CN104568390A - 双边错位差动共焦测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学成像与检测技术领域，涉及一种双边错位差动共焦测量方法。该方法通过对共焦轴向特性曲线自身两侧边数据组的错位差动相减处理，来准确求得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差动相减处理，因而由该数据段推算出的共焦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，其结果在不改变共焦显微系统结构的条件下，可显著改善现有共焦显微系统的轴向分辨力和信噪比等。本发明将为共焦成像/检测领域提供一种新的技术途径。

Description

双边错位差动共焦测量方法

技术领域

本发明属于光学成像与检测技术领域，涉及一种双边错位差动共焦测量方法。可用三维微细结构、微台阶、微构槽、集成电路线宽、表面形貌以及表面测量定位等。

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的光学显微成像系统。

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反射测量光束，该反射测量光束沿原路返回，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仅接收少部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的光强要比在焦平面时弱，光电探测器11便测到图2所示的共焦轴向响应特性曲线13，共焦显微镜通过确定共焦轴向响应特性曲线13的极值点位置便可测得样品的高度位置。

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。

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轴向响应特性曲线13的最大值位置。

但现有共焦显微镜由于通过共焦轴向响应特性曲线13对轴向位移相对不敏感的顶部数据段进行拟合来求其最大值位置，因而其分辨能力的改善就受到制约。

从共焦轴向响应特性曲线13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FWHM附近的数据对样品轴向位置非常灵敏，因而本发明提出通过共焦轴向响应特性曲线13半高宽附近的数据段来准确确定其极值点位置，以期改善共焦测量系统的轴向分辨能力。

基于此，本发明提出一种双边错位差动共焦测量方法，以期在不改变共焦测量系统结构的前提下，仅经过测量数据的分析处理就能改善共焦测量系统的轴向分辨能力和信噪比等。

发明内容

本发明的目的是设计一种双边错位差动共焦测量方法，以期实现高精度定位。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的。

一种双边错位差动共焦测量方法，包括下列步骤：

步骤一、将共焦轴向强度响应数值14自身一侧边的数据组进行平移S并与其另一侧边数据组交汇并进行错位差动相减处理；

步骤二、将错位差动相减处理的数据进行曲线拟合，求曲线拟合方程；

步骤三、求拟合曲线方程的解，确定共焦轴向强度响应数值14的共焦轴向响应特性曲线极值点的准确位置。

本发明一种双边错位差动共焦测量方法，其实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤：

步骤一、确定共焦轴向强度响应数值14的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；

步骤二、保持左侧边数据组15和右侧边数据组16其中一组不动，使另一数据组沿横向坐标平移S得到新的数据组17，并使数据组17和数据组16在值为M/2的附近交汇；

步骤三、对数据组17和数据组16分别进行同横坐标点插值处理后再进行逐点相减处理得到双边交汇相减数据组22；

步骤四、取相减数据组22零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到双边交汇相减数据拟合曲线23和拟合方程I_D(z)；

步骤五、求拟合曲线方程I_D(z)＝0的解z＝h；

步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。

本发明方法步骤二中将左侧边数据组15和右侧边数据组16的横坐标分别加、减S/2，使左侧边数据组15和右侧边数据组16在值为M/2的附近交汇。

本发明方法步骤二中S值大小选为共焦特性曲线的半高宽FWHM。

本发明方法步骤四中对双边交汇相减数据组22直接进行直线拟合来加速处理过程。

本发明一种双边错位差动共焦测量方法，其实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:

步骤一、求共焦轴向强度响应数值14的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；

步骤二、各选左侧边数据组15和右侧边数据组16在值为M/2的左侧边段数据组19和右侧边段数据组20；

步骤三、保持左侧边段数据组19和右侧边段数据组20中一组不动，使另一段数据组沿横向坐标平移S得到平移段数据组21，并使右侧边段数据组20和平移段数据组21在值为M/2的附近交汇。

步骤四、对右侧边段数据组20和平移段数据组21分别进行曲线拟合，并得到拟合曲线方程I_A(z)和I_B(z)；

步骤五、求解两拟合曲线方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h，同时得到相减拟合曲线27；

步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。

本发明方法步骤三中将左侧边段数据组19和右侧边段数据组20沿横坐标分别相向平移S/2，使两组侧边数据组在值为M/2的附近交汇。

本发明方法步骤三中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM。

本发明方法步骤四中对左侧边段数据组19和右侧边段数据组20直接进行直线拟合来加速处理过程。

本发明一种双边错位差动共焦测量方法，其实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:

步骤一、将共焦轴向强度响应数值14沿横向坐标平移S得到移位共焦轴向强度响应数值24，并使共焦轴向强度响应数值24与共焦轴向强度响应数值14的侧边交汇；

步骤二、对共焦轴向强度响应数值14和移位共焦轴向强度响应数值24分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到相减共焦轴向强度响应数据组25；

步骤三、取相减共焦轴向强度响应数据组25零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到相减共焦特性曲线26和其拟合方程I_D(z)；

步骤四、求拟合方程I_D(z)＝0的解z＝h；

步骤五、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。

本发明方法步骤一中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM。

本发明方法步骤三中对相减共焦轴向强度响应数据组25零值附近数据段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显著效果：

1)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相减处理，因而由该数据段推算出的共焦轴向特性曲线极值点位置比常用共焦顶部数据段拟合法更灵敏、更准确；

2)对共焦测量硬件系统不做任何变动，仅对测后数据进行处理便可改善现有共焦测量系统的轴向分辨能力；

3)共焦测量系统特性曲线斜边数据段的信噪比高，因而利用该斜边段数据再相减处理便可显著改善现有共焦测量系统的信噪比。

4)本方法本质上虽仍为共焦测量方法，但却具有现有差动共焦测量技术定焦分辨力高和信噪比高的显著优点，并同时又回避了差动共焦系统结构复杂等问题。

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.本发明双边错位差动共焦测量方法；

图4.本发明双边错位差动共焦测量方法；

图5.本发明双边错位差动共焦测量方法；

图6.本发明双边错位差动共焦测量方法共焦显微成像实施例图；

图7.本发明双边错位差动共焦测量方法共焦显微层析成像实施例图；

图8.本发明双边错位差动共焦测量方法共焦光束扫描成像实施例图；

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-左侧边数据组，16-右侧边数据组，17-左侧边插值数据组，18-右侧边插值数据组，19-左侧边段数据组，20-右侧边段数据组，21-平移段数据组，22-双边交汇相减数据组，23双边交汇相减数据拟合曲线，24-移位共焦轴向强度响应数据组，25-相减共焦轴向强度响应数据组，26-相减共焦特性曲线，27-相减拟合曲线，28-归中双边交汇相减数据拟合曲线，29-归中相减拟合曲线，30-归中相减共焦特性曲线，31-二维光束扫描器。

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6所示的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6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3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3所示，确定共焦轴向强度响应数值14的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；

步骤三、如图3所示，右侧边数据组16不动，使左侧边数据组15沿横向坐标平移S，并使两组数据在值为M/2的附近交汇，其中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM；

步骤四、如图3所示，对数据组17和数据组16分别进行同横坐标点插值处理后再进行逐点相减处理得到双边交汇相减数据组22；

步骤五、取相减数据组22零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到双边交汇相减数据拟合曲线23和拟合方程I_D(z)；

步骤六、求拟合曲线方程I_D(z)＝0的解z＝h；

步骤七、被测点N(x,y)的高度位置m即为(h-S/2)。

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6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5所示，对步骤二得到的每个共焦轴向强度响应数值14均沿横向坐标平移S得到移位共焦轴向强度响应数值24，其中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM；

步骤四、如图5所示，对步骤二得到的每个共焦轴向强度响应数值14和移位共焦轴向强度响应数值24分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减得到相减共焦轴向强度响应数据组25；

步骤五、如图5所示，对步骤四得到的每个相减共焦轴向强度响应数据组25零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到对应步骤二每个共焦轴向强度响应数值14的相减共焦特性曲线26和其拟合方程I_D(z)；

步骤六、求解步骤五每个共焦轴向强度响应数值14对应的拟合方程I_D(z)＝0的解z＝h；

步骤七、每个被测点N(x,y)的高度位置m_i即为(h_i-S/2)。

步骤八、沿水平方向移动工作台8，使样品7处于下一个已知位置的待测点位置，重复二～六步骤，便可得到如图7所示的各测点位置多个界面的高度位置；

步骤九、重复一～七步骤，直到所有待测点N_j(x,y)位置轴向界面高度位置m_ji测量完毕；

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。

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6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7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7所示，利用计算机测控系统12提取步骤六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7所示，以M_k为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；如图4所示，各选左侧边数据组15和右侧边数据组16在值为M/2的左侧边段数据组19和右侧边段数据组20；

步骤九、如图4所示，保持右侧边段数据组20不动，使左侧边段数据组19沿横向坐标平移S得到平移段数据组21，并使两数据段交汇在值为M/2的附近交汇，其中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM；

步骤十、如图4所示，对右侧边段数据组20和平移段数据组21分别进行曲线拟合，得到曲线方程I_A(z)和I_B(z)，并求解两拟合曲线方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h，则被测点高度位置m即为(h-S/2)；

步骤十一、如图7所示，重复八～十步骤，求解每个共焦轴向强度响应数值14相应极值点对应的待测界面的高度位置m_k＝(h_k-S/2)；

步骤十二、重复八～十一步骤，直到所有待测点处理完毕；

步骤十三、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8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7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7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7所示，以M_k为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；如图4所示，各选左侧边数据组15和右侧边数据组16在值为M/2的左侧边段数据组19和右侧边段数据组20；

步骤八、如图4所示，保持右侧边段数据组20不动，使左侧边段数据组19沿横向坐标平移S得到平移段数据组21，并使两数据段交汇在值为M/2的附近交汇；对右侧边段数据组20和平移段数据组21分别进行曲线拟合，并得到曲线方程I_A(z)和I_B(z)；求解两拟合曲线方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h；则被测点高度位置m即为(h-S/2)，其中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM。

步骤九、如图7所示，将步骤七得到的每个极值点数据分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16，重复八步骤就可得到相应极值点对应的待测界面的高度位置m_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。

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 (10)

1.一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于包括下列步骤：

步骤一、将共焦轴向强度响应数值(14)自身一侧边的数据组进行平移S并与其另一侧边数据组交汇并进行错位差动相减处理；

步骤二、将错位差动相减处理的数据进行曲线拟合，求曲线拟合方程；

步骤三、求拟合曲线方程的解，确定共焦轴向强度响应数值(14)的共焦轴向响应特性曲线极值点的准确位置。

2.根据权利1所述的一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤：

步骤一、确定共焦轴向强度响应数值(14)的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值(14)分割为左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)；

步骤二、保持左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)其中一组不动，使另一数据组沿横向坐标平移S得到新的数据组(17)，并使数据组(17)和数据组(16)在值为M/2的附近交汇；

步骤三、对数据组(17)和数据组(16)分别进行同横坐标点插值处理后再进行逐点相减处理得到双边交汇相减数据组(22)；

步骤四、取相减数据组(22)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到双边交汇相减数据拟合曲线(23)和拟合方程I_D(z)；

步骤五、求拟合曲线方程I_D(z)＝0的解z＝h；

步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。

3.根据权利2所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：步骤二中将左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)的横坐标分别加、减S/2，使左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)在值为M/2的附近交汇。

4.根据权利2所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：步骤四中对双边交汇相减数据组(22)直接进行直线拟合来加速处理过程。

5.根据权利1所述的一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:

步骤一、求共焦轴向强度响应数值(14)的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值(14)分割为左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)；

步骤二、各选左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)在值为M/2的左侧边段数据组(19)和右侧边段数据组(20)；

步骤三、保持左侧边段数据组(19)和右侧边段数据组(20)中一组不动，使另一段数据组沿横向坐标平移S得到平移段数据组(21)，并使右侧边段数据组(20)和平移段数据组(21)在值为M/2的附近交汇；

步骤四、对右侧边段数据组(20)和平移段数据组(21)分别进行曲线拟合，并得到拟合曲线方程I_A(z)和I_B(z)；

步骤五、求解两拟合曲线方程I_A(z)-I_B(z)＝0的解z＝h，同时得到相减拟合曲线(27)；

步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。

6.根据权利5所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：步骤三中将左侧边段数据组(19)和右侧边段数据组(20)沿横坐标分别相向平移S/2，使两组侧边数据组在值为M/2的附近交汇。

7.根据权利5所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：步骤四中对左侧边段数据组(19)和右侧边段数据组(20)直接进行直线拟合来加速处理过程。

8.根据权利1所述的一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:

步骤一、将共焦轴向强度响应数值(14)沿横向坐标平移S得到移位共焦轴向强度响应数值(24)，并使共焦轴向强度响应数值(24)与共焦轴向强度响应数值(14)的侧边交汇；

步骤二、对共焦轴向强度响应数值(14)和移位共焦轴向强度响应数值(24)分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到相减共焦轴向强度响应数据组(25)；

步骤三、取相减共焦轴向强度响应数据组(25)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到相减共焦特性曲线(26)和其拟合方程I_D(z)；

步骤四、求拟合方程I_D(z)＝0的解z＝h；

步骤五、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。

9.根据权利1所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：S值大小选为共焦轴向强度响应数据组(14)曲线的半高宽FWHM。

10.根据权利1所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：错位差动相减处理数据进行直线拟合。