CN104567676B - 双边拟合差动共焦测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学成像与检测技术领域，涉及一种双边拟合的差动共焦测量方法。该方法分别利用共焦系统特性曲线两边的一段数据，各自拟合出曲线方程并差动相减得到新的曲线方程，通过求解该新曲线方程的解，来得到共焦系统特性曲线的极值点位置。本发明由于利用了共焦特性曲线靠近半高宽位置附近对轴向位移非常灵敏的两段数据来进行拟合，因而由该数据段推算出的共焦显微特性曲线的极值点位置与现有共焦特性曲线顶部拟合方法相比灵敏度大幅提高，其更适应于实测中的非对称共焦特性曲线的处理。本发明将为共焦成像/检测领域提供一种新的测量处理方法。

Description

双边拟合差动共焦测量方法

技术领域

本发明属于三维微观测量技术领域，涉及一种轴向高分辨率的双边拟合差动共焦测量方法，其可用于测量样品的表面三维微细结构、微台阶、微构槽、集成电路线宽以及表面形貌等。

背景技术

共焦显微镜的思想最早由美国学者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年获得美国专利，专利号为US3013467。共焦显微镜将点光源、点物和点探测器三者置于彼此对应的共轭位置，构成了光学显微成像中独具层析能力的点照明和点探测显微成像系统。

共焦显微镜的基本原理如图1所示，光源1发出的光经过针孔3、分光镜5、物镜6在被测样品7表面聚焦，被测样品7反射测量光，该反射光沿原路返回，再通过分光镜5将来自样品7的测量光聚焦到置于光电探测器11前的针孔10内，在光电探测器11处形成点探测，光电探测器11主要接收来自物镜焦点处的测量光，焦点以外的返回光被针孔10遮挡。当物体位于焦平面F时，光电探测器11接收到的光强最大，当物体偏离焦平面F时，反射光被聚焦在针孔前或后的某一位置，此时光电探测器11仅接收一小部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的光强要比在焦平面时弱，这样就可以通过光电探测器检测到的图2所示的共焦显微镜的轴向响应特性曲线13的极值点位置来测得样品的高度位置。

从图2所示的共焦显微镜的轴向响应特性曲线13可以看出，其在强度极值点附近对轴向位置不灵敏，其结果制约了共焦显微系统轴向分辨能力的进一步提高。

共焦显微镜轴向分辨能力通常通过其轴向响应曲线的半高宽FWHM来表征，FWHM越小，轴向分辨能力越强。但由于受衍射极限等因素的限制，仅通过增大物镜4数值孔径NA和减小光波波长λ等来改善共焦显微镜轴向分辨的能力有限。

为改善共焦显微镜的轴向分辨能力，中国专利“具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法”(专利号：200410006359.6)、具有高空间分辨力的整形环形光束式差动共焦传感器(专利号：200410001107.4)、“超分辨激光偏振差动共焦成像方法与装置”(申请号：201010173338.9)、可兼顾分辨力和量程的激光差动共焦theta扫描检测方法(申请号：201010541404.3)、“基于空间平移变换的数字差动共焦测量装置与方法”(专利号：201310703089.3)和“分光瞳激光差动共焦布里渊-拉曼光谱测量方法及装置”(申请号：201410086360.8)等均利用产生平移的两个共焦特性曲线的差动相减来改善共焦显微系统的轴向分辨能力，并取得较好的效果。

但上述专利技术在改善分辨力时也存在某些局限：差动共焦技术利用两个共焦显微系统特性曲线的斜边段直接进行差动相减，但它易受两个特性曲线的形状差异、特性曲线自身不对称、特性曲线斜边段粗大数据点的影响等，同时还必须利用各种不同的方法产生可进行差动相减的两个共焦特性曲线等。

本质上，改善共焦测量系统轴向分辨能力的核心问题就是如何灵敏并准确地确定出共焦强度特性曲线的最大值位置。

由共焦显微镜的轴向响应特性曲线可以看出，其理论特性曲线关于极值点位置左右对称，而且半高宽附近数据对样品轴向位置非常灵敏。因此，本发明设想利用曲线13半高宽附近的数据来准确确定共焦显微镜轴向响应特性曲线13的极值点位置，以期改善共焦显微系统的轴向分辨能力。

基于此，本发明提出一种双边拟合差动共焦测量方法，其由于利用了共焦特性曲线靠近半高宽位置附近对轴向位移非常灵敏的两段数据来进行拟合，因而由该数据段推算出的共焦显微特性曲线的极值点位置与现有共焦特性曲线顶部拟合方法相比灵敏度大幅提高，其更适应于实测中的非对称共焦特性曲线数据点极值点的处理。

发明内容

本发明的目的是设计一种双边拟合差动共焦测量方法，它分别利用共焦系统特性曲线两边的一段数据，各自拟合出曲线方程，然后将拟合的两个曲线方程差动相减得到新的曲线方程，通过求解该新曲线方程的解来准确得到共焦系统特性曲线的极值点位置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

本发明双边拟合差动共焦测量方法准确获取共焦系统的焦点位置，包括以下步骤：

步骤一、确定共焦轴向强度响应数值最大值的位置；

步骤二、选取共焦轴向强度响应数值最大值位置两侧的两侧边段数据；

步骤三、对选取的两侧边段数据进行曲线拟合，得到左侧边拟合曲线和右侧边拟合曲线，其对应的拟合曲线方程分别记为I_A(z)和I_B(z)；

步骤四、将两拟合曲线和的拟合曲线方程差动相减得到双边拟合差动共焦曲线方程I_D(z)＝I_A(z)-I_B(z)；

步骤五、求方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h；

步骤六、共焦系统轴向特性曲线极值点对应的准确位置即为h。

本发明方法步骤二中离散数据段的数据个数及离散数据段的选取位置，由高度测量精度要求决定。

本发明方法步骤二中通过对离散数据直接进行直线拟合来加速处理过程。

有益效果

本发明对比已有技术具有以下创新点：

(1)无需产生两个差动相减的平移共焦曲线，避免了已有差动共焦技术因产生两共焦特性曲线相对位移而带来的系列问题，大幅简化差动共焦系统和处理过程。

(2)由于利用共焦特性曲线两侧边更多的数据信息，因而双边拟合差动共焦曲线零点更能真实灵敏地反映共焦系统的焦点位置，使其对不对称共焦特性曲线也能适应。实验中的共焦特性曲线由于受系统像差等因素的影响，共焦曲线常为不对称形式，此时已有差动共焦技术的差动特性曲线的零点位置已很难精确反映共焦系统的焦点位置。

(3)无需像已有差动共焦系统因不同放大倍率物镜而对两共焦特性曲线相对位置进行相应的调整。共焦显微系统特性曲线两斜边段的陡度已反映了共焦系统物镜参数等的变化情况，因而本发明通过拟合两斜边曲线再差动相减自然就能适应不同物镜放大率变化情况。

(4)斜边数据的曲线拟合消除了现有差动共焦曲线相减点处粗大误差的影响。

(5)继承了现有差动共焦技术分辨力改善2倍的优点。

附图说明

图1.共焦显微镜原理图；

图2.共焦显微镜轴向响应理论曲线图；

图3.本发明双边拟合差动共焦测量方法图；

图4.本发明双边拟合差动共焦测量方法实施例图；

图5.本发明双边拟合差动共焦测量装置实施例图；

图6.本发明双边拟合差动共焦测量方法层析测量实施例图；

图7.本发明双边拟合差动共焦光斑扫描测量装置实施例图。

其中，1-激光器，2-透镜，3-空间滤波针孔，4-准直镜，5-分光镜，6-物镜，7-样品，8-工作台，9-聚光镜，10-针孔，11-光电探测器，12-计算机测控系统，13-共焦显微镜轴向响应曲线，14-共焦轴向强度响应数值，15-左侧边拟合曲线，16-右侧边拟合曲线，17-双边拟合差动共焦曲线，18-二维光束扫描器。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明实施例基于图5所示共焦显微成像装置来实现，其包括：激光器1，依次放置在激光器1出射光方向的透镜2、空间滤波针孔3、准直镜4、分光镜5、物镜6、样品7和工作台8，以及分光镜5反射光方向反方向的聚光镜9、位于聚光镜9焦点位置的针孔10、置于针孔10后的光电探测器11和处理光电探测器信号的计算机测控系统12。

如图5所示，利用共焦显微成像装置探测共焦轴向强度响应数值14的过程为：出射激光通过透镜2、空间滤波针孔3、准直镜4和分光镜5后经物镜6聚焦到样品7后又被反射，该反射光再次经过物镜6后被分光镜5反射到聚光镜9，聚光镜9将该反射光聚焦到位于其焦点位置的针孔10，光电探测器11位于针孔10后用于探测透过针孔的对应共焦轴向位置的强度信息，当样品7在物镜6焦面附近沿z向微量移动时，光电探测器11即可探测到共焦轴向强度响应数值14。

实施例1

采用本发明方法进行单点高度值拟合测量的具体步骤结合图5说明如下：

步骤一、选样品7上的某测量点N(x,y)，使物镜6聚焦光斑对该测量点进行轴向扫描，同时光电探测器探测11探测到样品轴向位置的共焦轴向强度响应数值14，记为I(z)，其中x、y和z分别为样品测量点水平位置和轴向高度位置的坐标；

步骤二、如图4所示，找到共焦轴向强度响应数值14的最大值M；

步骤三、如图4所示，在共焦轴向强度响应数据两侧边以强度为M/2点的数据点为参考点在其附近选取数据段；

步骤四、如图4所示，对选取的两侧边数据段进行二次曲线拟合，得到左侧边拟合曲线15和右侧边拟合曲线16，其对应的拟合曲线方程分别为I_A(z)和I_B(z)；

步骤五、将两拟合曲线15和16的拟合曲线方程差动相减得到双边拟合差动共焦曲线17，其曲线方程I_D(z)＝I_A(z)-I_B(z)；

步骤六、求方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h；

步骤六、被测点N(x,y)的高度位置即为h。

实施例2

样品工作台扫描下，采用本发明方法进行逐点层析扫描成像的测量步骤结合图5说明如下：

步骤一、移动工作台8，记下样品7被测点的水平位置坐标N(x,y)；

步骤二、使物镜6沿光轴方向相对样品7进行轴向步距进给，光电探测器11测得每个轴向进给位置对应的共焦轴向强度响应数值14；

步骤三、如图6所示，利用计算机测控系统12提取步骤二测得的序列光电信号数值中与被测界面所对应的极大值点位置M_k；

步骤四、如图6所示，在步骤三所得的每个极大值点两侧边陡度变化较大的位置各取一段数据点并分别拟合曲线方程，其对应的曲线分别为15和16；

步骤五、如图6所示，将步骤四得到的每个极值点两侧拟合的曲线15和16的曲线方程差动相减，得到与极值点位置数对应的多个双边拟合差动共焦曲线17的差动曲线方程，求解每个差动曲线方程等于零的解，就可得到相应极值点对应的待测界面的高度位置h_k；

步骤六、沿水平方向移动工作台，使样品处于下一个已知位置的待测点位置，重复二～五步骤，便可得到如图6所示的各测点位置多个界面的高度位置；

步骤七、重复一～六步骤，直到所有待测点位置轴向界面高度位置测量完毕；

步骤八、利用样品7所有水平位置点对应的轴向界面高度位置信息构建待测样品7的三维几何结构。

实施例3

样品工作台扫描下，采用本发明方法进行逐层扫描层析成像的测量步骤结合图5说明如下：

步骤一、将物镜6聚焦到待测样品的第一界面，然后移动工作台8，在该界面内光电探测器11测量所有的待测点的光电信号数值，同时记下所有待测点的水平位置坐标；

步骤二、依据样品测量精度需求，选择物镜相对样品的微量进给步距；

步骤三、沿光轴方向使物镜6相对样品7进行微量步距进给，然后依据步骤一中所记录的水平位置点坐标，精确移动工作台8，使物镜聚焦光斑分别对准每个水平位置点，并同时利用光电探测器11测得该系列位置点的光电信号数值；

步骤五、重复步骤三，使被测样品在深度方向覆盖整个待测界面；

步骤六、提取每个测量点对应样品层析深度方向各进给位置点对应的光电探测器11测得的光电信号数值，如图6所示，便得到测量点轴向各界面的共焦轴向强度响应数值14；

步骤七、如图6所示，利用计算机测控系统12提取步骤五测得的序列光电信号数值中与被测界面所对应的极大值点位置M_k；

步骤八、如图6所示，在步骤五所得的每个极大值点两侧边陡度变化较大的位置各取一段数据点并分别拟合曲线方程，其对应的曲线分别为15和16；

步骤九、如图6所示，将步骤七得到的每个极值点两侧拟合的曲线15和16的曲线方程差动相减，得到与极值点位置数对应的多个双边拟合差动共焦曲线17的差动曲线方程，求解每个差动曲线方程等于零的解，就可得到相应极值点对应的待测界面的高度位置h_k；

步骤十、重复六～九步骤，直到所有待测点处理完毕；

步骤十一、利用样品7所有水平位置点对应的轴向界面高度位置信息构建待测样品7的三维几何结构。

实施例4

样品工作台扫描下，采用本发明方法进行逐层扫描层析成像的测量步骤结合图7说明如下：

步骤一、将物镜6聚焦到待测样品的第一界面，通过二维光束扫描器18在水平面内进行二维扫描，在该界面内光电探测器11测量所有的待测点的光电信号数值，同时记下所有待测点的水平位置坐标；

步骤二、依据样品测量精度需求，选择物镜相对样品的微量进给步距；

步骤三、沿光轴方向使物镜6相对样品7进行微量步距进给，然后依据步骤一中所记录的水平位置点坐标，精确移动工作台8，使物镜聚焦光斑分别对准每个水平位置点，并同时利用光电探测器11测得该系列位置点的光电信号数值；

步骤四、重复步骤三，使被测样品在深度方向覆盖整个待测界面；

步骤五、提取每个测量点对应样品层析深度方向各进给位置点对应的光电探测器11测得的光电信号数值，如图6所示，便得到测量点轴向各界面的共焦轴向强度响应数值14；

步骤六、如图6所示，利用计算机测控系统12提取步骤五测得的序列光电信号数值中与被测界面所对应的极大值点位置M_k；

步骤七、如图6所示，在步骤五所得的每个极大值点两侧边陡度变化较大的位置各取一段数据点并分别拟合曲线方程，其对应的曲线分别为15和16；

步骤八、如图6所示，将步骤七得到的每个极值点两侧拟合的曲线15和16的曲线方程差动相减，得到与极值点位置数对应的多个双边拟合差动共焦曲线17的差动曲线方程，求解每个差动曲线方程等于零的解，就可得到相应极值点对应的待测界面的高度位置h_k；

步骤九、重复六～八步骤，直到所有待测点处理完毕；

步骤十、利用样品7所有水平位置点对应的轴向界面高度位置信息构建待测样品7的三维几何结构。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围。

本发明的保护范围还包括任何共焦成像检测系统获取共焦轴向特性曲线后利用本发明方法来改善共焦轴向分辨力的范畴。

本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双边拟合差动共焦测量方法，其通过对共焦测量系统测得的轴向特性曲线进行双边拟合差动相减来改善其轴向分辨能力，其特征在于包括下列步骤：

步骤一、确定共焦轴向强度响应数值(14)最大值的位置；

步骤二、选取共焦轴向强度响应数值(14)最大值位置两侧的两侧边段数据；

步骤三、对选取的两侧边段数据进行曲线拟合，得到左侧边拟合曲线(15)和右侧边拟合曲线(16)，其对应的拟合曲线方程分别记为I_A(z)和I_B(z)；

步骤四、将左侧边拟合曲线(15)和右侧边拟合曲线(16)的拟合曲线方程差动相减得到双边拟合差动共焦曲线方程I_D(z)＝I_A(z)-I_B(z)；

步骤五、求方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h；

步骤六、共焦系统轴向特性曲线极值点对应的准确位置即为h。

2.根据权利要求1所述的双边拟合差动共焦测量方法，其特征在于：步骤二中两侧边段的数据个数及两侧边段的选取位置，由测量精度要求决定。

3.根据权利要求1所述的双边拟合差动共焦测量方法，其特征在于：步骤三中通过对两侧边段数据直接进行直线拟合来加速处理过程。