Дослідження тривимірного виявлення форми непаралельного світлового інтерферометричного освітлювального мікроскопа
Стрімкий розвиток машинобудування та електронної промисловості висуває підвищені вимоги до технології виявлення мікроскопічної морфології. В даний час виявлення тривимірної форми можна розділити на дві категорії: контактне і безконтактне. Контактний метод в основному відноситься до методу стилуса. Його принцип полягає в перетворенні невеликого зміщення стилуса у вертикальному напрямку в електричний сигнал і посиленні його, щоб отримати тривимірний розподіл форми поверхні виявлення. До безконтактних методів виявлення в основному відносяться метод фокусування променя, метод структурованої проекції світла та інтерферометрія. Метод фокусування променя використовує сфокусовану світлову пляму як оптичний зонд для сканування поверхні виявлення для отримання тривимірних даних. Цей метод може виконувати тривимірне виявлення складних контурів, але швидкість вимірювання повільна. Інтерферометрія та методи проекції структурованого світла виявляють контури поверхні шляхом визначення деформацій смуг, де інтерферометрія використовує принцип когерентності волокна або паралельної когерентності пучка, включаючи лазерну інтерферометрію та скануючу інтерферометрію білого світла. При використанні когерентності оптичного волокна воно має взаємодіяти з лінзою об’єктива на великій робочій відстані, що обмежує збільшення лінзи об’єктива. Скануюча інтерферометрія білого світла використовує біле світло широкого спектру як джерело освітлення та використовує принцип когерентності паралельного променя. Похибка одного вимірювання становить 20 нм. Така інформація, як контраст та інтенсивність світла, визначає абсолютну глибину вимірюваної поверхні. Метод проекції структурованого світла дозволяє уникнути використання скануючих пристроїв і має найшвидшу швидкість реконструкції. Однак, коли є кут між площиною проекції та площиною сцени, період смуги потрібно виправити, тому цей метод не підходить для морфології субмікронної точності. Вимірювання У цьому документі поєднуються переваги методу структурованої проекції світла та методу паралельної світлової інтерферометрії, світловий промінь дифрагує просторовим модулятором світла, а два порядку дифракції з близькою інтенсивністю світла використовуються для інтерференції для генерування смуг. Регулює фазу бахроми. Оскільки використання скануючих пристроїв і опорних площин уникає, запропонований метод не вимагає використання інтерференційних об’єктивів і не має обмежень на числову апертуру використовуваних об’єктивів, процес реконструкції є швидким, і можна досягти вищої бокової роздільної здатності. Крім того, оскільки смуги генеруються інтерференцією світлового променя, фаза розподіляється лінійно з координатами пікселя, і в методі проекції немає явища періодичних змін смуг. Нарешті, у цьому документі використовується модуль порівняння шорсткості з Ra 100 нм як перевірений зразок для проведення експериментів. Для отримання тривимірної хмари точок на поверхні досліджуваного зразка використовується чотириступінчастий метод фазового зсуву. Справжня відносна висота між точками.
Експериментальний світловий шлях
Це діаграма шляху світла непаралельного світлового інтерференційного освітлювального мікроскопа, запропонованого в цій статті. Лазерний промінь потрапляє в світлороздільну призму мікроскопа через розширювач променя L3, просторовий модулятор світла і фокусуючу лінзу L2, утворюючи світловий шлях системи мікроскопа. Модулятор просторового світла може модулювати амплітуду падаючого світла відповідно до завантаженого зображення. Коли завантажене зображення є смугою, його функція еквівалентна відбивній решітці, яка регулює відхилення просторового модулятора світла таким чином, щоб два пучки дифрагованого світла з однаковою інтенсивністю світла входили в дихроїчну призму після фокусування лінзою об’єктива мікроскопа, інтерферує з поверхнею вимірюваного зразка, утворюючи інтерференційні смуги.
Просторовий модулятор світла є основним пристроєм системи, а період і фазу смуги можна точно модулювати, змінюючи завантажений шаблон смуги під час експерименту. Зазвичай, щоб підвищити латеральну точність хмари точок 3D-реконструкції, необхідно налаштувати період смуги, щоб зробити його близьким до латеральної роздільної здатності мікроскопа. У цей час максимальний кут інтерференції двох променів може бути обчислений за числовою апертурою NA лінзи об’єктива.
Відповідно до параметрів об’єктива мікроскопа, який використовується в системі (100 , NA=0.8), максимальний кут інтерференції подвійних променів становить 106 градусів, а роздільна здатність системи, розрахована за критерієм Релея, становить 406 нм. В експерименті мінімальний період смуги, який можна налаштувати, становить 452 нм, що вказує на те, що в межах періоду смуги існує відповідне співвідношення між фазовим зсувом і висотою принаймні однієї точки пікселя, тобто латеральна точність реконструйованого хмара точок становить 452 нм, що близько до роздільної здатності зображення системи. Завдяки малому періоду смуги деформація смуги більш чутлива, ніж деформація смуги з великим періодом, тому вона має вищу осьову точність. З точки зору налаштування фази, скануюча інтерферометрія білого світла повинна переміщувати інтерференційну лінзу об’єктива в аксіальному напрямку за допомогою п’єзоелектричного пристрою, а потім підбирати фазу шляхом калібрування нульової різниці оптичного шляху на кожному сканованому зображенні, щоб було певна похибка значення фази. У нашій системі регулювання фази реалізується шляхом керування пікселями на просторовому модуляторі світла без скануючого пристрою, тому вона має вищу точність налаштування фази. На цій основі метод фазового зсуву використовується для обчислення значення фазової модуляції кожної точки на зображенні. Результати 3D-реконструкції з високою латеральною роздільною здатністю можна отримати за швидшим алгоритмом реконструкції.
алгоритм реконструкції
У цій статті чотириетапний метод фазового зсуву використовується для реконструкції тривимірного контуру вимірюваного зразка, який розділений на три етапи: попередня обробка зображення, виділення зображення за допомогою фазової модуляції та фільтрація точки шуму. Нижче буде взято модуль порівняння шорсткості з Ra=100nm як зразок, щоб пояснити алгоритм, який використовується на кожному кроці. 2.1 Попередня обробка зображення Оскільки система візуалізації використовує лазерне освітлення, впливу лазерного спеклу на інтерференційну картину не уникнути. У процесі попередньої обробки інтерференційних смуг у цьому документі використовується еліптичний фільтр низьких частот, так що радіус фільтрації вздовж напрямку смуги в частотній області зображення вдвічі перевищує вертикальний напрямок смуг. Шаблон смуги виглядає як дві центрально-симетричні яскраві плями в частотній області, а напрямок сполучної лінії між двома точками перпендикулярний напрямку смуги, а напрямок з’єднувальної лінії встановлюється як довга вісь еліпс. Оскільки період смуги близький до роздільної здатності зображення, велика вісь встановлюється як подвоєна відстань 2 яскравих плям, а мала вісь дорівнює відстані 2 точок. Така конструкція може зменшити вплив спекл-шуму у відносному фазовому розчині, з одного боку, а з іншого боку, може максимально уникнути відфільтрування інформації про модуляцію в інтерференційній картині. Показані результати обробки за допомогою ізотропного та анізотропного методів фільтрації, порівняння може зменшити шум зображення вздовж напрямку смуги, зберігаючи деформацію смуги.
