CN112577418B - 一种正交偏振分选光学采集装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于表面形貌测量领域，并公开了一种正交偏振分选光学采集装置及其应用。该装置中宽带线偏振光射入消偏振分光棱镜并产生反射光和透射光；反射光通过第一显微镜、反光镜和消偏振分光棱镜形成参考光；透射光通过第二显微镜投射到待测样品表面形成出射光并进入第二显微镜，然后通过消偏振分光透镜反射形成测量光；测量光中与宽带线偏振光偏振方向正交的偏振分量被第一成像面采集，为待测样品表面的散射信号；测量光中与宽带线偏振光偏振方向相同的偏振分量与参考光在第二成像面上发生干涉，并被该第二成像面采集，为待测样品表面的反射信号。本发明能够同步分选采集表面的反射、散射两种光学特性信息，适用于多光学特性微纳结构表面形貌测量。

Description

一种正交偏振分选光学采集装置及其应用

技术领域

本发明属于表面形貌测量领域，更具体地，涉及一种正交偏振分选光学采集装置及其应用。

背景技术

随着科学和先进制造技术的发展，微纳结构表面特征的精细和复杂程度不断提升，兼具反射和散射两种特性的多光学特性表面在各种新型制件中不断地出现。这些新型的多光学特性表面，呈现出反射—散射两种光学特性区域交错并存的状态。

现有光学表面形貌测量方法由于仅能采集反射和散射中的一种特定光学特性信息进行表面形貌恢复，而难以实现其整体有效的精密测量。因此，研究适用于反射—散射多光学特性表面形貌的显微测量系统及方法，解决相关表面测量分析需求问题，具有重要现实意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了种正交偏振分选光学采集装置及其应用，其中该装置通过对其光学组件的构成及位置进行优化，能够同步分选采集反射、散射两种表面光学特性信息，因而尤其适用于微纳结构表面表征的应用场合。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种正交偏振分选光学采集装置，该装置包括宽带点光源、准直透镜、起偏器、第一反射镜、第二反射镜、消偏振分光棱镜、第一显微镜、反光镜、第二显微镜、偏振分光棱镜、第一成像面、第一透镜、第二成像面、第二透镜，其中：

所述宽带点光源、准直透镜和起偏器在宽带点光源的出射光传播方向上依次设置，用于产生宽带线偏振光；

所述宽带线偏振光依次经过所述第一反射镜和第二反射镜反射后，射入所述消偏振分光棱镜并产生反射光和透射光；

所述第一显微镜和反光镜沿所述反射光的传播方向设置，所述反射光通过所述第一显微镜投射在反光镜上，经过反射后重新进入所述第一显微镜并经过消偏振分光棱镜透射形成参考光；

所述第二显微镜沿所述透射光的传播方向设置，所述透射光通过所述第二显微镜投射到待测样品表面形成出射光并进入第二显微镜，然后通过所述消偏振分光透镜反射形成测量光；

所述测量光中与所述宽带线偏振光偏振方向正交90°的偏振分量穿过所述第一透镜后被所述第一成像面采集，为待测样品表面的散射信号；

所述测量光中与所述宽带线偏振光偏振方向相同的偏振分量与所述参考光穿过所述第二透镜后在第二成像面上发生干涉，并被该第二成像面采集，为待测样品表面的反射信号，以此实现待测样品表面反射信号和散射信号的同步采集工作。

作为进一步优选地，所述正交偏振分选光学采集装置还包括套设在所述第二显微镜外侧的线偏振环形光源，所述线偏振环形光源的偏振方向与所述宽带线偏振光的偏振方向一致，用于作为补充光源。

按照本发明的另一方面，提供了一种多光学特性表面形貌显微测量系统，该测量系统包括光学采集装置、支撑装置、伺服驱动装置、激光干涉计量装置和主控装置，其中：

所述光学采集装置采用上述正交偏振分选光学采集装置；

所述支撑装置用于提供支撑作用同时放置待测样品；

所述伺服驱动装置与所述光学采集装置连接，用于带动所述光学采集装置沿垂直于所述待测样品的方向移动；

所述激光干涉测量装置设置在所述光学采集装置的上方，用于实时监控所述光学采集装置竖直方向上的位移，并在所述光学采集装置达到预设位移距离时同步触发第一成像面和第二成像面；

所述主控装置用于控制所述伺服驱动装置的移动，同时采集所述第一成像面和第二成像面的光学特性信号以及激光干涉测量装置采集的位移信息。

作为进一步优选地，所述伺服驱动装置包括电机、减速器、位移工作台和伺服控制器，其中所述电机通过所述减速器与位移工作台连接，所述位移工作台与所述光学采集装置连接，以利用所述电机带动所述光学采集装置沿竖直方向移动；所述伺服控制器用于控制所述电机，进而调节所述光学采集装置的位置。

作为进一步优选地，所述激光干涉测量装置包括激光干涉发生器和锥镜，其中所述激光干涉发生器设置在所述锥镜的上方，该激光干涉发生器发射的激光经锥镜反射后由所述激光干涉发生器接收，利用该干涉信号实时监控所述光学采集装置竖直方向上的位移。

作为进一步优选地，所述激光干涉发生器发射激光的光轴与所述第二显微镜的光轴重合。

作为进一步优选地，所述支撑装置包括载物平台和立式安装支架，所述载物平台设置在第二显微镜的正下方，用于放置待测样品；所述立式安装支架用于安装该测量系统。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述多光学特性表面形貌显微测量系统进行测量的方法，该方法具体包括如下步骤：

S1调整起偏器的放置角度，使得宽带线光源的偏振方向与偏振分光棱镜的e光偏振方向相同，并与该偏振分光棱镜的o光偏振方向呈90°正交，然后将待测样品放置在所述支撑装置上；

S2所述伺服驱动装置在所述主控装置的控制下，带动光学采集装置进行连续的垂直扫描运动，当所述光学采集装置达到主控装置预设位移距离时，所述干涉计量装置同步触发第一成像面和第二成像面，所述主控装置分别采集所述待测样品的两种光学特性信号；

S3重复步骤S2使得所述待测样品各个测量点依次进入第二显微镜的焦深范围内，直至全部退出，以此完成垂直扫描；

S4分别采用反射、散射特性表面形貌恢复算法对上述两种光学特性信号进行分析解算，重组得到待测样品的形貌测量数据。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供了一种正交偏振分选光学采集装置，该装置针对表面呈现反射-散射两种光学特性区域交错并存的待测样品，相应设计了第一成像面和第二成像面，并对各光学组件的布置方式进行优化，使得测量光中与光源偏振方向相同的偏振分量与参考光发生干涉并被第二成像面采集，作为待测样品的反射信号，同时测量光中与光源偏振方向正交90°的偏振分量被第一成像面采集，为待测样品的散射信号，以此实现反射、散射两种表面光学特性信息的同步采集；

2.尤其是，本发明提供了一种多光学特性表面形貌显微测量系统，该系统采用上述正交偏振分选光学采集装置，并在伺服驱动装置的带动下沿竖直方向移动，使得待测样品各个测量点依次进入第二显微镜的焦深范围内，从而实现对多光学特性表面整体形貌进行一次性高精度测量，解决微纳结构表面形貌检测和质量保障需求。

附图说明

图1是本发明优选实施例构建的正交偏振分选光学采集装置的结构示意图；

图2是本发明优选实施例构建的多光学特性表面形貌显微测量系统的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

10-光学采集装置，101-宽带点光源，102-准直透镜，103-起偏器，104-第一反射镜，105-第二反射镜，106-消偏振分光棱镜，107-第一显微镜，108-反光镜，109-第二显微镜，110-线偏振环形光源，111-偏振分光棱镜，112-第一透镜，113-第一成像面，114-第二透镜，115-第二成像面，201-激光干涉发生器，202-锥镜，301-伺服控制器，302-电机，303-减速器，304-位移工作台，40-主控装置，501-载物平台。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例一种正交偏振分选光学采集装置，该装置包括宽带点光源101、准直透镜102、起偏器103、第一反射镜104、第二反射镜105、消偏振分光棱镜106、第一显微镜107、反光镜108、第二显微镜109、偏振分光棱镜111、第一成像面113、第一透镜112、第二成像面115、第二透镜114，其中：

宽带点光源101、准直透镜102和起偏器103在宽带点光源101的出射光传播方向上依次设置，宽带点光源101放置于准直透镜102一侧焦点处，起偏器103放置于准直透镜102另一侧，形成光学采集装置准直出射的宽带线偏振光；

在宽带线偏振光准直传播方向上安装第一反射镜104，在第一反射镜104的出射光方向上放置第二反射镜105，在第二反射镜105反射光出射方向上放置消偏振分光棱镜106，宽带线偏振光依次经过第一反射镜104和第二反射镜105反射后，射入消偏振分光棱镜106并产生反射光和透射光；

第一显微镜107和反光镜108沿反射光的传播方向设置，反射光通过第一显微镜107投射在放置在其光轴垂直方向上的反光镜108，经过反射后重新进入第一显微镜107并经过消偏振分光棱镜106透射形成参考光，反光镜108的反射面与第一显微镜107的焦平面重合；

第二显微镜109沿透射光的传播方向设置，透射光通过第二显微镜109投射到待测样品表面形成出射光并进入第二显微镜109，然后通过消偏振分光透镜106反射形成测量光，第一显微镜107和第二显微镜109采用小焦深显微镜；

测量光中与宽带线偏振光偏振方向正交90°的偏振分量穿过第一透镜112后被第一成像面113采集，为待测样品表面的散射信号；

测量光中与宽带线偏振光偏振方向相同的偏振分量与参考光穿过第二透镜114后在第二成像面115上发生干涉，并被该第二成像面115采集，为待测样品表面的反射信号，以此实现待测样品表面反射信号和散射信号的同步采集工作。

进一步，正交偏振分选光学采集装置还包括套设在第二显微镜109外侧的线偏振环形光源110，其安装在第二显微镜109的光轴垂直平面上，使其聚焦平面与第二显微镜109的焦平面重合，并且线偏振环形光源110的偏振方向与宽带线偏振光的偏振方向一致，用于作为补充光源。

按照本发明的另一方面，提供了一种多光学特性表面形貌显微测量系统，该测量系统包括光学采集装置10、支撑装置、伺服驱动装置、激光干涉计量装置和主控装置40，其中：

光学采集装置10采用上述正交偏振分选光学采集装置；

支撑装置用于提供支撑作用同时放置待测样品，其包括载物平台501和立式安装支架，载物平台501设置在第二显微镜109的正下方，用于放置待测样品；立式安装支架用于安装该测量系统；

伺服驱动装置安装在立式安装支架中部，并与光学采集装置10连接，用于带动光学采集装置10沿垂直于待测样品的方向移动，其包括电机302、减速器303、位移工作台304和伺服控制器301，电机302通过减速器303与位移工作台304连接，位移工作台304的活动平面与光学采集装置10连接，以利用电机302带动光学采集装置10沿竖直方向移动；伺服控制器301用于控制电机302，进而调节光学采集装置10的位置；

激光干涉测量装置安装在立式安装支架上部，并设置在光学采集装置10的上方，用于实时监控光学采集装置10竖直方向上的位移，并在光学采集装置10达到预设位移距离时同步触发第一成像面113和第二成像面115；

主控装置40与伺服驱动装置、激光干涉测量装置进行控制连接，同时第一成像面113和第二成像面115的外触发接口与激光干涉测量装置相连接，其图像传输接口与主控装置40连接，主控装置40用于控制伺服驱动装置的移动，同时采集第一成像面113和第二成像面115的光学特性信号以及激光干涉测量装置采集的位移信息。

进一步，激光干涉测量装置包括激光干涉发生器201和锥镜202，其中激光干涉发生器201设置在锥镜202的上方，该激光干涉发生器201发射的激光经锥镜202反射后由激光干涉发生器201接收，利用该干涉信号实时监控光学采集装置10竖直方向上的位移；激光干涉发生器201发射激光的光轴与第二显微镜109的光轴重合。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述多光学特性表面形貌显微测量系统进行测量的方法，该方法具体包括如下步骤：

S1需要调整光学采集装置10以保证同步获得分选后的反射、散射两种特性信号，首先调整起偏器103在传播光轴垂直平面内的放置角度，使得宽带线光源的偏振方向与偏振分光棱镜111的e光偏振方向相同，并与该偏振分光棱镜111的o光偏振方向呈90°正交，然后调整线偏振环形光源110出射光的偏振方向，使其与宽带线偏振光的偏振方向保持一致，最后将待测样品放置在支撑装置上；

S2待测样品表面出射光中与两个光源偏振方向相同的偏振分量部分，与参考光在第二成像面115处发生干涉，被第二成像面115采集，为待测样品的反射特性信号；待测样品表面出射光中与两个光源偏振方向呈90°正交的偏振分量，被第一成像面113采集，为待测样品的散射特性信号；伺服驱动装置在主控装置40的控制下，带动光学采集装置10进行连续的垂直扫描运动，此过程中激光干涉计量装置实时监控光学采集装置10处置方向的位移量，当光学采集装置10达到主控装置40预设位移间距时，干涉计量装置同步触发第一成像面113和第二成像面115，主控装置40分别采集待测样品的两种光学特性信号；

S3重复步骤S2使得待测样品各个测量点依次进入第二显微镜109的焦深范围内，直至全部退出，以此完成垂直扫描；

S4分别采用反射、散射特性表面形貌恢复算法对上述两种光学特性信号进行分析解算，重组得到待测样品的形貌测量数据。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种正交偏振分选光学采集装置，其特征在于，该装置包括宽带点光源（101）、准直透镜（102）、起偏器（103）、第一反射镜（104）、第二反射镜（105）、消偏振分光棱镜（106）、第一显微镜（107）、反光镜（108）、第二显微镜（109）、偏振分光棱镜（111）、第一成像面（113）、第一透镜（112）、第二成像面（115）、第二透镜（114），其中：

所述宽带点光源（101）、准直透镜（102）和起偏器（103）在宽带点光源（101）的出射光传播方向上依次设置，用于产生宽带线偏振光，所述起偏器（103）的角度使得宽带线偏振光的偏振方向与偏振分光棱镜（111）的e光偏振方向相同，并与偏振分光棱镜（111）的o光偏振方向呈90°正交；

所述宽带线偏振光依次经过所述第一反射镜（104）和第二反射镜（105）反射后，射入所述消偏振分光棱镜（106）并产生反射光和透射光；

所述第一显微镜（107）和反光镜（108）沿所述反射光的传播方向设置，所述反射光通过所述第一显微镜（107）投射在反光镜（108）上，经过反射后重新进入所述第一显微镜（107）并经过消偏振分光棱镜（106）透射形成参考光；

所述第二显微镜（109）沿所述透射光的传播方向设置，所述透射光通过所述第二显微镜（109）投射到待测样品表面形成出射光并进入第二显微镜（109），然后通过所述消偏振分光棱镜（106）反射形成测量光；

所述测量光中与所述宽带线偏振光偏振方向正交90°的偏振分量穿过所述第一透镜（112）后被所述第一成像面（113）采集，为待测样品表面的散射信号；

所述测量光中与所述宽带线偏振光偏振方向相同的偏振分量与所述参考光穿过所述第二透镜（114）后在第二成像面（115）上发生干涉，并被该第二成像面（115）采集，为待测样品表面的反射信号，以此实现待测样品表面反射信号和散射信号的同步采集工作。

2.如权利要求1所述的正交偏振分选光学采集装置，其特征在于，所述正交偏振分选光学采集装置还包括套设在所述第二显微镜（109）外侧的线偏振环形光源（110），所述线偏振环形光源（110）的偏振方向与所述宽带线偏振光的偏振方向一致，用于作为补充光源。

3.一种多光学特性表面形貌显微测量系统，其特征在于，该测量系统包括权利要求1或2所述的正交偏振分选光学采集装置，该测量系统包括光学采集装置（10）、支撑装置、伺服驱动装置、激光干涉计量装置和主控装置（40），其中：

所述光学采集装置（10）采用上述正交偏振分选光学采集装置；

所述支撑装置用于提供支撑作用同时放置待测样品；

所述伺服驱动装置与所述光学采集装置（10）连接，用于带动所述光学采集装置（10）沿垂直于所述待测样品的方向移动；

所述激光干涉测量装置设置在所述光学采集装置（10）的上方，用于实时监控所述光学采集装置（10）竖直方向上的位移，并在所述光学采集装置（10）达到预设位移距离时同步触发第一成像面（113）和第二成像面（115）；

所述主控装置（40）用于控制所述伺服驱动装置的移动，同时采集所述第一成像面（113）和第二成像面（115）的光学特性信号以及激光干涉测量装置采集的位移信息。

4.如权利要求3所述的多光学特性表面形貌显微测量系统，其特征在于，所述伺服驱动装置包括电机（302）、减速器（303）、位移工作台（304）和伺服控制器（301），其中所述电机（302）通过所述减速器（303）与位移工作台（304）连接，所述位移工作台（304）与所述光学采集装置（10）连接，以利用所述电机（302）带动所述光学采集装置（10）沿竖直方向移动；所述伺服控制器（301）用于控制所述电机（302），进而调节所述光学采集装置（10）的位置。

5.如权利要求3所述的多光学特性表面形貌显微测量系统，其特征在于，所述激光干涉测量装置包括激光干涉发生器（201）和锥镜（202），其中所述激光干涉发生器（201）设置在所述锥镜（202）的上方，该激光干涉发生器（201）发射的激光经锥镜（202）反射后由所述激光干涉发生器（201）接收，利用激光干涉发生器（201）接收的干涉信号实时监控所述光学采集装置（10）竖直方向上的位移。

6.如权利要求3所述的多光学特性表面形貌显微测量系统，其特征在于，所述激光干涉发生器（201）发射激光的光轴与第二显微镜（109）的光轴重合。

7.如权利要求3所述的多光学特性表面形貌显微测量系统，其特征在于，所述支撑装置包括载物平台（501）和立式安装支架，所述载物平台（501）设置在第二显微镜（109）的正下方，用于放置待测样品；所述立式安装支架用于安装该测量系统。

8.一种利用如权利要求3所述的多光学特性表面形貌显微测量系统进行测量的方法，该方法具体包括如下步骤：

S1调整起偏器（103）的放置角度，使得宽带线光源的偏振方向与偏振分光棱镜（111）的e光偏振方向相同，并与该偏振分光棱镜（111）的o光偏振方向呈90°正交，然后将待测样品放置在所述支撑装置上；

S2所述伺服驱动装置在所述主控装置（40）的控制下，带动光学采集装置（10）进行连续的垂直扫描运动，当所述光学采集装置（10）达到主控装置（40）预设位移距离时，所述干涉计量装置同步触发第一成像面（113）和第二成像面（115），所述主控装置（40）分别采集所述待测样品的两种光学特性信号；

S3重复步骤S2使得所述待测样品各个测量点依次进入第二显微镜（109）的焦深范围内，直至全部退出，以此完成垂直扫描；

S4分别采用反射、散射特性表面形貌恢复算法对上述两种光学特性信号进行分析解算，重组得到待测样品的形貌测量数据。

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