Forschung zur dreidimensionalen Formerkennung eines interferometrischen Beleuchtungsmikroskops mit nicht parallelem Licht
Die rasante Entwicklung des Maschinenbaus und der Elektronikindustrie hat höhere Anforderungen an die Erkennungstechnologie der mikroskopischen Morphologie gestellt. Derzeit kann die Erkennung dreidimensionaler Formen in zwei Kategorien unterteilt werden: berührungslos und berührungslos. Die Kontaktmethode bezieht sich hauptsächlich auf die Stiftmethode. Sein Prinzip besteht darin, die kleine Verschiebung des Stifts in vertikaler Richtung in ein elektrisches Signal umzuwandeln und es zu verstärken, um die dreidimensionale Formverteilung der Erfassungsoberfläche zu erhalten. Zu den berührungslosen Erkennungsmethoden gehören hauptsächlich Strahlfokussierungsmethoden, strukturierte Lichtprojektionsverfahren und Interferometrie. Bei der Strahlfokussierungsmethode wird der fokussierte Lichtpunkt als optische Sonde zum Scannen der Erfassungsoberfläche verwendet, um dreidimensionale Daten zu erhalten. Mit dieser Methode können komplexe Konturen dreidimensional erfasst werden, die Messgeschwindigkeit ist jedoch langsam. Interferometrie- und Strukturlichtprojektionsverfahren erfassen Oberflächenkonturen durch Lösung von Streifendeformationen, wobei die Interferometrie das Prinzip der Faserkohärenz oder Parallelstrahlkohärenz nutzt, einschließlich Laserinterferometrie und Weißlicht-Scanning-Interferometrie. Bei der Verwendung von Glasfaserkohärenz muss diese mit einem großen Arbeitsabstand mit der Objektivlinse zusammenarbeiten, was die Vergrößerung der Objektivlinse begrenzt. Die Weißlicht-Scanning-Interferometrie verwendet weißes Licht mit breitem Spektrum als Beleuchtungsquelle und nutzt das Prinzip der parallelen Strahlkohärenz. Der Fehler einer einzelnen Messung liegt innerhalb von 20 nm. Informationen wie Kontrast und Lichtintensität bestimmen die absolute Tiefe der zu messenden Oberfläche. Die Methode der strukturierten Lichtprojektion vermeidet den Einsatz von Scangeräten und weist die schnellste Rekonstruktionsgeschwindigkeit auf. Wenn jedoch ein Winkel zwischen der Projektionsebene und der Bühnenebene besteht, muss die Streifenperiode korrigiert werden, sodass diese Methode nicht für eine Präzisionsmorphologie im Submikrometerbereich geeignet ist. Messung In dieser Arbeit werden die Vorteile der Strukturlichtprojektion und der Parallellichtinterferometriemethode kombiniert, der Lichtstrahl durch den räumlichen Lichtmodulator gebeugt und zwei Beugungsordnungen mit naher Lichtintensität zur Interferenz zur Erzeugung von Streifen verwendet. Passt die Randphase an. Da die Verwendung von Scangeräten und Referenzebenen vermieden wird, erfordert das vorgeschlagene Verfahren keine Verwendung von Interferenzobjektiven und weist keine Einschränkungen hinsichtlich der numerischen Apertur der verwendeten Objektive auf, der Rekonstruktionsprozess ist schnell und es kann eine höhere laterale Auflösung erreicht werden. Da die Streifen außerdem durch Lichtstrahlinterferenz erzeugt werden, ist die Phase linear mit den Pixelkoordinaten verteilt, und es gibt kein Phänomen periodischer Streifenänderungen bei der Projektionsmethode. Schließlich wird in diesem Artikel das Rauheitsvergleichsmodul mit Ra von 100 nm als getestete Probe zur Durchführung von Experimenten verwendet. Um die dreidimensionale Punktwolke auf der Oberfläche der untersuchten Probe zu erhalten, wird die vierstufige Phasenverschiebungsmethode verwendet. Die wahre relative Höhe zwischen Punkten.
Experimenteller Lichtweg
Es handelt sich um das Lichtwegdiagramm des in diesem Artikel vorgeschlagenen nichtparallelen Lichtinterferenzbeleuchtungsmikroskops. Der Laserstrahl gelangt über den Strahlaufweiter L3, den räumlichen Lichtmodulator und die Fokussierlinse L2 in das Strahlteilerprisma des Mikroskops und bildet den Beleuchtungslichtpfad des Mikroskopsystems. Der räumliche Lichtmodulator kann die Amplitude des einfallenden Lichts entsprechend dem hochgeladenen Bild modulieren. Wenn es sich bei dem hochgeladenen Bild um einen Streifen handelt, entspricht seine Funktion einem reflektierenden Gitter, das die Ablenkung des räumlichen Lichtmodulators so anpasst, dass zwei Strahlen gebeugten Lichts mit ähnlichen Lichtintensitäten in das dichroitische Prisma eintreten, nachdem es durch die Objektivlinse des Mikroskops fokussiert wurde. interferiert mit der Oberfläche der gemessenen Probe und bildet Interferenzstreifen.
Der räumliche Lichtmodulator ist das Kerngerät des Systems, und die Periode und Phase des Streifens kann präzise moduliert werden, indem das hochgeladene Streifenmuster während des Experiments geändert wird. Um die laterale Genauigkeit der 3D-Rekonstruktionspunktwolke zu verbessern, ist es normalerweise erforderlich, die Streifenperiode so anzupassen, dass sie der lateralen Auflösung des Mikroskops nahekommt. Zu diesem Zeitpunkt kann der maximale Interferenzwinkel der beiden Strahlen aus der numerischen Apertur NA der Objektivlinse berechnet werden.
Gemäß den Parametern des im System verwendeten Mikroskopobjektivs (100, NA=0.8) beträgt der maximale Interferenzwinkel der Doppelstrahlen 106 Grad und die nach dem Rayleigh-Kriterium berechnete Systemauflösung beträgt 406 nm. Im Experiment beträgt die minimal einstellbare Streifenperiode 452 nm, was darauf hinweist, dass innerhalb einer Streifenperiode ein entsprechender Zusammenhang zwischen der Phasenverschiebung und der Höhe von mindestens einem Pixelpunkt besteht, also der lateralen Genauigkeit der Rekonstruktion Die Punktwolke beträgt 452 nm, was nahe an der Bildauflösung des Systems liegt. Aufgrund der kleinen Streifenperiode ist die Verformung des Streifens empfindlicher als die des Streifens mit großer Periode und weist daher eine höhere axiale Präzision auf. In Bezug auf die Phaseneinstellung muss bei der Weißlicht-Scan-Interferometrie die Interferenzobjektivlinse mit Hilfe eines piezoelektrischen Geräts in axialer Richtung bewegt und dann die Phase angepasst werden, indem der optische Wegunterschied von Null auf jedem Scanbild kalibriert wird ein gewisser Fehler im Phasenwert. In unserem System wird die Phasenanpassung durch die Steuerung der Pixel auf dem räumlichen Lichtmodulator ohne Scanvorrichtung realisiert, sodass eine höhere Phasenanpassungsgenauigkeit erzielt wird. Auf dieser Grundlage wird die Phasenverschiebungsmethode verwendet, um den Phasenmodulationswert jedes Punkts im Bild zu berechnen. Mit dem schnelleren Rekonstruktionsalgorithmus können 3D-Rekonstruktionsergebnisse mit hoher lateraler Auflösung erzielt werden.
Rekonstruktionsalgorithmus
In diesem Artikel wird die vierstufige Phasenverschiebungsmethode zur Rekonstruktion der dreidimensionalen Kontur der gemessenen Probe verwendet, die in drei Schritte unterteilt ist: Bildvorverarbeitung, Phasenmodulationsbildextraktion und Rauschpunktfilterung. Im Folgenden wird das Rauheitsvergleichsmodul mit Ra=100nm als Beispiel verwendet, um den in jedem Schritt verwendeten Algorithmus zu erläutern. 2.1 Bildvorverarbeitung Da das Bildgebungssystem Laserbeleuchtung verwendet, ist der Einfluss von Laserflecken auf das Interferenzmuster unvermeidbar. Bei der Vorverarbeitung der Interferenzstreifen wird in diesem Artikel ein elliptischer Tiefpassfilter verwendet, sodass der Filterradius entlang der Streifenrichtung im Frequenzbereich des Bildes doppelt so groß ist wie der vertikale Richtung der Streifen. Das Streifenmuster erscheint als zwei mittensymmetrische helle Flecken im Frequenzbereich, und die Richtung der Verbindungslinie zwischen den beiden Punkten ist senkrecht zur Richtung des Streifens, und die Richtung der Verbindungslinie ist als Längsachse festgelegt die Ellipse. Da die Streifenperiode nahe an der Bildauflösung liegt, wird die Hauptachse auf den doppelten Abstand von zwei hellen Punkten eingestellt und die Nebenachse entspricht dem Abstand von zwei Punkten. Ein solches Design kann einerseits den Einfluss von Speckle-Rauschen in der relativen Phasenlösung reduzieren und andererseits verhindern, dass die Modulationsinformationen im Interferenzmuster so weit wie möglich herausgefiltert werden. Dargestellt sind die Verarbeitungsergebnisse unter den isotropen und anisotropen Filtermethoden. Durch den Vergleich kann das Bildrauschen entlang der Streifenrichtung reduziert werden, während die Verformung der Streifen erhalten bleibt.
