CN102759328A - 基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置与方法属于光学显微测量技术；装置包括激光器、准直扩束器、偏振分光镜、四分之一波片、聚焦物镜、三维微位移载物台、收集物镜、分光镜、第一、二针孔和第一、二探测器，还包括由椭球反射镜与球面反射镜组成的双通照明系统；其测量方法是首先通过两个探测器检测到一组像方等距离焦的共焦信号，然后通过用差动计算或抗串扰计算对共焦信号进行处理，最后参照差动共焦测量响应曲线获得微位移信息；本装置与方法实现了数值孔径为1的高数值孔径照明与探测，具有轴向分辨率高、有利于提高点扫描分辨率、有效抑制共焦噪声或串模噪声的特点，尤其适用于小视场、高灵敏度、近似轴上点微位移测量。

Description

基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置与方法

技术领域

本发明属于光学显微测量技术，主要涉及一种用于微结构光学元件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触测量方法与装置。

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，但传统共焦技术一直受到传统透镜成像数值孔径小于1的原理局限。

差动共焦扫描测量是典型的改进型测量方法之一。差动共焦扫描测量包括具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜(公开号CN1614457A)、具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器(公开号CN1529123A)、三差动共焦显微成像方法与装置(公开号CN1587898A)、三差动共焦显微三维超分辨成像方法(公开号CN1609590A)、三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置(公开号CN1632448A)、整形环形光三差动共焦显微镜(公开号CN1588157A)、具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法(公开号CN1527026A)等，差动共焦测量系统将两个共焦点探测器分别置于像方等距离的远离焦和近离焦平面，通过强度响应的差动计算获得双极性响应特性，产生跟踪零点，克服了传统共焦只能进行相对位置测量的不足。该技术相对传统共焦显微技术显著提高了信噪比，并且轴向分辨率与测量范围均为传统共焦显微技术的二倍，尤其在零点位置测量更加准确。

但传统差动共焦测量技术仍然难以通过提高数值孔径来进一步提高测量分辨率，其轴向分辨率与物镜数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，轴向分辨率越高。但是，增大物镜数值孔径会使轴向响应范围迅速减小。所以，孔径限制成为差动共焦提高轴向分辨率的一个瓶颈。

双通照明共焦测量由C.J.R.Sheppard和T.Wilson于1980年提出(Sheppard，C.J.R.andWilson，T.(1980)′Multiple Traversing of the Object in the Scanning Microscope′，Journal of ModemOptics，27：5，611-624)，其基本思想是利用球面或平面反射镜将透射样品的透射照明光反射回去，对样品进行二次照明，使双通照明响应函数具有更高的分辨率。分析表明相对于传统共焦测量，双通照明共焦测量轴向分辨力能提高2～4倍，光斑旁瓣也得到更好的抑制。但传统双通照明共焦技术同样难以通过提高数值孔径来进一步提高系统的测量分辨率。

发明内容

本发明的目的就是针对上述传统透镜成像数值孔径小于1的原理局限，以及已有差动共焦技术和双通照明技术难以通过提高数值孔径来进一步提高测量分辨率的不足，研究设计一种基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置与方法，达到在二次照明中实现孔径为1的高孔径照明、并进而构建基于椭球反射成像原理的差动双通共焦系统响应函数、获得轴向高灵敏度响应特性、同时兼顾具有共模噪声和串模噪声的抑制作用的目的。

本发明的目的是这样实现的：

基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置包括激光器、准直扩束器、偏振分光镜、四分之一波片、聚焦物镜、三维微位移载物台、收集物镜、分光镜、第一针孔、第一探测器、第二针孔和第二探测器，其中，在激光器直射光路依次配置准直扩束器和偏振分光镜，四分之一波片、聚焦物镜和三维微位移载物台配置在偏振分光镜反射光路上，收集物镜、分光镜、第二针孔及第二探测器依次配置在偏振分光镜透射光路上，在分光镜反射光路上依次配置第一针孔和第一探测器，该装置还包括由椭球反射镜与球面反射镜组成的双通照明系统，所述的椭球反射镜配置在偏振分光镜反射光路上，椭球反射镜的近焦点位于放置在三维微位移载物台上的样品表面上，球面反射镜面形球心配置在椭球反射镜远焦点位置处。

所述装置具有椭球反射镜，其作用是利用其具有一对等晕成像共轭焦点，样品置于其近焦点，可以实现对样品漫反射光线数值孔径为1的收集，并对由远焦点反射回来的光线进行会聚对样品进行数值孔径为1的二次照明，实现了数值孔径为1的双通照明与探测，提高轴向分辨率。

基于椭球反射双通照明差动共焦测量方法步骤如下：首先通过两个探测器检测到一组像方等距离焦的共焦信号，然后采用差动计算或抗串扰计算对共焦信号进行处理，最后参照双通照明差动共焦测量响应曲线获得微位移信息。

本发明的良好效果在于：

1)克服了传统差动共焦测量技术和双通照明共焦技术轴向分辨率受物镜数值孔径的限制的不足，基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置与方法可以实现数值孔径为1的高孔径照明与探测，提高轴向分辨率。

2)建立了不同于传统共焦和已有双通照明共焦系统的高阶响应函数，有利于提高点扫描分辨率。

3)采用像方等距离焦探测，测量结果处理后能有效抑制共模噪声或串模噪声。

4)特别适用于小视场、高灵敏度、近似轴上点微位移测量。

附图说明

图1是基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置结构示意图。

图2是基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置椭球反射镜点扩散函数分析坐标定义图。

图3是基于椭球反射双通照明差动共焦测量方法差动共焦测量差动计算轴向响应曲线。

图4是基于椭球反射双通照明差动共焦测量方法差动共焦测量抗串扰计算轴向响应曲线。

图中件号说明：1、激光器、2、准直扩束器、3、偏振分光镜、4、四分之一波片、5、聚焦物镜、6、三维微位移载物台、7、椭球反射镜、8、球面反射镜、9、收集物镜、10、分光镜、11、第一针孔、12、第一探测器、13、第二针孔、14、第二探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施方式进行详细描述。

基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置包括激光器1、准直扩束器2、偏振分光镜3、四分之一波片4、聚焦物镜5、三维微位移载物台6、收集物镜9、分光镜10、第一针孔11、第一探测器12、第二针孔13和第二探测器14，其中，在激光器1直射光路依次配置准直扩束器2和偏振分光镜3，四分之一波片4、聚焦物镜5和三维微位移载物台6配置在偏振分光镜3反射光路上，收集物镜9、分光镜10、第二针孔13及第二探测器14依次配置在偏振分光镜3透射光路上，在分光镜10反射光路上依次配置第一针孔11和第一探测器12，该装置还包括由椭球反射镜7与球面反射镜8组成的双通照明系统，所述的椭球反射镜7配置在偏振分光镜3反射光路上，椭球反射镜7的近焦点位于放置在三维微位移载物台6上的样品表面上，球面反射镜8面形球心配置在椭球反射镜7远焦点位置处。

基于椭球反射双通照明差动共焦测量方法步骤如下：首先通过两个探测器检测到一组像方等距离焦的共焦信号，然后采用差动计算或抗串扰计算对共焦信号进行处理，最后参照双通照明差动共焦测量响应曲线获得微位移信息。

测量使用时：

第一步，对被测样品进行双通照明。

如图1所示，所述激光器1发出线偏振光束，经过准直扩束器2后成为近似理想平面波；经过偏振分光镜3和四分之一波片4之后成为圆偏振光束；经过聚焦物镜5、被测样品、椭球反射镜7，再由球面反射镜8反射再次经过椭球反射镜7会聚，形成对样品的二次照明；

如图2所示，由于所述椭球反射镜7不同于传统透镜模型，则需要从光学衍射理论进行理论推导，对于椭球反射镜7，其几何表达式为z²/a²+y²/b²+x²/b²＝1时响应函数为

其中，

O表示坐标原点；

P₁表示球面反射镜8面形球心所在的椭球远焦点，坐标为(x₁，y₁，z₁)；

P₂表示被测样品所在的椭球近焦点，坐标为(x₂，y₂，z₂)；

M表示P₁到P₂光线轨迹在椭球反射镜上的反射点；

n表示M点处的椭球面单位法向量；

r_P1M表示P₁点到M点的距离；

r_MP2表示M点到P₂点的距离；

U_P2表示P₂点处的光波函数；

U_M表示M点处的光波函数；

S₀表示椭球反射镜7所在的椭球；

S表示椭球反射镜7；

考虑一般情况，h_p1-p2表示P₁到P₂点的点扩展函数，化简得到

$h_{p1-p2}(\mathrm{0,0,0},x_2,y_2=0,z_2)=\underset{-b^2/a}{\overset{b^2/a}{\∫}}\underset{c}{\overset{c+z_{\mathrm{sol}}}{\∫}}\frac{\exp [-\mathrm{jk}(r_{P1M}+r_{\mathrm{MP}2})]}{r_{P1M}{r}_{\mathrm{MP}2}}\cos \left(\frac{\∠P_{1}M{P}_2}{2}\right)\mathrm{dxdz}---\left(2\right)$

式中积分域为所有光线反射点M构成的空间曲面。

推导本发明所述的基于椭球反射双通照明差动共焦测量方法响应函数，对于本发明所提出的双通照明，其响应函数为

$U_D(x_s,z_s)$

$=\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{h}_L(x_1,z_1)t(x_s-x_1,z_s-z_1)\·h_{p2-p1}(x_1,z_1;\mathrm{0,0})---\left(3\right)$

$h_{p1-p2}(\mathrm{0,0};x_3,z_3)t(x_s-x_3,z_s-z_3)\·h_L(x_3,z_3){\mathrm{dx}}_1{\mathrm{dz}}_1{\mathrm{dx}}_3{\mathrm{dz}}_3$

$=h_L(x_s,z_s)\·h_{p2-p1}^2(x_s,z_s;\mathrm{0,0})\·h_L(x_s,z_s,\±\mathrm{\Δz})$

其中，

h_p1-p2表示P₁点到P₂点的点扩展函数；

h_L表示聚焦物镜5的点扩展函数；

t表示反射样品物函数；

(x₁，y₁，z₁)表示一次照明时样品表面聚焦光斑的位置坐标，即椭球近焦点位置；

(x₂，y₂，z₂)表示椭球远焦点位置坐标；

(x₁，y₁，z₁)表示二次照明时样品表面聚焦光斑的位置坐标，即椭球近焦点位置；

(x_s，y_s，z_s)表示探测点位置坐标。

如式(3)所示，双通照明响应函数具有更高的轴向分辨率。

第二步，差动探测。

如图1所示，经过聚焦物镜5和四分之一波片4成为与初始偏振方向垂直的线偏振光；由偏振分光镜3透射，经收集物镜9会聚，经分光镜10分为两束光，第一束光由分光镜10透射，通过第一针孔11会聚在第一探测器12上，第二束光由分光镜10反射，通过第二针孔13会聚在第二探测器14上。两路光的针孔分别位于焦前和焦后，形成像方等距离焦差动探测系统，获得差动探测信号。

第三步，差动信号处理。

对于所获得的两路差动信号可以进行两种计算处理。

(1)对两路信号进行差动计算，如式(4)：

I_D1(x_s，z_s)＝(|U_D(x_s，z_s，Δz)|²+c₀)-(|U_D(x_s，z_s，-Δz)|²+c₀)    (4)

＝|U_D(x_s，z_s，Δz)|²-|U_D(x_s，z_s，-Δz)|²

式中I_D1表示差动计算时系统的强度响应函数，c₀表示信号中的共模噪声。

可以看到差动计算能够完全抑制共模噪声，提高信噪比。由此式可以对被测样品进行测量，其轴向响应曲线如图3所示，取聚焦物镜5数值孔径为0.1和0.65，轴向响应灵敏度得到提高。

(2)对两路信号进行抗串扰计算，如式(5)：

$I_{D2}(x_s,z_s)=\frac{({\left|U_D(x_s,z_s,\mathrm{\Δz})\right|}^2+c_0)-({\left|U_D(x_s,z_s,-\mathrm{\Δz})\right|}^2+c_0)}{({\left|U_D(x_s,z_s,\mathrm{\Δz})\right|}^2+c_0)+\left({\left|U_D(x_s,z_s,-\mathrm{\Δz})\right|}^2\text{+}{c}_0\right)}---\left(5\right)$

$=\frac{{\left|U_D(x_s,z_s,\mathrm{\Δz})\right|}^2-{\left|U_D(x_s,z_s,-\mathrm{\Δz})\right|}^2}{{\left|U_D(x_s,z_s,\mathrm{\Δz})\right|}^2+{\left|U_D(x_s,z_s,-\mathrm{\Δz})\right|}^2+2c_0}$

式中I_D2表示差动计算时系统的强度响应函数。

可以看到抗串扰计算能够一定程度抑制共模噪声，但不如差动计算的噪声抑制能力强，但其优势是对串模噪声具有较强的抑制能力。由此式可以对被测样品进行测量，其轴向响应曲线如图4所示，取聚焦物镜5数值孔径为0.1和0.65，轴向响应灵敏度得到提高。

Claims (2)

1.一种基于椭球反射双通照明差动共焦测量装置，包括激光器(1)、准直扩束器(2)、偏振分光镜(3)、四分之一波片(4)、聚焦物镜(5)、三维微位移载物台(6)、收集物镜(9)、分光镜(10)、第一针孔(11)、第一探测器(12)、第二针孔(13)和第二探测器(14)，其中，在激光器(1)直射光路依次配置准直扩束器(2)和偏振分光镜(3)，四分之一波片(4)、聚焦物镜(5)和三维微位移载物台(6)配置在偏振分光镜(3)反射光路上，收集物镜(9)、分光镜(10)、第二针孔(13)及第二探测器(14)依次配置在偏振分光镜(3)透射光路上，在分光镜(10)反射光路上依次配置第一针孔(11)和第一探测器(12)，其特征在于该装置还包括由椭球反射镜(7)与球面反射镜(8)组成的双通照明系统，所述的椭球反射镜(7)配置在偏振分光镜(3)反射光路上，椭球反射镜(7)的近焦点位于放置在三维微位移载物台(6)上的样品表面上，球面反射镜(8)面形球心配置在椭球反射镜(7)远焦点位置处。

2.一种基于椭球反射双通照明差动共焦测量方法，其特征在于该方法步骤如下：首先通过两个探测器检测到一组像方等距离焦的共焦信号，然后采用差动计算或抗串扰计算对共焦信号进行处理，最后参照双通照明差动共焦测量响应曲线获得微位移信息。

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