清華新聞網(wǎng)3月24日電 近日，深圳國(guó)際研究生院李星輝、王曉浩團(tuán)隊(duì)首次提出基于光譜共焦技術(shù)的光譜反射率測(cè)量系統(tǒng)。綜合光學(xué)色散現(xiàn)象及共聚焦技術(shù)，通過(guò)設(shè)計(jì)并優(yōu)化色散物鏡，限制入射角度并改善光斑質(zhì)量，采用創(chuàng)新的共光路自參考策略?huà)呙璐郎y(cè)表面，高效提取其反射光譜響應(yīng)。這項(xiàng)工作為高精度表面光譜分析開(kāi)辟了一條新的途徑。
光譜共焦技術(shù)利用波長(zhǎng)來(lái)編碼軸向位置，可實(shí)現(xiàn)待測(cè)表面位置的高精度探測(cè)，是當(dāng)前光學(xué)精密測(cè)量的重要手段之一，為精密/超精密制造、半導(dǎo)體量測(cè)、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域提供可靠的尺寸信息。但目前光譜共焦技術(shù)仍面臨著物鏡成像質(zhì)量差、光源光譜幅值抖動(dòng)、系統(tǒng)性無(wú)效色差干擾等技術(shù)問(wèn)題。為此，李星輝、王曉浩團(tuán)隊(duì)陸續(xù)提出了多種解決思路，如色散物鏡集成超分辨光闌、分光路參考策略消除光源波動(dòng)、虛擬像素插值提取聚焦波長(zhǎng)、共光路自參考策略?huà)呙枭⒎秶?，設(shè)計(jì)并搭建了實(shí)驗(yàn)測(cè)試和應(yīng)用系統(tǒng)，達(dá)到了改善成像質(zhì)量、提高聚焦波長(zhǎng)提取穩(wěn)定性、校正系統(tǒng)性無(wú)效色差等有益效果，極大改善了色散共焦技術(shù)在位移測(cè)量中的穩(wěn)定性和分辨率，實(shí)現(xiàn)了對(duì)透明菲涅爾透鏡、超精密圓柱等的高精度輪廓重構(gòu)。
圖1.（a）分光路參考策略實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（b）一體式色散物鏡設(shè)計(jì)；（c）亞像素插值提取聚焦波長(zhǎng)；（d）共光路自參考策略實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；（e）自參考反射光譜獲取方法；（f）光譜共焦響應(yīng)系數(shù)的三維理論模型
在上述研究基礎(chǔ)上，李星輝、王曉浩團(tuán)隊(duì)深入研究，探索光譜共焦技術(shù)在光譜反射率及薄膜厚度測(cè)量中的潛在應(yīng)用。利用環(huán)形窄帶光闌限制入射角度，聚焦光線(xiàn)斜入射到待測(cè)表面，根據(jù)色散物鏡關(guān)于光軸的對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)微小光斑的鏡面反射，結(jié)合前期研究中提出的共光路自參考策略，以軸向掃描待測(cè)表面的形式遍歷有效光譜范圍，進(jìn)而獲取不同波長(zhǎng)的光線(xiàn)在聚焦斜入射狀態(tài)下的反射光譜情況，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和整合，提取出能夠表征光譜反射率的自參考反射光譜，實(shí)現(xiàn)了微區(qū)內(nèi)的表面反射特性表征。該技術(shù)方案在不同金屬表面獲得驗(yàn)證，與理論反射率吻合良好，而且通過(guò)全光譜擬合法實(shí)現(xiàn)了納米級(jí)薄膜厚度的精密測(cè)量，相關(guān)研究有助于光譜共焦技術(shù)理論和工程研究體系的進(jìn)一步完善。
圖2.（a）光譜共焦系統(tǒng)示意圖；（b）基于環(huán)形光闌的入射光束模型；（c）入射角度范圍的實(shí)際測(cè)量；（d）光譜共焦測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置；（e）四種待測(cè)表面的光譜反射率；（f）三種薄膜厚度測(cè)量結(jié)果
上述研究成果分別以“自參考策略校正光譜共焦位移測(cè)量無(wú)效色差”（Self-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement）、“光譜反射率及薄膜厚度測(cè)量新方法”（A new method to measure spectral reflectance and film thickness using a modified chromatic confocal sensor）為題，先后發(fā)表于光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域期刊《光學(xué)和激光工程》（Optics and Lasers in Engineering），其他相關(guān)成果已發(fā)表于《光學(xué)快訊》（Optics Express）、《傳感器》（Sensors）、《納米制造與計(jì)量》（Nanomanufacturing and Metrology）等期刊，同時(shí)對(duì)部分創(chuàng)新成果申請(qǐng)了專(zhuān)利保護(hù)。以上成果的主要完成人為清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院李星輝副教授、王曉浩教授和2017級(jí)儀器科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)博士白蛟，其他完成人包括深圳國(guó)際研究生院先進(jìn)制造學(xué)部副研究員周倩、倪凱，2020級(jí)碩士生李婧雯、2018級(jí)碩士生汪英祚等。相關(guān)工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會(huì)基礎(chǔ)研究學(xué)科布局/穩(wěn)定支持等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816621000117
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0143816622000744
供稿：深圳國(guó)際研究生院
編輯：李華山
審核：呂婷
