metodo di sfasamento in quattro fasi viene utilizzato per ottenere la nuvola di punti tridimensionale sulla superficie del campione testato. La vera altezza relativa tra i punti.
Percorso di luce sperimentale
È il diagramma del percorso della luce del microscopio con illuminazione ad interferenza di luce non parallela proposto in questo documento. Il raggio laser entra nel prisma di divisione del raggio del microscopio attraverso l'espansore del raggio L3, il modulatore di luce spaziale e la lente di focalizzazione L2, formando il percorso della luce di illuminazione del sistema del microscopio. Il modulatore di luce spaziale può modulare l'ampiezza della luce incidente in base all'immagine caricata. Quando l'immagine caricata è una frangia, la sua funzione è equivalente a un reticolo riflettente, regolando la deflessione del modulatore di luce spaziale in modo che due fasci di luce diffratta con intensità luminose simili entrino nel prisma dicroico, dopo essere stati messi a fuoco dalla lente dell'obiettivo del microscopio, interferisce con la superficie del campione misurato per formare frange di interferenza.
Il modulatore di luce spaziale è il dispositivo centrale del sistema e il periodo e la fase della frangia possono essere modulati con precisione modificando il modello di frangia caricato durante l'esperimento. Di solito, per migliorare la precisione laterale della nuvola di punti di ricostruzione 3D, è necessario regolare il periodo di frangia per renderlo vicino alla risoluzione laterale del microscopio. A questo punto, l'angolo massimo di interferenza dei due fasci può essere calcolato dall'apertura numerica NA della lente dell'obiettivo.
Secondo i parametri della lente dell'obiettivo del microscopio utilizzata nel sistema (100, NA=0.8), l'angolo massimo di interferenza dei doppi raggi è di 106 gradi e la risoluzione del sistema calcolata dal criterio di Rayleigh è di 406 nm. Nell'esperimento, il periodo marginale minimo che può essere regolato è 452 nm, indicando che all'interno di un periodo marginale esiste una relazione corrispondente tra lo sfasamento e l'altezza di almeno un punto pixel, ovvero la precisione laterale del punto ricostruito la nuvola di punti è di 452 nm, che è vicina alla risoluzione dell'immagine del sistema. A causa del piccolo periodo di frangia, la deformazione della frangia è più sensibile di quella della frangia di grande periodo, quindi ha una maggiore precisione assiale. In termini di regolazione della fase, l'interferometria a scansione a luce bianca deve spostare la lente dell'obiettivo di interferenza nella direzione assiale con l'aiuto di un dispositivo piezoelettrico, quindi adattare la fase calibrando la differenza del percorso ottico zero su ciascuna immagine di scansione, quindi c'è un certo errore nel valore di fase. Nel nostro sistema, la regolazione della fase viene realizzata controllando i pixel sul modulatore di luce spaziale senza dispositivo di scansione, quindi ha una maggiore precisione di regolazione della fase. Su questa base, il metodo di sfasamento viene utilizzato per calcolare il valore di modulazione di fase di ciascun punto dell'immagine. I risultati della ricostruzione 3D con un'elevata risoluzione laterale possono essere ottenuti con l'algoritmo di ricostruzione più veloce.
algoritmo di ricostruzione
In questo documento, il metodo di sfasamento in quattro fasi viene utilizzato per ricostruire il contorno tridimensionale del campione misurato, che è suddiviso in tre fasi: preelaborazione dell'immagine, estrazione dell'immagine di modulazione di fase e filtraggio del punto di rumore. Quanto segue prenderà il modulo di confronto della rugosità con Ra=100nm come esempio per spiegare l'algoritmo utilizzato in ogni passaggio. 2.1 Preelaborazione dell'immagine Poiché il sistema di imaging utilizza l'illuminazione laser, l'influenza del laser speckle sul modello di interferenza è inevitabile. Nel processo di preelaborazione delle frange di interferenza, questo documento utilizza un filtro passa-basso ellittico, in modo che il raggio di filtraggio lungo la direzione delle frange nel dominio della frequenza dell'immagine sia il doppio di quello della direzione verticale delle frange. Il modello di frangia appare come due punti luminosi centro-simmetrici nel dominio della frequenza e la direzione della linea di collegamento tra i due punti è perpendicolare alla direzione della frangia e la direzione della linea di collegamento è impostata come l'asse lungo di l'ellisse. Poiché il periodo marginale è vicino alla risoluzione dell'immagine, l'asse maggiore è impostato per essere il doppio della distanza di 2 punti luminosi e l'asse minore è uguale alla distanza di 2 punti. Un tale progetto può ridurre l'impatto del rumore speckle nella soluzione di fase relativa da un lato e, dall'altro, può evitare che le informazioni di modulazione nel modello di interferenza vengano filtrate il più possibile. Vengono mostrati i risultati dell'elaborazione con i metodi di filtraggio isotropico e anisotropico, il confronto può ridurre il rumore dell'immagine lungo la direzione della frangia, pur mantenendo la deformazione della frangia.
