CN103075974B - 径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置 - Google Patents

Abstract

径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置属于光学显微镜测量领域；该共焦成像装置激光器发出的激光束依次经过准直扩束器，起偏器，径向偏振光转换器，分光镜后，由大数值孔径物镜会聚到椭球反射镜表面，再经过椭球反射镜和样品的两次反射后沿对称路径返回，再次经过分光镜时被反射，反射光束先经耦合透镜会聚，再经光纤传输到光电倍增管上成像；所述大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F₁重合，椭球反射镜的近焦点F₂位于样品的表面上；所述的椭球反射镜为环带结构，相隔的两个环带反射率相同，相邻的两个环带反射率分别为0和1；使用本发明，可以提高横向分辨率以及提高焦点处轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比。

Description

径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置

技术领域

径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置属于光学显微镜测量领域；主要涉及一种用于微结构工业样品中三维细微结构表面形貌测量的超精密非接触测量装置。

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精细结构、微台阶、微沟漕线宽、深度及表面形状的主要技术手段之一。包括差动共焦曲率半径测量方法与装置(公开号CN101526341)、共焦显微镜及用其测量高度的方法(公开号CN1392962)、复色超分辨差动共焦测量方法与装置(公开号CN101182992)等采用传统透镜照明和探测结构的共焦点扫描测量系统，其横向分辨率与物镜的数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，分辨率越高。对于这类采用传统透镜照明和探测结构的共焦点扫描测量系统，透镜组构成的物镜的会聚角理论极限为90°，然而苛刻的加工工艺和复杂的镜组结构使得实际商用干式物镜的最大会聚角被限制在72°(对应数值孔径为0.95，折射率为1时)，所以采用传统透镜照明和探测结构的共焦扫描系统很难通过增大数值孔径来提高分辨率。

此外，已知使用径向偏振光照明，可以在焦点附近获得轴偏振光。王海凤等人于2008年在《Nature Photonics》上发表《Creation of a needle of longitudinally polarized lightin vacuum using binary optics》介绍了其在径向偏振光照明条件下，利用二元光学器件滤波从而获得轴向偏振光的方法。轴向偏振光在很多领域有着重要的应用，比如粒子加速，生物显微镜中的荧光成像，二次谐波的产生以及光刻技术等。在不经过滤波的情况下，利用透镜会聚得到的轴向偏振光的轴向偏振比例不高。在会聚角达到90°时(理想情况，实际上干式物镜只能达到72°左右)，轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比低于5。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，不仅可以提高横向分辨率，而且可以提高焦点处轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比。

本发明的目的是这样实现的：

径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，包括激光器，准直扩束器，起偏器，径向偏振光转换器，分光镜，大数值孔径物镜，椭球反射镜，样品，三维载物台，耦合透镜，光纤，光电倍增管；激光器发出的激光束依次经过准直扩束器，起偏器，径向偏振光转换器，分光镜后，由大数值孔径物镜会聚到椭球反射镜表面，再经过椭球反射镜和样品的两次反射后沿对称路径返回，再次经过分光镜时被反射，反射光束先经耦合透镜会聚，再经光纤传输到光电倍增管上成像；其中，样品固定放置在三维载物台上；大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F₁重合，椭球反射镜的近焦点F₂位于样品的表面上；所述的椭球反射镜为环带结构，相隔的两个环带反射率相同，相邻的两个环带反射率分别为0和1。

上述径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，所述的椭球反射镜的边缘环带反射率为1；顶点环带反射率为0。

上述径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，所述的椭球反射镜为四环带结构。

从椭球反射镜边缘到顶点，环带的反射率依次为1、0、1、0。

从椭球反射镜边缘到顶点，第一环带对椭球反射镜近焦点F₂的张角范围为[7π/8,π]；第三环带对椭球反射镜近焦点F₂的张角范围为[5π/8,3π/4]。

由于本发明共焦成像装置中，椭球反射镜为环带结构，相隔的两个环带反射率相同，相邻的两个环带反射率分别为0和1；这种环带设计，可以实现对光束的滤波，不仅可以提高横向分辨率，而且可以提高焦点处轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比。

附图说明

图1是径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置结构示意图。

图2是椭球反射镜点扩散函数分析坐标定义图。

图3是椭球曲面光瞳滤波结构沿z轴负方向在x₂-y₂面上的投影图。

图4是椭球反射镜近焦点F₂附近径向光强分布和艾里斑径向光强分布对比图。

图5是椭球反射镜和传统透镜所对应的聚焦光斑轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比随数值孔径角变化趋势图。

图中：1激光器、2准直扩束器、3起偏器、4径向偏振光转换器、5分光镜、6大数值孔径物镜、7椭球反射镜、8样品、9三维载物台、10耦合透镜、11光纤、12光电倍增管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

本实施例的径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置结构示意图如图1所示。该共焦显微镜包括激光器1，准直扩束器2，分光镜5，大数值孔径物镜6，椭球反射镜7，样品8，三维载物台9，耦合透镜10，光纤11，光电倍增管12；激光器1发出的激光束先后经过准直扩束器2和分光镜5后，由大数值孔径物镜6会聚到椭球反射镜7表面，再经过椭球反射镜7和样品8的两次反射后沿对称路径返回，再次经过分光镜5时被反射，反射光束先经耦合透镜10会聚，再经光纤11传输到光电倍增管12上成像；其中，样品8固定放置在三维载物台9上；大数值孔径物镜6的焦点和椭球反射镜7的远焦点F₁重合，椭球反射镜7的近焦点F₂位于样品8的表面上；所述的椭球反射镜7为四环带结构，从椭球边缘到顶点，环带的反射率依次为1、0、1、0；从椭球反射镜7边缘到顶点，第一环带对椭球反射镜7近焦点F₂的张角范围为[7π/8,π]；第三环带对椭球反射镜7近焦点F₂的张角范围为[5π/8,3π/4]。

本实施例中，椭球反射镜7的点扩散函数分析坐标定义图如图2所示。径向偏振光经过大数值孔径物镜6会聚到椭球反射镜7的一个焦点F₁，然后被椭球反射镜7反射、会聚到另一个焦点F₂，在F₂附近形成了径向电场E_r(ρ_s,z_s)和轴向电场E_z(ρ_s,z_s)；其中，|₁|=5π/16，|₂|=3π/8，|₃|=7π/16。

E_r(ρ_s,z_s)表式为：

$E_r({\mathrm{\ρ}}_s,z_s)=A{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}\left(\sin 2\mathrm{\θ}\sqrt{\frac{\sin 2\mathrm{\αd\α}}{2\sin \mathrm{\θd\θ}}}l\left(\mathrm{\α}\right)J_1\left(k{\mathrm{\ρ}}_s\sin \mathrm{\θ}\right)e^{-\mathrm{ik}{z}_s\cos \mathrm{\θ}}\right)\·T\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}$

E_z(_s,z_s)表式为：

$E_z({\mathrm{\ρ}}_s,z_s)=2\mathrm{iA}{\∫}_0^{\mathrm{\π}/2}\left({\sin }^2\mathrm{\θ}\sqrt{\frac{\sin 2\mathrm{\αd\α}}{2\sin \mathrm{\θd\θ}}}l\left(\mathrm{\α}\right)J_0\left(k{\mathrm{\ρ}}_s\sin \mathrm{\θ}\right)e^{-\mathrm{ik}{z}_s\cos \mathrm{\θ}}\right)\·T\left(\mathrm{\θ}\right)\mathrm{d\θ}$

其中，

O是坐标原点；

F₁是椭球反射镜7远焦点，坐标为(x₁,y₁,z₁)；

F₂是样品8所在的椭球反射镜7近焦点，坐标为(x₂,y₂,z₂)；

M是F₁到F₂光线轨迹在椭球反射镜7上的反射点；

ρ_s是F₂所在垂直于Z轴的平面上的径向坐标；

z_s是F₂处沿Z方向的轴向坐标；

A常数；

θ是和Z轴正方向夹角；

α是和Z轴正方向夹角；

l(α)是光束分布函数；

J₁()是第一类一阶贝塞尔函数；

J₀()是第一类零阶贝塞尔函数；

k是波矢；

T(θ)是椭球反射镜7曲面光瞳函数，随θ的分布为：

$T\left(\mathrm{\θ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1,& \mathrm{\θ}\⋐\left(\right[\frac{5\mathrm{\π}}{16},\frac{3\mathrm{\π}}{8}]\∪[\frac{7\mathrm{\π}}{16},\frac{\mathrm{\π}}{2}\left]\right)\\ 0,& \mathrm{\θ}\⋐\left(\right[0,\frac{5\mathrm{\π}}{16})\∪(\frac{3\mathrm{\π}}{8},\frac{7\mathrm{\π}}{16}))\end{array}\right.$

本实施例中，椭球曲面光瞳滤波结构沿z轴负方向在x₂-y₂面上的投影图如图3所示。第一个环带对椭球反射镜7近焦点F₂张角范围为[7π/8,π]，第二个环带对椭球反射镜7近焦点F₂张角范围为[5π/8,3π/4]。

本实施例中，椭球反射镜7近焦点F₂附近径向光强分布和艾里斑径向光强分布对比图如图4所示。在椭球反射镜7长半轴和短半轴长度比例为5∶3情况下，椭球曲面光瞳滤波结构仍为图3所示，可以获得F₂附近径向光强分布曲线，同时做出艾里斑的径向光强分布曲线作为对比。可以看到，本方法产生的会聚光斑的主瓣半高宽要比艾里斑窄28%，同时旁瓣最大强度低于1.6，表明横向分辨率得以有效地提高。

本实施例中，椭球反射镜7和传统透镜所对应的聚焦光斑轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比随数值孔径角变化趋势图如图5所示。在椭球反射镜7长半轴和短半轴长度比例为5∶3情况下，椭球曲面光瞳滤波结构仍为图3所示，取大数值孔径聚焦物镜的数值孔径为0.95，做出了轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比随椭球反射镜7的数值孔径角变化曲线，同时做出了径向偏振光照明下传统透镜所获得的值随透镜数值孔径角变化曲线作为对比。可以看到，在数值孔径角为1.5708，该角度对应的会聚角为90°，本方法在F₂附近沿轴向获得轴向偏振比例高达62.31的轴向偏振光，该比例是传统透镜对应比例4.85的近13倍，表明轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比有显著提高。

Claims (5)

1.径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，包括激光器(1)，准直扩束器(2)，起偏器(3)，径向偏振光转换器(4)，分光镜(5)，大数值孔径物镜(6)，椭球反射镜(7)，样品(8)，三维载物台(9)，耦合透镜(10)，光纤(11)，光电倍增管(12)；激光器(1)发出的激光束依次经过准直扩束器(2)，起偏器(3)，径向偏振光转换器(4)，分光镜(5)后，由大数值孔径物镜(6)会聚到椭球反射镜(7)表面，再经过样品(8)和椭球反射镜(7)的两次反射后沿对称路径返回，再次经过分光镜(5)时被反射，反射光束先经耦合透镜(10)会聚，再经光纤(11)传输到光电倍增管(12)上成像；其中，样品(8)固定放置在三维载物台(9)上；大数值孔径物镜(6)的焦点和椭球反射镜(7)的远焦点F₁重合，椭球反射镜(7)的近焦点F₂位于样品(8)的表面上；其特征在于所述的椭球反射镜(7)为环带结构，相隔的两个环带反射率相同，相邻的两个环带反射率分别为0和1。

2.根据权利要求书1所述的径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，其特征在于所述的椭球反射镜(7)的边缘环带反射率为1；顶点环带反射率为0。

3.根据权利要求书1所述的径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，其特征在于所述的椭球反射镜(7)为四环带结构。

4.根据权利要求书3所述的径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，其特征在于从椭球反射镜(7)边缘到顶点，环带的反射率依次为1、0、1、0。

5.根据权利要求书4所述的径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，其特征在于从椭球反射镜(7)边缘到顶点，第一环带对椭球反射镜(7)近焦点F₂的张角范围为[7π/8,π]；第三环带对椭球反射镜(7)近焦点F₂的张角范围为[5π/8,3π/4]。