CN101358835B - 超分辨复色差动共焦测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超分辨复色差动共焦测量方法，其包括：提供第一差动共焦测量装置，提供一平行平板修正色差超分辨测头，提供一计算机装置，以及，精确修正超分辨滤波器平板基底厚度，实现两光束聚焦平面位置调节，从而保证两焦平面的位置差恰好等于第一差动共焦测量装置的线性测量区一半与第二差动共焦测量装置线性测量区一半之和。本发明还提供了一种超分辨复色差动共焦测量装置，本发明的超分辨复色差动共焦测量方法及装置的有益效果在于，在保留已公开的复色超分辨差动共焦测量技术具有两个独立的双极性跟踪线性区间，轴向响应量程大，能抑制共模干扰的技术优点前提下，提高系统横向分辨力。

Description

超分辨复色差动共焦测量装置及方法

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测量装置。

背景技术

超分辨滤波技术是通过改变物镜光瞳的振幅透过率分布和相位分布，利用相干光的干涉作用，获得比爱里斑更小的主瓣光斑的光学滤波技术。在共焦测量系统中，在共焦针孔的作用下，系统以牺牲视场为代价，使测量分辨力得到提高。在已知超分辨滤波技术中，实现光学滤波的主要技术途径有振幅滤波、相位滤波、复振幅滤波以及偏振调制滤波。

复色差动共焦测量是通过引入复色光照明，利用不同波长光束的轴向色散特性获得两个独立的线性工作区间，从而使量程范围得到扩展的测量技术。对复色光照明的共焦系统而言，由于相位调制量与波长有关，因此相位滤波、复振幅滤波以及偏振调制滤波不能用于同时调制两种波长的照明光束，实现超分辨滤波调制。然而，由于纯振幅滤波器调制变量与波长无关，因此可用于复色光照明系统的滤波调制。但是在传统纯振幅滤波器中，滤波调制作用仅与振幅透过率分布函数有关，而与基底厚度无关。滤波器基底厚度不是传统纯振幅滤波器的设计变量。

在已公开的复色超分辨差动共焦测量技术中，两个超分辨滤波器分别置于第一、第二波长光束探测分支光路，用以实现超分辨滤波调制；两个独立的线性工作区间重叠区位置是在光学系统设计过程中，通过控制复色光波位置色差校正量构建重叠区间，通过提高元件加工精度和系统装调精度，保证重叠区间构建的准确性。系统集成后，线性区间的重叠位置就固定下来，不能进行修正。

考虑到元件制造误差和系统装调误差影响，在已公开复色超分辨差动共焦测量系统中，精确控制线性工作区间重叠区位置具有加工难度大、装调要求很高的不足。

发明内容

本发明一个目的在于，克服已公开复色超分辨差动共焦测量装置研制元件加工难度大、系统装调要求很高的不足，提出一种兼顾复色光照明超分辨滤波调制作用和位置色差校正量修正功能的超分辨复色差动共焦测量方法。

为实现上述目的，本发明的超分辨复色差动共焦测量方法包括：提供第一差动共焦测量装置，用于输出具有第一波长的第一测量相干光束，以及用于接收具有第一波长的第一反射光束，并根据所接收的具有第一波长的第一反射光束产生第一近离焦探测器输出和第一远离焦探测器输出；提供第二差动共焦测量装置，用于输出具有第二波长的第二测量相干光束，以及用于接收具有第二波长的第二反射光束，并根据所接收的具有第二波长的第二反射光束产生第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出；

提供一平行平板修正色差超分辨测头，其包括二向分色镜，聚焦物镜和平行平板色差修正超分辨滤波器，令第一测量相干光束和第二测量相干光束汇合于二向分色镜，再通过聚焦物镜和超分辨滤波器后分别聚焦于不同的平面；

提供一计算机装置，用于读取并记录第一近离焦探测器输出、第一远离焦探测器输出、第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出，并分别根据第一近离焦探测器输出与第一远离焦探测器输出之差生成具有一线性测量区的第一轴向测量响应曲线，以及根据第二远离焦探测器输出和第二近离焦探测器输出之差生成具有一线性测量区的第二轴向测量响应曲线；以及，

精确修正超分辨滤波器平板基底厚度，实现两光束聚焦平面位置调节，从而保证两焦平面的位置差恰好等于第一差动共焦测量装置的线性测量区一半与第二差动共焦测量装置线性测量区一半之和。

本发明还提供了一种超分辨复色差动共焦测量装置，包括

第一差动共焦测量装置，用于输出具有第一波长的第一测量相干光束，以及用于接收具有第一波长的第一反射光束，并根据所接收的具有第一波长的第一反射光束产生第一近离焦探测器输出和第一远离焦探测器输出；

第二差动共焦测量装置，用于输出具有第二波长的第二测量相干光束，以及用于接收具有第二波长的第二反射光束，并根据所接收的具有第二波长的第二反射光束产生第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出；

平行平板修正色差超分辨测头，其包括二向分色镜，聚焦物镜和平行平板色差修正超分辨滤波器，令第一测量相干光束和第二测量相干光束汇合于二向分色镜，再通过聚焦物镜和超分辨滤波器后分别聚焦于不同的平面；

计算机装置，用于读取并记录第一近离焦探测器输出、第一远离焦探测器输出、第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出，并分别根据第一近离焦探测器输出与第一远离焦探测器输出之差生成具有一线性测量区的第一轴向测量响应曲线，以及根据第二远离焦探测器输出和第二近离焦探测器输出之差生成具有一线性测量区的第二轴向测量响应曲线，其中，

精确修正超分辨滤波器平板基底厚度，实现两光束聚焦平面位置调节，从而保证两焦平面的位置差恰好等于第一差动共焦测量装置的线性测量区一半与第二差动共焦测量装置线性测量区一半之和。

优选的是，所述超分辨滤波器包括各向同性的平板透明介质基底和设置于该透明介质基底上的具有多个具有不同透过率的同心环带区域膜层。

优选的是，所述各向同性透明介质是玻璃。

本发明所述的基于平行平板色差校正的超分辨复色差动共焦测量方法及装置的良好效果在于：在保留已公开的复色超分辨差动共焦测量技术具有两个独立的双极性跟踪线性区间，轴向响应量程大，能抑制共模干扰的技术优点前提下，通过1个振幅型超分辨滤波器，同时调制第一、第二测量光束，提高系统横向分辨力；在光学系统集成后，通过精确修正超分辨滤波器基底厚度，进一步调节聚焦光斑轴向位置色差，实现第一、第二波长测量光束聚焦平面间距离精确控制，保证测量装置具有最佳线性重叠区间，该方法调节简便易行，便于工程应用。

附图说明

图1为现有技术中的一种典型的超分辨差动共焦检测系统的原理示意图；

图2为图1中的超分辨差动共焦检测系统的轴向光强探测信号曲线图；

图3为本发明的基于平行平板色差校正的超分辨复色差动共焦测量装置原理示意图；

图4为图3中的基于平行平板色差校正的超分辨复色差动共焦测量装置的轴向光强探测信号曲线图；

图5为图3中兼有复色光照明的超分辨滤波调制和轴向位置色差修正功能的超分辨滤波器结构示意图；

图6为本发明所使用的一种滤波器的立体示意图。

具体实施方式

参照图3，本发明的基于平行平板色差校正的超分辨复色差动共焦测量装置包括第一差动共焦测量装置100，第二差动共焦测量装置200和平行平板修正色差超分辨测头300。

第一差动共焦测量装置100包括发射波长λ₁的第一激光器1，依次设置在所述激光器发射端轴线上的第一准直聚焦物镜2、第一针孔3、第一准直扩束物镜4、第一偏振分光镜5和第一四分之一玻片13以及设置在所述第一偏振分光镜反射端轴线上的第一分光镜6、第一探测物镜9、第二针孔10和第一远离焦平面光电探测器11，及设置在所述第一分光镜6反射端轴线上的第二探测物镜7、第三针孔8和第一近离焦平面光电探测器12。

第二差动共焦测量装置200包括发射波长λ₂的第二激光器18，依次设置在所述激光器发射端轴线上的第二准直聚焦物镜19、第四针孔20以及第二准直扩束物镜21、第二偏振分光镜22和第二四分之一玻片23以及设置在所述第二偏振分光镜反射端轴线上的第二分光镜24、第三探测物镜25、第五针孔26和第二近离焦平面光电探测器27，及设置在所述第一分光镜24反射端轴线上的第四探测物镜28、第六针孔29和第二远离焦平面光电探测器30。

平行平板色差修正超分辨测头300包括二向分色镜14、聚焦物镜15和平行平板色差修正超分辨滤波器31。

根据差动及超分辨差动共焦探测基本原理可知，图3所示的由第二针孔8、第三针孔10与第一光电探测器12、第二光电探测器11构成的点探测器产生的差动输出信号可以用公式(1)表示；由第六针孔26、第五针孔29与第四光电探测器27、第三光电探测器30构成的点探测器产生的差动输出信号可以用公式(2)表示。即公式(1)、(2)分别对应波长为λ₁、λ₂的测量光束的测量响应输出表达式；

$I(v_1,u_1,U_{M1})=I_2(v_1,u_1,+U_{M1})+n_{s1}-(I_1(v_1,u_1,-U_{M1})+n_{s1})$

$={\left|\right[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{{\mathrm{iu}}_1{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_1\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}]\·[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u_1-U_{M1}){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_1\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}\left]\right|}^2$

$-{\left|\right[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{{\mathrm{iu}}_1{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_1\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}]\·[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u_1+U_{M1}){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_1\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}\left]\right|}^2---\left(1\right)$

$I^{\′}(v_2,u_2,{U^{\′}}_{M2})={I_1}^{\′}(v_2,u_2,-{U^{\′}}_{M2})+n_{s2}-({I_2}^{\′}(v_2,u_2{{,U}^{\′}}_{M2})+n_{s2})$

$={\left|\right[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{{\mathrm{iu}}_2{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_2\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}]\·[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u_2+U_{M2}){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_2\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}\left]\right|}^2$

$-{\left|\right[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{{\mathrm{iu}}_2{\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_2\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}]\·[2{\∫}_0^{1}A\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{i(u_2-U_{M2}){\mathrm{\ρ}}^2}{2}}{J}_0\left({\mathrm{\ρv}}_2\right)\mathrm{\π\ρd\ρ}\left]\right|}^2---\left(2\right)$

式中，

v₁、v₂表示横向无量刚坐标；

v_1，2＝2π·sinα·r/λ_1，2；

r为以光斑焦点为原点的径向坐标；

α为像方数值孔径角；

u_1，2＝8π·sin²(α/2)·z/λ_1，2为轴向无量刚坐标；

z为以光斑焦点为原点的轴向坐标；

I₁(v₁，u₁，-U_M1)为第一光电探测器输出；

I₂(v₁，u₁，+U_M1)为第二光电探测器输出；

I₁′(v₂，u₂，-U′_M2)为第四光电探测器输出；

I₂′(v₂，u₂，U′_M2)为第三光电探测器输出；

n_s1、n_s2为共模噪声；

A(ρ)为平行平板色差修正超分辨滤波器31的振幅透过率调制函数；

+UM1为第一远离焦光电探测器的偏移量；

-UM1为第一近离焦光电探测器的偏移量；

+UM2为第二远离焦光电探测器的偏移量；

-UM1为第二近离焦光电探测器的偏移量；

公式(1)的典型输出如附图4中波长1响应曲线所示，其测量原点为O1即第一差动共焦测量装置100的准焦面17，线性测量区间为AX即如图3所示的偏移原点O1的区间；公式(2)的典型输出如附图4中波长2响应曲线所示，测量原点为O2即第二差动共焦测量装置的准焦面16，其线性测量区间为CY即偏移原点O2的区间。图3中的准焦面16、17分别用虚线表示。区间临界面A、X、Y、C分别用实线表示。其中，根据物镜对复色波聚焦将产生焦面平移的原理，利用部分色差校正物镜15位置色差不完全校正特性，通过对应λ₁、λ₂选择部分色差校正物镜15，可以实现令λ₁、λ₂光束聚焦所产生的位置色差δ_c＝O1O2小于第一差动共焦测量装置100的线性测量范围AX的一半和第二差动共焦测量装置200的线性测量范围CY的一半两者之和；继而使得第一差动共焦测量装置100和第二差动共焦测量装置200的线性测量区域AX、CY存在交点B，即转换点B，这样就保证了本发明中装置的实现。

部分色差校正物镜为专用物镜，其作用是通过物镜设计控制第一测量相干光束和第二测量相干光束的位置色差，即第一焦平面和第二焦平面之间的距离。物镜色差校正设计方法为已知技术。但是，考虑到光学元件加工误差和系统装调误差的影响作用，依赖高精度元件加工和高精度系统装调的方法精确控制第一焦平面和第二焦平面之间的距离具有很高的技术难度和很高的研制成本。为此，本发明给出一种兼顾复色光照明超分辨滤波调制和轴向位置色差修正的装置，在聚焦物镜对复色照明光束聚焦位置色差进行初步控制后，通过精确修正平行平板色差修正超分辨滤波器基底厚度，进一步修正第一焦平面和第二焦平面之间的距离。

根据平行平板对光线折射具有方向不变而只引入位置色差，且色差大小只与平板的厚度和玻璃的光学常数有关的原理，利用平行平板色差修正超分辨滤波器31基底材料的色差特性修正第一、第二测量光束聚焦的位置色差。

λ₁、λ₂光束聚焦所产生的位置色差δ_c＝O1O2由两部分组成，一部分是测量聚焦物镜光学系统固有色差，系统装调完毕即为固定值；另一部分是平行平板色差修正超分辨滤波器引入的修正色差，用以实现最终位置色差的精确控制。

平行平板色差修正超分辨滤波器引入的修正色差量可由公式(3)求得：

$\mathrm{\δ}=\frac{n_{{\mathrm{\λ}}_1}-n_{{\mathrm{\λ}}_2}}{n_{{\mathrm{\λ}}_e}^2}{d}_2---\left(3\right)$

式中，

δ为平行平板色差修正超分辨滤波器引入的修正色差；

为平行平板色差修正超分辨滤波器基底玻璃材料对应波长λ₁的折射率；

为平行平板色差修正超分辨滤波器基底玻璃材料对应波长λ₂的折射率；

为平行平板色差修正超分辨滤波器基底玻璃材料对应设计中心波长λ_d＝的折射率；

d₁为平行平板色差修正超分辨滤波器振幅透过率膜层厚度，d_1≈0，使用中忽略的d₁影响作用；

d₂为平行平板色差修正超分辨滤波器基底厚度，为位置色差修正的调节参数。

图5中，k0、k1…kn表示平行平板色差修正超分辨滤波器环带区域振幅透过率；a0、a1…an表示平行平板色差修正超分辨滤波器不同振幅透过率环带区域的归一化极坐标半径。

可由玻璃材料手册查询获得。kn、an参数的确定，即A(ρ)函数的确定，由已知的超分辨滤波器设计方法获得。图6为一种可以使用的滤波器的结构示意图。

假设某型号玻璃的 $n_{{\mathrm{\λ}}_d}=1.52,$ $n_{{\mathrm{\λ}}_2}=1.525,$ $n_{{\mathrm{\λ}}_1}=1.517,$ d₂＝1.5mm，则由公式(3)得，由平行平板色差修正超分辨滤波器引入的位置色差δ＝7.9μm。若需要进一步调整第一、第二测量光束聚焦的位置色差，假设平行平板色差修正超分辨滤波器基底厚度d₂由1.5mm修正加工后的厚度为1.3mm，则由公式(3)得，第一、第二测量光束聚焦的位置色差改变量为1.05μm.。可见，改变平行平板色差修正超分辨滤波器基底厚度可以实现第一、第二测量光束聚焦的位置色差的精确控制。

在用本发明进行测量的过程中，当测量面位置由A运动到位置B时，第一差动共焦测量装置的输出与第二差动共焦测量装置的输出相同，此时切换探测器输出信号，由第二差动共焦测量装置的输出继续跟踪测量面位移，测量输出曲线由AB转移到BC，从而实现量程扩展，本发明的位移测量量程范围是ABC曲线所对应的轴向位移范围。

第一差动共焦测量装置100和第二差动共焦测量装置200的线性测量区的范围是由其本身的属性确定的，因此，本发明的范围并不限于如图中所示的AB，BC的线性测量区范围相等的情况，当第一差动共焦测量装置100和第二差动共焦测量装置200的线性测量区范围有差异时，本发明的装置及方法也是可实施的。另外，由于照明光束波长存在差异，第一差动共焦测量装置100和第二差动共焦测量装置200的横向、轴向分辨力存在差异，因此系统应用时应分别标定第一差动共焦测量装置100和第二差动共焦测量装置200的横向、轴向分辨力。

由公式(1)(2)运算结果可见，共模噪声

得到抑制。

参考附图3，本发明所述的基于平行平板色差校正的超分辨复色差动共焦测量装置，其具体测量步骤如下：

第一第二激光器1、18分别发出波长为λ₁、λ₂的线偏振光束，分别经过第一准直聚焦物镜2、第一针孔3和第一准直物镜4，以及第二准直聚焦物镜19、第四针孔20和第二准直物镜21准直输出至第一、第二偏振分光镜5、22；

波长为λ₁、λ₂的线偏振光束透过第一、第二偏振分光镜5、22和第一、第二四分之一波片13、23后成为圆偏振光；

波长为λ₁、λ₂的测量光束分别经过二向分色镜14透射和反射，到达聚焦物镜15和平行平板色差修正超分辨滤波器31，具有相应的超分辨振幅调制信息和位置色差校正量，分别聚焦于第一焦平面17和第二焦平面16；

测量光束被测量面反射，经过聚焦物镜15、平行平板色差修正超分辨滤波器31和二向分色镜14，再次经过第一、第二四分之一波片13、23后成为与入射光束振动方向垂直的线偏振光；

波长为λ₁、λ₂的测量光束被第一、第二偏振分光镜5、22反射到达第一、第二分光镜6、24；

第一、第二分光镜6、24分别将波长为λ₁、λ₂的测量光束等强度分离，分支光束分别经过第一、第二、第三和第四探测聚焦物镜7、9、25、28和第二、第三、第五、第六针孔8、10、26、29由第一远焦、第一近焦、第二近焦、第二远焦光电探测器11、12、27、30接收，其轴向响应测量曲线，如附图4所示；

当测量面由位置A向位置B运动过程中，由曲线AB输出测量结果，当测量面由位置A运动到达位置B时，第一差动共焦测量装置的输出与第二差动共焦测量装置的输出，此时切换探测器输出信号，由第二差动共焦测量装置的输出继续跟踪测量面位移，测量输出曲线由AB转移到BC，测量原理与AB段相同，系统测量范围为ABC曲线所对应的轴向线性位移范围。

即若第一差动共焦测量装置的输出计算方法为第一近焦探测器输出减第一远焦探测器输出，则第二差动共焦测量装置的输出为第二远焦探测器输出减第二近焦探测器输出，当然，反之亦然。其作用是产生等值响应输出，从而便于实现测量区间转换。

所述装置的特征在于通过一个平行平板色差修正超分辨滤波器同时实现两个波段照明光束的超分辨滤波调制；

所述装置的特征在于具有平行平板色差修正超分辨滤波器，可以通过调节平行平板色差修正超分辨滤波器基底厚度实现对复色光束聚焦平面间距的精确修正；

所述装置的特征在于平行平板色差修正超分辨滤波器同时具有位置色差修正作用和超分辨滤波调制作用。

Claims (4)

1.一种超分辨复色差动共焦测量方法包括：

提供第一差动共焦测量装置，用于输出具有第一波长的第一测量相干光束，以及用于接收具有第一波长的第一反射光束，并根据所接收的具有第一波长的第一反射光束产生第一近离焦探测器输出和第一远离焦探测器输出；提供第二差动共焦测量装置，用于输出具有第二波长的第二测量相干光束，以及用于接收具有第二波长的第二反射光束，并根据所接收的具有第二波长的第二反射光束产生第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出；

提供一平行平板修正色差超分辨测头，其包括二向分色镜，聚焦物镜和平行平板色差修正超分辨滤波器，令第一测量相干光束和第二测量相干光束汇合于二向分色镜，再通过聚焦物镜和超分辨滤波器后分别聚焦于不同的平面；

提供一计算机装置，用于读取并记录第一近离焦探测器输出、第一远离焦探测器输出、第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出，并分别根据第一近离焦探测器输出与第一远离焦探测器输出之差生成具有一线性测量区的第一轴向测量响应曲线，以及根据第二远离焦探测器输出和第二近离焦探测器输出之差生成具有一线性测量区的第二轴向测量响应曲线；以及，

精确修正超分辨滤波器平板基底厚度，实现两光束聚焦平面位置调节，从而保证两焦平面的位置差恰好等于第一差动共焦测量装置的线性测量区一半与第二差动共焦测量装置线性测量区一半之和。

2.一种超分辨复色差动共焦测量装置，其特征在于：

包括第一差动共焦测量装置，用于输出具有第一波长的第一测量相干光束，以及用于接收具有第一波长的第一反射光束，并根据所接收的具有第一波长的第一反射光束产生第一近离焦探测器输出和第一远离焦探测器输出；第二差动共焦测量装置，用于输出具有第二波长的第二测量相干光束，以及用于接收具有第二波长的第二反射光束，并根据所接收的具有第二波长的第二反射光束产生第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出；平行平板修正色差超分辨测头，其包括二向分色镜，聚焦物镜和平行平板色差修正超分辨滤波器，令第一测量相干光束和第二测量相干光束汇合于二向分色镜，再通过聚焦物镜和超分辨滤波器后分别聚焦于不同的平面；精确修正超分辨滤波器平板基底厚度，实现两光束聚焦平面位置调节，从而保证两焦平面的位置差恰好等于第一差动共焦测量装置的线性测量区一半与第二差动共焦测量装置线性测量区一半之和；以及，计算机装置，用于读取并记录第一近离焦探测器输出、第一远离焦探测器输出、第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出，并分别根据第一近离焦探测器输出与第一远离焦探测器输出之差生成第一轴向测量响应曲线，以及根据第二远离焦探测器输出和第二近离焦探测器输出之差生成第二轴向测量响应曲线。

3.根据权利要求2所述的超分辨复色差动共焦测量装置，其特征在于：所述超分辨滤波器包括各向同性的平板透明介质基底和设置于该透明介质基底上的具有多个具有不同透过率的同心环带区域膜层。

4.根据权利要求3所述的超分辨复色差动共焦测量装置，其特征在于：所述各向同性透明介质是玻璃。

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