CN101469972B - 长焦深超分辨二次共焦测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长焦深超分辨二次共焦测量装置，其包括设置于同一光路上的激光器、准直扩束镜组、偏振分光镜和四分之一波片、超分辨滤波器、可调光阑，以及分光镜，还包括一个数据处理装置，其能够从所述点探测器获得并记录微驱动装置带动探测聚焦物镜处于不同位置时探测器探测到的光信号；并能够根据四步移相法将所述探测器的多个光信号分别转化为多个相位值。本发明针通过光瞳滤波对测量光斑横向衍射模式进行压缩的同时，使其轴向衍射模式得到扩展，从而在不牺牲轴向分辨力的情况下，提高横向分辨力、扩展轴向量程范围。

Description

长焦深超分辨二次共焦测量装置

技术领域

本发明属于高分辨力光学显微测量技术领域，可应用于三维微细结构测量、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。

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。差动共焦扫描测量方法是在传统共焦技术基础上，通过远离焦和近离焦的探测信号差动运算获得跟踪零点和双极性跟踪特性，并且使探测灵敏度和线性范围扩展1倍。但是，共焦及差动共焦等系统存在如下亟待解决的问题：一是由于位移传感原理基于位移—强度的变化关系，因此易受光强波动、背景光干扰等因素的影响，以及被测表面反射率差异、被测工件倾斜和曲面轮廓变化的影响，引入较大测量误差，制约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。

基于移相干涉的二次共焦测量能够克服共焦及差动共焦等系统的上述不足。但是，基于移相干涉的二次共焦测量的横向分辨力受爱里斑尺寸限制，轴向响应范围也不超过爱里斑轴向焦深范围。

对以基于强度—位移转换原理的光学共焦显微探测系统而言，衍射光斑横向主瓣尺寸增大、轴向焦深扩展意味着分辨力降低；反之，横向主瓣尺寸减小，轴向焦深缩小意味着分辨力提高，因此改变衍射光斑的衍射模式成为提高测量系统分辨力的重要途径之一。近年来，随着衍射光学元件制作工艺技术发展，超分辨光瞳滤波技术开始广泛用于共焦等显微探测系统，用以提高测量分辨力。超分辨光瞳滤波技术提高显微测量系统分辨力的基本原理是通过调制光瞳函数的振幅透过率分布、相位分布或复振幅分布压缩衍射光斑的横向、轴向衍射模式，减小衍射光斑横向和轴向尺寸，从而提高系统分辨力。

本发明以基于移相干涉的二次共焦测量技术为基础，利用二次共焦测量轴向分辨力与移相精度有关，而与轴向焦深无关的特性，提出具有横向超分辨、轴向长焦深特性的长焦深超分辨二次共焦测量方法与装置。

发明内容

本发明目的是以基于移相干涉的二次共焦测量技术为基础，利用二次共焦测量轴向分辨力与移相精度有关，而与轴向焦深范围无关的特性，通过光瞳滤波在对衍射光斑横向模式进行压缩的同时，使其轴向衍射模式得到扩展，从而在不牺牲轴向分辨力的情况下，提高横向分辨力、扩展轴向量程范围，为三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量提供一种高分辨力、大量程的非接触测量装置。

一种长焦深超分辨二次共焦测量装置，其特征在于：包括设置于同一光路上的：

激光器、用于发出线偏振光束；

准直扩束镜组，包括准直聚焦物镜、第一针孔和准直扩束物镜，用于将所述偏振光束转化成为近似理想平面波；

偏振分光镜和四分之一波片，用于将近似理想平面波转换成为圆偏振光束；

超分辨滤波器，用于将圆偏振光束转换成为载有该超分辨滤波器的振幅调制信息的调制光束，所述超分辨滤波器是中心遮挡的纯振幅型超分辨滤波器，该纯振幅型超分辨滤波器被配置为，改变其中心遮挡区域的归一化半径，将入射的圆偏振光束调制为超分辨所需的环形结构光；

可调光阑，用于拦截超分辨滤波器产生的杂散光，并令调制光束通过；以及

分光镜，用于将所述调制光束分为两束光，第一束光由分光镜透射，经过一个反射镜反射，再经分光镜反射，最后经收集物镜会聚在由一个第二针孔和一个探测器组成的点探测器上；第二束光由分光镜反射，再经过一个探测聚焦物镜会聚在一个测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜、分光镜，收集物镜会聚在所述点探测器上；所述探测聚焦物镜设置于一个微驱动装置上，能够沿光路方向临近或远离所述测量表面；

还包括

一个数据处理装置，其能够从所述点探测器获得并记录微驱动装置带动探测聚焦物镜处于不同位置时探测器探测到的光信号；并能够根据四步移相法将所述探测器的多个光信号分别转化为多个第一光束相对于第二光束的相位值。

本发明创新性在于：针对基于移相干涉的二次共焦测量横向分辨力和轴向量程范围受爱里斑尺寸限制的不足，利用二次共焦测量轴向分辨力与移相精度有关，而与轴向焦深无关的特性，通过光瞳滤波对测量光斑横向衍射模式进行压缩的同时，使其轴向衍射模式得到扩展，从而在不牺牲轴向分辨力的情况下，提高横向分辨力、扩展轴向量程范围。

附图说明

图1为所述长焦深超分辨二次共焦测量装置示意图。

图2为所述长焦深超分辨二次共焦测量方法探测聚焦物镜移动及复位示意图。

图3为所述超分辨滤波器结构示意图

图4为所述长焦深超分辨滤波器在测量点准焦情况下产生的超分辨衍射光斑与爱里班横向主瓣宽度对比说明。

图5为所述长焦深超分辨滤波器产生的长焦深衍射光斑与爱里斑焦深范围对比说明。

具体实施方式：

如图1所示，本发明提供的长焦深超分辨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；超分辨滤波器7；可调光阑8；分光镜9；反射镜10；第一微驱动器11；探测聚焦物镜12；第二微驱动器13；收集物镜14；第二针孔15；探测器16，以及数据处理装置17。

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；经过超分辨滤波器7后成为载有振幅调制信息的调制光束；可调光阑8用于拦截超分辨滤波器产生的杂散光；调制光束经分光镜9分为两束光，第一束光由分光镜9透射，经过反射镜10反射，分光镜9反射，经收集物镜会聚在由第二针孔15和探测器16组成的点探测器；第二束光由分光镜9反射，经过探测聚焦物镜12会聚在测量表面上，再经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜12、分光镜9经收集物镜会聚在所述点探测器；第一微驱动器11用于驱动反射镜10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。

在本发明的长焦深超分辨的二次共焦测量装置，超分辨滤波器是一个中心遮挡的纯振幅型超分辨滤波器7，根据设计要求，改变超分辨滤波器中心遮挡区域的归一化半径，将二次共焦显微系统的入射激光光束调制为超分辨所需的环形结构光，利用可调光阑拦截超分辨滤波器调制产生的衍射杂散光，从而最终实现二次共焦显微测量衍射光斑的横向衍射模式压缩和轴向焦深扩展，提高测量系统横向分辨力，扩展轴向量程范围。

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；经过超分辨滤波器7，整形为载有振幅调制信息的光束；经过可调光阑8消除衍射杂散光后，入射到分光镜9，并被分为两束光，第一束光由分光镜9透射，经过反射镜10反射，分光镜9反射，经收集物镜会聚在由第二针孔15和探测器16组成的点探测器上，该光束称为参考光；第二束光由分光镜9反射，经过探测聚焦物镜12会聚在测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜12、、分光镜9再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11用于驱动反射镜10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。

设测量点对测量光束的反射为理想反射，由光学衍射理论分析可知，测量光在第二针孔15和探测器16共同构成的点探测器上振幅响应如下：

$U(0,u)={\left[2{\∫}_{\mathrm{\ϵ}}^1{e}^{\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2/2}\mathrm{\ρd\ρ}\right]}^2$

$={\left[\frac{2}{\mathrm{iu}}(e^{\frac{\mathrm{iu}}{2}}-e^{\frac{\mathrm{iu}{\mathrm{\ϵ}}^2}{2}})\right]}^2$

$={\left[\frac{2}{\mathrm{iu}}{e}^{\frac{\mathrm{iu}}{2}}(1-e^{-\frac{\mathrm{iu}(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{2}})\right]}^2---(1-1)$

$={[\frac{2}{\mathrm{iu}}{e}^{\frac{\mathrm{iu}}{2}}\·e^{-\frac{\mathrm{iu}(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4}}(e^{\frac{\mathrm{iu}(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4}}-e^{-\frac{\mathrm{iu}(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4}})]}^2$

$={[e^{\frac{\mathrm{iu}(1+{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4}}\·(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)\sin c\left(\frac{u(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)]}^2$

测量点离焦量为“0”时，第二针孔15和探测器16共同构成的点探测器上探测光斑强度横向分布如下，

$I(v,0)={\left[2{\∫}_{\mathrm{\ϵ}}^1{J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\right]}^4---(1-2)$

式中， $u=\mathrm{k\Δz}\frac{a^2}{f^2},$ $v=\mathrm{kr}\frac{a}{f}$

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；

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；

r表示光斑强度分布横向坐标；

ε为超分辨滤波器中心遮挡半径，遮挡部分的振幅透过率为0，未遮挡部分的透过率为1。

定义α_i为第一微驱动器11用于驱动反射镜10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10和分光镜9反射后，入射到收集物镜的参考光振幅，A′为测量光入射到收集物镜的振幅。参考光在像平面上的振幅分布为U_R＝A_Rexp(i·α_i)，通过改变分光镜9的分光比，可使A_R＝A′＝1。

限定第二针孔15通光尺寸小于10微米，则测量光和参考光在探测器16上的叠加为完全相关叠加。探测器16光强度响应如公式(2)。

$I_i^n(r_2,u^n)=1+{(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}^4\sin c^4\left(\frac{u^n(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)---\left(2\right)$

$+2{(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}^2\sin c^2\left(\frac{u^n(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)\cos ({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right))$

n表示扫描测量点序号。uⁿ表示第n个扫描测量点的离焦位移；φⁿ(uⁿ)表示第n个扫描测量点，在第一共焦状态下，测量光相对于α_i＝0时的参考光的相位。

由四步移相法(已有技术)，可得第n个扫描测量点，在第一共焦状态下测量光相对于α_i＝0时的参考光的相位

φⁿ(uⁿ)＝tg^-1[(I₄-I₂)/(I₁-I₃)]                         (3)

其中，

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=I_B\left(u^n\right)+I_A\left(u^n\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\right)\\ I_2=I_B\left(u^n\right)-I_A\left(u^n\right)\sin \left({\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\right)\\ I_3=I_B\left(u^n\right)-I_A\left(u^n\right)\cos \left({\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\right)\\ I_4=I_B\left(u^n\right)+I_A\left(u^n\right)\sin \left({\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\right)\end{array}\right.---\left(4\right)$

$I_B\left(u^n\right)=1+{(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}^4\sin c^4\left(\frac{u^n(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)$

$I_A\left(u^n\right)={2(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}^2\sin c^2\left(\frac{u^n(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)$

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16的强度输出。

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13驱动探测聚焦物镜12，改变测量点相对于测量物镜12焦面的位置关系，产生第二种共焦状态，如图2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(uⁿ±u^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。

根据四步移相法，得到第二共焦状态下，测量光相对于参考光的相位φ^n-de(uⁿ±u^de)的计算公式

φ^n-de(uⁿ±u^de)＝tg^-1((I′₄-I′₂)/I′₁-I′₃)                 (5)

u^de表示第二微驱动器13驱动探测聚焦物镜12的位移移动量，限定0≤u^de＜2π。

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16的强度输出，其中

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1^{\′}=I_B(u^n\±u^{\mathrm{de}})+I_A(u^n\±u^{\mathrm{de}})\cos \left({\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(u^n\±u^{\mathrm{de}})\right)\\ I_2^{\′}=I_B(u^n\±u^{\mathrm{de}})-I_A(u^n\±u^{\mathrm{de}})\sin \left({\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(u^n\±u^{\mathrm{de}})\right)\\ I_3^{\′}=I_B(u^n\±u^{\mathrm{de}})-I_A(u^n\±u^{\mathrm{de}})\cos \left({\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(u^n\±u^{\mathrm{de}})\right)\\ I_4^{\′}=I_B(u^n\±u^{\mathrm{de}})+I_A(u^n\±u^{\mathrm{de}})\sin \left({\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(u^n\±u^{\mathrm{de}})\right)\end{array}\right.---\left(6\right)$

$I_B(u^n\±u^{\mathrm{de}})=1+{(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}^4\sin c^4\left(\frac{(u^n\±u^{\mathrm{de}})(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)$

$I_A(u^n\±u^{\mathrm{de}})={2(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}^2\sin c^2\left(\frac{(u^n\±u^{\mathrm{de}})(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)$

第三步，测量参考面复位

如图2所示，第一种共焦状态下，探测聚焦物镜的焦面是测量参考面，第二微驱动器13驱动探测聚焦物镜12产生测量参考面移动，因此完成第二共焦状态移相强度探测后需要将测量参考面复位，即，使用第二微驱动器13驱动探测聚焦物镜12产生大小为u^de的反向位移。

第四步，第一共焦状态测量点离焦位移求解

由公式(3)(5)和方程组(4)(6)，得

${\sin c}^2\left(\frac{u^n(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)=K\·\sin c^2\left(\frac{(u^n\±u_{\mathrm{de}}^n)(1-{\mathrm{\ϵ}}^2)}{4\mathrm{\π}}\right)---\left(7\right)$

其中，

$K=\frac{\sin \left[{\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(u^n\±u^{\mathrm{de}})\right](I_4-I_2)}{\sin \left[{\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\right]({I_4}^{\′}-{I_2}^{\′})},\left|\sin \right[{\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\left]\right|>\frac{\sqrt{2}}{2}---(8-1)$

$K=\frac{\cos \left[{\mathrm{\φ}}^{n-\mathrm{de}}(u^n\±u^{\mathrm{de}})\right](I_3-I_1)}{\cos \left[{\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\right]({I_3}^{\′}-{I_1}^{\′})},\left|\cos \right[{\mathrm{\φ}}^n\left(u^n\right)\left]\right|\≥\frac{\sqrt{2}}{2}---(8-2)$

交替使用公式(8-1)和(8-2)能够提高方程(7)解的稳定性。通过求解方程(7)，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(7)解唯一。由于K∈[0，+∞)，则

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

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

取(8-1)和(8-2)解集合的交集，得方程(7)中“±”符号取“+”时，解的区间为“±”符号取“-”时，解的区间为

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。与未采用超分辨滤波技术的二次共焦测量解的区间(-4π，4π-u_de ⁿ]或[-4π+u_de ⁿ，4π)相比，可见当0＜ε＜1时，本发明公开的长焦深二次共焦测量方法可以使量程范围得到扩展。解的符号表示离焦方向，与离焦正方向定义有关。通过比较爱里斑与超分辨滤波后衍射光斑横向及轴向主瓣零点，由图4可知，超分辨滤波后的衍射光斑横向主瓣宽度减小，意味着测量装置在由第二针孔(15)和探测器(16)组成的点探测器作用下，通过减小视场，抑制旁瓣影响，可以使系统测量横向分辨力得到提高；由图5可知，超分辨滤波后的衍射光斑轴向主瓣宽度扩展，意味着轴向焦深范围增大，系统量程范围得到扩展。

Claims (1)

1.一种长焦深超分辨二次共焦测量装置，其特征在于：包括设置于同一光路上的：

激光器、用于发出线偏振光束；

准直扩束镜组，包括准直聚焦物镜、第一针孔和准直扩束物镜，用于将所述偏振光束转化成为近似理想平面波；

偏振分光镜和四分之一波片，用于将近似理想平面波转换成为圆偏振光束；

超分辨滤波器，用于将圆偏振光束转换成为载有该超分辨滤波器的振幅调制信息的调制光束，所述超分辨滤波器是中心遮挡的纯振幅型超分辨滤波器，该纯振幅型超分辨滤波器被配置为，改变其中心遮挡区域的归一化半径，将入射的圆偏振光束调制为超分辨所需的环形结构光；

可调光阑，用于拦截超分辨滤波器产生的杂散光，并令调制光束通过；以及

分光镜，用于将所述调制光束分为两束光，第一束光由分光镜透射，经过一个反射镜反射，再经分光镜反射，最后经收集物镜会聚在由一个第二针孔和一个探测器组成的点探测器上；第二束光由分光镜反射，再经过一个探测聚焦物镜会聚在一个测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜、分光镜，收集物镜会聚在所述点探测器上；所述探测聚焦物镜设置于一个微驱动装置上，能够沿光路方向临近或远离所述测量表面；还包括一个数据处理装置，其能够：

从所述点探测器获得并记录微驱动装置带动探测聚焦物镜处于不同位置时探测器探测到的光信号；以及，

根据四步移相法将所述探测器的多个光信号分别转化为多个第一光束相对于第二光束的相位值。

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