Анализ трехмерных изображений нанорельефа оптических поверхностей

• Автор: Серебряков, Андрей Евгеньевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Рязань
• Количество страниц: 155 с. : ил.

АННОТАЦИЯ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук «АНАЛИЗ ТРЕХМЕРНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ НАНОРЕЛЬЕФА ОПТИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ», выполненной Серебряковым Андреем Евгеньевичем на кафедре «Электронные приборы» в ФГБОУ ВПО «Рязанский государственный радиотехнический университет» по специальности 01.04.01 - «Приборы и методы экспериментальной физики»
Представлен анализ методов исследование шероховатого нанорельефа оптических поверхностей подложек и зеркал со сверхслабым рассеянием излучения, и определения их статистических и рассеивающих свойств. Созданы комплексная методика цифровой обработки трехмерных изображений сверхгладкой поверхности диэлектрика, полученных с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ), и программно-аппаратный комплекс для автоматизированного контроля поверхности подложек и зеркал. В результате выполненных исследований решены следующие задачи:
- разработана методика экспериментальной оценки собственных шумов атомно-силового микроскопа;
- определены условия регистрации АСМ изображений, выполнение которых позволяет корректно определить спектральную плотность флуктуаций высоты остаточного шероховатого рельефа;
- разработан новый способ обработки трехмерных изображений, дающий возможность разделить характерные особенности рельефа, имеющие разное происхождение, и количественно описать результаты технологической обработки поверхности;
- разделены угловые распределения лазерного излучения, рассеянного линейно структурированными дефектами, остаточным хаотическим дефектом и уединенными выступами.
Результаты диссертационной работы реализованы в программноаппаратном комплексе и технологической документации по определению рассеивающих свойств подложек и зеркал кольцевых лазеров.
Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложения, включает 151 страницу основного текста, содержит 88 рисунков, 8 таблиц и список литературы из 100 наименований.
Ключевые слова: шероховатость поверхности, индикатриса рассеяния, оптический резонатор, вейвлет-преобразование, преобразование Радона, полное интегральное рассеяние, обратное рассеяние, атомно-силовой микроскоп, спектральная плотность флуктуаций высоты

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. МЕТОДЫ РЕГИСТРАЦИИ ОСТАТОЧНОГО ШЕРОХОВАТОГО РЕЛЬЕФА НА СВЕРХГЛАДКОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ (обзор литературы)
1.1 Обратное рассеяние лазерного излучения в кольцевом резонаторе и проблема его регистрации
1.2 Методы, основанные на регистрации рассеянного оптического излучения
1.2.1 Измерения с помощью светомерного шара (интегрирующей
сферы)
1.2.2 Прямая регистрация излучения, рассеянного в ограниченный
телесный угол
1.3 Связь характеристик рассеяния оптического излучения с шероховатым рельефом на полированной поверхности диэлектрика
1.4 Регистрация рельефа поверхности и оценка его статистических характеристик
1.5 Постановка задачи
2. ДОСТОВЕРНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОЙ ПЛОТНОСТИ ФЛУКТУАЦИЙ ВЫСОТЫ НА ОСНОВЕ АСМ-ИЗОБРАЖЕНИЙ УЧАСТКОВ ПОВЕРХНОСТИ
2.1 Влияние собственных шумов атомно-силового микроскопа на трехмерное изображение рельефа
2.2 Выбор шага сканирования при регистрации АСМ-изображений
2.3. Компенсация искажений, внесенных на стадии сканирования поверхности
2.4 Достоверность определения статистических характеристик
поверхности
2.5. Селекция уединенных выступов с помощью пороговой фильтрации вейвлет-разложений
2.5.1 Селекция уединенных выступов
2.5.2 Результаты вейвлет-фильтрации уединенных выступов для АСМ-сканов, полученных экспериментально

2.6 Выводы
3. ВЫДЕЛЕНИЕ АНИЗОТРОПНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ШЕРОХОВАТОГО РЕЛЬЕФА ОПТИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ
3.1 АСМ - изображения отполированных поверхностей в пространстве Радона
3.2 Выбор вейвлета для выделения выступов на изображениях в пространстве Радона
3.3 Поиск пороговых условий для фильтрации вейвлет-разложения
3.3.1 Результаты фильтрации для модели поверхности, содержащей хаотический рельеф с одной царапиной
3.3.2 Выделение линейно структурированных дефектов на АСМ-сканах поверхности ситалловых подложек
3.4 Алгоритм селекции характерных особенностей АСМ-изображений поверхности
3.5 Выводы
4. РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ТОПОГРАФИИ ПОВЕРХНОСТИ ПОДЛОЖЕК И ЗЕРКАЛ
4.1 Корреляция среднеквадратических шероховатостей подложек и сформированных на них интерференционных покрытий
4.2 Расчет углового распределения рассеянного оптического излучения
4.3 Программно-математическое обеспечение для селекции характерных особенностей рельефа и расчета рассеивающих свойств
4.4 Сравнительный анализ рассеивающих свойств подложек и зеркал кольцевых гелий-неоновых лазеров
4.4.1 Прямые измерения полного интегрального рассеяния и его оценка по результатам АСМ-сканирования
4.5 Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы
Приложение
Подробный анализ возможностей метода рассеяния рентгеновского излучения при скользящем падении лучей (углы скольжения порядка единиц миллирадиан) применительно к экспериментальному определению спектральной плотности флуктуаций высоты поверхности для диэлектрических подложек и зеркал выполнен в работах [57, 60-64]. В отличие от электромагнитных волн оптического диапазона интенсивность рентгеновского излучения, рассеянного шероховатостями поверхности, намного больше интенсивности излучения, рассеянного в объеме. Данный метод также позволяет исследовать рельеф вогнутых поверхностей
Исследования, основанные на регистрации рентгеновского излучения, оказались независимым источником информации, позволившим обосновать возможность применения методов, основанных на непосредственной регистрации рельефа в условиях сверхгладкой поверхности диэлектрика. Профилометрические методы позволяют зарегистрировать рельеф поверхности в виде двумерного массива точек отсчётов. Распространённый метод оценки спектральной плотности флуктуаций высоты для участка поверхности (APSD - areal power spectral density) основан на использовании Фурье-преобразования [54, 56, 65]. В корректном выборе нормировки Фурье-образа позволяет убедиться соотношение [54, 56, 65]:
где 51 - спектральная плотность флуктуаций высот рельефа поверхности, /х, /у-пространственные частоты, а - среднеквадратическая шероховатость рельефа поверхности.
Выражение, связывающее спектральную плотность флуктуаций высоты с зарегистрированным рельефом и удовлетворяющие (1.16), имеет вид [54, 56]:
[64].
(1.16)