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”（Self-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement）、“光谱反射率及薄膜厚度测量新方法”（A new method to measure spectral reflectance and film thickness using a modified chromatic confocal sensor）为题，先后发表于光学测量领域期刊《光学和激光工程》（Optics and Lasers in Engineering），其他相关成果已发表于《光学快讯》（Optics Express）、《传感器》（Sensors）、《纳米制造与计量》（Nanomanufacturing and Metrology）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。
来源：清华大学
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