清华大学深圳国际研究生院李星辉王晓浩团队在光谱共焦精密测量领

　　近日，深圳国际研究生院李星辉、王晓浩团队首次提出基于光谱共焦技术的光谱反射率测量系统。综合光学色散现象及共聚焦技术，通过设计并优化色散物镜，限制入射角度并改善光斑质量，采用创新的共光路自参考策略扫描待测表面，高效提取其反射光谱响应。这项工作为高精度表面光谱分析开辟了一条新的途径。
　　光谱共焦技术利用波长来编码轴向位置，可实现待测表面位置的高精度探测，是当前光学精密测量的重要手段之一，为精密超精密制造、半导体量测、基础科学研究等领域提供可靠的尺寸信息。但目前光谱共焦技术仍面临着物镜成像质量差、光源光谱幅值抖动、系统性无效色差干扰等技术问题。为此，李星辉、王晓浩团队陆续提出了多种解决思路，如色散物镜集成超分辨光阑、分光路参考策略消除光源波动、虚拟像素插值提取聚焦波长、共光路自参考策略扫描色散范围等，设计并搭建了实验测试和应用系统，达到了改善成像质量、提高聚焦波长提取稳定性、校正系统性无效色差等有益效果，极大改善了色散共焦技术在位移测量中的稳定性和分辨率，实现了对透明菲涅尔透镜、超精密圆柱等的高精度轮廓重构。
　　图1。（a）分光路参考策略实验系统；（b）一体式色散物镜设计；（c）亚像素插值提取聚焦波长；（d）共光路自参考策略实验系统；（e）自参考反射光谱获取方法；（f）光谱共焦响应系数的三维理论模型
　　在上述研究基础上，李星辉、王晓浩团队深入研究，探索光谱共焦技术在光谱反射率及薄膜厚度测量中的潜在应用。利用环形窄带光阑限制入射角度，聚焦光线斜入射到待测表面，根据色散物镜关于光轴的对称性实现微小光斑的镜面反射，结合前期研究中提出的共光路自参考策略，以轴向扫描待测表面的形式遍历有效光谱范围，进而获取不同波长的光线在聚焦斜入射状态下的反射光谱情况，经过数据处理和整合，提取出能够表征光谱反射率的自参考反射光谱，实现了微区内的表面反射特性表征。该技术方案在不同金属表面获得验证，与理论反射率吻合良好，而且通过全光谱拟合法实现了纳米级薄膜厚度的精密测量，相关研究有助于光谱共焦技术理论和工程研究体系的进一步完善。
　　图2。（a）光谱共焦系统示意图；（b）基于环形光阑的入射光束模型；（c）入射角度范围的实际测量；（d）光谱共焦测量实验装置；（e）四种待测表面的光谱反射率；（f）三种薄膜厚度测量结果
　　上述研究成果分别以自参考策略校正光谱共焦位移测量无效色差（Selfreferencedispersioncorrectionforchromaticconfocaldisplacementmeasurement）、光谱反射率及薄膜厚度测量新方法（Anewmethodtomeasurespectralreflectanceandfilmthicknessusingamodifiedchromaticconfocalsensor）为题，先后发表于光学测量领域期刊《光学和激光工程》（OpticsandLasersinEngineering），其他相关成果已发表于《光学快讯》（OpticsExpress）、《传感器》（Sensors）、《纳米制造与计量》（NanomanufacturingandMetrology）等期刊，同时对部分创新成果申请了专利保护。以上成果的主要完成人为清华大学深圳国际研究生院李星辉副教授、王晓浩教授和2017级仪器科学与技术专业博士白蛟，其他完成人包括深圳国际研究生院先进制造学部副研究员周倩、倪凯，2020级硕士生李婧雯、2018级硕士生汪英祚等。相关工作得到国家自然科学基金、深圳市科技创新委员会基础研究学科布局稳定支持等项目的支持。