CN101520305A - 瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域；其装置包括同步移相模块，在该模块三侧分别配置完全相同的由收集物镜、探测针孔和光电探测器组成的干涉信号接收装置；在第一和第二两种共焦测量状态下，控制三路干涉信号接收装置同步采集输出信号，利用三步移相算法完成共焦微位移解算；本发明融合移相二次共焦与同步移相技术各自特点，实现超精密高速动态测量，具有强抗振动能力和低移相误差的优点。

Description

瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法

技术领域

本发明属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域，主要涉及一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法。

背景技术

共焦测量技术最早是由M.Minsky于1957年提出，并于1961年获得了美国专利，专利号US 3013467，其基本技术思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，实现轴向层析能力，同时共焦显微镜的横向分辨力是普通显微镜的1.4倍。经过近五十年的发展，共焦显微技术在基本共焦的基础上取得了长足的发展和进步，各种不同类型的共焦显微装置和技术不断涌现，目前，共焦显微测量技术已经广泛应用于微光学、微电子、微机械、材料、生命科学、表面科学、纳米蚀刻，尤其是在生物医学领域，共焦显微术显示出其巨大的应用前景。

基于位移—强度变化关系的共焦测量方法，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；基于移相干涉的共焦测量方法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。

时间移相干涉二次共焦测量技术(参见发明专利：基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置；专利公开号：CN 101275822A；专利公开日：2008年10月1日)为已公开技术，其装置结构包括：激光器、聚焦物镜、照明针孔、扩束准直物镜、偏振分光镜、四分之一波片、普通分光镜、平面反射镜、第一微驱动器、探测聚焦物镜、第二微驱动器、收集物镜、探测针孔和光电探测器。本发明将时间移相干涉二次共焦测量技术视为已知技术。

时间移相干涉二次共焦测量技术，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算；四步时间移相干涉二次共焦测量技术存在两大缺点：首先由于四幅干涉图是在同一位置不同时刻获得的，使得时间移相干涉方法只适于静态测量，且环境振动和空气扰动严重影响高精度干涉条纹的获得；其次四步时间移相通过PZT微位移驱动来实现，难以消除机械移相误差，这同样制约超精密测量精度的提高。

同步移相干涉测量技术的基本原理是在同一时刻、不同空间位置采集相互之间具有一定移相步长的干涉图。由于振动在相同时刻对干涉图的影响是相同的，如采用高速、高分辨率的采集设备，则基于一般移相算法的相减相除的规则，可以从根本上避免环境振动和空气扰动对测量结果的影响。

基于‘分光镜分光—偏振移相’原理的同步移相模块由Piotr Szwaykowski等人于2004年申请了美国专利(参见专利：Simultaneous phase shifting module foruse in interferometry；专利号：US7483145)。该同步移相模块结构包括：非偏分振幅分光镜、快轴方向与水平方向都成45°角的三个四分之一波片、通光方向与水平方向分别成0°、45°和90°角的三个偏振片以及三个相同的干涉图采集相机。该专利技术已经商品化应用于ESDI公司Intellium^TMH2000系列Fizeau型同步干涉仪。

发明内容

本发明目的在于克服现有时间移相干涉共焦测量技术中环境振动和空气扰动以及机械移相误差对二次移相干涉共焦超精密测量的影响，设计提供一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法。

本发明的技术方案如下：

一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置与方法：

所述装置包括：激光器、聚焦物镜、照明针孔、扩束准直物镜、偏振分光镜、第一四分之一波片、平面反射镜、探测聚焦物镜、微驱动器以及由第一收集物镜、第一探测针孔和第一光电探测器组成的第一干涉信号接收装置，所述装置还包括：二分之一波片、第二四分之一波片、同步移相模块、由第二收集物镜、第二探测针孔和第二光电探测器组成的第二干涉信号接收装置、由第三收集物镜、第三探测针孔和第三光电探测器组成的第三干涉信号接收装置；其中，二分之一波片置于扩束准直物镜和偏振分光镜之间，第一四分之一波片置于偏振分光镜和平面反射镜之间，第二四分之一波片置于偏振分光镜和探测聚焦物镜之间；第一收集物镜、第二收集物镜和第三收集物镜相同，第一探测针孔、第二探测针孔和第三探测针孔相同，第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器相同；第二四分之一波片与第一四分之一波片放置的快轴方向相同。

所述方法包括步骤：

1)探测聚焦物镜固定，在第一种共焦状态下，控制第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器同步采集输出，利用三步移相算法得到测量光相对于参考光的相位；

2)微驱动器驱动探测聚焦物镜产生微小位移量，形成第二种共焦状态，控制第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器同步采集输出，利用三步移相算法再次计算测量光相对于参考光的相位；

3)测量参考面复位，第一共焦状态测量点离焦位移解算，修正二次共焦引入的复位误差。

本发明的有益效果在于：保留了移相干涉二次共焦技术‘强度—相位—位移’转换测量原理，融合移相二次共焦与同步移相干涉技术的各自优点，可实现超精密微细结构的高速动态测量，且具有很强的抗振动能力，同时利用偏振移相方法降低了机械移相误差。

附图说明

图1是本发明所述瞬间移相干涉二次共焦测量装置结构示意图。

图2是已有同步移相模块结构示意图。

图中：1 激光器  2 聚焦物镜  3 照明针孔  4 扩束准直物镜  5 二分之一波片  6 偏振分光镜  7 第一四分之一波片  8 平面反射镜  9 第二四分之一波片10 探测聚焦物镜  11 微驱动器  12 同步移相模块  13 第一收集物镜  14 第二收集物镜  15 第三收集物镜  16 第一探测针孔  17 第二探测针孔  18 第三探测针孔  19 第一光电探测器  20 第二光电探测器  21 第三光电探测器  22 非偏分振幅分光镜  23 第三四分之一波片  24 第四四分之一波片  25 第五四分之一波片  26 第一偏振片  27 第二偏振片  28 第三偏振片

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。

如图1所示，瞬间移相干涉二次共焦测量装置包括：激光器1、聚焦物镜2、照明针孔3、扩束准直物镜4、二分之一波片5、偏振分光镜6、第一四分之一波片7、平面反射镜8、第二四分之一波片9、探测聚焦物镜10、微驱动器11、同步移相模块12、第一收集物镜13、第二收集物镜14、第三收集物镜15、第一探测针孔16、第二探测针孔17、第三探测针孔18、第一光电探测器19、第二光电探测器20、第三光电探测器21；其中，第一四分之一波片7和第二四分之一波片9的快轴方向与水平方向都成45°角；第一收集物镜13、第二收集物镜14和第三收集物镜15相同，第一探测针孔16、第二探测针孔17和第三探测针孔18相同，第一光电探测器19、第二光电探测器20和第三光电探测器21相同；第一收集物镜13、第一探测针孔16和第一光电探测器19组成第一干涉信号接收装置，第二收集物镜14、第二探测针孔17和第二光电探测器20组成第二干涉信号接收装置，第三收集物镜15、第三探测针孔18和第三光电探测器21组成第三干涉信号接收装置。

如图2所示，美国专利技术同步移相模块结构包括：非偏分振幅分光镜22、第三四分之一波片23、第四四分之一波片24、第五四分之一波片25、第一偏振片26、第二偏振片27和第三偏振片28；其中，第三四分之一波片23、第四四分之一波片24和第五四分之一波片25的快轴方向与水平方向都成45°角；第一偏振片26的通光方向与水平方向成0°角，第二偏振片27的通光方向与水平方向成45°角以及第三偏振片28的通光方向与水平方向成90°角。

瞬间移相干涉二次共焦测量装置工作原理：激光器1发出线偏振光，经聚焦物镜2、照明针孔3、扩束准直物镜4后成为近似理想平面波，后经二分之一波片5调整线偏振光偏振方向，由偏振分光镜6分成振动方向相互垂直、能量近似相等的两束线偏振光；第一束透射光经第一四分之一波片7和平面反射镜8反射再次经过第一四分之一波片7后，水平偏振变垂直偏振再经偏振分光镜6反射形成参考光束，第二束反射光束经第二四分之一波片9和探测聚焦物镜10再由测量表面反射，反向经过探测聚焦物镜10以及第二四分之一波片9后垂直偏振变水平偏振再经偏振分光镜6透射形成测量光束；两偏振方向相互垂直的共光路参考、测量线偏振光束，由同步移相模块12分成三路，各自经过第三、第四和第五四分之一波片23、24和25后变成旋向相反的圆偏振光，再经过通光方向与水平方向成0°角的偏振片26形成的干涉条纹移相0°，经过通光方向与水平方向成45°角的偏振片27形成的干涉条纹移相90°，经过通光方向与水平方向成90°角的偏振片28形成的干涉条纹移相180°，在空间不同位置、同一时刻得到三幅位相依次相差90°的干涉图，经第一、第二和第三收集物镜13、14和15分别会聚，经第一、第二和第三探测针孔16、17和18及相应的第一、第二和第三光电探测器19、20和21进行点探测瞬间同步采集输出；微驱动器11用于驱动探测聚焦物镜10实现二次共焦状态测量。

瞬间移相干涉二次共焦微位移测量步骤：

1)第一种共焦状态下同步移相相位解算

定义α₁为‘分光镜分光—偏振移相’模块在干涉图之间引入的移相量，i表示移相状态序号，给出α₁＝0，α₂＝π/2，α₃＝π三种移相状态。在三种移相状态下，点探测器输出光强响应分别如下：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_1=I_B(r_1,u^n)+I_A(r_1,u^n)\cos \left[{\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right]\\ I_2=I_B(r_1,u^n)-I_A(r_1,u^n)\sin \left[{\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right]\\ I_3=I_B(r_1,u^n)-I_A(r_1,u^n)\cos \left[{\mathrm{\φ}}^n(r_1,\mathrm{\Δ}{z}^n)\right]\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，I₁、I₂、I₃为第一种共焦状态下，与三种移相状态相对应的点探测器强度输出；I_A(r₁，uⁿ)和I_B(r₁，uⁿ)与参考光和测量光振幅、测量点振幅反射率、光电探测器光强响应变化有关；n表示扫描测量点序号，φⁿ(r₁，Δzⁿ)表示第n个扫描测量点，在第一种共焦状态下，测量光相对于参考光的相位；Δz表示测量点相对于探测聚焦物镜焦面(测量参考面)的离焦位移；uⁿ为对应于Δzⁿ的轴向无量纲光学坐标；r₁为被测物面径向真实坐标。

求解式(1)，得到第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[(I₁+I₃-2I₂)/(I₁-I₃)]   (2)

2)第二种共焦状态下同步移相相位解算

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。在第二种共焦状态下，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1)的移相干涉过程，并根据式(2)得第二种共焦状态下，测量光相对于参考光的相位φ^n-de(r₁，Δzⁿ±ε^de)：

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

其中，I′₁、I′₂、I′₃为第二种共焦状态下，与三种移相状态对应的点探测器的强度输出；ε^de表示第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10的位移量，限定0≤ε^de<λ/4，且有：

${\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{de}}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}}|{\mathrm{\&phi;}}^{n-\mathrm{de}}(r_1,\mathrm{\&Delta;}{z}^n+{\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{de}})-{\mathrm{\&phi;}}^n(r_1,\mathrm{\&Delta;}{z}^n)|---\left(4\right)$

3)测量参考面复位

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φ^n-re(r₁，Δz_n±ε^de

ε^re)，重复1)的移相干涉过程，由式(2)得到：

其中，I＂₁、I＂₂、I＂₃为复位状态下，与三种移相状态对应的点探测器的强度输出；“±”表示操作者对位移方向正方向的定义；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，且有：

${\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{re}}=\frac{\mathrm{\&lambda;}}{2\mathrm{\&pi;}}|{\mathrm{\&phi;}}^{n-\mathrm{re}}(r_1,\mathrm{\&Delta;}{z}^n+{\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{de}}-{\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{re}})-{\mathrm{\&phi;}}^{n-\mathrm{de}}(r_1,\mathrm{\&Delta;}{z}^n+{\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{de}})|---\left(6\right)$

参考面复位误差：

Δεⁿ＝ε^re-ε^de   (7)

4)第一共焦状态测量点离焦位移求解

求解关联方程：

${\sin c}^2=\left(\frac{u^n}{4}\right)=K\&CenterDot;{\sin c}^2\left(\frac{u^n\&PlusMinus;u_{\mathrm{de}}^n}{4}\right)---\left(8\right)$

其中，

$K=\frac{\sin \left[{\mathrm{\&phi;}}^{n-\mathrm{de}}(r_1,\mathrm{\&Delta;}{z}^n\&PlusMinus;{\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{de}})\right](I_3-I_1)}{\sin \left[{\mathrm{\&phi;}}^n(r_1,\mathrm{\&Delta;}{z}^n)\right](I_3\&prime;-I_1\&prime;)},K\&Element;[0,+\&infin;)$

$u_{\mathrm{de}}^n=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&epsiv;}}^{\mathrm{de}}{\mathrm{NA}}^2$

λ为照明波长NA为探测聚焦物镜10数值孔径。

通过合理求解方程(8)，得第n个测量点无量纲轴向光学坐标位置uⁿ，进而得离焦位移Δzⁿ。

5)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。利用式(7)修正4)中Δzⁿ求解结果：

Δzⁿ＝Δzⁿ-Δε^n-1   (9)。

Claims (2)

1.一种瞬间移相干涉二次共焦测量装置，包括：激光器(1)、聚焦物镜(2)、照明针孔(3)、扩束准直物镜(4)、偏振分光镜(6)、第一四分之一波片(7)、平面反射镜(8)、探测聚焦物镜(10)、微驱动器(11)以及由第一收集物镜(13)、第一探测针孔(16)和第一光电探测器(19)组成的第一干涉信号接收装置；其特征在于，所述装置还包括：二分之一波片(5)、第二四分之一波片(9)、同步移相模块(12)、由第二收集物镜(14)、第二探测针孔(17)和第二光电探测器(20)组成的第二干涉信号接收装置、由第三收集物镜(15)、第三探测针孔(18)和第三光电探测器(21)组成的第三干涉信号接收装置；其中，二分之一波片(5)置于扩束准直物镜(4)和偏振分光镜(6)之间，第一四分之一波片(7)置于偏振分光镜(6)和平面反射镜(8)之间，第二四分之一波片(9)置于偏振分光镜(6)和探测聚焦物镜(10)之间；第一收集物镜(13)、第二收集物镜(14)和第三收集物镜(15)相同，第一探测针孔(16)、第二探测针孔(17)和第三探测针孔(18)相同，第一光电探测器(19)、第二光电探测器(20)和第三光电探测器(21)相同；第二四分之一波片(9)与第一四分之一波片(7)放置的快轴方向相同。

2.一种瞬间移相干涉二次共焦测量方法，其特征在于，所述方法包括步骤：

1)探测聚焦物镜固定，在第一种共焦状态下，控制第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器同步采集输出，利用三步移相算法得到测量光相对于参考光的相位；

2)微驱动器驱动探测聚焦物镜产生微小位移量，形成第二种共焦状态，控制第一光电探测器、第二光电探测器和第三光电探测器同步采集输出，利用三步移相算法再次计算测量光相对于参考光的相位；

3)测量参考面复位，第一共焦状态测量点离焦位移解算，修正二次共焦引入的复位误差。

Images