多层复杂结构器件内部界面轮廓的高精度光学三维干涉透视测量理论、系统及典型应用

Many important components are composed of high-precision and complex multilayer interfaces with a depth of centimeter and with an interlayer spacing of micrometers. The theory, system and method on their high- precision measurement have been started just years ago. In this project, theory and method of multi-channel blind source optical 3D interferometric signal separation is proposed. It challenges 4D (light intensity, x, y, z) optical interferometric difficulties with high-precision, cross-scale and large dynamic range in the internal interface contour measurement. Firstly, dual channel optical wavenumber-scanning interferometries in the time and space domain are developed. Secondly, the blind source separation algorithm of dual channel interferometric signals is studied; super-resolution image registration algorithm is designed; based on the ray tracing theory, the separation algorithm between the optical refractive index and the 3D interface contour in the multilayer structure are explored. Finally, taking a nanometer precision motion platform and a laser interferometer as references, multilayer slide is measured to verify the accuracy of the system and method; photovoltaic organic thin-film and optical lens are used as typical components and their 3D contour and center of curvature are measured with high accuracy. In the end, interlayer spacing measurement resolution of 1μm and 3D contour measurement resolution of 1nm in the transparent or translucent multilayer structure are achieved. It may be a standard method for high-precision measurement of 3D interface coutour inside complex multilayer structure, and can be widely applied.

许多重要器件由深度为厘米级、层间间距为微米级的复杂多层界面构成，其高精度测量理论、系统和方法研究刚刚起步。本项目提出光学三维干涉多通道盲源信号分离理论和方法，纳米精度测量多层复杂结构器件内部界面三维轮廓分布，挑战四维度(光强，x，y，z)的高精度、跨尺度和大动态范围光学干涉测量难题。首先研制双通道时间域和空间域光学波数扫描干涉系统。其次研究双通道干涉信号盲源分离算法；设计超分辨率图像配准算法；基于光线追踪原理的光折射率和界面三维轮廓分离算法。最后，以纳米精度运动平台和激光干涉仪为参照，测量多层载玻片，效验测量精度；进行典型部件：有机光伏薄膜太阳能电池和光学镜头组内部透镜三维轮廓和曲率中心的高精度测量。实现透明或半透明多层复杂结构器件内部层间间距测量分辨率1μm，曲面界面三维轮廓测量分辨率1nm。可以成为多层复杂结构器件内部界面三维轮廓高精度测量的标准方法，得到推广应用。

透镜、曲面反射镜等重要器件常常是由深度为厘米级、层间间距不小于微米级的复杂多层界面构成，本项目提出光学三维干涉多通道盲源信号分离理论和方法，纳米精度测量多层复杂结构器件内部界面三维轮廓分布。.在光学系统方面：设计2款倒置式激光波数扫描干涉仪，首次提出移轴斐索干涉测量系统，使光学结构更简单，同时减少了各光学元件表面反射光干扰。.在算法方面：实现基于欠定盲源分离双通道光学三维干涉，通过K均值聚类算法得到混合矩阵的估计及通过L1范数最短路径法实现源信号的恢复，最终实现激光波数扫描四表面干涉信号的盲分离。在复杂光学干涉信号处理中，特定光学干涉信号污染高斯模型下的Kendall τ（KT）经常遇到的脉冲噪声，导出关于均值和方差的闭式表达式CGM下的KT，建立了伪随机数的解析形式，将KT应用于双通道高斯随机信号检测。在多层复杂结构层间结构辨识方面：评估表面下多层复杂结构层间结构辨识三类分类器。在干涉信号处理中噪声分布未知，因此需要设计基于非参数的算法统计信息，本项目提出用两个对称滑动窗口来计算ROC工作区域下的面积特征曲线，作为检验统计量来衡量分布之间的差异两个样本。在超分辨率图像配准理论与算法领域，提出针对点扩散函数模糊效应的超分辨率图像重构，基于计算机视觉水平集方法和逆成像理论，研究具有局部实现的半隐式差分格式的逆光成像问题的广义轮廓模型，引入认知类比，通过图像驱动力将图案轮廓的初始猜测移动到所需布局图案的边界，开发了一种在零水平集附近实现的高效半隐式数值格式，通过仿真结果证明，通过减少优化维数和足够大的步长，计算和收敛效率都得到了提高。提出针对欠采样效应的超分辨率图像重构算法，使用频域法和空间域法超分辨率图像重构算法使图像具有亚像素分辨率。实现光学相机像素坐标系与空间坐标系Tsai标定。.在典型应用方面：技术合作国内生产银行ATM机的龙头企业，广州广电运通金融电子股份有限公司（上市公司），实现纸币上粘贴透明胶带纸检测，技术系统安装在银行纸币的清分扎把流水线上分拣，产生间接效益数亿元。其次在透镜测量方面：进行倾斜测量三维轮廓校准，提出WISA法，能够高精度测量且重复精度稳定，测量误差RMS低于20nm。.基于上述成果，项目负责人以第二完成人(2/15)获 2021年度广东省技术发明一等奖。项目负责人以第一完成人获 2022年度中国发明学会，我是发明人创新大赛金奖。

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