抗非均匀反射扰动复色差动超分辨共焦显微传感机理研究

针对不同材料基底、混合材料、掺杂结构以及曲面浮雕结构的微米及亚微米尺度大台阶元件三维结构参数测量传感机理问题，开展兼顾具有三维高分辨率、大量程、抗非均匀反射扰动特性的光学非接触传感方法研究。首先，以远离焦和近离焦探测器响应信号的差与和之比做为输出函数，获得轴向高灵敏度特性和非均匀反射扰动乘性噪声抑制特性；然后，利用复色光聚焦轴向色散特性，通过增加照明光数量，克服横向、轴向分辨率提高与量程扩展的矛盾关系，从而在不牺牲三维分辨率前提下，使量程得到成倍扩展；最后，采用光学超分辨滤波技术进一步提高横向分辨率。课题研究核心特色与创新之处在于解决兼顾三维高分辨率、大量程和抗反射率跳变、表面倾斜以及激光器功率漂移扰动特性的传感机理问题。预期技术指标：反射率跳变适用范围：10%-100%；轴向有效分辨率：1nm；横向有效分辨率：0.2um；量程范围扩展到基本共焦系统的2倍。

针对不同材料基底、混合材料、掺杂结构以及曲面浮雕结构的微米及亚微米尺度大台阶元件三维结构参数测量传感机理问题，开展抗非均匀反射扰动特性的光学共焦传感方法研究。主要研究工作揭示了抗扰动特性与线性区间扩展和高灵敏度响应特性的关系，描述了复色照明线性范围与高灵敏度响应特性耦合机理，理论证明了全局最小化旁瓣抑制滤波器设计的充分必要条件，给出了差动共焦台阶扫描探测边缘位置判据。所提出的传感方法得到理论和实验验证。实验结果在等价表面反射率跳变50%情况下，测量信号幅度仅变化4.1%，噪声扰动得到有效抑制；轴向有效位置分辨率达到1nm，横向边缘判定比较误差小于0.1μm；在复色照明情况下实现量程扩展2倍的预期指标。以上技术指标达到或优于任务书要求。在高灵敏度差动探测模式下（NA=0.75），与独立差动系统相比较，复色照明系统实现了量程2倍拓展，线性区间范围2.1μm。与低灵敏度差动探测模式相比，在高灵敏度探测模式下系统线性区间范围迅速减小的实验结果与理论分析结论相一致。研究工作在兵器集团211所红外探测器阵列生产的实验室检测中得到初步试用。此外，还提出一种移相解算共焦抗扰动测量方法，轴向有效位置分辨率达0.5nm，量程范围近似为共焦系统轴向响应包络，不存在传统相位测量的相位跳变问题。