CN102121819B

CN102121819B - 一种纳米分辨全反射差分微位移测量的方法和装置

Info

Publication number: CN102121819B
Application number: CN2010105905806A
Authority: CN
Inventors: 匡翠方; 王婷婷; 库玉龙; 郝翔; 刘旭
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2010-12-15
Filing date: 2010-12-15
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-15
Also published as: CN102121819A

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、消偏振分光器、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：激光经滤波和准直后，垂直入射到消偏振分光器上；再依次透过显微物镜到达被测靶镜后被逆向反射，再透过显微物镜返回后垂直入射到所述消偏振分光器，再进入斜方棱镜并在斜方棱镜内部发生至少一次全反射后出射，出射光束汇聚入射到差分探测器并将信号送入探测器驱动和显示系统中，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。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

一种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消偏振分光器上分光为第一透射光束和第一反射光束；

(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，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，反射光束经过所述的显微物镜后，再垂直入射到所述的消偏振分光器上，得到第二反射光束或第二透射光束，作为第二入射光束；当所述的第一入射光束为第一透射光束，所述的第二入射光束为第二反射光束；当所述的第一入射光束为第一反射光束，所述的第二入射光束为第二透射光束；

(4)所述的第二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，所述的激光器发射的光线为波长在380～780nm范围内的非偏振光。

其中，所述的准直透镜为正透镜或正透镜组。

其中，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。

其中，所述的差分探测器为二象限探测器或四象限探测器。

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，为消偏振分光器，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；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，得到第二反射光束或第二透射光束，作为第二入射光束；当所述的第一入射光束为第一透射光束，所述的第二入射光束为第二反射光束；当所述的第一入射光束为第一反射光束，所述的第二入射光束为第二透射光束；

所述的第三部件组，包括：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聚焦后到达被测靶镜，并经被测靶镜逆向反射后，再逆向返回经过所述的显微物镜后出射到所述的消偏振分光器上；

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二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消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消偏振分光器的第二反射光路上，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消偏振分光器上时第一透射光束的出射光路；所述的第二反射光路为：由所述的被测靶镜逆向反射回来的光经过所述的显微物镜后，垂直入射到所述的消偏振分光器上时第二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消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消偏振分光器的第二透射光路上，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消偏振分光器上时第一反射光束的出射光路；所述的第二透射光路为：由所述的被测靶镜逆向反射回来的光经过所述的显微物镜后，垂直入射到所述的消偏振分光器上时第二透射光束的出射光路。

其中，所述的准直透镜为正透镜或正透镜组。

其中，所述的差分探测器为二象限探测器或四象限探测器。

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，经消偏振分光器后，入射到斜方棱镜上，经过斜方棱镜的至少一次全反射后，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，经消偏振分光器后，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，因此既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、消偏振分光器14、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，消偏振分光器14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；显微物镜6为第三部件组，和被测靶镜7依次位于消偏振分光器14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，位于消偏振分光器14的第二反射光路上，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消偏振分光器14上的透射光路(即第一透射光束的出射光路)；第二反射光路为：由被测靶镜7逆向反射回来的光经过显微物镜6后，垂直入射到消偏振分光器14上进行反射的反射光路(即第二反射光束的出射光路)。

采用上述装置进行微位移测量的过程如下：

激光器1发出的非偏振光经过单模光纤2滤去高阶模式，再经过准直透镜3准直，透过消偏振分光器14后光束能量一分为二，得到第一透射光束和第一反射光束；使第一透射光束经过显微物镜6聚焦到被测靶镜7上。经过被测靶镜7反射后光线逆向返回，再次透过显微物镜6，返回到消偏振分光器14上，能量再次一分为二，得到第二反射光束和第二透射光束，其中第二反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，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。

采用这种装置，系统相对简单，但是由于消偏振分光器14的作用，能量损失较多；并且在斜方棱镜8内部发生全反射时，是P偏振光和S偏振光同时作用的结果，因此系统的分辨率介于采用P偏振光和S偏振光作为全反射的入射光线的两种情况之间。

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，平行光束被消偏振分光器14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，此光束经过消偏振分光器14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。

Claims

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：

(4)所述的第二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范围内的非偏振光。

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，

所述的各部件组的相对位置为：

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。