基于相位测量偏折术的石墨烯光学表征方法研究

论文摘要

随着石墨烯材料在电子、航天工业、新能源、新材料等领域的广泛应用,石墨烯薄膜的表面检测需求已广泛存在于在石墨烯薄膜制造、锂离子电池制造、石墨烯薄膜转移及其镀膜技术等领域。基于结构光照明的相位测量偏折术(phase measuring deflectometry)是一种能够对表面反射率均匀的镜面和类镜面物体进行高速、高精度、低成本、全场测量的重要三维测量技术,且对测量环境不敏感。单层石墨烯薄膜的反射率约为0.1%,每增加一层石墨烯薄膜引起的光学吸收率变化约为2.3%,基于这种光学特性可以实现石墨烯薄膜的光学表征。本论文分别在宏观和微观尺度基于相位测量偏折术对石墨烯薄膜进行了光学表征的研究,重点研究了应用于石墨烯薄膜光学表征的宏观和显微相位测量偏折术系统的光路结构设计,对基于远心光路的显微相位测量偏折术系统的标定方法进行了研究,结合标定结果在石墨烯膜层层数与缺陷的表征方法等方面进行了探索,具体如下:1.对基于相位测量偏折术的石墨烯表征方法进行了研究。对应用于石墨烯薄膜光学表征的宏观和显微相位测量偏折术系统进行了详细的光路结构分析与设计,并进行了器件选型,搭建了宏观与显微的相位测量偏折术实验系统,对不同基底的石墨烯表面缺陷进行了初步测量。本论文研究的宏观相位测量偏折术系统的横向分辨率为4.32μm,视场为14.0mmX 10.5mm。显微相位测量偏折术系统的横向分辨率为1.35μm,视场为1.40mmX 1.05mm,在系统标定后能够实现石墨烯面形和层数的数据提取,采集回来的图像分辨率和对比度也有所提高。2.提出了一种新颖的基于干涉反射式显微光学系统的石墨烯层数表征方法,该方法将显微相位测量偏折术与干涉反射式显微系统相结合,使用相位测量偏折术中的调制度算法优化了干涉反射式显微图像的对比度,本文对该方法进行了理论分析与计算机仿真,结果表明这种表征方法能够用于石墨烯等二维材料的膜层检测。3.研究了基于远心光路的显微相位测量偏折术系统的标定方法。重点研究了远心镜头的标定技术,使用定制的圆形标定靶检测标定特征点并拍摄不同位姿的图片,求出了相机的内参和外参,计算出了相机标定的重投影误差。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
•   1.1 石墨烯光学表征方法的意义与现状
•   1.2 石墨烯表征方法的国内外研究现状
•     1.2.1 基于反射式光学显微镜的石墨烯表征技术
•     1.2.2 基于扫描探针技术的石墨烯表征技术
•     1.2.3 基于透射电镜的石墨烯表征技术
•     1.2.4 基于拉曼光谱的石墨烯表征技术
•   1.3 相位测量偏折术的国内外研究现状
•   1.4 石墨烯光学表征技术中存在的问题
•   1.5 本论文的主要内容
• 第二章 基于相位测量偏折术石墨烯光学表征方法的理论分析
•   2.1 宏观相位测量偏折术光学表征理论分析
•     2.1.1 相位测量偏折术的相位梯度关系
•     2.1.2 相位测量偏折术的测量精度分析
•   2.2 显微相位测量偏折术光学表征理论分析
•     2.2.1 显微相位测量偏折术的光路结构设计与器件选型
•     2.2.2 显微相位测量偏折术照明方式设计
•     2.2.3 显微相位测量偏折术测量精度分析
•     2.2.4 显微相位测量偏折术系统信噪比分析
•   2.3 本章小结
• 第三章 显微相位测量偏折术中显微成像方法研究
•   3.1 显微相位测量偏折术的超分辨成像分析
•     3.1.1 超分辨显微成像的原理
•     3.1.2 超分辨显微成像计算机模拟
•     3.1.3 超分辨显微成像的计算机模拟
•   3.2 基于结构光照明的干涉反射式二维薄膜显微测量方法
•   3.3 本章小结
• 第四章 基于远心光路的相位测量偏折术标定方法研究
•   4.1 远心光路的成像模型分析
•   4.2 基于圆形标定靶的相机标定方法研究
•     4.2.1 基于圆形标定靶的圆心特征点提取方法
•     4.2.2 基于圆形标定靶的圆心特征点排序方法
•   4.3 基于远心光路的相位测量偏折术标定方法研究
•   4.4 基于远心相机光路的相位测量偏折术实验研究
•   4.5 系统误差分析
•   4.6 本章小结
• 第五章 基于相位测量偏折术的石墨烯表面缺陷及三维面形检测实验研究
•   5.1 基于相位测量偏折术的石墨烯光学表征系统搭建
•     5.1.1 基于宏观相位测量偏折术的石墨烯光学表征系统搭建
•     5.1.2 基于显微相位测量偏折术的石墨烯光学表征光学系统搭建
•   5.2 基于相位测量偏折术的不同基底石墨烯膜表面质量检测实验
•     5.2.1 铜基底石墨烯膜表面质量检测实验
•     5.2.2 硅基底石墨烯膜表面质量检测实验
•     5.2.3 二氧化硅基底石墨烯膜表面质量检测实验
•   5.3 基于相位测量偏折术的三维面形检测实验研究
•   5.4 分析与讨论
•   5.5 本章小节
• 第六章 全文总结与展望
•   6.1 全文总结
•   6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 周政

导师: 岳慧敏

关键词: 石墨烯,光学表征,相位测量偏折术,层数检测,远心镜头

来源: 电子科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑

专业: 物理学,无机化工

单位: 电子科技大学

分类号: TQ127.11;O482.3

总页数: 87

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