清華深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊在光譜共焦精密量測領域取得新進展

近日,深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊首次提出基於光譜共焦科技的光譜反射率量測系統。以上成果的主要完成人為清華大學深圳國際研究生院李星輝助理教授、王曉浩教授和2017級儀器科學與科技專業博士白蛟,其他完成人包括深圳國際研究生院先進製造學部副研究員周倩、倪凱,2020級碩士生李婧雯、2018級碩士生汪英祚等。

近日,深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊首次提出基於光譜共焦科技的光譜反射率量測系統。綜合光學色散現象及共聚焦科技,通過設計並優化色散物鏡,限制入射角度並改善光斑質量,採用創新的共光路自參攷策略掃描待測表面,高效選取其反射光譜響應。這項工作為高精度表面光譜分析開闢了一條新的途徑。

光譜共焦科技利用波長來編碼軸向位置,可實現待測表面位置的高精度探測,是當前光學精密量測的重要手段之一,為精密/超精密製造、電晶體量測、基礎科學研究等領域提供可靠的尺寸資訊。但現時光譜共焦科技仍面臨著物鏡成像品質差、光源光譜幅值抖動、系統性無效色差干擾等科技問題。為此,李星輝、王曉浩團隊陸續提出了多種解决思路,如色散物鏡集成超分辨光闌、分光路參攷策略消除光源波動、虛擬點數插值選取聚焦波長、共光路自參攷策略掃描色散範圍等,設計並搭建了實驗測試和應用系統,達到了改善成像品質、提高聚焦波長選取穩定性、校正系統性無效色差等有益效果,極大改善了色散共焦科技在位移量測中的穩定性和分辯率,實現了對透明菲涅爾透鏡、超精密圓柱等的高精度輪廓重構。

圖1.(a)分光路參攷策略實驗系統;(b)一體式色散物鏡設計;(c)亞點數插值選取聚焦波長;(d)共光路自參攷策略實驗系統;(e)自參攷反射光譜獲取方法;(f)光譜共焦響應係數的三維理論模型

在上述研究基礎上,李星輝、王曉浩團隊深入研究,探索光譜共焦科技在光譜反射率及薄膜厚度量測中的潜在應用。利用環形窄帶光闌限制入射角度,聚焦光線斜入射到待測表面,根據色散物鏡關於光軸的對稱性實現微小光斑的鏡面反射,結合前期研究中提出的共光路自參攷策略,以軸向掃描待測表面的形式遍歷有效光譜範圍,進而獲取不同波長的光線在聚焦斜入射狀態下的反射光譜情况,經過資料處理和綜合,選取出能够表徵光譜反射率的自參攷反射光譜,實現了微區內的表面反射特性表徵。該科技方案在不同金屬表面獲得驗證,與理論反射率吻合良好,而且通過全光譜擬合法實現了納米級薄膜厚度的精密量測,相關研究有助於光譜共焦科技理論和工程研究體系的進一步完善。

圖2.(a)光譜共焦系統示意圖;(b)基於環形光闌的入射光束模型;(c)入射角度範圍的實際測量;(d)光譜共焦量測實驗裝置;(e)四種待測表面的光譜反射率;(f)三種薄膜厚度量測結果

上述研究成果分別以“自參攷策略校正光譜共焦位移量測無效色差”(Self-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement)、“光譜反射率及薄膜厚度量測新方法”(A new method to measure spectral reflectance and film thickness using a modified chromatic confocal sensor)為題,先後發表於光學量測領域期刊《光學和激光工程》(Optics and Lasers in Engineering),其他相關成果已發表於《光學快訊》(Optics Express)、《傳感器》(Sensors)、《納米制造與計量》(Nanomanufacturing and Metrology)等期刊,同時對部分創新成果申請了專利保護。以上成果的主要完成人為清華大學深圳國際研究生院李星輝助理教授、王曉浩教授和2017級儀器科學與科技專業博士白蛟,其他完成人包括深圳國際研究生院先進製造學部副研究員周倩、倪凱,2020級碩士生李婧雯、2018級碩士生汪英祚等。相關工作得到國家自然科學基金、深圳市科技創新委員會基礎研究學科佈局/穩定支持等項目的支持。

論文連結:

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816621000117

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816622000744

本文標題: 清華深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊在光譜共焦精密量測領域取得新進展
永久網址: https://www.laoziliao.net/doc/1656003426027978
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