采用光场复合调控实现微纳结构超分辨三维测量的方法研究

Topography measurements of micro-nano structure as represented by white light microscopic interferometry are widely researched. However, resolution of optical methods cannot break through 200nm due to diffraction limited. In this study, we propose a new idea to measure the topography of micro-nano structure with super-resolution by modulating both of the optical field amplify and phase. In the measurement, lateral information of the sample is modulated by structured amplify, and longitudinal information is modulated in phase by white light interferometry. The topography of the sample can be measured with high resolution, wide range and high speed by deal with the recorded figure. This study will provide the scientific and technical basis for the development of micro-nano structure measurement.

以宽光谱显微干涉为代表的三维高分辨力微纳结构检测是当前微纳检测学科的前沿和热点。然而，现有光学测量方法受限于光波衍射效应，横向分辨力难以突破200nm的限制。本项目提出测量光场振幅和相位信息全方位联合调控，实现超分辨三维测量的新思路。利用振幅调制对测量物体横向空间信息的频率调制特性，结合宽光谱相位调制对纵向空间高度的高灵敏性，通过对高频调制干涉图像进行高精度数字处理，实现对微纳结构的三维超分辨力、大范围、高速检测。本项目研究成果将为微纳加工检测技术的发展提供科学基础和技术储备。

微纳结构具有传统宏观结构难以实现的各种功能，是现代信息技术发展的基础。微纳三维测量，为微纳结构加工制备及特性研究提供检测依据，是微纳技术研究领域的重要方向。. 现有微纳三维测量方法以白光干涉测量为代表，具有面测量效率高，精度高等特点。然而，受限于衍射极限以及制造水平，现有方法最高测量分辨率仅为500nm左右，难以满足纳米级特征尺寸的微纳结构三维检测迫切需求。基于此，本项目开展高分辨、超分辨三维测量方法研究。主要研究内容如下：.对结构光频移特性开展研究，提出利用两步结构光调制的微纳结构超分辨成像方法，无需相移，仅利用两步结构光调制，实现频谱分离，获得高频信息，实现超分辨成像。该方法不仅算法简单，而且有效降低了系统复杂性，提高了重建效率。.提出光场复合调制超分辨三维检测方法，将光场振幅结构化调制对横向空间频谱信息的操控特性，与干涉相位调制对纵向空间信息的高灵敏性相结合，实现超分辨三维重建。通过实验验证，在采用中心波长位580nm的宽光谱照明条件下，三维重建横向分辨力达到220nm。.针对传统光场相位调制测量技术受限干涉成像系统制造技术，难以实现高分辨力检测的局限，提出基于光场振幅结构化调制，结合差动手段，实现微纳结构三维测量的方法，将系统测量精度由原来的10nm提升至5nm，分辨力由4nm提升至1nm，满足微纳结构高分辨三维检测需求。.为进一步提升测量分辨力，对具有超分辨成像能力的介质微球成像特性开展研究，提出一种介质微球辅助显微结构光照明测量方法，在中心波长为580nm的LED照明条件下，利用60倍，NA0.8显微物镜，突破衍射极限，实现220nm微纳结构三维重建，重复测量精度达到3nm。.本项目针对微纳结构高分辨力三维检测需求，对结构光、白光干涉等多种测量方法开展深入研究，突破加工制造、物理衍射极限，实现高分辨力、超分辨力微纳结构三维测量。本项目的研究成果将为微纳技术的发展提供检测技术支撑。