Nghiên cứu phát hiện hình dạng ba chiều của kính hiển vi chiếu sáng giao thoa kế ánh sáng không song song
Sự phát triển nhanh chóng của ngành công nghiệp sản xuất máy móc và điện tử đã đặt ra những yêu cầu cao hơn đối với công nghệ phát hiện hình thái vi mô. Hiện tại, việc phát hiện hình dạng ba chiều có thể được chia thành hai loại: tiếp xúc và không tiếp xúc. Phương pháp liên hệ chủ yếu đề cập đến phương pháp bút stylus. Nguyên tắc của nó là chuyển đổi sự dịch chuyển nhỏ theo hướng thẳng đứng của bút stylus thành tín hiệu điện và khuếch đại nó, để thu được sự phân bố hình dạng ba chiều của bề mặt phát hiện. Các phương pháp phát hiện không tiếp xúc chủ yếu bao gồm phương pháp tập trung chùm tia, phương pháp chiếu ánh sáng có cấu trúc và giao thoa kế. Phương pháp lấy nét chùm tia sử dụng điểm sáng hội tụ làm đầu dò quang học để quét bề mặt phát hiện nhằm thu được dữ liệu ba chiều. Phương pháp này có thể thực hiện phát hiện ba chiều các đường viền phức tạp, nhưng tốc độ đo chậm. Phương pháp giao thoa kế và chiếu ánh sáng có cấu trúc phát hiện các đường viền bề mặt bằng cách giải các biến dạng rìa, trong đó giao thoa kế sử dụng nguyên lý kết hợp sợi quang hoặc kết hợp chùm tia song song, bao gồm giao thoa kế laser và giao thoa kế quét ánh sáng trắng. Khi sử dụng kết hợp sợi quang, nó cần phải kết hợp với vật kính có khoảng cách làm việc lớn, điều này làm hạn chế độ phóng đại của vật kính. Phép đo giao thoa quét ánh sáng trắng sử dụng ánh sáng trắng phổ rộng làm nguồn chiếu sáng và sử dụng nguyên lý kết hợp chùm tia song song. Sai số của một lần đo nằm trong phạm vi 20nm. Thông tin như độ tương phản và cường độ ánh sáng xác định độ sâu tuyệt đối của bề mặt được đo. Phương pháp chiếu ánh sáng có cấu trúc tránh sử dụng các thiết bị quét và có tốc độ tái tạo nhanh nhất. Tuy nhiên, khi có một góc giữa mặt phẳng chiếu và mặt phẳng sân khấu, chu kỳ rìa cần được hiệu chỉnh, vì vậy phương pháp này không phù hợp với hình thái chính xác ở cấp độ submicron. Phép đo Trong bài báo này, ưu điểm của phương pháp chiếu ánh sáng cấu trúc và phương pháp giao thoa kế ánh sáng song song được kết hợp, chùm sáng được nhiễu xạ bởi bộ điều chế ánh sáng không gian và sử dụng hai bậc nhiễu xạ có cường độ ánh sáng gần nhau để giao thoa tạo ra các vân. Điều chỉnh pha rìa. Do tránh sử dụng các thiết bị quét và mặt phẳng tham chiếu nên phương pháp được đề xuất không yêu cầu sử dụng các vật kính gây nhiễu và không có giới hạn về khẩu độ số của các vật kính được sử dụng, quá trình tái tạo diễn ra nhanh chóng và có thể đạt được độ phân giải bên cao hơn. Ngoài ra, do các vân được tạo ra do giao thoa chùm ánh sáng nên pha được phân bố tuyến tính với tọa độ pixel và không có hiện tượng thay đổi vân định kỳ trong phương pháp chiếu. Cuối cùng, bài báo này sử dụng mô-đun so sánh độ nhám với Ra là 100nm làm mẫu thử nghiệm để tiến hành thực nghiệm. Phương pháp dịch pha bốn bước được sử dụng để thu được đám mây điểm ba chiều trên bề mặt của mẫu được thử nghiệm. Chiều cao tương đối thực giữa các điểm.
Đường sáng thí nghiệm
Đó là sơ đồ đường đi ánh sáng của kính hiển vi chiếu sáng giao thoa ánh sáng không song song được đề xuất trong bài báo này. Chùm tia laze đi vào lăng kính tách chùm tia của kính hiển vi thông qua bộ mở rộng chùm tia L3, bộ điều biến ánh sáng không gian và thấu kính hội tụ L2, tạo thành đường ánh sáng chiếu sáng của hệ thống kính hiển vi. Bộ điều biến ánh sáng không gian có thể điều chỉnh biên độ của ánh sáng tới theo hình ảnh đã tải lên. Khi hình ảnh được tải lên là rìa, chức năng của nó tương đương với cách tử phản xạ, điều chỉnh độ lệch của bộ điều chế ánh sáng không gian để hai chùm ánh sáng nhiễu xạ có cường độ ánh sáng tương tự đi vào lăng kính lưỡng sắc, sau khi được hội tụ bởi vật kính của kính hiển vi, giao thoa với bề mặt của mẫu được đo để tạo thành các vân giao thoa.
Bộ điều biến ánh sáng không gian là thiết bị cốt lõi của hệ thống và chu kỳ cũng như pha của phần rìa có thể được điều chỉnh chính xác bằng cách thay đổi mẫu phần rìa đã tải lên trong quá trình thử nghiệm. Thông thường, để cải thiện độ chính xác bên của đám mây điểm tái tạo 3D, cần phải điều chỉnh chu kỳ rìa để làm cho nó gần với độ phân giải bên của kính hiển vi. Tại thời điểm này, góc giao thoa tối đa của hai chùm tia có thể được tính từ khẩu độ số NA của vật kính.
Theo các thông số của vật kính kính hiển vi được sử dụng trong hệ thống (100 , NA=0.8), góc giao thoa tối đa của chùm tia kép là 106 độ và độ phân giải của hệ thống được tính theo tiêu chí Rayleigh là 406nm. Trong thử nghiệm, khoảng thời gian rìa tối thiểu có thể được điều chỉnh là 452nm, cho thấy rằng trong khoảng thời gian rìa, có một mối quan hệ tương ứng giữa độ lệch pha và chiều cao của ít nhất một điểm pixel, nghĩa là độ chính xác bên của cấu trúc được tái tạo đám mây điểm là 452nm, gần với độ phân giải hình ảnh của hệ thống. Do có chu kỳ rìa nhỏ nên biến dạng của rìa nhạy hơn biến dạng của rìa có chu kỳ lớn nên độ chính xác trục cao hơn. Về mặt điều chỉnh pha, phép đo giao thoa quét ánh sáng trắng cần di chuyển vật kính giao thoa theo hướng trục với sự trợ giúp của thiết bị áp điện, sau đó điều chỉnh pha bằng cách hiệu chỉnh chênh lệch đường quang bằng 0 trên mỗi hình ảnh quét, do đó có một lỗi nhất định trong giá trị pha. Trong hệ thống của chúng tôi, việc điều chỉnh pha được thực hiện bằng cách điều khiển các pixel trên bộ điều biến ánh sáng không gian mà không cần thiết bị quét, do đó, nó có độ chính xác điều chỉnh pha cao hơn. Trên cơ sở đó, phương pháp dịch pha được sử dụng để tính giá trị điều pha của từng điểm trên ảnh. Có thể thu được kết quả tái tạo 3D với độ phân giải ngang cao theo thuật toán tái tạo nhanh hơn.
thuật toán tái tạo
Trong bài báo này, phương pháp dịch pha bốn bước được sử dụng để tái tạo lại đường viền ba chiều của mẫu được đo, được chia thành ba bước: tiền xử lý ảnh, trích xuất ảnh điều chế pha và lọc điểm nhiễu. Phần sau đây sẽ lấy mô-đun so sánh độ nhám với Ra=100nm làm mẫu để giải thích thuật toán được sử dụng trong từng bước. 2.1 Tiền xử lý hình ảnh Vì hệ thống hình ảnh sử dụng ánh sáng laze nên ảnh hưởng của vết lốm đốm laze lên hình ảnh giao thoa là không thể tránh khỏi. Trong quá trình tiền xử lý các vân giao thoa, bài báo này sử dụng bộ lọc thông thấp hình elip, sao cho bán kính lọc dọc theo hướng của vân trong miền tần số của hình ảnh gấp đôi so với hướng dọc của vân. Vân vân xuất hiện dưới dạng hai điểm sáng đối xứng tâm trong miền tần số và hướng của đường nối giữa hai điểm vuông góc với hướng của vân và hướng của đường nối được đặt làm trục dài của hình elip. Vì chu kỳ vân gần với độ phân giải ảnh nên trục chính được đặt cách 2 điểm sáng gấp đôi và trục phụ bằng khoảng cách 2 điểm. Một thiết kế như vậy có thể làm giảm tác động của nhiễu lốm đốm trong dung dịch pha tương đối, mặt khác, có thể tránh thông tin điều chế trong mẫu giao thoa bị lọc ra càng nhiều càng tốt. Trên hình là kết quả xử lý theo phương pháp lọc đẳng hướng và bất đẳng hướng, việc so sánh có thể làm giảm nhiễu của ảnh dọc theo hướng của rìa, đồng thời giữ lại sự biến dạng của rìa.
