Investigación sobre la detección de formas tridimensionales del microscopio de iluminación interferométrica de luz no paralela
El rápido desarrollo de la industria de fabricación de maquinaria y electrónica ha presentado mayores requisitos para la tecnología de detección de morfología microscópica. En la actualidad, la detección de formas tridimensionales se puede dividir en dos categorías: con contacto y sin contacto. El método de contacto se refiere principalmente al método del lápiz óptico. Su principio es convertir el pequeño desplazamiento en la dirección vertical del lápiz óptico en una señal eléctrica y amplificarla, para obtener la distribución de la forma tridimensional de la superficie de detección. Los métodos de detección sin contacto incluyen principalmente el método de enfoque del haz, el método de proyección de luz estructurada y la interferometría. El método de enfoque de haz utiliza el punto de luz enfocado como una sonda óptica para escanear la superficie de detección para obtener datos tridimensionales. Este método puede realizar la detección tridimensional de contornos complejos, pero la velocidad de medición es lenta. La interferometría y los métodos de proyección de luz estructurada detectan los contornos de la superficie resolviendo las deformaciones marginales, donde la interferometría utiliza el principio de coherencia de fibra o coherencia de haz paralelo, incluida la interferometría láser y la interferometría de barrido de luz blanca. Cuando se usa coherencia de fibra óptica, debe cooperar con la lente del objetivo con una gran distancia de trabajo, lo que limita la ampliación de la lente del objetivo. La interferometría de barrido de luz blanca utiliza luz blanca de amplio espectro como fuente de iluminación y utiliza el principio de coherencia de haz paralelo. El error de una sola medición está dentro de los 20 nm. Información como el contraste y la intensidad de la luz determinan la profundidad absoluta de la superficie que se mide. El método de proyección de luz estructurada evita el uso de dispositivos de escaneo y tiene la velocidad de reconstrucción más rápida. Sin embargo, cuando hay un ángulo entre el plano de proyección y el plano del escenario, es necesario corregir el período marginal, por lo que este método no es adecuado para la morfología de precisión de nivel submicrónico. Medición En este documento, se combinan las ventajas del método de proyección de luz estructurada y el método de interferometría de luz paralela, el modulador de luz espacial difracta el haz de luz y se utilizan dos órdenes de difracción con intensidad de luz cercana para interferir y generar franjas. Ajusta la fase marginal. Dado que se evita el uso de dispositivos de escaneo y planos de referencia, el método propuesto no requiere el uso de objetivos de interferencia y no tiene limitación en la apertura numérica de los objetivos utilizados, el proceso de reconstrucción es rápido y se puede lograr una mayor resolución lateral. Además, dado que las franjas se generan por la interferencia del haz de luz, la fase se distribuye linealmente con las coordenadas de los píxeles y no hay fenómenos de cambios periódicos de franjas en el método de proyección. Finalmente, este documento utiliza el módulo de comparación de rugosidad con Ra de 100 nm como muestra probada para realizar experimentos. El método de cambio de fase de cuatro pasos se utiliza para obtener la nube de puntos tridimensional en la superficie de la muestra analizada. La verdadera altura relativa entre puntos.
Camino de luz experimental
Es el diagrama de trayectoria de luz del microscopio de iluminación de interferencia de luz no paralela propuesto en este artículo. El rayo láser ingresa al prisma de división del rayo del microscopio a través del expansor de rayo L3, el modulador de luz espacial y la lente de enfoque L2, formando la trayectoria de luz de iluminación del sistema del microscopio. El modulador de luz espacial puede modular la amplitud de la luz incidente de acuerdo con la imagen cargada. Cuando la imagen cargada es una franja, su función es equivalente a una rejilla reflectante, ajustando la deflexión del modulador de luz espacial para que dos haces de luz difractada con intensidades de luz similares ingresen al prisma dicroico, luego de ser enfocados por la lente del objetivo del microscopio, interfiere con la superficie de la muestra medida para formar franjas de interferencia.
El modulador de luz espacial es el dispositivo central del sistema, y el período y la fase de la franja se pueden modular con precisión cambiando el patrón de franja cargado durante el experimento. Por lo general, para mejorar la precisión lateral de la nube de puntos de reconstrucción 3D, es necesario ajustar el período marginal para que se acerque a la resolución lateral del microscopio. En este momento, el ángulo de interferencia máximo de los dos haces se puede calcular a partir de la apertura numérica NA de la lente del objetivo.
De acuerdo con los parámetros de la lente del objetivo del microscopio utilizada en el sistema (100 , NA=0.8), el ángulo máximo de interferencia de los haces dobles es de 106 grados y la resolución del sistema calculada por el criterio de Rayleigh es de 406 nm. En el experimento, el período marginal mínimo que se puede ajustar es de 452 nm, lo que indica que dentro de un período marginal, existe una relación correspondiente entre el cambio de fase y la altura de al menos un punto de píxel, es decir, la precisión lateral de la reconstruida. la nube de puntos es de 452 nm, que está cerca de la resolución de imagen del sistema. Debido al pequeño período de la franja, la deformación de la franja es más sensible que la de la franja de período grande, por lo que tiene una mayor precisión axial. En términos de ajuste de fase, la interferometría de exploración de luz blanca necesita mover la lente del objetivo de interferencia en la dirección axial con la ayuda de un dispositivo piezoeléctrico y luego ajustar la fase calibrando la diferencia de trayectoria óptica cero en cada imagen de exploración, por lo que hay cierto error en el valor de la fase. En nuestro sistema, el ajuste de fase se realiza controlando los píxeles en el modulador de luz espacial sin dispositivo de escaneo, por lo que tiene una mayor precisión de ajuste de fase. Sobre esta base, el método de cambio de fase se utiliza para calcular el valor de modulación de fase de cada punto de la imagen. Los resultados de la reconstrucción 3D con alta resolución lateral se pueden obtener con el algoritmo de reconstrucción más rápido.
algoritmo de reconstrucción
En este documento, el método de cambio de fase de cuatro pasos se utiliza para reconstruir el contorno tridimensional de la muestra medida, que se divide en tres pasos: preprocesamiento de imagen, extracción de imagen de modulación de fase y filtrado de puntos de ruido. A continuación, se tomará el módulo de comparación de rugosidad con Ra=100nm como muestra para explicar el algoritmo utilizado en cada paso. 2.1 Preprocesamiento de imágenes Dado que el sistema de imágenes utiliza iluminación láser, la influencia del moteado láser en el patrón de interferencia es inevitable. En el proceso de preprocesamiento de las franjas de interferencia, este documento utiliza un filtro de paso bajo elíptico, de modo que el radio de filtrado a lo largo de la dirección de la franja en el dominio de la frecuencia de la imagen es el doble que en la dirección vertical de las franjas. El patrón de franjas aparece como dos puntos brillantes simétricos en el centro en el dominio de la frecuencia, y la dirección de la línea de conexión entre los dos puntos es perpendicular a la dirección de la franja, y la dirección de la línea de conexión se establece como el eje largo de la elipse Dado que el período marginal está cerca de la resolución de la imagen, el eje mayor se establece en el doble de la distancia de 2 puntos brillantes y el eje menor es igual a la distancia de 2 puntos. Tal diseño puede reducir el impacto del ruido moteado en la solución de fase relativa, por un lado, y por otro lado, puede evitar que la información de modulación en el patrón de interferencia se filtre tanto como sea posible. Se muestran los resultados del procesamiento bajo los métodos de filtrado isotrópico y anisotrópico, la comparación puede reducir el ruido de la imagen a lo largo de la dirección de la franja, al tiempo que conserva la deformación de la franja.
