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基于相关度的白光干涉信号解调算法

光谱学与光谱分析 2023年第6期43卷 1941-1946页

作者：张振清董丽娟孙勇铁道警察学院刑事科学技术系河南郑州450053 山西大同大学微结构电磁功能材料山西省重点实验室山西大同037009 同济大学物理科学与工程学院先进微结构材料教育部重点实验室上海200092

超精密的微纳器件是制造领域的核心器件,随着超精密加工技术的迅猛发展,对相应的微纳检测技术要求越来越高。微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段,是超精密加工技术进一步发展的前提。现有的微纳器件表面轮廓检测方法... 详细信息

超精密的微纳器件是制造领域的核心器件,随着超精密加工技术的迅猛发展,对相应的微纳检测技术要求越来越高。微纳检测技术是保证超精密加工技术精确稳定的重要手段,是超精密加工技术进一步发展的前提。现有的微纳器件表面轮廓检测方法按是否使用光学原理可以分为光学类和非光学类,非光学类检测通常为点扫描、接触检测的方式,检测效率低,容易破坏待测器件的表面形貌。光学类的检测方式多为面扫描,非接触式测量,不会划伤待测器件,检测效率高。在光学检测中,白光干涉技术由于其相干长度短的特点,可实现微纳器件三维形貌的高精度测量,受到国内外研究人员的广泛关注。在白光干涉检测技术中,信号解调算法对整个检测系统至关重要,传统的白光干涉信号解调算法只采用了干涉信号的部分信息,解调精度较低,而高精度的相移解调算法又依赖于粗定位的精度,无法直接实现高精度的三维形貌恢复。为了解决以上问题,提出以相关度为基础的信号解调算法,该算法通过三级滑动窗口计算相关度,利用了白光干涉信号的全部信息,无需粗定位,就可直接确定待测物体的表面三维形貌信息。为验证该算法的性能,对其进行了模拟仿真和实验验证。模拟仿真结果表明该方法具有可行性,可准确恢复仿真待测三维结构形貌,采用三级滑动窗的设置可有效提高运算效率。同时,搭建了白光干涉垂直扫描实验系统,并对光栅结构和微透镜结构进行了测量,将实验结果与传统的重心法和相移法进行了比较。实验结果表明该方法能准确恢复出不同物体的三维形貌,精度及鲁棒性均优于改进的重心法,接近相移法,光栅高度的恢复结果表明该方法与相移法的误差小于0.5 nm。仿真和实验结果表明,所提出的基于相关度的白光干涉信号解调方法是可行的,无需粗定位便可实现待测物体表面三维形貌的高精度恢复,具有高精度、高鲁棒性的特点。

关键词：白光干涉相关算法三维形貌

白光干涉测量系统的复合相移三维重建和多视场形貌拼接

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白光干涉测量系统的复合相移三维重建和多视场形貌拼接

作者：谭钧文广东工业大学

学位级别：硕士

白光干涉法已经被广泛用于MEMS微传感器、光学透镜和透明薄膜等超精密器件的表面特征检测当中。随着超精密制造及复杂微纳器件技术的迅猛发展,其大尺寸基底与表面精细微结构的复合特征对超精密形貌特征检测的需求日益增大,对白光干涉测... 详细信息

白光干涉法已经被广泛用于MEMS微传感器、光学透镜和透明薄膜等超精密器件的表面特征检测当中。随着超精密制造及复杂微纳器件技术的迅猛发展,其大尺寸基底与表面精细微结构的复合特征对超精密形貌特征检测的需求日益增大,对白光干涉测量技术在精度、速度和范围等方面提出关键技术挑战。本文针对于白光干涉测量中存在的特殊光谱效应影响、振动噪声干扰和大范围测量等难题,深入研究白光干涉技术的单视场成像测量原理与多视场数据拼接方法,提出基于复合相移的高精度三维重建新算法和基于内群特征点对的多视场三维形貌快速配准方法,开发实现白光干涉三维形貌测量系统,并通过仿真和实验验证所提方法和系统的有效性。本文主要研究内容概括如下:（1）调研超精密三维微观形貌测量技术的研究现状,了解白光干涉技术在重建原理和算法研究上的研究进展与存在的问题,明确本文研究内容与方案;（2）深入研究白光干涉的成像特性及其三维测量原理,分析现有三维重建算法,在此基础上设计白光干涉仪总体架构,搭建白光干涉三维测量装置;（3）针对白光干涉测量精度易受光源和测试环境等因素干扰的问题,提出一种新的高精度复合相移三维重建算法。构建复合高斯相移模型,提出基于合成波长的相位融合方法,提高相移干涉算法对特殊光谱效应误差和随机测量误差的抑制能力,使白光干涉测量在不同程度的振动干扰下均能具有较好的测量精度和测量稳定性;（4）针对大尺寸基底精细微结构特征多视场测量快速精准配准难题,提出一种基于内群特征点对的多视场三维形貌快速配准算法。通过改进FAST算子和SIFT算子,快速搜索得到图像特征匹配点对,并以此作为内群匹配点对进行基于SVD的点云粗配准和基于改进ICP的点云精配准,能够有效减少点云配准过程中的迭代次数和计算量,实现三维形貌的高效精确配准;（5）在上述算法研究基础上,基于C++语言和相关工具库,开发实现白光干涉三维形貌检测系统,编程实现所提出的算法及相关功能模块,建立白光干涉三维形貌检测软硬件系统,并通过实例元件的测量验证所提方法和系统的有效性。

关键词：白光干涉相移干涉三维重建多视场配准微观形貌测量

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白光干涉空间互相关光纤法珀腔解调仪研制

白光干涉空间互相关光纤法珀腔解调仪研制

作者：康家雯西安工业大学

学位级别：硕士

随着传感技术的不断进步,光纤传感器因其小巧、轻便、灵敏度高和耐腐蚀等优势,已被广泛运用于各种环境下的温度、压力和应变/应力的监测。光纤传感器解调仪是光纤传感技术的重要组成部分,具有重要的科学研究价值和广泛的应用前景。本文... 详细信息

随着传感技术的不断进步,光纤传感器因其小巧、轻便、灵敏度高和耐腐蚀等优势,已被广泛运用于各种环境下的温度、压力和应变/应力的监测。光纤传感器解调仪是光纤传感技术的重要组成部分,具有重要的科学研究价值和广泛的应用前景。本文针对温度-压力双参量同步测量的需求,基于菲索干涉仪原理,采用双光楔结构,设计了一种白光干涉空间互相关光纤法-珀腔解调仪。通过仿真和实验验证了该解调仪的可行性、可靠性和稳定性。本文的主要工作内容总结如下:首先,针对复合式光纤法-珀传感器的工作原理、解调方法进行了研究分析,对比各种解调技术之间的优劣。基于菲索干涉仪原理,设计了一种白光干涉空间互相关光纤法-珀腔解调仪。并对白光干涉空间互相关光纤法-珀腔解调仪的解调原理进行了理论推导和介绍,通过模拟仿真验证了该解调技术的可行性。并搭建了解调仪的光路部分。然后,设计了信号采集与处理电路软硬件。基于STM32F407设计解调系统的电路部分。通过线阵CCD对光信号进行光电探测后经由ADC08060传输给芯片内部,最后通过设计的数据处理软件与解调算法对相关干涉信号进行解调。其中,电路设计部分包括STM32主控模块、A/D转换、CCD光电探测和串口通信。解调算法包括相关干涉信号的切比雪夫带通滤波和高斯函数拟合法寻峰。最后,搭建实验平台验证白光干涉空间互相关光纤法-珀腔解调系统的可靠性、可行性和稳定性。实验包括通过对复合式光纤法-珀传感器进行不同温度和压力下的测量来对整个解调系统进行标定,从而得到相关干涉信号峰值点所对应的像素点与温度和压力的关系,以及对解调系统进行重复性实验。通过实验得到白光干涉空间互相关光纤法-珀腔解调仪压力的灵敏度为-23.396/MPa,温度的灵敏度为-0.233/℃,矫正后的压力值与标准气压之间的最大误差为0.017 MPa,测量的温度值与标准的温度值之间的最大误差为0.533℃,温度测量范围为20-300℃,压力测量范围为0.1-3 MPa,实现了对温度和压力的双参量实时测量。

关键词：光纤传感器白光干涉光电信号处理双参数测量法布里-珀罗传感器

白光干涉在半导体量测设备中垂向测量的研究与应用

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白光干涉在半导体量测设备中垂向测量的研究与应用

作者：李旺桂林电子科技大学

学位级别：硕士

光刻过程中,套刻误差是反应芯片层与层之间套叠准确性的重要指标,对其测量时,需要清晰的图像来保证测量准确性,而现有调焦技术的检测精度并不能满足实际需求,针对这个问题,本文对白光扫描干涉技术、白光光谱干涉技术进行深入研究。在检... 详细信息

光刻过程中,套刻误差是反应芯片层与层之间套叠准确性的重要指标,对其测量时,需要清晰的图像来保证测量准确性,而现有调焦技术的检测精度并不能满足实际需求,针对这个问题,本文对白光扫描干涉技术、白光光谱干涉技术进行深入研究。在检焦测量时,通过相机最佳焦面位置与白光干涉零光程差位置之间垂向距离的标定,将零光程差位置作为检出对象,提高了检测速率。并搭建一套可以同时实现两种测量方式的检焦系统,实验验证算法的有效性与准确性。本文主要研究内容如下:1.针对白光干涉技术,详细分析零光程差定位算法原理,并依据实际情况进行算法优化;提出扫描白光干涉信号的评价方式,作为系统参数选择的依据;阐述白光干涉检焦相比于基于图像清晰度检焦的优势。2.设计检焦流程,通过垂向距离补偿量的标定,实现白光干涉零光程差位置向硅片最佳焦面位置的转换;搭建了Linnik型显微干涉检焦系统,系统同时兼容白光扫描干涉检焦和白光光谱干涉检焦两种测量方式。3.进行扫描干涉检焦测量准确性实验,实验结果为:检焦测量最大平均绝对误差为57nm,最小可达8nm。均方根误差最大为81.6nm,最小为9.5nm。较之传统焦面测量技术,测量误差较小且分布集中,测量稳定性好;进行不同标记类型硅片的测量重复性实验,实验结果为:BIB标记类型硅片的测量平均标准差为87.7nm,AIM标记类型硅片的测量平均标准差为72.9nm,实验证明对于BIB标记的测量重复性较AIM标记差。

关键词：白光干涉零光程差位置相位提取检焦测量

基于非均匀快速傅里叶变换的抗振动白光干涉测量方法

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光学学报 2023年

作者：薛亮郭仁慧刘杨钱宇蒋金威李建欣南京理工大学电子工程与光电技术学院

白光干涉测量技术是超精密加工领域中的一项重要测量手段，具有高精度和非接触式测量的优点，但同时也存在着易受环境振动干扰的问题。针对该问题，本文提出了一种基于非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）的抗振动白光干涉测量方法。该方法... 详细信息

白光干涉测量技术是超精密加工领域中的一项重要测量手段，具有高精度和非接触式测量的优点，但同时也存在着易受环境振动干扰的问题。针对该问题，本文提出了一种基于非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）的抗振动白光干涉测量方法。该方法将白光干涉测量光路分为两个成像通道，首先通过准单色光干涉图求解移相间隔，通过移相间隔以及NUFFT算法对白光干涉图进行校正，最后利用校正的白光干涉图和七步移相算法复原出待测物体的三维形貌，实验结果表明本方法具有良好的抗振性能。

关键词：形貌测量白光干涉抗振动非均匀快速傅里叶变换

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白光干涉三维形貌拼接技术研究

白光干涉三维形貌拼接技术研究

作者：黄旭南京理工大学

学位级别：硕士

白光显微干涉测量技术是干涉测量领域的重要分支,相较于单色光干涉测量,因其可实现样品的大偏差阶跃型形貌检测,在微机电、微机械、微光学等领域的先进制造方面,有着广泛而重要的应用价值。白光干涉仪在通过显微干涉物镜实现高分辨率的... 详细信息

白光显微干涉测量技术是干涉测量领域的重要分支,相较于单色光干涉测量,因其可实现样品的大偏差阶跃型形貌检测,在微机电、微机械、微光学等领域的先进制造方面,有着广泛而重要的应用价值。白光干涉仪在通过显微干涉物镜实现高分辨率的同时,水平测量范围却受到物镜视场的限制。因此,实现水平方向上大范围、高分辨率的形貌检测,一直是白光干涉技术领域需要突破的重点和难点。本文针对三维形貌的噪声区域影响拼接精度的问题,提出了一种基于干涉条纹质量的加权重构算法,可实现对噪声区域的重构。为研究基于重合区域的三维形貌拼接技术,本文从原理上对各类算法进行对比分析并进行仿真验证。在面内配准阶段,针对阶跃型和连续型两类样品的不同的表面特征,结合Canny算子和DoG算子的特征检测方法,提出了一种基于拼接方向的自适应模板匹配方法,很好地解决模板大小与配准精度难以两全的矛盾。在面外误差校正及形貌融合阶段,对比分析常见的面外误差校正算法和形貌融合算法,最终采用效果更好的全局拼接算法和线性加权融合算法。最后在实验室自研的白光显微干涉仪上,采用较高倍率的小视场物镜对两类样品进行拼接实验,并做误差分析。实验结果表明:阶跃型样品拼接实验的横向拼接精度为0.36μm,纵向拼接精度为3.58nm,连续型样品拼接实验的横向拼接精度为1.414μm,粗糙度Rq值误差为0.72nm。验证了本文的算法可以较好地实现阶跃型样品和连续型样品的大范围、高分辨率的形貌检测。

关键词：白光干涉形貌拼接噪声重构特征检测模板匹配

白光干涉型Fabry-Perot光纤位移传感器的研究

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白光干涉型Fabry-Perot光纤位移传感器的研究

作者：幸儒豪哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

现代社会生产制造日益趋向于纳米尺度,所以对传感器的精度和性能要求也随之提高。以手机芯片制造工艺为例,下一代芯片的制造工艺将是7nm工艺,目前成熟的微米级别测量技术已经远远不能满足这些智能设备领域的制造和测量要求。He-Ne激光... 详细信息

现代社会生产制造日益趋向于纳米尺度,所以对传感器的精度和性能要求也随之提高。以手机芯片制造工艺为例,下一代芯片的制造工艺将是7nm工艺,目前成熟的微米级别测量技术已经远远不能满足这些智能设备领域的制造和测量要求。He-Ne激光干涉测量技术作为实现高分辨力测量的传统手段,其系统造价高昂、实现复杂而且对环境敏感。为了打破激光干涉测量技术的局限性,白光干涉测量技术应运而生。近10年,白光干涉测量技术又深入地和光纤传导技术相交叉形成了新型的光纤白光干涉传感技术,由于其测量分辨率高、测量可靠、而且可以实现绝对测量等优势,目前已经成为受到国内外广泛关注的技术热点之一。本文对光纤白光干涉测量技术在位移传感领域的应用进行研究,并基于此设计了一种具有较大量程的微位移测量系统。利用宽谱半导体激光器作为系统光源,将白光导入光纤光路,先后经由光路上的光束调制和光束解调环节,最后形成白光干涉图样。白光干涉图样的中心条纹位置会随着外界位移输入变化而变化,通过光电转换模块探测中心条纹位置即可实现对被测位移量的测量。在光路硬件实现方面,通过Fabry-Perot腔的腔长变化来引入被测位移,并利用F-P腔的多光束干涉效应实现对白光光束的调制,将位移信息包含在白光光束之中;调制光束再穿过Fizeau光楔实现解调,在光楔底部,只有光楔厚度与F-P腔的腔长准确匹配的地方才会出现白光干涉图样的中心条纹。为使光电系统可以准确探测到白光干涉图样的中心条纹的位置,对干涉信号进行了必要的软件层面上的算法处理。本文基于现有理论提出了一种新的白光干涉信号强度分布的复合构造形式,并使用幂指数运算对白光干涉信号进行预处理,改善了干涉条纹质量;然后,比较了多种主流条纹重心法的优劣,最后结合系统特点,选择了差分光强重心法来定位白光干涉信号的中心条纹。为校验本传感系统的可行性并测试其测量性能,搭建了相关的实验平台,并对系统中的光路部分进行了合理的调整,成功得到了与光程差相关联的干涉光斑,然后通过与光电转换、信号处理以及数据采集等模块进行联调,最后获得位移值。实验结果表明,系统的测试分辨力不低于150nm,测量量程可达到0.2mm,并具有很大的量程扩展潜力,重复性和线性度良好。

关键词：位移测量白光干涉 F-P腔光电转换

20^(×) Mirau型白光干涉显微物镜的设计

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激光与红外 2022年第9期52卷 1402-1406页

作者：陈卉中国电子科技集团公司第十一研究所北京100015

对于具有动态特性的MEMS陀螺仪表面形貌的检测,采用传统接触式检测方式难以实现。本文设计一款无限远场校正的20^(×) Mirau型白光干涉显微物镜成像系统,实现对MEMS陀螺仪无接触式的表面缺陷检测。系统工作于可见光波段,数值孔径NA=0.3... 详细信息

对于具有动态特性的MEMS陀螺仪表面形貌的检测,采用传统接触式检测方式难以实现。本文设计一款无限远场校正的20^(×) Mirau型白光干涉显微物镜成像系统,实现对MEMS陀螺仪无接触式的表面缺陷检测。系统工作于可见光波段,数值孔径NA=0.3,放大倍率为20倍,工作距离3.1 mm,总体长度为45.85 mm。系统包含光学成像部分和Mirau型干涉部分,光学成像部分的成像质量接近衍射极限,各项设计指标均满足要求;通过VirtualLab软件对干涉物镜进行光路的干涉仿真并得到清晰的干涉条纹,验证了设计的合理性。

关键词：白光干涉显微物镜 Mirau 光学设计

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白光干涉检测仪垂直扫描系统设计

半导体技术 2017年第3期42卷 229-234页

作者：姚靖威唐燕周毅邓茜赵立新胡松中国科学院光电技术研究所成都610209 中国科学院大学北京100039

白光垂直扫描干涉测量方法具有高精度、大量程并且为非接触测量等优点,因此被广泛地应用于半导体、微机电系统(MEMS)等检测领域。传统的白光扫描干涉仪采用压电(PZT)陶瓷驱动器,虽然能实现高精度的测量,但存在量程小、测量效率低等缺点... 详细信息

白光垂直扫描干涉测量方法具有高精度、大量程并且为非接触测量等优点,因此被广泛地应用于半导体、微机电系统(MEMS)等检测领域。传统的白光扫描干涉仪采用压电(PZT)陶瓷驱动器,虽然能实现高精度的测量,但存在量程小、测量效率低等缺点。基于此,提出了以步进电机作为驱动器、高精度光栅尺作为位置反馈的白光干涉垂直扫描运动平台,并设计了以现场可编程逻辑门阵列(FPGA)为核心处理器的控制板卡。实验证明,该运动平台在运动速度为50μm/s时,定位偏差小于15 nm,最大行程为3 mm,实现了高精度、大行程以及高效率的扫描检测。可以以较低的成本实现对具有高深宽比的微纳器件形貌的检测。

关键词：白光干涉 FPGA 光栅尺电荷耦合器(CCD) 步进电机