linnik型白光显微干涉光谱测量系统与方法研究

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1、天津大学硕士学位论文Linnik型白光显微干涉光谱测量系统与方法研究ResearchonLinniktypewhitelightmicroscopicinterferometricspectralmeasuringsystemandmethod学科专业：仪器科学与技术研究生：周勇指导教师：郭彤副教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零一五年十一月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位

2、或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要白光干涉光谱技术作为一种新兴的无损、高效、高精度的测量

3、方法在微纳尺度的几何量测试等相关领域得到了愈来愈广泛的应用。白光干涉光谱技术通过光谱仪的处理将传统的对干涉条纹的测量转变为对谱密度函数的测量，通过分析样品干涉光谱特性，得到相应的测量信息，其结合了白光干涉的精度和光谱分析的速度，达到高精度快速测量的目的。而面对传统的Michelson和Mirau干涉结构因工作距离的限制难以测量更为复杂样品的问题，本文提出基于双长工作距离物镜的Linnik结构白光显微干涉光谱测量系统。该结构可以具有较大的工作距离，使系统对于测量环境和复杂样品具有更好的适应性。本文开展的主要工作如下：1．深入了解了微纳几何量检测技术和

4、白光干涉光谱测量技术的基本现状，提出使用Linnik式干涉结构解决对长工作距离的测量需求。2．分析了白光光谱干涉的基本理论。从白光基本干涉特性、条纹可见度分析、显微干涉基本模型分析、光的相干性理论等阐述白光光谱干涉的基本理论，并简要介绍了用白光干涉光谱法测量绝对距离和薄膜厚度的原理。3．设计、搭建和调试了Linnik式白光显微干涉光谱测量系统，其主要包括运动和机械支撑部分、光学显微干涉部分、信号采集和成像部分和软件程序部分。其中程序部分的工作主要包括了硬件设备集成控制设计编程和相关数据处理算法的优化和完善。4．分析研究了系统相位信号，介绍和比较了常

5、用的相位提取算法，分析等效厚度的定义和引起其变化的原因，以及采用波长校正的方法恒定等效厚度值的意义，分析双显微物镜带来的相位畸变及其对测量产生的影响，并通过相关实验提取一定条件下的非线性相位畸变，介绍了基于薄膜非线性相位频率的初值估计理论和局部优化算法。5．完成了系统和环境稳定性测试，通过绝对距离实验说明系统的测量能力和测量精度，并完成对薄膜样品厚度的测量实验，验证了系统消除镜头非线性相位畸变的必要性以及测量系统和方法的可行性。关键词：Linnik干涉；相位提取；白光干涉；光谱分析；薄膜测量ABSTRACTAsakindofnewmeasuring

6、methodwithcharacteristicsofhighefficiencyandaccuracy,whitelightspectralinterferometry(WLSI)technologyisbeingmoreandmorewidelyappliedtotherelativefieldofGeometrymeasurementonmicro/nano-scale.Differentfromtraditionalwhitelightmeasurement,WLSIturnsthemeasurementofinterferencefrin

7、getothestudyofspectrumdensityfunctionowingtotheinterferencespectrumsignalobtainedbythespectrometer.Thatmeanstheinformationofsamplecanbeextractedbyanalyzingitsinterferencespectrumproperties.Combiningthehighspeedofspectrumanalysiswiththehighprecisionofinterferencemeasurement,WLS

8、Icanreachfastmeasurementwithhighaccuracy.However,thetradition