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清華大學(xué)深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊在光譜共焦精密測量領(lǐng)域取得新進(jìn)展

時(shí)間:2022-05-13 11:11:21     作者:考研招生在線(xiàn)

 近日,深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊首次提出基于光譜共焦技術(shù)的光譜反射率測量系統。綜合光學(xué)色散現象及共聚焦技術(shù),通過(guò)設計并優(yōu)化色散物鏡,限制入射角度并改善光斑質(zhì)量,采用創(chuàng )新的共光路自參考策略?huà)呙璐郎y表面,高效提取其反射光譜響應。這項工作為高精度表面光譜分析開(kāi)辟了一條新的途徑。

  光譜共焦技術(shù)利用波長(cháng)來(lái)編碼軸向位置,可實(shí)現待測表面位置的高精度探測,是當前光學(xué)精密測量的重要手段之一,為精密/超精密制造、半導體量測、基礎科學(xué)研究等領(lǐng)域提供可靠的尺寸信息。但目前光譜共焦技術(shù)仍面臨著(zhù)物鏡成像質(zhì)量差、光源光譜幅值抖動(dòng)、系統性無(wú)效色差干擾等技術(shù)問(wèn)題。為此,李星輝、王曉浩團隊陸續提出了多種解決思路,如色散物鏡集成超分辨光闌、分光路參考策略消除光源波動(dòng)、虛擬像素插值提取聚焦波長(cháng)、共光路自參考策略?huà)呙枭⒎秶?,設計并搭建了實(shí)驗測試和應用系統,達到了改善成像質(zhì)量、提高聚焦波長(cháng)提取穩定性、校正系統性無(wú)效色差等有益效果,極大改善了色散共焦技術(shù)在位移測量中的穩定性和分辨率,實(shí)現了對透明菲涅爾透鏡、超精密圓柱等的高精度輪廓重構。

圖1.(a)分光路參考策略實(shí)驗系統;(b)一體式色散物鏡設計;(c)亞像素插值提取聚焦波長(cháng);(d)共光路自參考策略實(shí)驗系統;(e)自參考反射光譜獲取方法;(f)光譜共焦響應系數的三維理論模型

  在上述研究基礎上,李星輝、王曉浩團隊深入研究,探索光譜共焦技術(shù)在光譜反射率及薄膜厚度測量中的潛在應用。利用環(huán)形窄帶光闌限制入射角度,聚焦光線(xiàn)斜入射到待測表面,根據色散物鏡關(guān)于光軸的對稱(chēng)性實(shí)現微小光斑的鏡面反射,結合前期研究中提出的共光路自參考策略,以軸向掃描待測表面的形式遍歷有效光譜范圍,進(jìn)而獲取不同波長(cháng)的光線(xiàn)在聚焦斜入射狀態(tài)下的反射光譜情況,經(jīng)過(guò)數據處理和整合,提取出能夠表征光譜反射率的自參考反射光譜,實(shí)現了微區內的表面反射特性表征。該技術(shù)方案在不同金屬表面獲得驗證,與理論反射率吻合良好,而且通過(guò)全光譜擬合法實(shí)現了納米級薄膜厚度的精密測量,相關(guān)研究有助于光譜共焦技術(shù)理論和工程研究體系的進(jìn)一步完善。

圖2.(a)光譜共焦系統示意圖;(b)基于環(huán)形光闌的入射光束模型;(c)入射角度范圍的實(shí)際測量;(d)光譜共焦測量實(shí)驗裝置;(e)四種待測表面的光譜反射率;(f)三種薄膜厚度測量結果

  上述研究成果分別以“自參考策略校正光譜共焦位移測量無(wú)效色差”(Self-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement)、“光譜反射率及薄膜厚度測量新方法”(A new method to measure spectral reflectance and film thickness using a modified chromatic confocal sensor)為題,先后發(fā)表于光學(xué)測量領(lǐng)域期刊《光學(xué)和激光工程》(Optics and Lasers in Engineering),其他相關(guān)成果已發(fā)表于《光學(xué)快訊》(Optics Express)、《傳感器》(Sensors)、《納米制造與計量》(Nanomanufacturing and Metrology)等期刊,同時(shí)對部分創(chuàng )新成果申請了專(zhuān)利保護。以上成果的主要完成人為清華大學(xué)深圳國際研究生院李星輝副教授、王曉浩教授和2017級儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士白蛟,其他完成人包括深圳國際研究生院先進(jìn)制造學(xué)部副研究員周倩、倪凱,2020級碩士生李婧雯、2018級碩士生汪英祚等。相關(guān)工作得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng )新委員會(huì )基礎研究學(xué)科布局/穩定支持等項目的支持。

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