基于波长/角度复用的数字全息显微干涉测量技术研究

Digital holographic microscopy allows fast, nondestructive, full-field and 3D measurement for reflecting samples and it can be used in the visualization of micro-size samples such as MEMS, instead of traditional tools, to get the samples’ surface structure and system parameters.For MEMS with steps on the surface, which height is more than half illumination wavelength, , phase unwrapping can not be used to overcome the phase jumps. Because in quantitative phase measurement there is 2pi by phase ambiguities that limits measurements of optical path lengths to the wavelength of the illumination light. To solve this problem and implement large depth of view and precision measurement, in this proposal wavelength and angle multiplexing technologies is introduced in digital holographic interferometry and microscopy. In the system, the optical system structure is spatially designed and optimized, the multiwavelength fusion algorithm and accuracy improvement method for phase measurement is analyzed. On these bases, a new digital holographic microscopy by using wavelength and angle multiplexing technology is build up, which provides a reliable method for the characterization and evaluation in MEMS measurement.

数字全息显微干涉测量技术具有实时、全场、非接触、无损、可实现三维测量等诸多优点，可替代传统技术用于MEMS等各种微小结构样品的实时可视化测量，获得微器件表面结构和系统参数信息。但当MEMS表面存在高度大于半个波长的台阶时，用该方法数值重建得到的原始物光波场相位分布将由于某些特殊点的包裹跃变而产生误差，获得错误的相位测量结果。为解决这一问题，并同时实现MEMS的大景深和高精度测量，本项目在数字全息干涉技术和显微技术基础上，通过引入波长/角度复用技术，对系统的光路结构进行特殊设计和优化，结合全息图数值重建过程的多波长融合算法和相位测量精度提高方法，研究建立一套先进的基于波长/角度复用的数字全息显微干涉测量系统，以期在MEMS器件检测过程中扩展测量景深范围和提高测量精度，为MEMS检测提供一种可靠的表征手段和评价方法。

本项目旨在实现MEMS、生物细胞等的大景深和高精度测量，在数字全息干涉技术和显微技术基础上，通过引入波长/角度复用技术，对全息系统的光路结构进行特殊设计和优化，结合全息图数值重建过程的多波长融合算法和相位测量精度提高方法，研究建立一套先进的基于波长/角度复用的数字全息显微干涉测量系统，以期在MEMS器件检测和生物细胞等的动态测量与分析等过程中扩展测量景深范围和提高测量精度，为其提供一种可靠的表征手段和评价方法。. 所完成的主要研究内容及成果为：. 1. 研究了多角度记录条件下全息图数值重建过程的频域滤波技术，实现全息图频域信息的有效分离与重组；研究了多波长记录条件下全息图数值重建过程中的多波长匹配技术，实现了合成波长的获得以及不同波长所对应再现物光波场相位信息的准确融合和相位展开；在多波长匹配技术基础上，通过更长或更短的合成波长的计算，实现了测量范围的拓展或者相位测量精度的提高。. 2. 通过设计无限远显微光学系统，实现了数字全息干涉技术和显微技术的有效结合；借助光纤技术和频域滤波等技术，实现了多波长/角度情况下全息图的数字记录；同时将共光路技术等引入光路结构设计，在此基础上建立了一套数字全息显微干涉测量系统，实现MEMS、生物细胞等的全场、非接触、动态及可视化测量。. 研究过程中，项目组突破了波长/角度复用数字全息显微干涉测量系统的光机结构优化设计与像差抑制、重建算法设计与优化等一系列技术难题，最终开发完成的数字全息显微干涉测量系统可为生物细胞等的动态测量与分析、材料和器件物性表征与检测等提供一种简便而先进的实验研究手段。. 本项目共发表学术论文23篇，其中《Opt. Lett.》、《Opt. Express》、《Appl. Opt.》等学术期刊论文12 篇（SPIE NEWSROOM、JM3 特约稿各1 篇，SCI 收录11 篇，EI 收录12 篇），国内国际学术会议论文11 篇（邀请报告2次，EI 收录7 篇，ISTP收录2篇）；申请国家发明专利4 项；协助培养硕士研究生10名。项目组成员通过积极参与相关领域的主流国际会议、邀请国外专家访问以及与国外相关单位联合申请项目等方式，与国内外同行开展了深入的学术交流与合作。