CN100567884C - 基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置，在该装置中，激光器发出线偏振光束，经过准直扩束镜组后成为近似理想平面波；经过偏振分光镜和四分之一波片之后成为圆偏振光束；经过分光镜分为两束光，第一束光由分光镜透射，经过反射镜反射，分光镜反射，经收集物镜会聚在由第二针孔和探测器组成的点探测器；第二束光由分光镜反射，经过探测聚焦物镜、分光镜会聚在测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜、经收集物镜会聚在点探测器；第一微驱动器用于驱动反射镜改变参考光和测量光的相位差，实现移相干涉；测量点初始位置为第一种共焦状态。本发明还公开了一种基于移相干涉的二次共焦测量方法。

Description

基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置

技术领域

本发明属于超精密测量领域，是一种用于微结构光学元件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触快速、大范围扫描测量方法与装置。

背景技术

共焦点扫描测量是微光学、微机械、微电子领域中测量三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的重要技术手段之一。其基本思想由M.Minsky于1957年提出，并于1961年获得了美国专利，其基本思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生了轴向层析能力，该技术的不足之处在于，轴向响应信号在测量面准焦区域附近测量灵敏度不高，因此只适用于离焦位移测量。此后，在M.Minsky提出的共焦扫描成像技术基础上衍生出光纤共焦显微测量、差动共焦扫描测量等方法与装置多种类型的共焦测量原理。

光纤共焦显微镜如实用新型专利(专利号99240337.5)等采用光纤作为探测接收器，利用光纤的属于波导元件的特点提高了测量信号的相干性，这类共焦测量方法可以改善由于共焦系统中非理想点探测器尺寸对测量光相干性的影响作用，有利于提高干涉条纹对比度，其位移量输出对应测量光信号强度变化。

差动共焦扫描测量包括具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜(公开号CN1614457A)、具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器(公开号CN1529123A)、三差动共焦显微成像方法与装置(公开号CN1587898A)、三差动共焦显微三维超分辨成像方法(公开号CN1609590A)、三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置(公开号CN1632448A)、整形环形光三差动共焦显微镜(公开号CN1588157A)、具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(公开号CN1527026A)等，差动共焦扫描测量技术克服了Minsky提出的共焦方法只能进行相对位置测量的不足，产生了跟踪零点，并扩展了测量线性范围。但是差动共焦扫描测量方法与Minsky提出的共焦测量方法的共同之处在于，二者都是基于位移-强度变化关系的测量方法，这类测量方法存在易受测量光信号强度易受测量表面反射率差异和测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，这种影响直接导致已经标定的信号强度和位移输出关系曲线变化，因此会带来较大的测量误差，这种测量原理缺陷约束了共焦测量技术在表面反射率变化较大和曲面轮廓测量中的应用。另外，共焦和差动共焦测量轴向分辨力与物镜数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，轴向分辨力越高。但是，增大物镜数值孔径会使轴向响应范围迅速减小。

共焦点扫描测量方法并不是测量三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的唯一方法，基于干涉和移项干涉的测量方法也是微结构超精密测量领域的重要技术途径。干涉测量的本质是将位移变化转换成位相变化实现微结构和微位移测量，这类测量技术很好地解决了测量表面反射率和表面倾斜对测量结果的影响问题，但是由于位相测量值求解具有周期性，因此这类测量方法不能直接用于台阶高度测量，只能获得相对位移变化，也不能直接用于绝对位移测量。

本发明提供一种基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置，利用共焦点探测器的轴向层析作用，通过两次移相干涉获得两种共焦状态下的相位信息，从而实现离焦位移的解析求解，本发明目的是克服传统共焦测量技术易受测量表面反射率差异、测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，以及干涉测量存在位相求解周期性，不能直接用于台阶测量的不足。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触快速、大范围扫描测量方法与装置。

本发明所述装置包括：激光器(1)、准直聚焦物镜(2)、第一针孔(3)、准直扩束物镜(4)、偏振分光镜(5)、四分之一波片(6)、分光镜(7)、探测聚焦物镜(10)、收集物镜(12)、第二针孔(13)、探测器(14)；反射镜(8)、第一微驱动器(9)、第二微驱动器(11)；其中，所述激光器(1)发出线偏振光束，经过准直聚焦物镜(2)、第一针孔(3)、准直扩束物镜(4)构成的准直扩束镜组后成为近似理想平面波；经过偏振分光镜(5)和四分之一波片(6)之后成为圆偏振光束；经过分光镜(7)分为两束光，第一束光由分光镜(7)透射，经过反射镜(8)反射，分光镜(7)反射，经收集物镜会聚在由第二针孔(13)和探测器(14)组成的点探测器；第二束光由分光镜(7)反射，经过探测聚焦物镜(10)、分光镜(7)会聚在测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜(10)、经收集物镜会聚在点探测器；第一微驱动器(9)用于驱动反射镜(8)改变参考光和测量光的相位差，实现移相干涉；测量点初始位置为第一种共焦状态。

进一步的，上述装置具有由第二针孔13和探测器14组成的点探测器，其作用是在测量光束与参考光束干涉中引入轴向层析能力，从而使由轴向离焦产生的相位变化与离焦位移相关；

进一步的，所述装置具有第一、第二微驱动器9和11，第一微驱动器9的作用是产生移相干涉参考光相位变化，第二微驱动器11的作用是产生相对于初始测量共焦状态而言的第二种共焦状态，从而获得离焦量求解的关联方程，实现离焦量求解计算。

本发明还提供了一种基于移相干涉的二次共焦测量方法，该方法包括以下步骤：

在第一种共焦状态下，计算测量光相对于参考光的相位；

在第二共焦状态下，计算测量光相对于参考光的相位；

测量参考面复位；以及

第一共焦状态测量点离焦位移求解。

该方法进一步的是基于移相干涉的二次共焦测量方法对位移变化的测量输出是基于位移和两次移相干涉相位转换原理，而不是位移-强度转换关系，因此克服了传统共焦测量技术易受测量表面反射率差异和测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，所述测量方法可以应用于测量表面反射率差异较大及曲面轮廓的超精密非接触测量，这一技术特征显著区别于现有共焦测量技术；

该方法进一步的是基于移相干涉的二次共焦测量方法利用共焦测量原理的轴向强度层析特性，建立了轴向强度变化与轴向位移相位变化的关联关系，从而获得一个可直接求解离焦位移值的解析方程，获得理论零点，实现了绝对位置测量，这一技术特征显著区别于现有共焦测量技术和干涉扫描测量技术；

该方法进一步的是基于移相干涉的二次共焦测量方法通过离焦位移值的解析方程求解，直接获得离焦位移测量值，这一过程不存在位相测量的周期性问题，因此不需要通过位相展开计算就可以得到大于测量光束半波长的离焦位移，移相共焦测量方法可直接用于台阶轮廓测量，这一技术特征显著区别于现有干涉扫描测量技术。

本发明创新性在于：针对现有传统共焦测量技术易受测量表面反射率差异、测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，以及干涉测量存在位相求解周期性，不能直接用于台阶测量的不足，提出一种基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置，利用共焦点探测器的轴向强度层析作用，通过两次移相干涉获得两种离焦状态下的相位，建立轴向离焦位移与相位状态的关联关系，获得理论零点，实现绝对离焦位移的直接求解。

本发明的良好效果在于：

1)克服了传统共焦测量技术易受测量表面反射率差异、测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置可以应用于测量表面反射率差异较大及曲面轮廓的超精密非接触测量；

2)获得一个可直接求解离焦位移值的解析方程，获得理论零点，实现了绝对位置测量；

3)直接获得离焦位移测量值，这一过程不存在位相测量的周期性问题，因此不需要通过位相展开计算就可以得到大于测量光束半波长的离焦位移，可直接用于台阶轮廓测量；

4)与共焦、差动共焦测量方法相比，具有更大的量程范围；

5)在焦面附近测量区域内，不存在测量非线性问题。

附图说明

图1为所述基于移相干涉的二次共焦测量装置示意图。

图2为所述基于移相干涉的二次共焦测量方法理论分析坐标定义图。

图3为所述基于移相干涉的二次共焦测量方法探测聚焦物镜移动及复位示意图。

图4为所述基于移相干涉的二次共焦测量方法量程范围说明。

具体实施方式：

如图1所示，本发明的提供基于移相干涉的二次共焦测量装置包括：激光器1；准直聚焦物镜2；第一针孔3；准直扩束物镜4；偏振分光镜5；四分之一波片6；分光镜7；反射镜8；第一微驱动器9；探测聚焦物镜10；第二微驱动器11；收集物镜12；第二针孔13；探测器14。

本发明具体实施步骤：

第一步，在第一种共焦状态下，计算测量光相对于参考光的相位

如图1所示，所述激光器1发出线偏振光束，经过准直聚焦物镜2、第一针孔3、准直扩束物镜4构成的准直扩束镜组后成为近似理想平面波；经过偏振分光镜5和四分之一波片6之后成为圆偏振光束；经过分光镜7分为两束光，第一束光由分光镜7透射，经过反射镜8反射，分光镜7反射，经收集物镜会聚在由第二针孔13和探测器14组成的点探测器上，该光束称为参考光；第二束光由分光镜7反射，经过探测聚焦物镜10、分光镜7会聚在测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜10、经收集物镜会聚在点探测器上，该光束称为测量光；第一微驱动器9用于驱动反射镜8改变参考光和测量光的相位差，实现移相干涉；测量点初始位置为第一种共焦状态。

如附图2所示，由光学衍射理论分析可知，在点扫描测量系统中，忽略测量点尺寸和物体厚度影响，将探测聚焦物镜光瞳和收集物镜视为薄透镜，则测量光在第二针孔13和探测器14共同构成的点探测器上振幅响应如下：

$U\left(r_2\right)=R\left(r_1\right)H\left(S\left(r_1\right)\right)\×\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{P}_1\left(r_{p1}\right)\exp (-\mathrm{iu}{\left|r_{p1}\right|}^2/2)d{r}_{p1}---\left(1\right)$

$\×\∫\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{P}_2\left(r_{p2}\right)\exp (-\mathrm{iu}{\left|r_{p2}\right|}^2/2){\mathrm{dr}}_{p2}$

式中， $u=\mathrm{k\Δz}\frac{a^2}{f^2}$

a为探测聚焦物镜和收集物镜的通光孔径的半径；

f为探测聚焦物镜和收集物镜焦距；

k＝2π/λ为波数，λ为波长；

r₁＝(x₁，y₁)，为物空间坐标系的位置矢量；

r₂＝(x₂，y₂)，为像空间(探测器空间)坐标系的位置矢量；

r_p1＝(x_p1，y_p1)，探测聚焦物镜光瞳坐标系的位置矢量；

r_p2＝(x_p2，y_p2)，收集物镜光瞳坐标系的位置矢量；

R(r₁)表示测量点振幅反射率函数；

H(S(r₁))表示测量光反射方向变化引起的探测器14上振幅响应变化函数；

Δz表示测量点相对于探测聚焦物镜焦面的离焦位移，|Δz|为离焦量；

P₁(r_p1)＝1，表示探测聚焦物镜光瞳函数；

P₂(r_p2)＝1，表示收集物镜光瞳函数；

D为探测聚焦物镜光瞳和收集物镜光瞳所在平面的光程距离；

T(r₁，Δz)，表示公式(1)中省略的光束传播衍射系数。

T(r₁，Δz)＝A′exp(iφ(r₁，Δz))                  (2)

则，

U(r₂)＝R(r₁)H(S(r₁))·T(r₁，Δz)×sinc²(u/4π)    (3)

定义α_i为第一微驱动器9用于驱动反射镜8改变参考光和测量光的相位差，i表示移相状态序号，A_R为经过反射镜8和分光镜7反射后，入射到收集物镜的参考光振幅。参考光在像平面上的振幅分布为U_R(r₂)＝A_Rexp(i·α_i)

限定第二针孔13通光尺寸小于10微米，则测量光和参考光在探测器14上的叠加为完全相关叠加。探测器14光强度响应如公式(4)。

$I_i^n(r_2,u^n)={A_R}^2+\sin c^4(u^n/4\mathrm{\π})\·R^2\left(r_1\right)H^2\left(S\left(r_1\right)\right)\·A^{\′2}---\left(2\right)$

$+{2\sin c}^2(u^n/4\mathrm{\π})\·R\left(r_1\right)H\left(S\left(r_1\right)\right)\·A_R{A}^{\′}\cos ({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n))$

n表示扫描测量点序号。φⁿ(r₁，Δzⁿ)表示第n个扫描测量点，在第一共焦状态下，测量光相对于参考光的相位。

以四步移相法为例，利用第一微驱动器9驱动反射镜8，分别给出α₁＝0，α₂＝π/2，α₃＝π，α₄＝3π/2的移相状态。四步移相方法为已知技术。完成四步移相之后，还应移相π/2，实现参考镜相位状态复位。在四种移相状态下，探测器14的光强度响应分别如下

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=I_B\left(r_1\right)+I_A\left(r_1\right){\sin c}^2(u^n/4\mathrm{\π})\cos \left({\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right)\\ I_2=I_B\left(r_1\right)-I_A\left(r_1\right){\sin c}^2(u^n/4\mathrm{\π})\sin \left({\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right)\\ I_3=I_B\left(r_1\right)-I_A\left(r_1\right){\sin c}^2(u^n/4\mathrm{\π})\cos \left({\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right)\\ I_4=I_B\left(r_1\right)+I_A\left(r_1\right){\sin c}^2(u^n/4\mathrm{\π})\sin \left({\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right)\end{array}\right.---\left(5\right)$

I₁、I₂、I₃、I₄为第一种共焦状态下，与四种移相状态对应的探测器14的强度输出。求解公式(5)，得第n个扫描测量点，在第一共焦状态下测量光相对于参考光的相位

φⁿ(r₁，Δzⁿ)＝tg^-1[(I₄-I₂)/(I₁-I₃)]            (6)

第二步，在第二共焦状态下，计算测量光相对于参考光的相位

利用第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10，改变测量点相对于测量物镜10焦面的位置关系，产生第二种共焦状态，如图3所示。第二种共焦状态下，第n个扫描测量点测量光相对于参考光的相位φ^n-de(r₁，Δzⁿ±ε^de)，“±”表示操作者对位移方向正方向的定义，取+或-不影响测量结果的值。

重复公式(5)的移相干涉过程，并根据公式(6)得第二共焦状态下，测量光相对于参考光的相位φ^n-de(r₁，Δzⁿ±ε^de)的计算公式(7)

φ^n-de(r₁，Δzⁿ±ε^de)＝tg^-1((I′₄-I′₂)/I′₁-I′₃)        (7)

ε^de表示第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10的位移移动量，限定0≤ε^de＜λ/4；

${\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}|{\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n+{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}})-{\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)|$

I′₁，I′₂，I′₃，I′₄为第二种共焦状态下，与四种移相状态对应的探测器14的强度输出。

第三步，测量参考面复位

如图3所示，探测聚焦物镜的焦面是测量参考面，第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10产生测量参考面移动，因此需要将测量参考面复位。复位状态下，第n个扫描测量点测量光相对于参考光的相位

重复公式(5)的移相干涉过程，由公式(6)得公式(8)

${\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{re}}(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n\±{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}}\stackrel{\‾}{+}{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{re}})={\mathrm{tg}}^{-1}(({I^{\′\′}}_4-{I^{\′\′}}_2)/{I^{\′\′}}_1-{I^{\′\′}}_3)---\left(8\right)$

ε^re表示第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10的复位位移移动量，限定0≤ε^re＜λ/4；

${\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{re}}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\π}}|{\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{re}}(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n+{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}}-{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{re}})-{\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n+{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}})|$

I″₁，I″₂，I″₃，I″₄为复位状态下，与四种移相状态对应的探测器14的强度输出；“±”表示操作者对位移方向正方向的定义。参考面复位误差

Δεⁿ＝ε^re-ε^de            (9)

第四步，第一共焦状态测量点离焦位移求解

由方程组(6)和公式(7)(8)，得

${\sin c}^2\left(\frac{u^n}{4\mathrm{\π}}\right)=K\·{\sin c}^2\left(\frac{u^n\±u_{\mathrm{de}}^n}{4\mathrm{\π}}\right)---\left(10\right)$

其中，

$K=\frac{\sin \left[{\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n\±{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}})\right](I_4-I_2)}{\sin \left[{\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right]({I_4}^{\′}-{I_2}^{\′})},K\∈[0,+\∞)$

$u_{\mathrm{de}}^n=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\ϵ}}^{\mathrm{de}}\frac{a^2}{f^2}$

通过求解方程(10)，得第n个测量点uⁿ，继而得离焦位移Δzⁿ。根据sinc函数属性可知，当|uⁿ|≤4π，且 $\left|u_{\mathrm{de}}^n\right|<<4\mathrm{\&pi;}$ 时，方程(10)解唯一。由于K∈[0，+∞)，则

$\underset{K\&RightArrow;+\&infin;}{\lim }\left[\frac{1}{K}{\sin c}^2\left(\frac{u^n}{4\mathrm{\&pi;}}\right)\right]=0={\sin c}^2\left(\frac{u^n\&PlusMinus;u_{\mathrm{de}}^n}{4\mathrm{\&pi;}}\right),u^n=\&PlusMinus;4\mathrm{\&pi;}\stackrel{\&OverBar;}{+}{u}_{\mathrm{de}}^n---(11-1)$

$\underset{K\&RightArrow;0}{\lim }[K\&CenterDot;{\sin c}^2\left(\frac{u^n\&PlusMinus;u_{\mathrm{de}}^n}{4\mathrm{\&pi;}}\right)]=0={\sin c}^2\left(\frac{u^n}{4\mathrm{\&pi;}}\right),u^n=\stackrel{\&OverBar;}{+}4\mathrm{\&pi;}---(11-2)$

取(11-1)和(11-2)解集合的交集，得方程(10)中“±”符号取“+”时，解的区间为(-4π，4π-u_de ⁿ]，与图4所示范围1相对应；“±”符号取“-”时，解的区间为[-4π+u_de ⁿ，4π)与图4所示范围2相对应。解的区间就是本发明所提出的测量方法的轴向响应理论量程范围。以K＝8， $u_{\mathrm{de}}^n=\&PlusMinus;0.15$ 为例，曲线(1)(2)的交点和曲线(1)(3)的交点分别为O₊，O_-，其横坐标值分别对应方程(10)的解uⁿ。解的符号表示离焦方向，与离焦正方向定义有关。

第五步，修正二次共焦引入的复位误差

考虑到第n个测量点和第n+1个测量点参考平面的一致性问题，需要修正探测聚焦物镜10复位引入的复位误差。利用公式(9)修正第四步Δzⁿ求解结果

Δzⁿ＝Δzⁿ-Δε^n-1                    (12)

Claims (3)

1.一种基于移相干涉的二次共焦测量装置，其特征在于：包括：

激光器(1)、准直聚焦物镜(2)、第一针孔(3)、准直扩束物镜(4)、偏振分光镜(5)、四分之一波片(6)、分光镜(7)、探测聚焦物镜(10)、收集物镜(12)、第二针孔(13)、探测器(14)；反射镜(8)、第一微驱动器(9)、第二微驱动器(11)；其中，所述激光器(1)发出线偏振光束，经过准直聚焦物镜(2)、第一针孔(3)、准直扩束物镜(4)构成的准直扩束镜组后成为近似理想平面波；经过偏振分光镜(5)和四分之一波片(6)之后成为圆偏振光束；经过分光镜(7)分为两束光，第一束光由分光镜(7)透射，经过反射镜(8)反射，分光镜(7)反射，经收集物镜会聚在由第二针孔(13)和探测器(14)组成的点探测器；第二束光由分光镜(7)反射，经过探测聚焦物镜(10)、分光镜(7)会聚在测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜(10)、经收集物镜会聚在点探测器；第一微驱动器(9)用于驱动反射镜(8)改变参考光和测量光的相位差，实现移相干涉；测量点初始位置为第一种共焦状态；

第二针孔(13)和探测器(14)组成的点探测器，用于在测量光束与参考光束干涉中引入轴向层析能力，从而使由轴向离焦产生的相位变化与离焦位移相关；并且，

第一微驱动器(9)用于产生移相干涉参考光相位变化，第二微驱动器(11)用于产生相对于初始测量离焦状态而言的第二种离焦状态，从而获得离焦量求解的关联方程，实现离焦量求解计算。

2.一种基于移相干涉的二次共焦测量方法，该方法包括以下步骤：

在第一种共焦状态下，计算测量光相对于参考光的相位；

在第二共焦状态下，计算测量光相对于参考光的相位；

测量参考面复位；以及

第一共焦状态测量点离焦位移求解；其中，

移相共焦测量方法对位移变化的测量输出是基于位移——两次移相干涉相位转换原理；

移相共焦测量方法利用共焦测量原理的轴向强度层析特性，建立了轴向强度变化与轴向位移相位变化的关联关系。

3.根据权利要求2所述的基于移相干涉的二次共焦测量方法，其特征在于：移相共焦测量方法通过离焦位移值的解析方程求解，直接获得离焦位移测量值。

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