近日，深圳國際研究生院李星輝、王曉浩團隊首次提出基于光譜共焦技術(shù)的光譜反射率測量系統(tǒng)。綜合光學色散現(xiàn)象及共聚焦技術(shù)，通過設計并優(yōu)化色散物鏡，限制入射角度并改善光斑質(zhì)量，采用創(chuàng)新的共光路自參考策略掃描待測表面，高效提取其反射光譜響應。這項工作為高精度表面光譜分析開辟了一條新的途徑。

光譜共焦技術(shù)利用波長來編碼軸向位置，可實現(xiàn)待測表面位置的高精度探測，是當前光學精密測量的重要手段之一，為精密/超精密制造、半導體量測、基礎科學研究等領(lǐng)域提供可靠的尺寸信息。但目前光譜共焦技術(shù)仍面臨著物鏡成像質(zhì)量差、光源光譜幅值抖動、系統(tǒng)性無效色差干擾等技術(shù)問題。為此，李星輝、王曉浩團隊陸續(xù)提出了多種解決思路，如色散物鏡集成超分辨光闌、分光路參考策略消除光源波動、虛擬像素插值提取聚焦波長、共光路自參考策略掃描色散范圍等，設計并搭建了實驗測試和應用系統(tǒng)，達到了改善成像質(zhì)量、提高聚焦波長提取穩(wěn)定性、校正系統(tǒng)性無效色差等有益效果，極大改善了色散共焦技術(shù)在位移測量中的穩(wěn)定性和分辨率，實現(xiàn)了對透明菲涅爾透鏡、超精密圓柱等的高精度輪廓重構(gòu)。

圖1.（a）分光路參考策略實驗系統(tǒng)；（b）一體式色散物鏡設計；（c）亞像素插值提取聚焦波長；（d）共光路自參考策略實驗系統(tǒng)；（e）自參考反射光譜獲取方法；（f）光譜共焦響應系數(shù)的三維理論模型

在上述研究基礎上，李星輝、王曉浩團隊深入研究，探索光譜共焦技術(shù)在光譜反射率及薄膜厚度測量中的潛在應用。利用環(huán)形窄帶光闌限制入射角度，聚焦光線斜入射到待測表面，根據(jù)色散物鏡關(guān)于光軸的對稱性實現(xiàn)微小光斑的鏡面反射，結(jié)合前期研究中提出的共光路自參考策略，以軸向掃描待測表面的形式遍歷有效光譜范圍，進而獲取不同波長的光線在聚焦斜入射狀態(tài)下的反射光譜情況，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和整合，提取出能夠表征光譜反射率的自參考反射光譜，實現(xiàn)了微區(qū)內(nèi)的表面反射特性表征。該技術(shù)方案在不同金屬表面獲得驗證，與理論反射率吻合良好，而且通過全光譜擬合法實現(xiàn)了納米級薄膜厚度的精密測量，相關(guān)研究有助于光譜共焦技術(shù)理論和工程研究體系的進一步完善。

圖2.（a）光譜共焦系統(tǒng)示意圖；（b）基于環(huán)形光闌的入射光束模型；（c）入射角度范圍的實際測量；（d）光譜共焦測量實驗裝置；（e）四種待測表面的光譜反射率；（f）三種薄膜厚度測量結(jié)果

上述研究成果分別以“自參考策略校正光譜共焦位移測量無效色差”（Self-referencedispersioncorrectionforchromaticconfocaldisplacementmeasurement）、“光譜反射率及薄膜厚度測量新方法”（Anewmethodtomeasurespectralreflectanceandfilmthicknessusingamodifiedchromaticconfocalsensor）為題，先后發(fā)表于光學測量領(lǐng)域期刊《光學和激光工程》（OpticsandLasersinEngineering），其他相關(guān)成果已發(fā)表于《光學快訊》（OpticsExpress）、《傳感器》（Sensors）、《納米制造與計量》（NanomanufacturingandMetrology）等期刊，同時對部分創(chuàng)新成果申請了專利保護。以上成果的主要完成人為清華大學深圳國際研究生院李星輝副教授、王曉浩教授和2017級儀器科學與技術(shù)專業(yè)博士白蛟，其他完成人包括深圳國際研究生院先進制造學部副研究員周倩、倪凱，2020級碩士生李婧雯、2018級碩士生汪英祚等。相關(guān)工作得到國家自然科學基金、深圳市科技創(chuàng)新委員會基礎研究學科布局/穩(wěn)定支持等項目的支持。