CN103115585B - 基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置 - Google Patents

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基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置属于表面形貌测量技术领域；该方法首先在被测件和参考镜表面镀膜，再经单色探测激光激发，最后解算探测面上的干涉条纹；该装置包括激光器、沿光线传播方向配置在激光器直射光路上的会聚物镜、第一针孔、准直扩束物镜、分光棱镜、参考聚焦物镜、参考镜和位移驱动器；配置在分光棱镜反射光路上的探测聚焦物镜和被测件；配置在分光棱镜透射光路上的成像会聚物镜、窄带滤光片、第二针孔、探测器；被测件和参考镜表面采用真空蒸发镀膜法进行镀膜；这种设计，保证测量光经被测面反射后能够返回探测系统，解决了高NA和高斜率表面检测的难题，适用于高NA和高斜率球面、非球面和自由曲面三维形貌的超精密测量。

Description

基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置
技术领域
 基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置属于表面形貌测量技术领域，特别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、微沟槽线宽及大数值孔径光学元件表面形状测量的超精密、动态、高速干涉测量方法与装置。
背景技术
 显微干涉测量就是用光波干涉和显微放大的原理进行表面测量。随着光电技术和计算机技术的迅速发展，在干涉计量领域发展出直接测量干涉相位分布的相移技术。其原理是：对两束相干光的相位差引入一个时间调制，然后通过光电探测器和计算机，从接收到的干涉信号中解调出被测相位分布，该方法可大幅度提高显微干涉仪的测量精度和测量速度。
将相移技术运用到显微干涉上来就形成了相移型显微干涉原理（PSMI），使用的光源仍是单色激光，对干涉显微镜并不要求必须等光程。应用相移型显微干涉原理的显微干涉仪成为测量高精度超光滑表面形貌的主要工具。为了解决检测台阶和刻槽时遇到的相位跃变测不准问题，使用的光源从单色激光、双波长光发展到白光或准白光，相对应的两种显微干涉测试原理，即垂直扫描白光干涉原理（VSI）和白光傅里叶频域分析原理（FDA）也脱颖而出。
分光路干涉显微镜指产生干涉的参考光与测试光不是走同一条路，需使用精度很高的标准面，根据干涉光路的结构主要有Michelson、Mirau、Linnik型。
Michelson干涉显微轮廓仪的原理：平行光束经显微物镜聚焦后被分光镜分成两束，一束射向参考镜后被反射，另一束射向被测表面后被反射（含被测表面信息），两束反射光汇合于分光镜并发生干涉。传统的Michelson干涉仪是一种宏观测量，测量的是表面形状或表面形状误差，而Michelson干涉显微轮廓仪是一种显微放大测量，它测量的是微观区域内的微观相貌特征。
Mirau干涉显微轮廓仪的光路：经显微物镜聚焦并透过参考板的光束，一部分光透过分光板射向被测表面并被反射回显微镜的视场，另一部分被分光板反射到位于参考板中心的参考镜上并再次被反射回显微镜的视场，两束发射光在显微镜的视场中发生干涉。由于测量光路和参考光路近似共路，因此可排除很多干扰，这是Mirau干涉显微轮廓仪的一个优点。
Michelson干涉显微镜和Mirau干涉显微镜都只使用一个显微物镜，在测量时物镜不会给两束相干光引入附加的光程差。由于在物镜和被测表面之间放置了分光器件，因此物镜的工作距离较长，数值孔径较小，横向分辨率较低。其中Michelson干涉显微镜物镜工作距离比Mirau干涉显微镜长，因此抗干扰能力和横向分辨率要差于Mirau干涉显微镜。
Linnik干涉显微镜采用了两个完全相同的显微物镜，参考光路与测量光路要求一致，由于在物镜和被测表面之间没有其它光学元件，因而Linnik干涉显微镜可使用工作距离较短的显微物镜，其数值孔径较高，横向分辨率较高。
但是，对于高NA或曲率变化剧烈的表面，由于探测系统无法收集到足够的回光，因此无法实现其表面检测。
发明内容
为解决探测光难以返回探测系统从而无法实现高NA和高斜率表面检测的难题，本发明公开了一种基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法与装置。通过镀膜改变被测面的表面特性，保证测量光经被测面反射后能够返回探测系统，解决了高NA和高斜率表面检测的难题，适用于高NA和高斜率球面、非球面和自由曲面三维形貌的超精密测量。
本发明的目的是这样实现的：
基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法，包括以下步骤：
a、采用多源有机分子束沉积（OMBD）系统，采用相同工艺进行有机薄膜的蒸镀，在被测件和参考镜表面蒸镀具有相同厚度的同种荧光有机薄膜，将被测件的表面从原来的光滑表面改变为散射表面；
b、被测表面和参考镜经单色探测激光激发，表面辐射出相同中心波长和谱段宽度范围均相同的准单色光；
c、采用Linnik型白光干涉测量结构，使参考光和激发光在探测器的探测面上形成干涉条纹，通过位移驱动器移动参考镜，使参考镜和被测件在不同空间位置形成干涉条纹，通过解算干涉条纹实现数值孔径小于0.2的表面面形的测量。
上述基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法，所述的第b步中，准单色光的中心波长为605nm，谱段宽度范围限定在585nm~635nm。
基于受激辐射的荧光干涉显微测量装置，包括激光器、沿光线传播方向配置在激光器直射光路上的会聚物镜、第一针孔、准直扩束物镜、分光棱镜、参考聚焦物镜、参考镜和位移驱动器；配置在分光棱镜反射光路上的探测聚焦物镜和被测件；配置在分光棱镜透射光路上的成像会聚物镜、窄带滤光片、第二针孔、探测器；所述的被测件和参考镜表面采用真空蒸发镀膜法进行镀膜。
上述基于受激辐射的荧光干涉显微测量装置，所述的窄带滤光片的中心波长为610nm，带宽为50nm。
由于本发明方法首先在被测件和参考镜表面镀膜，再经单色探测激光激发，最后解算探测面上的干涉条纹；本发明装置包括激光器、沿光线传播方向配置在激光器直射光路上的会聚物镜、第一针孔、准直扩束物镜、分光棱镜、参考聚焦物镜、参考镜和位移驱动器；配置在分光棱镜反射光路上的探测聚焦物镜和被测件；配置在分光棱镜透射光路上的成像会聚物镜、窄带滤光片、第二针孔、探测器；所述的被测件和参考镜表面采用真空蒸发镀膜法进行镀膜；这种设计，既保留了白光干涉测量方法优势，克服单色光相移干涉术中的相位模糊问题，其垂直测量范围理论上仅受扫描器行程和干涉物镜工作距离限制，又通过镀膜改变被测面的表面特性，保证测量光经被测面反射后能够返回探测系统，解决了高NA和高斜率表面检测的难题，适用于高NA和高斜率球面、非球面和自由曲面三维形貌的超精密测量。
附图说明
图1是本发明基于受激辐射的荧光干涉显微测量装置的结构示意图。
图中：1激光器、2会聚物镜、3第一针孔、4准直扩束物镜、5分光棱镜、6参考聚焦物镜、7参考镜、8位移驱动器、9探测聚焦物镜、10被测件、11成像会聚物镜、12窄带滤光片、13第二针孔、14探测器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施例作进一步详细描述。
本实施例的基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法，包括以下步骤：
a、采用多源有机分子束沉积OMBD系统，采用相同工艺进行有机薄膜的蒸镀，在被测件10和参考镜7表面蒸镀具有相同厚度的同种荧光有机薄膜，将被测件10的表面从原来的光滑表面改变为散射表面；
b、被测表面10和参考镜7经单色探测激光激发，表面辐射出相同中心波长和谱段宽度范围均相同的准单色光，该准单色光的中心波长为605nm，谱段宽度范围限定在585nm~635nm；
c、采用Linnik型白光干涉测量结构，使参考光和激发光在探测器13的探测面上形成干涉条纹，通过位移驱动器8移动参考镜7，使参考镜7和被测件10在不同空间位置形成干涉条纹，通过解算干涉条纹实现数值孔径小于0.2的表面面形的测量。
本实施例的基于受激辐射的荧光干涉显微测量装置结构示意图如图1所示，该测量装置包括激光器1、沿光线传播方向配置在激光器1直射光路上的会聚物镜2、第一针孔3、准直扩束物镜4、分光棱镜5、参考聚焦物镜6、参考镜7和位移驱动器8；配置在分光棱镜5反射光路上的探测聚焦物镜9和被测件10；配置在分光棱镜5透射光路上的成像会聚物镜11、中心波长为610nm，带宽为50nm的窄带滤光片12、第二针孔13、探测器14；所述的被测件10和参考镜7表面采用真空蒸发镀膜法进行镀膜。

Claims (2)

1.基于受激辐射的荧光干涉显微测量装置，其特征在于包括激光器(1)、沿光线传播方向配置在激光器(1)直射光路上的会聚物镜(2)、第一针孔(3)、准直扩束物镜(4)、分光棱镜(5)、参考聚焦物镜(6)、参考镜(7)和位移驱动器(8)；配置在分光棱镜(5)反射光路上的探测聚焦物镜(9)和被测件(10)；配置在分光棱镜(5)透射光路上的成像会聚物镜(11)、中心波长为610nm，带宽为50nm的窄带滤光片(12)、第二针孔(13)、探测器(14)；所述的被测件(10)和参考镜(7)表面采用真空蒸发镀膜法进行镀膜。
2.在权利要求1所述基于受激辐射的荧光干涉显微测量装置上实现的基于受激辐射的荧光干涉显微测量方法，其特征在于包括以下步骤：
a、采用多源有机分子束沉积(OMBD)系统，采用相同工艺进行有机薄膜的蒸镀，在被测件(10)和参考镜(7)表面蒸镀具有相同厚度的同种荧光有机薄膜，将被测件(10)的表面从原来的光滑表面改变为散射表面；
b、被测件(10)和参考镜(7)经单色探测激光激发，表面辐射出相同中心波长和谱段宽度范围均相同的准单色光；所述的准单色光的中心波长为605nm，谱段宽度范围限定在585nm～635nm；
c、采用Linnik型白光干涉测量结构，使参考光和激发光在探测器(14)的探测面上形成干涉条纹，通过位移驱动器(8)移动参考镜(7)，使参考镜(7)和被测件(10)在不同空间位置形成干涉条纹，通过解算干涉条纹实现数值孔径小于0.2的表面面形的测量。
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