单光源双光路激光并行共焦测量系统设计

针对传统激光并行共焦测量过程中存在的泰伯效应,提出将数字微镜器件(DMD)引入激光并行共焦测量系统来正确辨识正焦面的位置。采用了DMD作为光分束器件,从理论上验证了它是一种投影式的阵列光源,对激光分束后不会在光路方向上产生泰伯像;同时,考虑DMD不能对分束后的光线产生会聚作用,并非高效的并行光源分束器件,本文将DMD与微透镜阵列(MLA)结合构建了单光源双光路并行共焦测量系统。该系统利用DMD光路探测正焦面位置,利用微透镜阵列光路进行精确的共焦测量。实验结果表明,两种光路下的正焦面位置仅相差2μm,在一个泰伯间距范围之内,可以较好地克服泰伯效应对激光并行共焦测量的影响,进而保证较高精度的并行共焦测量。

激光共焦干涉面形快速高精度自动测量

针对传统球面面形干涉测量中手动调整被测件姿态精度低、速度慢的问题,提出了激光共焦干涉面形快速高精度自动测量方法。该方法通过共焦精密定焦技术实现了对被测件共焦位置的高精度轴向定位;通过五维自动调整架对被测件进行姿态调整,实现了被测件的高精度横向定位;通过Zernike拟合对被测件进行精调以减小离焦误差和倾斜误差,实现了对干涉面形的零条纹调整。最终实现了激光共焦干涉面形自动测量。构建了激光共焦干涉面形测量系统,实验表明:该方法的面形测量结果与Zygo干涉仪的测量结果相差0.000 6λ,重复测量精度可达0.001 9λ,平均单次干涉面形测量时间为16.5 s,与手动调整至零条纹相比测量效率提高了1.56倍。该方法为干涉面形的快速高精度测量提供了一种有效的手段。

高精度激光共焦半导体晶圆厚度测量

针对半导体晶圆厚度的高精度非接触测量问题与需求,提出了基于激光共焦的高精度晶圆厚度测量方法。该方法利用高分辨音圈纳米位移台驱动激光共焦光探针轴向运动扫描,利用激光共焦轴向响应曲线的峰值点对应物镜聚焦焦点的特性,分别对被测晶圆上下表面进行高精度瞄准定位;通过光线追迹算法精确计算出晶圆表面每个采样点的物理坐标,实现了晶圆厚度的高精度非接触测量。基于该方法构建了激光共焦半导体晶圆厚度测量传感器,实验和分析表明,该传感器的轴向分辨力优于5 nm,轴向扫描范围可达5.7 mm,6种晶圆厚度测量重复性均优于100 nm,单次测量时长小于400 ms。将共焦定焦技术有效地应用于半导体测量领域,为晶圆厚度的高精度、无损在线测量提供了一种新技术。

激光共焦透镜曲率半径测量系统

基于共焦技术独特的轴向层析定焦能力并结合气浮导轨平移台和激光干涉仪测长系统,研制了一套高精度、非接触激光共焦透镜曲率半径测量系统。该系统利用共焦轴向光强响应曲线的峰值点对应系统物镜聚焦焦点这一特性,使用峰值点对被测透镜的猫眼位置及共焦位置进行精确定位,并结合激光干涉仪获得透镜猫眼位置及共焦位置坐标值,从而计算得到透镜的曲率半径。系统由主控软件控制气浮导轨带动被测透镜在猫眼位置及共焦位置附近进行扫描测量,并实现信号采集和数据处理。实验表明,利用该系统测量透镜的曲率半径时,测量重复性优于2μm,满足国内高精度透镜曲率半径测量的精度需求。该系统测量速度快、操作简便、结构简单且易于实现小型化。

激光差动共焦透镜中心偏的自动测量

针对现有中心偏差测量方法中测量精度低、透镜姿态调整人为干扰大的问题,提出一种差动共焦透镜中心偏自动测量方法。该方法通过差动共焦定焦技术,依据差动共焦轴向光强响应曲线的过零点精确对应被测镜特征点这一特性,实现对被测镜猫眼点及共焦点的精准定位;通过高精度气浮转轴驱动被测镜旋转,用位移传感器、圆光栅记录被测镜的位置信息,结合五维位姿自动调整机构,实现对被测镜姿态的高精度校正,消除姿态偏差,提高测量精度;最终,搭建了激光差动共焦透镜中心偏自动测量系统,实现了透镜中心偏的高精度自动测量。实验结果表明:透镜中心偏的测量精度可达0.41%,测量重复性优于100 nm。与现有的人工单次测量相比,该方法的测量重复性较好、随机误差小、测量精度高,为高精度透镜中心偏自动测量提供了一种技术途径。

基于并行共聚焦显微系统的物方差动轴向测量

差动共聚焦显微成像技术可以获得很高的轴向测量精度,然而已有的差动共聚焦测量技术主要适用于激光扫描共聚焦,还不能满足微纳加工过程中对工件进行非接触式的在线、在位测量的要求。本文在分析差动共聚焦显微成像系统能够实现轴向测量原理的基础上,提出了适用于并行共聚焦技术的轴向测量方法。该方法利用均匀白光照明,在像方只需要使用一台相机做探测器,在物方通过移动载物台分别对样品在焦前和焦后两次成像,根据预先刻度好的差动曲线就可以得出物体表面的高度。理论模拟与实验结果均表明,该方法可以实现高精度的轴向测量,对500nm的台阶样品测量的平均误差为2.9nm,相对误差为0.58%。该方法简单、廉价、测量精度高,可以用于普通显微镜,易于实现样品的三维快速形貌还原与测量。

球面惯性元件激光共焦曲率半径测量系统

针对球面惯性元件散射特性导致其曲率半径测量难度大、精度低的问题,研制了一套球面惯性元件激光共焦曲率半径测量系统。系统通过针孔滤波降低探测器接收散射光的比例来抑制散射光的影响,利用共焦回馈技术提高返回光探测强度,以适应低反射率球面惯性元件的探测。采用共焦轴向光强响应曲线的峰值点精确对应物镜焦点的特性,对被测元件的猫眼和共焦位置进行精密定位,通过激光干涉仪获取两点间距离,继而实现曲率半径的高精度测量。以半球型动压气体轴承作为实验对象进行了实验。理论分析和实验结果表明,系统相对扩展不确定度优于20×10^-6,提出的测量系统为具有散射特性的球面惯性元件曲率半径的高精度测量提供了技术途径。

激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统研制

针对球面超大曲率半径测量中存在的测量精度低、抗环境干扰能力差的难题,研制了一套激光差动共焦反射式超大曲率半径测量系统。该系统采用反射式测量光路,利用差动共焦响应曲线对被测件的猫眼和反射位置进行高精度定位,并用测长干涉仪记录位置信息,最后结合物镜顶焦距解算出超大曲率半径值。理论分析与实验表明,该系统定焦精度高,测量范围大,抗环境干扰能力强,相对测量误差优于2×10^-4,-15 m超大曲率半径测量结果的重复性可达1.2×10^-4,实现了超大曲率半径的高精度测量。

并行共焦测量中的并行光源技术综述

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量,从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理,综述了用于并行共焦的并行光源技术,分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果,重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理,最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。

激光共焦扫描显微镜在微机电系统中的应用

研究了激光共焦扫描显微镜(LSCM)在微结构分析中的应用,综述了该项应用的优势。LSCM的高分辨率和光强调节功能,使其可用于大角度测量;与图像处理系统相结合,便于微结构的定性和定量分析;而全自动样片台沿X轴和Y轴的自动扫描实现了图像的拼接功能。实验结果表明:运用LSCM测量的斜面最大角度至少可以达到50°;在悬臂梁的形貌分析中,可获得清晰的三维形貌,同时通过二维定量分析精确测得其形变为3.145μm;在100×物镜下,运用拼接功能获得384μm×288μm的视场面积,解决了高放大倍数下,在单帧显微图像中无法获取所观测对象全貌的问题。LSCM在微结构分析中的应用弥补了其它形貌分析设备测量功能上的不足,提升了微机电系统的测试水平。

用于惯性约束聚变靶丸测量的激光差动共焦传感器

针对目前原子力显微镜等方法只能测量激光惯性约束核聚变(ICF)靶丸外表面等难题,研制了高精度、非接触、小型化的激光差动共焦传感器(LDCS)。该传感器基于差动共焦原理,利用激光差动共焦轴向响应曲线的零点对靶丸内外表面和球心分别进行定位,并结合物镜微位移驱动技术,实现靶丸内外表面和壳层厚度的高精度测量。该方法减少了靶丸表面的反射率、倾斜等因素对测量瞄准特性的影响,显著提高了系统的抗干扰能力。将传统的显微成像与差动共焦测量光路进行有机融合,实现了对被测样品的精确瞄准。初步实验与理论分析表明:当测量物镜的数值孔径NA为0.65时,LDCS的轴向分辨力优于5nm,信噪比优于1 160,过零点的标准偏差为10nm。该传感器为激光惯性约束核聚变靶丸测量提供了一种新的技术途径。

共聚焦激光扫描荧光显微镜扫描系统研制

为适应三维光学微细加工及三维光学信息存储研究的需要,研制了共聚焦激光扫描荧光显微镜的工作台式扫描系统,扫描范围138μm×138μm。工作台采用压电陶瓷驱动器(PZTactuator)驱动的方式来获得高分辨率的位移,采用带柔性铰链的杠杆放大装置来获得较大的位移范围。描述了工作台的工作原理,并对其静态和动态性能进行了测试,实验表明这一扫描系统能很好的应用于共聚焦激光扫描荧光显微镜系统。

基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法

针对轴向扫描式差动共焦测量法(ASDCM)测量轮廓效率低下问题,提出一种基于卡尔曼预测的差动共焦轮廓跟踪测量方法。该方法使用激光差动共焦轴向响应曲线数百纳米量程的线性区间实现了表面连续轮廓高精度线性传感测量,提高了测量效率;同时引入基于卡尔曼预测器的轮廓跟踪原理利用已测轮廓点数据对未测表面预测并跟踪,扩展了线性传感轮廓测量法测量范围。实验结果表明,该方法相对于ASDCM法测量效率提升了8倍,且实现了轮廓PV值大于线性传感测量范围的标准椭圆柱高精度跟踪测量,激光聚变靶丸内轮廓圆度重复测量标准差达3 nm。为精密元器件表面连续轮廓的高精度、快速、无损测量提供了一种高质量方法。

激光差动共焦曲率半径测量不确定度评定

曲率半径是球面光学元件中的重要参数之一,曲率半径的高精度测量已经成为光学元件使用与加工中的一个关键问题。提出了基于差动共焦法的曲率半径测量方法,研制了1套激光差动共焦曲率半径测量系统,并对2组曲率半径测量结果进行不确定度评定。结果表明,2组曲率半径的测量值均与标称值吻合,其相对误差为0.001 15%,两组测量数据的标准不确定度均优于3.211 11×10-4 mm。

激光共焦扫描显微镜运动控制系统设计

概述了激光共焦扫描显微镜的系统结构,以基于DSP技术的运动控制器构建其运动控制系统,详细介绍基于DSP的运动控制系统的构成。该系统采用工控机+运动控制器的双CPU结构。在软件设计上采用友好的人机界面,把系统任务按实时性和非实时性分别分配给上下位机完成。下位机完成位置控制和速度控控制,上位机实现非实时的多任务功能。

多光束共焦三维测量系统误差的标定及校正

由于具有非接触、精度高、测量速度快的特点 ,多光束共焦测量已经成为一种重要的光学三维测量手段。文章分析了系统中存在的像差 ,并对第二类像差 (焦平面弯曲 )提出了测量和标定的方法 ,即通过测量平面镜来获取系统误差 ,通过对测量结果的球面拟合来进行标定 ,利用标定值即可进行系统误差的校正。采用此种方法可简化光学系统设计 ,降低系统制造费用。最后给出了试验的结果。

带有全息滤光片的激光共焦系统用于基因芯片的检测

提出了一个激光共焦扫描系统 ,对其应用于基因芯片的检测进行了实验研究。系统中用本实验室研制的全息滤光片代替通常所用的昂贵的窄带干涉滤光片和二色镜 ,检测得到的信号强度是背景信号的数十倍 ,是背景信号波动的数百倍 ,灵敏度达 2 .0× 10 - 2 2 mol/μm2 。通过扫描采样和图像重建 ,能给出荧光强度的二维图像信息 ,清晰地得出了芯片上的阳性导向点及一些阳性点。本文研究的结果表明 ,将全息滤光片应用于共焦系统对低密度芯片进行检测 。

以激光共聚焦图像三维重建技术研究小胶质细胞与神经系统其他类型细胞的关系及相互作用

目的观察小胶质细胞在静息和活化状态下与中枢神经系统其他细胞类型的空间位置关系和相互作用。方法雄性C57BL/6小鼠,纹状体内注射秋水仙碱建立神经元损伤模型。采用免疫荧光染色,激光共聚焦和细胞三维成像技术进行形态学观察。结果黑质致密部中脑脑片可见典型的多巴胺神经元形态,小胶质细胞呈典型的静息状态。静息状态下,小胶质细胞有多级分支,环绕星形胶质细胞的胞体;星形胶质细胞呈梭形,突起细长,细胞核较小。结论小胶质细胞与神经元,髓鞘存在密切接触,与星形胶质细胞之间存在交互性连接。

用于并行共焦测量的DMD控制方法研究

激光共焦测量采用并行的方式可以有效提高测量效率,但用于并行共焦测量的光分束器件普遍存在制作困难、价格偏高的不足。从数字微镜器件的空间光调制机理入手,主要研究数字微镜器的控制方法,通过构建任意所需的点光源阵列,实现了并行共焦测量。结果表明,测量装置可根据不同的被测物便捷地更换点光源参数;测量装置具有很好的柔性,且测量误差小。

利用狭缝的共焦测量系统

提出了利用狭缝进行三维轮廓测量的共焦测量方法 ,应用数字图像处理的方法解决了测量中的有效点标定问题 。