移相解算共焦系统数据处理与实验技术研究

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1、硕士学位论文移相解算共焦系统数据处理与实验技术研究RESEARCHONDATAPROCESSINGANDEXPERIMENTTECHNIQUEOFPHASE-SHIFTRESOLVINGCONFOCALSYSTEM葛铮贵2009年6月国内图书分类号：TH741.8学校代码：10213国际图书分类号：681.7密级：公开工学硕士学位论文移相解算共焦系统数据处理与实验技术研究硕士研究生：葛铮贵导师：谭久彬教授申请学位：工学硕士学科：仪器科学与技术所在单位：自动化测试与控制系答辩日期：2009年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:TH741

2、.8U.D.C:681.7DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringRESEARCHONDATAPROCESSINGANDEXPERIMENTTECHNIQUEOFPHASE-SHIFTRESOLVINGCONFOCALSYSTEMCandidate：GeZhengguiSupervisor：Prof.TanJiubinAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：InstrumentScienceandTechnologyAffiliation：Depa

3、rtmentofAutomaticMeasurementandControlDateofDefence：June,2009Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要共焦检测技术是一种用于微米及亚微米尺度测量的三维光学显微技术。由于共焦检测技术具有测量范围大、不损伤测量表面、可直接测量台阶高度、高轴向分辨率和横向分辨率等优点，因此被广泛用于材料学、微电子学、光学及生物工程领域的三维微尺度结构测量。但是，随着微光学元件线宽写入精度不断提高、台阶高度不断增大以及多

4、样化材料基底元件的广泛应用，传统共焦检测技术无法满足其制造质量检测需求。在传统共焦基础上引入移相干涉技术，设计出移相解算共焦检测装置，实现可兼顾三维高分辨、大量程及抗扰动的共焦检测。本课题在分析移相解算共焦检测原理基础之上，对其相位提取算法、理论模型解算方法以及数据采集处理技术进行深入的研究，对实现移相解算共焦检测具有十分重要的作用。本论文主要研究内容如下：深入分析移相解算共焦的特性及其影响因素，修正离焦量解算模型；结合实际的实验条件，设计移相解算共焦总体方案，包括合理选择激光器光源、针孔、微位移台和设计光电转换电路。使得实验装置稳定性好，光电转换精度高。分析相

5、位提取算法的最佳采样方式和相位提取中误差因素的影响，结合相位提取算法的计算精度及系统结构的稳定性，提出了四步平均移相算法。利用满周期等间隔采样、抑制线性相移误差和误差平均效果，减小了相位提取误差，提高相位求解精度。针对采集数据的特点，采用排序均值的滤波方法，按照数学模型，运用二分法求解出离焦量；完成计算机程序设计，包括采集卡驱动程序设计、驱动器的控制程序、相位和离焦量解算程序，实现系统的自动化检测，提高测量效率，减小噪声的影响。搭建实验平台，通过实验手段对光电转换电路性能、数据处理和计算机软件系统的正确性和有效性进行验证。测试系统的离焦位移解算重复性、轴向分辨率

6、并进行台阶扫描，实验结果表明，在NA＝0.65、λ=632.8nm条件下，系统具有横向分辨能力，轴向分辨率0.5nm。关键词：三维微结构测量；共焦显微；移相解算；相位提取算法；数据处理-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractConfocalmicroscopyisa3Dopticalmicroscopyusedformeasurementofmicronandsub-micronstructures.Itfeatureswidemeasurementrange,nodamagetosurfacebeingmeasured,directmeasurem

7、entofstepprofile,highaxialandtransverseresolution,andso,ithasbeenwidelyusedformeasurementof3Dmicrosizestructuresinsuchfieldsasmaterialscience,micron-electronics,opticsandbio-engineering.However,asthewrite-inaccuracyoflinewidthgetsstringent,etchingdepthcontinuallyincreases,andvariouse

8、lementswithd