CN102121818B - 纳米分辨全反射差分微位移测量的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米分辨全反射差分微位移测量的方法和装置，装置包括激光器、单模光纤、准直透镜、偏振分光器、λ/4波片、显微物镜、被测靶镜、斜方棱镜、凸透镜、差分探测器、驱动与显示单元，方法包括：将激光滤波、准直、偏振分光后，依次透过快轴与垂直入射的光束偏振方向的夹角为45°的λ/4波片和显微物镜到达被测靶镜后被反射，并逆向返回后经过显微物镜和λ/4波片，再次垂直入射到偏振分光器，再进入斜方棱镜并在其内部发生全反射后出射，汇聚后入射到差分探测器进行处理，得到反映被测靶镜位置变化的信号，并显示被测靶镜的位置变化。本发明可进行纳米分辨率的检测，广泛应用于工业精密测量与监测领域中。

Description

纳米分辨全反射差分微位移测量的方法和装置

技术领域

本发明属于光电检测技术领域，具体涉及一种高精密微位移测量和监测的方法和装置。 

背景技术

如今，纳米科学技术、生物技术、高端集成电路制造技术成为世界科学技术发展的重要方向。快速可靠的纳米级分辨率检测技术在纳米科学技术、生物技术、高端集成电路制造等领域的研究中扮演着极其重要的角色。传统基于光干涉的显微测量技术目前已经能够获得高达1nm以下的测量分辨率。而目前，对于微小位移测量的光学非干涉方法属共聚焦手段最为成功，传统的共聚焦方法，是利用点光源、被测物和针孔三者放置在彼此共轭的位置，构成了光学系统中的点照明和点探测。但其分辨率受限于针孔大小和显微物镜的数值孔径，且受到外界背景与光源本身波动的影响。为了改善其轴向分辨率，在专利号为200510123581.9的中国发明专利中，赵维谦等人提出了差分共焦的思想，利用两个接收小孔在轴向上距离焦平面错开一定的位置，通过探测通过两小孔后的光强，然后作差分处理，提高了轴向分辨率，同时也消除了光功率波动以及背景噪声对测量的影响，但其需要两个小孔、两个探测器且调整相对复杂，因而系统昂贵。 

发明内容

本发明提供了一种基于全反射差分的具有纳米分辨率的微位移测量方法和装置，可用于工业精密测量和显微镜中样品是否离焦的监测。 

一种纳米分辨全反射差分微位移测量的方法，包括以下步骤： 

(1)由激光器发射的光线，经单模光纤滤波滤去高阶模式后，再经过准直透镜准直，得到准直光束； 

(2)所述的准直光束垂直入射到偏振分光器上分光为第一透射光束和第一反射光束，所述的第一透射光束为第一平行线偏振光，所述的第一反 射光束为第一垂直线偏振光； 

(3)将所述的第一透射光束或第一反射光束作为第一入射光束，透过λ/4波片后变成第一圆偏振光，其中λ/4波片的快轴与所述的第一入射光束的偏振方向的夹角为45°； 

所述的第一圆偏振光经过显微物镜汇聚得到聚焦光束，聚焦光束入射到被测靶镜后逆向反射，反射出来的光束逆向经过所述的显微物镜后，变成第二圆偏振光，第二圆偏振光透过所述的λ/4波片后变成第二入射光束，所述的第二入射光束与所述的第一入射光束的偏振方向相差90°，当所述的第一透射光束作为第一入射光束，所述的第二入射光束为第二垂直线偏振光；当所述的第一反射光束作为第一入射光束，所述的第二入射光束为第二平行线偏振光； 

(4)所述的第二入射光束垂直入射到偏振分光器上，得到第三反射光束或第三透射光束，作为第三入射光束；当所述的第二入射光束为第二垂直线偏振光，所述的第三入射光束为第三反射光束；当所述的第二入射光束为第二平行线偏振光，所述的第三入射光束为第三透射光束； 

(5)所述的第三入射光束进入斜方棱镜后在斜方棱镜内部发生至少一次全反射后出射，出射光束经过凸透镜汇聚入射到差分探测器上，将光强信号转化为电信号，送入到探测器驱动和显示系统中，通过差分计算得到反映被测靶镜位置变化的电压信号，并显示被测靶镜的位置变化。 

其中，步骤(1)中所述的激光器发射的光线可以为波长在380～780nm范围内的可见光。 

其中，步骤(1)中所述的准直透镜可以为正透镜，也可以为正透镜组。 

其中，步骤(3)中所述的显微物镜优选采用高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔径NA＝0.8～1。 

其中，步骤(5)中所述的差分探测器可以是二象限探测器，也可以是四象限探测器。 

本发明还提供了一种用于实现纳米分辨全反射差分微位移测量的装置，包括：第一部件组、第二部件组、第三部件组和第四部件组，其中， 

所述的第一部件组，依次包括：激光器、单模光纤和准直透镜，用于发射出光线，并对其进行滤波处理滤去高阶模式和准直处理，得到准直光 束； 

所述的第二部件组，为偏振分光器，用于将垂直入射的所述的准直光束分光为第一透射光束和第一反射光束，所述的第一透射光束或第一反射光束为第一入射光束；所述的第一透射光束为第一平行线偏振光，所述的第一反射光束为第一垂直线偏振光；以及用于对垂直入射的所述的第三部件组的出射光束进行反射或透射，得到第三反射光束或第三透射光束，作为第三入射光束； 

所述的第三部件组，依次包括：λ/4波片和显微物镜，与被测靶镜位于相同的光路上，用于使垂直入射的第一入射光束在依次经过45°位相延迟和聚焦后到达被测靶镜，经由被测靶镜反射的光线逆向返回经过显微物镜，再经过第二次45°位相延迟，得到与第一入射光束的偏振方向相差90°的出射光束，为第二入射光束；其中，λ/4波片的快轴与第一入射光束的偏振方向的夹角为45°； 

所述的第四部件组，依次包括：斜方棱镜、凸透镜、差分探测器和探测器驱动和显示单元；所述的斜方棱镜用于使入射的第三入射光束发生至少一次全反射后出射；所述的凸透镜用于汇聚从斜方棱镜出射的光束；所述的差分探测器用于接收经所述的凸透镜汇聚的光束，并将光强信号转化为电信号；所述的探测器驱动和显示单元用于接收所述的电信号，进行差分和显示； 

所述的各部件组的相对位置为： 

(a)所述的第一部件组和第二部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，所述的第三部件组位于所述的偏振分光器的第一透射光路上，所述的第四部件组位于所述的偏振分光器的第三反射光路上，所述的第一透射光路为：所述的准直光束垂直入射到所述的偏振分光器上时第一透射光束的出射光路；所述的第三反射光路为：由所述的经被测靶镜逆向反射回来的光经过所述的显微物镜和λ/4波片后，垂直入射到所述的偏振分光器上时第三反射光束的出射光路； 

或者，(b)所述的第一部件组和第二部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，所述的第三部件组位于所述的偏振分光器的第一反射光路上，所述的第四部件组位于所述的偏振分光器的第三透射光路上， 所述的第一反射光路为：所述的准直光束垂直入射到所述的偏振分光器上时第一反射光束的出射光路；所述的第三透射光路为：由所述的经被测靶镜逆向反射回来的光经过所述的显微物镜和λ/4波片后，垂直入射到所述的偏振分光器上时第三透射光束的出射光路。 

其中，所述的准直透镜可以为正透镜，也可以为正透镜组。 

其中，所述的显微物镜优选采用高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔径NA＝0.8～1。 

其中，所述的差分探测器可以是二象限探测器，也可以是四象限探测器。 

本发明的方法和装置的基本原理是： 

当被测靶镜位于显微物镜的焦平面上时，经被测靶镜反射后逆向返回的光束为平行光束，经偏振分光器后，入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内发生至少一次全反射后，透过凸透镜汇聚到差分探测器上，这时差分探测器的差分电压输出为零。 

当被测靶镜离开显微物镜的焦平面时，经被测靶镜反射后逆向返回的光束为汇聚或者发散光束，经偏振分光器后，入射到斜方棱镜上，在斜方棱镜内发生至少一次全反射后，透过凸透镜汇聚到差分探测器上，差分探测器的驱动和显示单元显示相应的差分电压的值。由此，可以标定差分电压与被测靶镜位移的关系，把系统标定好后，就可以用于微小位移的测量与监测。 

相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果： 

(1)利用了发生全反射时反射率对角度敏感的原理，提高系统的灵敏度； 

(2)利用差分的原理，可以克服光功率波动以及背景噪声对测量的影响； 

(3)测量系统简单且标定的差分电压和被测靶镜位移的关系曲线过零点，因此即可以确定靶镜的运动位移大小，还可以确定其移动方向。 

附图说明

图1为本发明装置的第一种实施例的原理示意图； 

图2为第三入射光为S偏振光(垂直偏振光)和P偏振光(平行偏振 光)在不同入射角度时的归一化反射率曲线； 

图3为第三入射光为S偏振光(垂直偏振光)在不同的入射角度时归一化差分电压随被测靶镜位移变化的曲线； 

图4为入射光在斜方棱镜内部发生两次反射时的光线示意图； 

图5为入射光在经过斜方棱镜时发生不同全反射次数时归一化差分电压随被测靶镜位移变化的曲线； 

图6为第三入射光为S偏振光(垂直偏振光)在斜方棱镜内部发生一次全反射和两次全反射时归一化差分电压随被测靶镜位移变化的曲线； 

图7为本发明装置的第二种实施例的原理示意图。 

具体实施方式

下面结合实施例和附图来详细说明本发明，但本发明并不仅限于此。 

实施例1： 

如图1所示，一种纳米分辨全反射差分微位移测量的装置，包括：激光器1、单模光纤2、准直透镜3、偏振分光器4、λ/4波片5、显微物镜6、被测靶镜7、斜方棱镜8、凸透镜9、差分探测器10、驱动与显示单元11。 

激光器1、单模光纤2和准直透镜3依次构成第一部件组，偏振分光器4为第二部件组，第一部件组和第二部件组依次位于激光器1发射出的光线的光路上；λ/4波片5和显微物镜6构成第三部件组，与被测靶镜7依次位于偏振分光器4的第一透射光路上；斜方棱镜8、凸透镜9、差分探测器10和驱动与显示单元11依次构成第四部件组，位于偏振分光器4的第三反射光路上，此处，第一透射光路为：由第一部件组出射的准直光束垂直入射到偏振分光器4上进行透射的透射光路(即第一透射光束的出射光路)，第三反射光路为：由被测靶镜7逆向反射回来的光经过显微物镜6和λ/4波片5后，垂直入射到偏振分光器4上进行反射的反射光路(即第三反射光束的出射光路)。 

激光器1发出的激光经过单模光纤2滤去高阶模式，再经过准直透镜3准直，透过偏振分光器4，得到的第一透射光束变成P偏振光(平行偏振光)，为第一平行线偏振光。 

λ/4波片5放置在偏振分光器4的第一透射光路上且其快轴方向与第一平行线偏振光的偏振方向的夹角为45°，第一平行线偏振光透过λ/4波片 5，变为圆偏振光，再经过显微物镜6聚焦到被测靶镜7上。经由被测靶镜7反射的光线逆向返回，透过显微物镜6和λ/4波片5，这时光线由圆偏振光再次变为线偏振光且偏振方向旋转了90°，即变为S偏振光(垂直偏振光)，为第二垂直线偏振光。 

第二垂直线偏振光经过偏振分光器4反射，得到第三反射光束，作为第三入射光束入射到斜方棱镜8上，经过斜方棱镜8内部的两次全反射，最后出射光通过凸透镜9汇聚到差分探测器10上，差分探测器得到的电压信号送入探测器的驱动与显示单元11作差分和显示。 

具体原理如下： 

当被测靶镜7位于显微物镜6的焦平面上时，经被测靶镜7逆向反射回来的光为平行光束，平行光束被偏振分光器4反射后，入射到斜方棱镜8上，经过斜方棱镜8的两次全反射后，透过凸透镜9汇聚到差分探测器10上，这时差分探测器的驱动与显示单元11的读数为零。 

当被测靶镜7离开显微物镜6的焦平面时，逆向反射回来的光为汇聚或者发散光束，此光束经过偏振分光器4反射后，入射到斜方棱镜8，经过斜方棱镜8的两次全反射后，透过凸透镜9汇聚到差分探测器10上，经过差分探测器10探测，差分探测器的驱动与显示单元11显示相应的差分电压的值。 

将被测靶镜7固定在纳米平移台上，通过纳米平移台的移动，可以得到被测靶镜7移动的位移与差分探测器10的差分电压输出的关系，把这个关系式作为系统标定函数写入探测器的驱动与显示单元11的程序中。把系统标定好后，就可以用于微小位移的测量与监测。 

当第二垂直线偏振光(S偏振光)经过偏振分光器4反射后，得到的第三反射光束(S偏振光)作为第三入射光束入射到斜方棱镜8上发生反射时，反射率随第三入射光束的入射角度的变化如图2中S偏振光所对应的曲线所示，在发生全反射的临界角(41.8°)附近反射率有急剧变化。 

因此，先调整斜方棱镜8的位置，使得第三入射光束的入射角在临界角(41.8°)附近，让其反射光不是100％的反射，此时有部分透射光。这样当被测靶镜7离开显微物镜6的焦平面时，经被测靶镜7反射后的光线逆向经过显微物镜6后变成发散或者汇聚光束，经过偏振分光器4反射后， 入射到斜方棱镜8上发生全反射时造成中心光线两侧的反射率不一样，这样在探测器10上得到电压也不一样，因此经过差分能得到位移与差分电压之间的关系。 

为了研究入射角和系统灵敏度的关系，通过数值计算得到了入射到斜方棱镜8上的S偏振光，在不同入射角下被测靶镜位移与差分电压之间的关系，结果如图3所示。从图3可以看出，入射角越接近全反射临界角时，差分电压斜率越大，表明系统灵敏度越高，但同时测量范围也减小了。 

图4给出了在斜方棱镜8内发生两次全反射时的光线示意图，入射光线12在界面A发生一次全反射，接着在界面B发生第二次全反射，如果斜方棱镜8长度增加，可使全反射次数增加。 

图5给出了数值模拟在斜方棱镜8内发生不同次数的全反射时归一化差分电压随被测靶镜位移变化的曲线，从图5中可见，当发生全反射的次数N逐渐增加时，其对应的归一化差分电压斜率也增加，即系统分辨率增加。 

图6给出了在实验测量在斜方棱镜8内发生一次全反射和两次全反射时归一化差分电压随被测靶镜位移变化的曲线，从图6中可见，发生两次全反射时，差分电压曲线的斜率大于一次全反射时的差分电压曲线的斜率，两次全反射比一次全反射分辨率提高，即系统分辨率随着反射次数增加而增加，与图5的数值模拟结果一致。由图5、6可以看出，随着全反射次数的增加，尽管系统分辨率增加了，但是相应的测量范围减小了。根据实际应用的具体要求权衡分辨率与测量范围，调整全反射次数以及入射角度。 

实施例2： 

如图7所示，一种纳米分辨全反射差分微位移测量的装置，包括：激光器1、单模光纤2、准直透镜3、偏振分光器4、λ/4波片5、显微物镜6、被测靶镜7、斜方棱镜8、凸透镜9、差分探测器10、驱动与显示单元11。 

激光器1、单模光纤2和准直透镜3依次构成第一部件组，偏振分光器4为第二部件组，第一部件组和第二部件组依次位于激光器1发射出的光线的光路上；λ/4波片5和显微物镜6构成第三部件组，与被测靶镜7依次位于偏振分光器4的第一反射光路上；斜方棱镜8、凸透镜9、差分探测器10和驱动与显示单元11依次构成第四部件组，位于偏振分光器4的第三透 射光路上，此处，第一反射光路为：由第一部件组出射的准直光束垂直入射到偏振分光器4上进行反射的反射光路(即第一反射光束的出射光路)，第三反射光路为：由被测靶镜7逆向反射回来的光经过显微物镜6和λ/4波片5后，垂直入射到偏振分光器4上进行透射的透射光路(即第三透射光束的出射光路)。 

激光器1发出的激光经过单模光纤2滤去高阶模式，再经过准直透镜3准直，通过偏振分光器4反射后，得到的第一反射光线变成S偏振光(垂直偏振光)，为第一垂直线偏振光。 

λ/4波片5放置在偏振分光器4的第一反射光路上且其快轴方向与第一垂直线偏振光(S偏振光)的偏振方向的夹角为45°，第一垂直线偏振光透过λ/4波片5，变为圆偏振光，再经过显微物镜6聚焦到被测靶镜7上。被测靶镜7把光线逆向返回，透过显微物镜6和λ/4波片5，这时光线由圆偏振光再次变为线偏振光且偏振方向旋转了90°，即变为P偏振光(平行偏振光)，为第二平行线偏振光。 

第二平行线偏振光(P偏振光)经过偏振分光器4透射，得到第三透射光束，作为第三入射光束入射到斜方棱镜8上，在斜方棱镜8的内部发生两次全反射，最后出射光通过凸透镜9汇聚到差分探测器10上，差分探测器10得到的电压信号送入探测器驱动与显示单元11作差分和显示。 

当第二平行线偏振光(P偏振光)经过偏振分光器4透射后，得到的第三透射光束(P偏振光)作为第三入射光束入射到斜方棱镜8上发生反射时，反射率随第三入射光束的入射角度的变化如图2中P偏振光所对应的曲线所示，在发生全反射的临界角(41.8°)附近反射率有急剧变化。由图2可以看出，P偏振光在全反射的临界角附近的反射率曲线变化地更急剧，也就说P偏振光对入射角的变化更明显，因此在同样的条件下，采用P偏振光(平行偏振光)比S偏振光(垂直偏振光)作为第三入射光束的分辨率会更高。 

具体原理如下： 

当被测靶镜7位于显微物镜6的焦平面上时，经被测靶镜7逆向反射回来的光为平行光束，平行光束经偏振分光器4透射后，入射到斜方棱镜8上，经过斜方棱镜8的两次全反射后，透过凸透镜9汇聚到差分探测器10 上，这时差分探测器的驱动与显示单元11的读数为零。 

当被测靶镜7离开显微物镜6的焦平面时，逆向反射回来的光为汇聚或者发散光束，此光束经偏振分光器4透射后，入射到斜方棱镜8，经过斜方棱镜8的两次全反射后，透过凸透镜9汇聚到差分探测器10上，经过差分探测器10探测，差分探测器的驱动与显示单元11显示相应的差分电压的值。 

将被测靶镜7固定在纳米平移台上，通过纳米平移台的移动，可以得到被测靶镜7移动的位移与差分探测器10的差分电压输出的关系，把这个关系式作为系统标定函数写入探测器的驱动与显示单元11的程序中。把系统标定好后，就可以用于微小位移的测量与监测。 

由于入射到斜方棱镜8发生全反射时的第三入射光束的偏振形式与实施例1不一样，因而得到的系统分辨率不一样。 

Claims (9)

1.一种纳米分辨全反射差分微位移测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)由激光器发射的光线，经单模光纤滤波滤去高阶模式后，再经过准直透镜准直，得到准直光束；

(2)所述的准直光束垂直入射到偏振分光器上分光为第一透射光束和第一反射光束，所述的第一透射光束为第一平行线偏振光，所述的第一反射光束为第一垂直线偏振光；

(3)将所述的第一透射光束或第一反射光束作为第一入射光束，透过λ/4波片后变成第一圆偏振光，其中λ/4波片的快轴与所述的第一入射光束的偏振方向的夹角为45°；

所述的第一圆偏振光经过显微物镜汇聚得到聚焦光束，聚焦光束入射到被测靶镜后逆向反射，反射出来的光束逆向经过所述的显微物镜后，变成第二圆偏振光，第二圆偏振光透过所述的λ/4波片后变成第二入射光束，所述的第二入射光束与所述的第一入射光束的偏振方向相差90°，当所述的第一透射光束作为第一入射光束，所述的第二入射光束为第二垂直线偏振光；当所述的第一反射光束作为第一入射光束，所述的第二入射光束为第二平行线偏振光；

(4)所述的第二入射光束垂直入射到偏振分光器上，得到第三反射光束或第三透射光束，作为第三入射光束；当所述的第二入射光束为第二垂直线偏振光，所述的第三入射光束为第三反射光束；当所述的第二入射光束为第二平行线偏振光，所述的第三入射光束为第三透射光束；

(5)所述的第三入射光束进入斜方棱镜后在斜方棱镜内部发生至少一次全反射后出射，出射光束经过凸透镜汇聚入射到差分探测器上，将光强信号转化为电信号，送入到探测器驱动和显示系统中，通过差分计算得到反映被测靶镜位置变化的电压信号，标定差分电压与被测靶镜位移的关系，系统标定好后，用于微小位移的测量，并通过探测器驱动和显示系统显示被测靶镜的位置变化。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器发射的光线为波长在380～780nm范围内的可见光。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的准直透镜为正透镜或正透镜组。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的显微物镜采用高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔径NA＝0.8～1。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的差分探测器为二象限探测器或四象限探测器。

6.一种用于实现纳米分辨全反射差分微位移测量的装置，其特征在于，包括：第一部件组、第二部件组、第三部件组和第四部件组，其中，

所述的第一部件组，依次包括：激光器、单模光纤和准直透镜，用于发射出光线，并对其进行滤波处理滤去高阶模式和准直处理，得到准直光束；

所述的第二部件组，为偏振分光器，用于将垂直入射的所述的准直光束分光为第一透射光束和第一反射光束，所述的第一透射光束或第一反射光束为第一入射光束；所述的第一透射光束为第一平行线偏振光，所述的第一反射光束为第一垂直线偏振光；以及用于对垂直入射的所述的第三部件组的出射光束进行反射或透射，得到第三反射光束或第三透射光束，作为第三入射光束；

所述的第三部件组，依次包括：λ/4波片和显微物镜，与被测靶镜位于相同的光路上，用于使垂直入射的第一入射光束在依次经过45°位相延迟和聚焦后到达被测靶镜，经由被测靶镜反射的光线逆向返回经过显微物镜，再经过第二次45°位相延迟，得到与第一入射光束的偏振方向相差90°的出射光束，为第二入射光束；其中，λ/4波片的快轴与第一入射光束的偏振方向的夹角为45°；

所述的第四部件组，依次包括：斜方棱镜、凸透镜、差分探测器和探测器驱动和显示单元；所述的斜方棱镜用于使入射的第三入射光束发生至少一次全反射后出射；所述的凸透镜用于汇聚从斜方棱镜出射的光束；所述的差分探测器用于接收经所述的凸透镜汇聚的光束，并将光强信号转化为电信号；所述的探测器驱动和显示单元用于接收所述的电信号，进行差分和显示；

所述的各部件组的相对位置为：

(a)所述的第一部件组和第二部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，所述的第三部件组位于所述的偏振分光器的第一透射光路上，所述的第四部件组位于所述的偏振分光器的第三反射光路上，所述的第一透射光路为：所述的准直光束垂直入射到所述的偏振分光器上时第一透射光束的出射光路；所述的第三反射光路为：由所述的经被测靶镜逆向反射回来的光经过所述的显微物镜和λ/4波片后，垂直入射到所述的偏振分光器上时第三反射光束的出射光路；

或者，(b)所述的第一部件组和第二部件组依次位于所述的激光器发射出的光线的光路上，所述的第三部件组位于所述的偏振分光器的第一反射光路上，所述的第四部件组位于所述的偏振分光器的第三透射光路上，所述的第一反射光路为：所述的准直光束垂直入射到所述的偏振分光器上时第一反射光束的出射光路；所述的第三透射光路为：由所述的经被测靶镜逆向反射回来的光经过所述的显微物镜和λ/4波片后，垂直入射到所述的偏振分光器上时第三透射光束的出射光路。

7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的准直透镜为正透镜或正透镜组。

8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的显微物镜采用高数值孔径的消复色差透镜，所述的高数值孔径NA＝0.8～1。

9.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述的差分探测器为二象限探测器或四象限探测器。

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