Recherche sur la détection de forme tridimensionnelle du microscope à éclairage interférométrique à lumière non parallèle
Le développement rapide de la fabrication de machines et de l'industrie électronique a mis en avant des exigences plus élevées pour la technologie de détection de la morphologie microscopique. À l'heure actuelle, la détection de formes tridimensionnelles peut être divisée en deux catégories : contact et sans contact. La méthode de contact fait principalement référence à la méthode du stylet. Son principe est de convertir le petit déplacement dans le sens vertical du stylet en un signal électrique et de l'amplifier, de manière à obtenir la distribution de forme tridimensionnelle de la surface de détection. Les méthodes de détection sans contact comprennent principalement la méthode de focalisation du faisceau, la méthode de projection de lumière structurée et l'interférométrie. La méthode de focalisation du faisceau utilise le point lumineux focalisé comme sonde optique pour balayer la surface de détection afin d'obtenir des données tridimensionnelles. Cette méthode peut effectuer une détection tridimensionnelle de contours complexes, mais la vitesse de mesure est lente. Les méthodes d'interférométrie et de projection de lumière structurée détectent les contours de surface en résolvant les déformations des franges, où l'interférométrie utilise le principe de la cohérence des fibres ou de la cohérence des faisceaux parallèles, y compris l'interférométrie laser et l'interférométrie à balayage en lumière blanche. Lors de l'utilisation de la cohérence de la fibre optique, celle-ci doit coopérer avec l'objectif avec une grande distance de travail, ce qui limite le grossissement de l'objectif. L'interférométrie à balayage en lumière blanche utilise une lumière blanche à large spectre comme source d'éclairage et utilise le principe de cohérence de faisceau parallèle. L'erreur d'une seule mesure est inférieure à 20 nm. Des informations telles que le contraste et l'intensité lumineuse déterminent la profondeur absolue de la surface mesurée. La méthode de projection de lumière structurée évite l'utilisation de dispositifs de balayage et a la vitesse de reconstruction la plus rapide. Cependant, lorsqu'il y a un angle entre le plan de projection et le plan de scène, la période des franges doit être corrigée, donc cette méthode n'est pas adaptée à la morphologie de précision submicronique. Dans cet article, les avantages de la méthode de projection de lumière structurée et de la méthode d'interférométrie de lumière parallèle sont combinés, le faisceau lumineux est diffracté par le modulateur spatial de lumière, et deux ordres de diffraction avec une intensité lumineuse proche sont utilisés pour interférer pour générer des franges. Ajuste la phase des franges. Étant donné que l'utilisation de dispositifs de balayage et de plans de référence est évitée, la méthode proposée ne nécessite pas l'utilisation d'objectifs d'interférence et n'a aucune limitation sur l'ouverture numérique des objectifs utilisés, le processus de reconstruction est rapide et une résolution latérale plus élevée peut être obtenue. De plus, étant donné que les franges sont générées par une interférence de faisceau lumineux, la phase est distribuée linéairement avec les coordonnées des pixels, et il n'y a pas de phénomène de changements de franges périodiques dans le procédé de projection. Enfin, cet article utilise le module de comparaison de rugosité avec Ra de 100 nm comme échantillon testé pour mener des expériences. La méthode de déphasage en quatre étapes est utilisée pour obtenir le nuage de points tridimensionnel à la surface de l'échantillon testé. La vraie hauteur relative entre les points.
Chemin lumineux expérimental
Il s'agit du diagramme du trajet lumineux du microscope à éclairage interférentiel non parallèle proposé dans cet article. Le faisceau laser pénètre dans le prisme séparateur de faisceau du microscope à travers l'expanseur de faisceau L3, le modulateur spatial de lumière et la lentille de focalisation L2, formant le trajet lumineux d'éclairage du système de microscope. Le modulateur spatial de lumière peut moduler l'amplitude de la lumière incidente en fonction de l'image téléchargée. Lorsque l'image téléchargée est une frange, sa fonction équivaut à un réseau réfléchissant, ajustant la déviation du modulateur spatial de lumière de sorte que deux faisceaux de lumière diffractée avec des intensités lumineuses similaires pénètrent dans le prisme dichroïque, après avoir été focalisé par l'objectif du microscope, interfère avec la surface de l'échantillon mesuré pour former des franges d'interférence.
Le modulateur spatial de lumière est le dispositif central du système, et la période et la phase de la frange peuvent être modulées avec précision en modifiant le motif de frange téléchargé au cours de l'expérience. Habituellement, afin d'améliorer la précision latérale du nuage de points de reconstruction 3D, il est nécessaire d'ajuster la période des franges pour la rendre proche de la résolution latérale du microscope. A ce moment, l'angle d'interférence maximal des deux faisceaux peut être calculé à partir de l'ouverture numérique NA de l'objectif.
Selon les paramètres de l'objectif du microscope utilisé dans le système (100 , NA=0.8), l'angle d'interférence maximal des doubles faisceaux est de 106 degrés et la résolution du système calculée par le critère de Rayleigh est de 406 nm. Dans l'expérience, la période de frange minimale qui peut être ajustée est de 452 nm, ce qui indique qu'à l'intérieur d'une période de frange, il existe une relation correspondante entre le déphasage et la hauteur d'au moins un point de pixel, c'est-à-dire la précision latérale de la reconstruction le nuage de points est de 452 nm, ce qui est proche de la résolution d'imagerie du système. En raison de la petite période des franges, la déformation de la frange est plus sensible que celle de la frange à grande période, elle a donc une précision axiale plus élevée. En termes de réglage de phase, l'interférométrie à balayage de lumière blanche doit déplacer la lentille d'objectif d'interférence dans la direction axiale à l'aide d'un dispositif piézoélectrique, puis ajuster la phase en calibrant la différence de chemin optique nulle sur chaque image de balayage, il y a donc une certaine erreur dans la valeur de phase. Dans notre système, l'ajustement de phase est réalisé en contrôlant les pixels sur le modulateur spatial de lumière sans dispositif de balayage, de sorte qu'il a une plus grande précision d'ajustement de phase. Sur cette base, la méthode de déphasage est utilisée pour calculer la valeur de modulation de phase de chaque point de l'image. Les résultats de reconstruction 3D avec une résolution latérale élevée peuvent être obtenus avec l'algorithme de reconstruction plus rapide.
algorithme de reconstruction
Dans cet article, la méthode de déphasage en quatre étapes est utilisée pour reconstruire le contour tridimensionnel de l'échantillon mesuré, qui est divisé en trois étapes : le prétraitement de l'image, l'extraction de l'image par modulation de phase et le filtrage des points de bruit. Ce qui suit prendra le module de comparaison de rugosité avec Ra=100nm comme exemple pour expliquer l'algorithme utilisé à chaque étape. 2.1 Prétraitement de l'image Étant donné que le système d'imagerie utilise un éclairage laser, l'influence du chatoiement laser sur le motif d'interférence est inévitable. Dans le processus de prétraitement des franges d'interférence, cet article utilise un filtre passe-bas elliptique, de sorte que le rayon de filtrage le long de la direction des franges dans le domaine fréquentiel de l'image est le double de celui de la direction verticale des franges. Le motif de frange apparaît comme deux points lumineux à symétrie centrale dans le domaine fréquentiel, et la direction de la ligne de connexion entre les deux points est perpendiculaire à la direction de la frange, et la direction de la ligne de connexion est définie comme l'axe long de l'ellipse. Étant donné que la période des franges est proche de la résolution de l'image, le grand axe est fixé à deux fois la distance de 2 points lumineux et le petit axe est égal à la distance de 2 points. Une telle conception peut réduire l'impact du bruit de chatoiement dans la solution de phase relative d'une part, et d'autre part, peut éviter que les informations de modulation dans le motif d'interférence soient filtrées autant que possible. Montrés sont les résultats de traitement sous les méthodes de filtrage isotrope et anisotrope, la comparaison peut réduire le bruit de l'image le long de la direction de la frange, tout en conservant la déformation de la frange.
