基于扫描白光干涉法的二元光学器件表面误差分析

论文摘要

随着二元光学器件(Binary Optical Element)在诸如空间技术、超精密加工、微光机电系统、计算机技术、信息处理、光纤通信、生物医学、国防军事等众多领域广泛应用，BOE表面质量检测以及加工工艺过程中控制参数的检测变得日益重要。对二元光学器件表面质量参数进行无损纳米级的尺度检测是保证其制作工艺满足精度要求及系统有良好性能的前提和主要手段。在众多微观光学元件表面轮廓的测量方法当中，扫描白光干涉法的技术特点是：实现高精度、三维以及实时快速的无损测量，而且扫描白光干涉系统结构较简单，操作方便以及投入样品表面检测的费用较少。本课题首先应用实验室设计的扫描白光干涉微纳检测仪对二元光学器件样品表面进行测量，并由图像传感器和图像采集卡将元件表面的干涉图像同步实时保存于计算机的硬盘当中，同时利用快速空间频域算法和位相解包裹对得到的测量数据进行处理。根据计算得到的样品表面每个像素单元的高度信息，重建出样品表面微观轮廓的三维形貌。依据重建出的样品表面高度，一方面通过数学计算得到样品表面的纹理特性、粗糙度、微观轮廓、台阶高度尺寸、线宽尺寸等表面参数，并将得到的样品表面的台阶高度和线宽尺寸与样品设计的原始数据比较，得到样品表面加工误差；另一方面采用幅度参数及功率谱密度函数的表征方法对样品表面的其他特性进行表征。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 表面形貌测量技术发展历程及国内外研究现状
• 1.2 微观表面三维形貌检测的意义
• 1.3 微观表面三维形貌的测量方法
• 1.3.1 机械探针式测量方法
• 1.3.2 光学探针式测量方法
• 1.3.3 扫描探针显微镜测量方法
• 1.3.4 扫描电子显微镜方法
• 1.4 研究内容及创新点
• 第2章 扫描白光干涉微纳检测系统
• 2.1 白光干涉系统总体结构
• 2.1.1 固定架及载物台
• 2.1.2 隔光圆台
• 2.1.3 放大倍率以及数值孔径
• 2.1.4 平衡干涉光路
• 2.1.5 成像系统的分辨率与成像系统的景深
• 2.2 照明系统
• 2.2.1 低功率调光电路
• 2.2.2 照明光路的方法和原则
• 2.2.3 照明光路结构
• 2.2.4 光源的选定
• 2.3 干涉系统的光能计算
• 2.3.1 光学系统的光能损失
• 2.3.2 干涉系统的光能阈值
• 2.4 压电陶瓷驱动电源
• 2.5 扫描白光干涉系统的测量过程
• 2.6 本章小结
• 第3章 二元光学器件表面误差理论基础
• 3.1 随机台阶刻蚀宽度误差
• 3.2 对准误差
• 3.3 随机台阶刻蚀深度误差
• 3.4 本章小结
• 第4章 二元光学器件表面微观轮廓的三维重建及表征
• 4.1 三维重建算法研究
• 4.1.1 重心法
• 4.1.2 移相算法
• 4.1.3 包络曲线拟合法
• 4.1.4 空间频域算法
• 4.1.5 算法的比较
• 4.2 二元光学器件表面的三维重建
• 4.2.1 实验样品
• 4.2.2 样品表面微观轮廓的三维重建
• 4.3 二元光学器件表面的表征
• 4.3.1 二元光学器件表面的纹理特性
• 4.3.2 基于幅度参数法的二元光学器件表面表征
• 4.4 二元光学器件表面的功率谱密度表征
• 4.5 本章小结
• 第5章 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 课题的未来展望
• 参考文献
• 发表论文情况说明
• 致谢