光学检测之角度分辨检测技术

组成

表面散射模型的光线散射区域分为4个部分，分别为漫反射光瓣、镜面反射光瓣、镜面反射峰以及由表面微观纹理造成的菊花瓣。

表面散射模型

光学原理

由表面散射模型可知，相机的拍摄角度影响物体表面的微观纹理特征在图像中的表现，在不同的位置搭配光源和相机能够得到不同的成像特征。

典型照明方式

明场照明光线经工件表面反射进入传感器，相应的像素灰度值高，当工件表面存在缺陷时，光线反射角度发生偏转使光线偏离传感器，相应的像素灰度值低；针对不同尺度的表面缺陷又衍生出暗场及低角度暗场照明方式。背光照明根据工件的不透光性，能够清晰的呈现工件的轮廓特征。漫反射照明可消除阴影，并利用不同颜色表面对光的吸收性不同，能够清晰的呈现曲面表面特殊颜色印刷的符号。同轴明场也是明场照明方式，但增加了偏振片限制了传感器光线的接受，用于抑制其他角度的光线。

角度分辨光谱技术的应用

1.测量材料的光学常数

光学常数，包括折射率、消光系数、复介电常数和光电导率等，是描述光电材料性质的数据基础，反映了光与物质的相互作用，解释了光在介质中的传播和耗散。光学常数的准确测定是材料和物理领域的研究基础，不仅有助于理解新奇的光电现象，揭示其背后的物理机制，而且可以为相关光电器件的优化设计提供方向。

2.表征材料的轮廓和缺陷特征

半导体行业的发展以器件几何尺寸的不断缩小为标志，突破了计量设备量测能力的极限。量测能力是指测量数据需要足够的精度，典型的量测规则要求计量精度为被测特征尺寸的1%。在20世纪90年代末，一种被称为散射测量的技术出现，它满足了高容量硅制造的测量需求。散射测量是一种基于晶圆制造过程中周期性特征产生的光散射分析的光学尺寸计量。由于散射测量具有快速、定量和无损的特点，在大批量光学特征尺寸的测量中，光学散射测量是SEM的一个有吸引力的替代品。

3.研究微纳光子材料的光学性质

近年来，研究者对微纳光子材料，如光子晶体、超材料、等离激元结构等的研究层出不穷，为基础研究和应用研究提供了新思路。微纳光子材料可以在波长甚至亚波长尺度上调制光子的运动，提供了新的光调控手段。在微纳光子材料中，光子色散决定了材料对外部光场的响应，并在微纳光子材料中产生各种新奇的现象，例如：三维光子晶体中与角度相关的反射效应来源于其色散中的光子带隙；在复色散带曲率的影响下，超材料中产生了负折射效应。因此，采集样品在动量空间的光子色散对于研究微纳光子材料有着重大意义。到目前为止，除前文介绍的动量空间成像系统以外，还存在其他方式可以实现动量分辨光谱的采集，并且通过这些系统进一步研究了微纳光子材料的性质。

4.光学散射成像

散射是一个物理过程，限制着所有光学成像系统的成像性能。例如，激光雷达（LiDAR）系统对于汽车、水下和空中飞行器的感知和探测与其周围的三维环境至关重要。然而，目前的LiDAR系统在云、雾、尘埃、雨水等引起散射的不利条件下失效，这种限制是三维感知和导航系统的关键障碍，阻碍了系统的稳健和安全运行。类似的挑战也出现在与遥感或天文学相关的其他宏观应用中，其中大气散射层阻碍了测量捕获。在微观应用中，如生物医学成像和神经成像，生物组织的散射使进入大脑的成像复杂化，是高分辨率活体成像的障碍。在这些应用中，通过强散射介质进行稳定、高效地成像是一个挑战，因为它通常需要求解一个复杂的逆问题。