Výzkum trojrozměrné tvarové detekce neparalelního světelného interferometrického osvětlovacího mikroskopu
Rychlý rozvoj strojírenské výroby a elektronického průmyslu klade vyšší požadavky na technologii detekce mikroskopické morfologie. V současnosti lze detekci trojrozměrného tvaru rozdělit do dvou kategorií: kontaktní a bezkontaktní. Kontaktní metoda se týká hlavně stylusové metody. Jeho principem je převést malé posunutí ve vertikálním směru doteku na elektrický signál a zesílit jej tak, aby se získalo trojrozměrné rozložení tvaru detekční plochy. Mezi bezkontaktní metody detekce patří především metoda fokusace paprsku, metoda projekce strukturovaného světla a interferometrie. Metoda zaostřování paprsku využívá zaostřený světelný bod jako optickou sondu ke skenování detekčního povrchu za účelem získání trojrozměrných dat. Tato metoda může provádět trojrozměrnou detekci složitých obrysů, ale rychlost měření je pomalá. Metody interferometrie a projekce strukturovaného světla detekují obrysy povrchu řešením proužkových deformací, kde interferometrie využívá principu koherence vláken nebo koherence paralelního svazku, včetně laserové interferometrie a skenovací interferometrie bílého světla. Při použití koherence optického vlákna potřebuje spolupracovat s čočkou objektivu s velkou pracovní vzdáleností, která omezuje zvětšení čočky objektivu. Skenovací interferometrie bílého světla využívá jako zdroj osvětlení širokospektrální bílé světlo a využívá principu koherence paralelního paprsku. Chyba jednoho měření je do 20nm. Informace jako kontrast a intenzita světla určují absolutní hloubku měřeného povrchu. Metoda projekce strukturovaného světla se vyhýbá použití skenovacích zařízení a má nejvyšší rychlost rekonstrukce. Pokud však existuje úhel mezi projekční rovinou a rovinou jeviště, je třeba opravit periodu proužků, takže tato metoda není vhodná pro morfologii s přesností na submikronové úrovni. Měření V tomto článku jsou kombinovány výhody metody projekce strukturovaného světla a metody paralelní světelné interferometrie, světelný paprsek je difraktován modulátorem prostorového světla a dva řády difrakce s blízkou intenzitou světla jsou použity k interferenci pro vytváření proužků. Upravuje fázi třásní. Vzhledem k tomu, že je vyloučeno použití snímacích zařízení a referenčních rovin, navrhovaná metoda nevyžaduje použití interferenčních objektivů a nemá žádné omezení na numerickou aperturu použitých objektivů, proces rekonstrukce je rychlý a lze dosáhnout vyššího bočního rozlišení. Kromě toho, protože proužky jsou generovány interferencí světelného paprsku, je fáze distribuována lineárně se souřadnicemi pixelu a v metodě projekce nedochází k jevu periodických změn proužků. Nakonec tento článek používá modul pro srovnání drsnosti s Ra 100nm jako testovaným vzorkem k provádění experimentů. K získání trojrozměrného mračna bodů na povrchu testovaného vzorku se používá čtyřkroková metoda fázového posunu. Skutečná relativní výška mezi body.
Experimentální světelná dráha
Je to diagram světelné dráhy neparalelního světelného interferenčního osvětlovacího mikroskopu navrženého v tomto článku. Laserový paprsek vstupuje do hranolu štěpícího paprsek mikroskopu přes expandér paprsku L3, modulátor prostorového světla a zaostřovací čočku L2, čímž tvoří světelnou dráhu osvětlení systému mikroskopu. Modulátor prostorového světla dokáže modulovat amplitudu dopadajícího světla podle nahraného obrázku. Když je nahraný obrázek proužek, jeho funkce je ekvivalentní reflexní mřížce, která upravuje vychýlení modulátoru prostorového světla tak, aby do dichroického hranolu vstoupily dva paprsky difraktovaného světla s podobnou intenzitou světla po zaostření čočkou objektivu mikroskopu, interferuje s povrchem měřeného vzorku a vytváří interferenční proužky.
Modulátor prostorového světla je základním zařízením systému a periodu a fázi proužku lze přesně modulovat změnou nahraného vzoru proužků během experimentu. Obvykle, aby se zlepšila laterální přesnost 3D rekonstrukčního mračna bodů, je nutné upravit periodu proužků tak, aby se blížila laterálnímu rozlišení mikroskopu. V tomto okamžiku lze maximální interferenční úhel dvou paprsků vypočítat z numerické apertury NA objektivu.
Podle parametrů čočky mikroskopu použitého v systému (100 , NA=0.8) je maximální interferenční úhel dvojitých paprsků 106 stupňů a rozlišení systému vypočítané podle Rayleighova kritéria je 406 nm. V experimentu je minimální perioda proužků, kterou lze upravit, 452 nm, což ukazuje, že v rámci periody okrajů existuje odpovídající vztah mezi fázovým posunem a výškou alespoň jednoho pixelového bodu, tj. boční přesností rekonstruovaného mračno bodů je 452 nm, což se blíží zobrazovacímu rozlišení systému. Kvůli malé periodě třásní je deformace třásně citlivější než u velkoperiodické třásně, takže má vyšší axiální přesnost. Pokud jde o nastavení fáze, interferometrie skenování bílého světla potřebuje posunout čočku interferenčního objektivu v axiálním směru pomocí piezoelektrického zařízení a poté přizpůsobit fázi kalibrací nulového rozdílu optické dráhy na každém skenovaném obrázku, takže existuje určitá chyba v hodnotě fáze. V našem systému je nastavení fáze realizováno ovládáním pixelů na modulátoru prostorového světla bez skenovacího zařízení, takže má vyšší přesnost nastavení fáze. Na tomto základě se metoda fázového posunu používá k výpočtu hodnoty fázové modulace každého bodu na snímku. Výsledky 3D rekonstrukce s vysokým bočním rozlišením lze získat pomocí rychlejšího rekonstrukčního algoritmu.
rekonstrukční algoritmus
V tomto příspěvku je metoda čtyřkrokového fázového posunu použita k rekonstrukci trojrozměrného obrysu měřeného vzorku, která je rozdělena do tří kroků: předzpracování obrazu, extrakce obrazu s fázovou modulací a filtrace šumových bodů. V následujícím textu bude použit modul porovnání drsnosti s Ra=100nm jako příklad pro vysvětlení algoritmu použitého v každém kroku. 2.1 Předzpracování obrazu Vzhledem k tomu, že zobrazovací systém využívá laserové osvětlení, je vliv laserových skvrn na interferenční obrazec nevyhnutelný. V procesu předběžného zpracování interferenčních proužků tento článek používá eliptickou dolní propust, takže poloměr filtrování ve směru proužků ve frekvenční oblasti obrazu je dvakrát větší než svislý směr proužků. Vzor proužků se jeví jako dvě středově symetrické světlé body ve frekvenční doméně a směr spojnice mezi dvěma body je kolmý ke směru proužku a směr spojnice je nastaven jako dlouhá osa elipsa. Protože perioda okrajů je blízká rozlišení obrazu, hlavní osa je nastavena na dvojnásobek vzdálenosti 2 jasných bodů a vedlejší osa je rovna vzdálenosti 2 bodů. Taková konstrukce může na jedné straně snížit dopad skvrnitého šumu v řešení relativní fáze a na druhé straně může zabránit tomu, aby informace o modulaci v interferenčním vzoru byly co nejvíce odfiltrovány. Jsou zobrazeny výsledky zpracování při metodách izotropního a anizotropního filtrování, porovnání může snížit šum obrazu ve směru proužků při zachování deformace proužků.
