CN101586947B - 基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量领域，涉及基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置。该方法利用谐振梁的共振带动聚焦透镜在光轴方向快速振动，实现聚焦焦点在光轴方向的快速扫描。采用硬件过零触发电路探测差动共焦传感器的零点，配合精密位移传感器，可以实现光轴方向位移的快速测量并扩展了其量程。同时可以利用光瞳滤波技术提高系统的分辨力和灵敏度。本发明利用谐振梁的方式实现差动共焦传感器的轴向快速扫描，解决了传统差动共焦位移测量速度慢、量程小的难题。差动共焦式传感器探测的是光强信号，具有精度高、抗环境干扰能力强、不损坏被测对象等优点。该方法可以满足高空间分辨力、高精度和大测量范围的要求。

Description

基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置，特别适合于表面三维微纳结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽、活体细胞和透明半透明材料的检测等。

技术背景

随着半导体器件、MEMS器件、MOEMS器件的飞速发展，细微加工技术已经进入亚微米、纳米三维加工技术领域，迫切需要大量程、高效率、高空间分辨力的检测技术。同时随着物理学、生物医学和材料学等学科的迅速发展，例如对活体细胞内部检测和材料断层晶面的检测等，也急需高效率、高层析能力、高空间分辨力和无损伤的检测技术。

近年来虽然扫描隧道显微镜、原子力显微镜和近场光学显微镜等显微探测技术得到迅速的发展，其分辨力已经达到了纳米级。但是，这些显微探测技术存在着以下缺点和不足。扫描隧道和原子力显微探测技术，工作时要求探针与被测样品之间控制在纳米级的范围；近场光学显微探测技术，工作时要求探针与被测样品之间控制在一个波长范围。上述原因限制了此类仪器的检测范围，限制了其在台阶和大倾斜样品检测中的应用。另外此类方法还存在仪器结构复杂、测试条件苛刻、测试效率低和测量范围小等缺点。

由于共焦显微探测技术具有独特的三维层析探测特性，近年来成为国际国内显微探测领域研究的热点。

目前，国外已有众多公司研制了多种型号和多种用途的共焦显微探测仪器，主要分为三类：一类是用于生物医学、材料分析、生化分析等方面的共焦显微镜，如德国莱卡公司生产的Leica TCS SP5共焦显微镜和Leica TCS 4π共焦显微镜，日本Lasertec Corp生产的五波长共焦显微镜

第二类是用于微纳结构与器件、半导体晶圆及掩模版测试等领域的共焦显微测量仪器，如德国Nanofocus公司的白光共焦光学轮廓仪μSurf和激光扫描(光学)轮廓仪μScan，Leica公司生产的Leica INS2000线宽测试仪，日本Lasertec Corp生产的M5350型晶圆检测系统和M3350掩模版检测系统等；第三类是基于共焦显微技术的扫描探针式共焦传感器，如德国米依公司生产的optoNCDT2400型共焦多光谱位移测量系统、法国STIL公司生产的CHR系列共焦多光谱位移测量系统，以及日本基恩士(Keyence)公司生产的LT9000系列表面扫描激光共焦位移计等。

现有共焦显微镜大多基于轴向光强响应I(0，u)与样品轴向位置u之间的对应关系，来进行成像与测量。但利用光强度响应直接进行测量时，存在以下不足：

1、信噪比低，易受环境背景光干扰；

2、线性度差，易受强度响应曲线的非线性影响，降低层析精度；

3、无测量绝对零点，不便于进行绝对跟踪测量；

4、易受样品倾斜和表面粗糙特性影响，不利于微纳尺度的高精度测量；

5、分辨能力依旧不高，尽管共焦显微镜的横向分辨力比光学显微镜改善了1.4倍，但受衍射极限的限制，同时工作在曲线的离焦状态，共焦显微系统实际工作光斑远大于其焦点光斑，降低了其横向分辨力。

由于存在上述原理性缺憾，现有共焦显微镜已不能适应近年来微光机电技术、生化技术、生物医学、微电子学和材料学等领域快速发展而提出的光学高分辨和高层析成像能力的测量需求。

近年来共焦显微探测技术在国内取得了很大的发展。

中国专利“具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法”(申请号：200410006359.6，公告号：CN1209599C)公开了一种高空间分辨力的共焦显微技术。

中国专利“复色超分辨差动共焦测量方法与装置”(申请号：200710301423.7，公告号：CN101182992A)公开了一种复色超分辨差动共焦显微测量方法。

这些研究在提高共焦显微测量技术的空间分辨力方面取得了一定的进展，但是在提高测量速度和扩大量程方面并没有取得进步。

至于光轴方向扫描方式方面，在国际上日本基恩士(Keyence)公司生产的LT9000系列表面扫描激光共焦位移计采用图5所示的音叉扫描方式。而德国蔡司(ZEISS)生产的LSM700系列共聚焦扫描显微镜采用了压电陶瓷扫描方式。国内的天津大学的张国雄等人在音叉扫描方式方面进行了研究。

根据天津大学张国雄等人的分析，音叉在带动透镜运动时，物镜焦点在垂直于测量方向上(即在垂直于光轴方向)的偏移量与音叉振动量的大小量级相当，会造成测量误差。而压电陶瓷由于受各种条件的限制，其位移量很小，达不到毫米量级，在共焦显微镜中带动物镜在光轴方向运动，进行量程扩展，其扩展范围有限。

目前具有高测量速度、大量程和高空间分辨力的光学显微测量技术的报道，迄今为止尚未见到。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前显微测量中量程小、速度低、无法测量台阶和大倾斜样品等问题，提出一种基于谐振梁共振原理进行快速扫描和量程扩展。利用差动共焦传感器的响应曲线零点作为瞄准触发点，通过高精密的位移传感器测量谐振梁振动位移，从而实现在光轴方向的大量程快速扫描测量。本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明的基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，包括以下步骤：

1、平行光透过偏振分光镜、1/4波片，经过物镜会聚到被测样品；光线经过被测样品反射后，通过物镜、1/4波片和偏振分光镜进入差动共焦瞄准触发系统；

2、谐振梁带动物镜在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应曲线上的零点对应物镜聚焦在被测样品表面；

3、通过差动瞄准触发系统探测零点来测量与其对应的物镜的振动位置，其值记为a；为瞄准点对应被测样品表面轮廓的高度值。

本发明所述的测量方法还可以通过加入超分辨光学系统，用于提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。超分辨光学系统可放置在偏振分光镜前面，也可放置在偏振分光镜与差动共焦瞄准触发系统之间。

被测样品为透明或半透明物体时，本发明所述测量方法中的物镜还可以聚焦到被测样品内表面；

本发明还提供一种基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量装置，包括光源，还包括偏振分光镜、1/4波片、物镜、谐振梁、精密位移传感器和差动共焦瞄准触发系统；其中偏振分光镜、1/4波片和物镜依次放在光源出射光线方向，差动共焦瞄准触发系统放置在偏振分光镜反射方向；被测样品与偏振分光镜将光束反射至差动共焦瞄准触发系统，谐振梁配合物镜、差动共焦瞄准触发系统和位移测量系统实现被测样品外表面或内表面的形貌测量。

还可以包括超分辨光学系统，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。超分辨光学系统可以放置在光源与偏振分光镜之间，也可以放置在偏振分光镜与差动共焦瞄准触发系统之间。

本发明对比已有技术具有以下显著优点：

1.首次提出利用利用谐振梁进行光轴方向的快速扫描和量程扩展，由差动共焦响应曲线零点进行瞄准触发，结合位移传感器进行高效率、高分辨力、大量程的显微测量；

2、与传统共焦显微测量技术相比，本显微测量技术具有绝对零点，位于特性曲线灵敏度最大处且与显微系统焦点位置相对应，利用“零点触发”式绝对跟踪测量，可抑制样品表面倾斜、粗糙特性和系统非线性等对测量精度的影响；

3、基于绝对零点瞄准触发测量的“焦点瞄准触发测量方式”，可使共焦显微系统工作在最小光斑状态，显著减小现有共焦显微系统因离焦而引起的对测量结果的影响；

4、差动探测方式显著改善了轴向响应特性的线性，使焦点位置对应的线性最佳、灵敏度最高，可显著提高共焦显微系统的层析成像能力等，特别适用于生物医学等领域要求的层析成像测量；

5、差动探测方式有效地抑制光强波动、探测器电子漂移、环境状态差异等产生的共模噪声，显著改善系统抗干扰能力；

6、可以将光瞳滤波技术等超分辨技术应用到差动传感瞄准触发系统中，用来压缩其焦点光斑的直径，提高系统的横向分辨力。

7、利用差动共焦传感器式“光探针”进行测量，属于无损检测，对测量样品无任何伤害，测量条件简单，易满足。

8、与采用压电陶瓷进行光轴方向的扫描方法相比，用谐振梁的方法可以对测量范围进行更大程度的扩展，满足大台阶测量等应用需求。

9、与采用音叉、悬臂梁等进行光轴方向的扫描方法相比，用谐振梁的方法可以从原理上保证位于谐振梁中心的物镜只产生轴向位移，避免焦点光斑在垂直于光轴方向上的偏移，减小测量误差。

附图说明

图1为本发明测量方法的示意图；

图2为本发明测量装置的示意图；

图3为本发明实施例的示意图；

图4为本发明实施例的差动响应曲线图；

图5为采用音叉扫描的共焦显微光路示意图；

其中：1-偏振分光镜、2-波片、3-物镜、4-谐振梁、5-样品、6-差动共焦瞄准触发系统、7-分光镜、8-透镜、9-针孔、10-探测器、11-透镜、12-针孔、13-探测器、14-光源、15-超分辨光学系统、16-分光镜、17-谐振梁振动位移测量系统 18-照明光源、19-综合测控系统及谐振梁驱动系统、20-分光镜、21-透镜、22-CCD、23-零点、24-离焦的光斑、25-焦点处的光斑、26-近焦的光斑、27-光源、28-偏振分光镜、29-波片、30-物镜、31-被测样品、32-音叉、33-透镜、34-针孔、35-探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

首次提出基于谐振梁的差动共焦显微测量技术，实现高分辨力、大量程和高效率显微测量。本发明的基本思想是利用谐振梁的共振带动聚焦物镜进行光轴方向上的快速扫描，通过差动共焦传感器输出特性曲线的零点对被测样品表面进行瞄准触发，测量其对应的聚焦物镜的位移即可得到样品的高度数据。

实施例

如图3所示，一种基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，其测量步骤是：

首先，打开光源14，射出平行光透过由偏振分光镜1和1/4波片2构成的分光系统，经透镜3会聚在被测样品5的表面，光线再由被测样品5的表面反射后，通过1/4波片2和偏振分光镜1反射进入差动共焦瞄准系统6中的分光镜7；分光镜7将光线分成两路，透射光线经过透镜8、针孔9照射到探测器10，反射光线经过透镜11、针孔12照到探测器13；通过谐振梁振动带动物镜3在光轴方向作往复扫描。差动共焦瞄准系统6的响应曲线如图4所示。通过探测零点23来确定物镜3聚焦在被测样品5的表面，触发高精密位移测量系统测量差动共焦式光探针传感器聚集物镜3的位移，即为被测样品5表面所瞄准点的高度值。

该实施例中通过在偏振分光镜1前面加入超分辨光学系统15，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。

该实施例在光路中加入由照明光源18、分光镜16、分光镜20、透镜21和CCD 22等组成视频图像采集系统，用来在测量时对被测样品5进行观察和定位。

如图3所示，一种基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量装置，包括光源14，依次放置在光源14出射平行光线方向的偏振分光镜1、1/4波片2、物镜3和被测样品5；还包括放置在偏振分光镜反射方向的差动共焦瞄准触发系统6，其中被测样品5，1/4波片2，偏振分光镜1，将光束反射到差动共焦瞄准触发系统6中的分光镜7，分光镜7将光束分成两部分：透射光线经过透镜8、针孔9，照射到探测器10上；反射光线经过透镜11、针孔12，照射到探测器13上。谐振梁4带动物镜3在光轴方向做往复运动扫描。在扫描过程中，物镜3会聚焦在被测样品5的表面，对应差动共焦传感器输出响应曲线中的零点23。利用这个零点去触发测控系统20去记录精密位移传感器17输出的位移值，即可得到被测样品5在这一点的高度值。

该装置在光源14和偏振分光镜1之间加入的超分辨光学系统15，用来提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。

该装置在光路中加入由照明光源18、分光镜16、分光镜20、透镜21和CCD 22等组成的视频图像采集系统，用来在测量时对被测样品5进行观察和定位。

此实施例通过一系列的措施实现了高速度、高分辨力、高层析、大量程的显微测量。与其它测量方法相比，具有结构简单、测量精度高、抗干扰能力强和不损害被测样品等优点。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，其特征在于：

①平行光透过偏振分光镜(1)、1/4波片(2)，经过物镜(3)会聚到被测样品(5)；光线经过被测样品(5)反射后，通过物镜(3)、1/4波片(2)和偏振分光镜(1)进入差动共焦瞄准触发系统(6)；

②两端固支的谐振梁(4)带动物镜(3)在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应曲线上的零点(23)对应物镜(3)聚焦到被测样品(5)的表面；

③通过差动共焦瞄准触发系统(6)探测零点(23)来测量与其对应的物镜(3)的振动位置，其值记为a，为瞄准点对应被测样品(5)表面的高度值。

2.根据权利要求1所述的基于谐振扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，其特征在于：还可以在光路中加入超分辨光学系统(15)，可放置在偏振分光镜(1)前面，也可放置在偏振分光镜(1)与差动共焦瞄准触发系统(6)之间，用于提高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。

3.根据权利要求1所述的基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，其特征在于：被测样品(5)为透明或半透明物体时，物镜(3)还可以聚焦到被测样品(5)内表面。

4.基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量装置，包括光源(14)，其特征在于：还包括偏振分光镜(1)、1/4波片(2)、物镜(3)、两端固支谐振梁(4)、位移测量系统(17)和差动共焦瞄准触发系统(6)；其中偏振分光镜(1)、1/4波片(2)和物镜(3)依次放在光源(14)出射光线方向，差动共焦瞄准触发系统(6)放置在偏振分光镜(1)反射方向；被测样品(5)与偏振分光镜(1)将光束反射至差动共焦瞄准触发系统(6)，两端固支谐振梁(4)配合物镜(3)、差动共焦瞄准触发系统(6)和位移测量系统(17)实现被测样品(5)外表面或内表面的形貌测量。

5.根据权利要求4所述的基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量装置，其特征还在于：还可以在光路中加入超分辨光学系统(15)，可放置在光源(14)与偏振分光镜(1)之间，也可放置在偏振分光镜(1)与差动共焦瞄准触发系统(6)之间。 

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