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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的光譜反射率測量系統。綜合光學色散現象及共聚焦技術，通過設計并優化色散物鏡，限制入射角度并改善光斑質量，采用創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。
光譜共焦技術利用波長來編碼軸向位置，可實現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、基礎科學研究等領域提供可靠的尺寸信息。但目前光譜共焦技術仍面臨著物鏡成像質量差、光源光譜幅值抖動、系統性無效色差干擾等技術問題。為此，李星輝、王曉浩團隊陸續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，達到了改善成像質量、提高聚焦波長提取穩定性、校正系統性無效色差等有益效果，極大改善了色散共焦技術在位移測量中的穩定性和分辨率，實現了對透明菲涅爾透鏡、超精密圓柱等的高精度輪廓重構。
圖1.（a）分光路參考策略實驗系統；（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；（e）自參考反射光譜獲取方法；（f）光譜共焦響應系數的三維理論模型
在上述研究基礎上，李星輝、王曉浩團隊深入研究，探索光譜共焦技術在光譜反射率及薄膜厚度測量中的潛在應用。利用環形窄帶光闌限制入射角度，聚焦光線斜入射到待測表面，根據色散物鏡關于光軸的對稱性實現微小光斑的鏡面反射，結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下的反射光譜情況，經過數據處理和整合，提取出能夠表征光譜反射率的自參考反射光譜，實現了微區內的表面反射特性表征。該技術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了納米級薄膜厚度的精密測量，相關研究有助于光譜共焦技術理論和工程研究體系的進一步完善。
圖2.（a）光譜共焦系統示意圖；（b）基于環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-reference dispersion correction for chromatic confocal displacement measurement）、“光譜反射率及薄膜厚度測量新方法”（A new method to measure spectral reflectance and film thickness using a modified chromatic confocal sensor）為題，先后發表于光學測量領域期刊《光學和激光工程》（Optics and Lasers in Engineering），其他相關成果已發表于《光學快訊》（Optics Express）、《傳感器》（Sensors）、《納米制造與計量》（Nanomanufacturing and Metrology）等期刊，同時對部分創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級儀器科學與技術專業博士白蛟，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。相關工作得到國家自然科學基金、深圳市科技創新委員會基礎研究學科布局/穩定支持等項目的支持。
