Исследования по обнаружению трехмерной формы непараллельного светового интерферометрического светового микроскопа
Стремительное развитие машиностроения и электронной промышленности выдвинуло более высокие требования к технологии обнаружения микроскопической морфологии. В настоящее время обнаружение трехмерной формы можно разделить на две категории: контактное и бесконтактное. Контактный метод в основном относится к методу стилуса. Его принцип заключается в преобразовании небольшого смещения щупа в вертикальном направлении в электрический сигнал и его усилении, чтобы получить трехмерное распределение формы поверхности обнаружения. Бесконтактные методы обнаружения в основном включают метод фокусировки луча, метод проекции структурированного света и интерферометрию. Метод фокусировки луча использует сфокусированное световое пятно в качестве оптического зонда для сканирования поверхности обнаружения для получения трехмерных данных. Этот метод может выполнять трехмерное обнаружение сложных контуров, но скорость измерения низкая. Методы интерферометрии и проекции структурированного света обнаруживают контуры поверхности путем решения деформаций полос, где интерферометрия использует принцип когерентности волокон или когерентности параллельных лучей, включая лазерную интерферометрию и сканирующую интерферометрию белого света. При использовании когерентности оптического волокна необходимо взаимодействовать с линзой объектива с большим рабочим расстоянием, что ограничивает увеличение линзы объектива. Сканирующая интерферометрия белого света использует белый свет широкого спектра в качестве источника освещения и использует принцип когерентности параллельных лучей. Погрешность единичного измерения находится в пределах 20 нм. Такая информация, как контрастность и интенсивность света, определяет абсолютную глубину измеряемой поверхности. Метод проецирования структурированного света позволяет избежать использования сканирующих устройств и имеет самую высокую скорость реконструкции. Однако при наличии угла между плоскостью проекции и плоскостью предметного столика необходимо скорректировать период интерференции, поэтому этот метод не подходит для морфологии субмикронной точности. Измерение В этой статье преимущества метода проецирования структурированного света и метода интерферометрии параллельного света объединены, световой пучок дифрагирован с помощью пространственного модулятора света, а два порядка дифракции с близкой интенсивностью света используются для интерференции для генерации интерференционных полос. Регулирует фазу интерференции. Поскольку использование сканирующих устройств и эталонных плоскостей исключается, предлагаемый метод не требует использования интерференционных объективов и не имеет ограничений на числовую апертуру используемых объективов, процесс реконструкции является быстрым, и может быть достигнуто более высокое латеральное разрешение. Кроме того, поскольку полосы генерируются интерференцией светового луча, фаза распределяется линейно с координатами пикселя, и в проекционном методе нет явления периодического изменения полос. Наконец, в этой статье в качестве тестируемого образца для проведения экспериментов используется модуль сравнения шероховатости с Ra 100 нм. Метод четырехэтапного фазового сдвига используется для получения трехмерного облака точек на поверхности тестируемого образца. Истинная относительная высота между точками.
Экспериментальный световой путь
Это схема светового пути микроскопа с непараллельной интерференционной подсветкой, предложенного в этой статье. Лазерный луч поступает в светоделительную призму микроскопа через расширитель луча L3, пространственный модулятор света и фокусирующую линзу L2, образуя осветительный световой тракт системы микроскопа. Пространственный модулятор света может модулировать амплитуду падающего света в соответствии с загруженным изображением. Когда загруженное изображение представляет собой полосу, его функция эквивалентна отражающей решетке, регулируя отклонение пространственного модулятора света так, чтобы два луча дифрагированного света с одинаковой интенсивностью света попадали в дихроичную призму после фокусировки линзой объектива микроскопа. взаимодействует с поверхностью измеряемого образца, образуя интерференционные полосы.
Пространственный модулятор света является основным устройством системы, а период и фазу интерференции можно точно модулировать, изменяя загруженный шаблон интерференции во время эксперимента. Обычно, чтобы улучшить латеральную точность облака точек 3D-реконструкции, необходимо отрегулировать период интерференции, чтобы приблизить его к латеральному разрешению микроскопа. В это время максимальный угол интерференции двух лучей можно рассчитать по числовой апертуре NA линзы объектива.
В соответствии с параметрами объектива микроскопа, используемого в системе (100 , NA=0.8), максимальный угол интерференции двойных лучей составляет 106 градусов, а разрешение системы, рассчитанное по критерию Рэлея, составляет 406 нм. В эксперименте минимальный период интерференции, который можно отрегулировать, составляет 452 нм, что указывает на то, что в пределах периода интерференции существует соответствующая связь между фазовым сдвигом и высотой по крайней мере одной точки пикселя, то есть латеральная точность реконструированного изображения. Облако точек составляет 452 нм, что близко к разрешению изображения системы. Из-за малого периода полосы деформация полосы более чувствительна, чем деформация полосы с большим периодом, поэтому она имеет более высокую осевую точность. С точки зрения регулировки фазы, сканирующая интерферометрия белого света должна перемещать линзу интерференционного объектива в осевом направлении с помощью пьезоэлектрического устройства, а затем подгонять фазу путем калибровки нулевой разности оптических путей на каждом сканируемом изображении, поэтому определенная ошибка в значении фазы. В нашей системе регулировка фазы осуществляется путем управления пикселями на пространственном модуляторе света без сканирующего устройства, поэтому она имеет более высокую точность регулировки фазы. На этой основе метод фазового сдвига используется для вычисления значения фазовой модуляции каждой точки на изображении. Результаты 3D-реконструкции с высоким латеральным разрешением могут быть получены с помощью более быстрого алгоритма реконструкции.
алгоритм реконструкции
В данной работе для восстановления трехмерного контура измеряемой выборки используется четырехэтапный метод фазового сдвига, который разделен на три этапа: предварительная обработка изображения, извлечение изображения с фазовой модуляцией и фильтрация точек шума. Далее будет взят модуль сравнения шероховатости с Ra=100nm в качестве образца для объяснения алгоритма, используемого на каждом этапе. 2.1 Предварительная обработка изображения Поскольку в системе визуализации используется лазерное освещение, влияние лазерных спеклов на интерференционную картину неизбежно. В процессе предварительной обработки интерференционных полос в данной работе используется эллиптический фильтр нижних частот, так что радиус фильтрации вдоль направления полос в частотной области изображения вдвое больше, чем в вертикальном направлении полос. Полосатый узор выглядит как два центрально-симметричных ярких пятна в частотной области, а направление соединительной линии между двумя точками перпендикулярно направлению полосы, а направление соединительной линии устанавливается как длинная ось эллипс. Поскольку период интерференции близок к разрешению изображения, большая ось задается равной удвоенному расстоянию 2 ярких пятен, а малая ось равна расстоянию 2 точек. Такая конструкция может уменьшить влияние спекл-шума на решение относительной фазы, с одной стороны, а с другой стороны, может максимально избежать фильтрации информации о модуляции в интерференционной картине. Показаны результаты обработки методами изотропной и анизотропной фильтрации, сравнение позволяет уменьшить шум изображения вдоль направления интерференционных полос, сохранив при этом деформацию интерференционных полос.
