1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210023
3 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段，但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置，然而蝙蝠翼位于阶跃边缘，造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题，摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法，依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性，提取相干包络峰值位置，并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发，同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位，继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象，比对了测量结果与标称值之间的偏差，并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明，本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。
显微干涉 矩形光栅 蝙蝠翼效应 特征参数 二值化 光学学报
2023, 43(22): 2205004
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
干涉测试是一种高精度的表面形貌无损测量方法。通常情况下，单色光干涉测试以激光作为光源，采用缩小成像方案测量表面面形。宽带光干涉测试能够有效避免单色光干涉测试时的2π相位模糊问题，常与显微成像技术相结合，测量阶跃型结构的表面微观形貌。当阶跃型结构样品的横向尺寸较大时，宽带光显微测试需要采用拼接手段，降低了测量效率。本文提出了一种缩小成像的宽带光干涉仪，该仪器可用于大尺寸阶跃型表面的形貌测量，其工作波段为480~750 nm，采用1 inch探测器形成了47.60 mm×35.76 mm的测量视场。系统组成包括照明准直镜、干涉腔和成像镜。照明准直镜采用科勒照明方案，可以提供数值孔径NA=0.015、视场直径Φ=59.6 mm的均匀照明物方视场；干涉腔集合了Mirau型等光程干涉与Fizeau型无中心遮拦的优势，由倾斜1.5°的分光平板和倾斜3°的参考平板组成；成像镜与准直镜形成双远心成像光路，成像放大率为0.25×，在宽谱段范围内的畸变校正达到0.24%。采用构建完成的宽带光干涉仪测试了USAF1951分辨率板，系统分辨率可达14 lp/mm；测试了校准高度分别为7.805 μm和46.554 μm的台阶板，对阶跃型结构测量的高度偏差优于0.4%。
测量 形貌干涉测量 宽带光 大视场 光学设计 中国激光
2023, 50(18): 1804001
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094
2 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
3 中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051
从显微成像测量线宽的理论模型出发，分析了限制测量精度的边缘定位误差因素，基于阶跃边缘衍射光强微分的灵敏探测原理，提出一种平移差分的微结构线宽显微测量方法，即使用压电陶瓷微位移平台微量移动待测微结构沟槽，两步平移并采集三幅对沟槽清晰成像的显微图像，显微图像依次相减得到两幅差分图，将线宽测量转为差分脉冲距离测量，利用差分脉冲在阶跃边缘附近梯度变化灵敏度高的特点，突破衍射极限，提高线宽测量精度；再用纳米精度压电陶瓷位移台标定与显微成像系统有关的倍率测量常数，以压电陶瓷位移台的高精度保证测量结果的准确性。以可溯源计量部门、线宽为30.00 μm的标准沟槽样板作为待测样品，10次测量得到线宽测量平均值30.03 μm，标准差0.005 μm，并对本方法进行了不确定度分析，最终得到合成不确定度为0.37%（）。
线宽测量 光学显微 平移差分 测量精度 衍射极限 Linewidth measurement Optical microscopy Translation difference Precision Diffraction limit
南京理工大学 电子工程与光电技术学院，南京 210094
低相干扫描干涉技术是微结构特征参数无损检测的有效手段。然而对高深宽比结构底部采样点需要进行大量程垂直扫描，由此引起光强漂移导致的相干信号对比度降低，以及阶跃边缘复杂衍射作用造成的相干信号混叠是高度检测过程中的两个主要难题。采用完全噪声辅助聚合经验模态分解算法分解原始信号得到一系列特征模态函数，通过提取高频特征模态函数代替原始信号滤除低频的光强漂移分量，提高相干信号对比度。高深宽比结构边缘复杂衍射作用使该位置附近的相干信号中包含两组包络，其中异常包络由相干峰位置对应上表面的附加相干信号引起并阻碍有效包络的准确判别。通过融合从相干信号中提取的对比度及强度信息并进行二值化处理，实现对高深宽比结构上下表面的识别分类，据此选择当前采样点位置对应的包络作为有效包络并最终完成结构高度的高精度检测。以校准深度为101.77 μm，线宽为10.97 μm的高深宽比沟槽为检测样品，10次测量的高度均值及标准差分别为101.093 μm、0.316 μm。
干涉测量 高度测量 高深宽比 光强漂移 相干信号混叠 Interferometry Height measurement High-aspect-ratio Intensity offset Aliasing coherence signal
微纳尺度的微结构可调制光场，提高传感器的灵敏度，是新一代功能器件或传感器件中广泛使用的重要结构特征。包含微细加工在内的先进制造技术的快速发展，对多种型式微纳尺度微结构的无损测量技术提出了紧迫的需求。本文从多维视角论述了国内外行业发展中出现的微结构种类、型式，围绕具有高精度无损检测特质的光学显微技术，阐述了国内外仍在继续发展的微结构无损检测四种主流方法，分析了这些方法的技术特点、适用对象，给出了典型样品的检测结果，其中部分结果是首次发表。结果表明，暗场显微机器视觉法，是振幅型颗粒、凹坑、划痕等有害微结构的有效检测方法，可以实现大尺度样品的快速检测；共焦显微成像和低相干显微干涉法是“相位”型微结构的最佳检测方法，可以得到微结构的三维形貌；光谱反演-过焦扫描法与近红外显微干涉法，是应高深宽比微结构无损检测需求而发展起来的新方法，前者可以快速测得线宽和深度，后者可以测得物镜视场范围内高深宽比微结构的三维形貌，二者可以相互验证与补充。
南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
传统的低相干垂直扫描方法在测量高度达数十或数百微米的台阶或沟槽类微结构的表面三维形貌时，测量效率低下。为此，提出一种基于光谱分布特性的快速垂直扫描形貌测量方法，该方法包含两次垂直扫描过程。建立描述单幅干涉图条纹对比度的评价函数，利用粗扫描来定位被测件上下表面的大致位置，并联系上下两幅粗扫描图像计算出覆盖被测件上下表面相干区域的精扫描采图区域。精扫描在其他区域直接跳过但记录位移量，结合π/2扫描移相的精扫描干涉图复原被测件的表面三维形貌。粗扫描的扫描步长由低相干光谱分布计算得到，精扫描步长为中心波长的1/8。以高度为7.805 μm的台阶板和深度为200.99 μm的沟槽进行实验，结果表明，所提方法相比传统垂直扫描方法的采图时间分别缩短了48.2%和55.2%。
测量 表面三维形貌 快速垂直扫描测量 光谱分布特性 光学学报
2022, 42(15): 1512003
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
2 南京理工大学自动化学院, 江苏 南京 210094
3 江苏省中医院, 江苏 南京 210029
4 江苏曙光光电有限公司, 江苏 扬州 225109
光学相干层析成像系统在扫描成像时,会不可避免地引入附加像差。此时,图像细节信息丢失,无法满足医学成像的高清晰度要求。为此,提出一种基于粒子群优化算法的像差校正方法。将像差校正过程以滤波形式建模,由泽尼克多项式的线性组合构成滤波器,通过选定图像信息熵或图像清晰度作为优化指标,利用粒子群优化算法进行迭代估计多项式的最佳系数值,最终得到清晰图像。以分辨率板为仿真目标图像分别加载离焦及低阶混合波前像差,以图像信息熵和清晰度分别作为评价函数,复原结果误差均方根误差(RMS)值均小于0.1λ,得以清晰成像;实验采集洋葱细胞图像,以信息熵作为评价指标,校正像差后其下降18%;采集葡萄组织图像,以清晰度作为评价指标,校正像差后其上升36%;细胞和组织轮廓信息均得以分辨。
成像系统 生物医学成像 光学相干层析 像差校正 泽尼克多项式 粒子群优化 光学学报
2020, 40(10): 1011002
