引用本文:
屈玲,李常伟,吴婧,等. 基于数字相位校正的双波长数字全息台阶高度测量[J]. 光通信技术,2026,50(2):54-60.
屈 玲1,2,3,李常伟2,3,4*,吴 婧1,陆彦婷2,3
(1.南京信息工程大学 物理与光电工程学院,南京 210044;2.中国科学院 南京天文光学技术研究所,南京 210042; 3.中国科学院 天文光学技术重点实验室(南京天文光学技术研究所),南京 210042;4.中国科学院大学 天文与空间科学学院,北京100049)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:针对材料表面台阶高度测量中存在的2π相位模糊及离轴全息频谱移频引发的整体倾斜误差问题,提出一种基于数字相位校正的双波长数字全息台阶高度测量技术。该技术利用双波长激光照明获取全息图,采用数字滤波提取相位,并通过平面拟合法进行整体相位校正,有效剔除频谱非连续移频引起的倾斜误差。仿真与实验结果表明:经倾斜校正后,y方向与x方向的相对误差分别降低至校正前的[18.4]与[112.2]。
关键词:台阶高度;双波长数字全息;平面拟合;整体倾斜
中图分类号:TN929.1;O436 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2026)02-0054-07
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2026.02.009
论文主要探讨了利用双波长数字全息术结合数字相位校正方法来提高微纳米结构台阶高度测量的精度。以下是对文件核心内容的总结:
研究背景与意义:
微纳米结构测量需求:随着超精密机械、微机电系统(MEMS)、微电子等领域的快速发展,对微纳米结构三维形貌的高精度测量需求日益迫切。
台阶高度的重要性:台阶高度是表征微纳结构的关键几何参数,其测量精度直接影响器件的性能与可靠性。
现有测量方法的局限:接触式方法(如原子力显微镜和台阶仪)探针昂贵且易损伤样品表面;非接触式光学方法(如单波长激光干涉法、白光干涉法)存在相位模糊或易受表面粗糙度干扰等问题。
双波长数字全息术的优势:
避免相位包裹:双波长数字全息术利用合成波长原理,有效避免了相位包裹问题,扩大了台阶高度的动态测量范围。
高分辨率与非接触测量:数字全息术具有无损、非接触及高分辨率等优势,在微结构形貌表征中展现出巨大潜力。
研究问题与挑战:
整体倾斜误差:在离轴数字全息图的傅里叶频域处理中,由于无法实现物光频谱的非整数像素连续移频,导致重建后的相位图存在整体倾斜,显著降低台阶高度的测量精度。
现有文献不足:现有文献对此系统性误差的针对性校正研究尚显不足。
研究方法与技术:
双波长激光照明:利用双波长激光照明获取全息图,通过数字滤波提取相位。
数字相位校正:提出一种数字相位校正方法,通过平面拟合法进行整体相位校正,有效剔除频谱非连续移频引起的倾斜误差。
合成波长计算:利用合成波长时的相位信息计算被测样品的台阶高度差。
实验验证与结果:
仿真实验:通过数值仿真验证了相位图中整体倾斜对台阶高度测量的影响,并展示了校正后的显著提升效果。校正后,合成波长相位图的平均高度差相对误差从6.00%降至0.05%。
样品实测:选用厚台阶高度标准件进行实验,校正后y方向与x方向的相对误差分别降低至校正前的18.4与112.2,表明测量精度与方向一致性均得到显著提升。
数字滤波器的影响:
不同滤波器比较:探讨了不同数字滤波器对测量精度的影响,发现最大滤波器有助于抑制吉布斯现象,可最大程度提升台阶高度的测量精度。
研究结论与前景:
技术有效性:提出的基于数字相位校正的双波长数字全息台阶高度测量技术,有效消除了整体倾斜对测量精度的影响。
应用前景:该技术能够稳定、精确地测量微米级台阶结构,在光栅尺、微光学元件、微流控芯片等领域具有广阔的应用前景。
论文通过系统的理论分析、仿真验证和实验研究,证明了所提方法在提高微纳米结构台阶高度测量精度方面的有效性和优越性,为微纳计量领域提供了一种新的高精度测量方法。