CN113899738B - 单层及多层微纳结构图形试样跟踪装置及方法 - Google Patents
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Abstract
单层及多层微纳结构图形试样跟踪装置及方法,装置包括照明模块、线阵CCD、计算机、光阑、分光棱镜、面阵CCD、激光器、分光元件、成像透镜、反射镜、扩束镜、衰减片、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片等，将微纳结构图形试样放置于位移台上，通过粗调电机使得微纳结构图形试样表面在面阵CCD中清晰成像，通过线阵CCD采集的激光光斑直径数据得出当前位置的离焦量，控制压电陶瓷实时自动跟踪。利用线阵CCD中高精度像素使得激光光斑的微小变化即可被检测，激光光斑经过物镜与成像系统进行了二次放大使得光斑的变化率变大，系统灵敏度高。本发明根据线阵CCD高速实时测量光斑直径得出离焦距离而非通过光斑能量判断。
Description
技术领域
本发明涉及单层及多层微纳结构图形试样高速跟踪领域，是一种基于激光光斑直径检测离焦量的高速高精度高灵敏度跟踪控制方法，可用于单层及多层微纳结构图形试样的自动跟踪。
背景技术
单层微纳光学器件的微纳结构直接影响其光学性能，因此单层微纳光学器件需要进行结构检测。多层微纳存储器可用于长久保存历史级的文献资料，这类保存方式是否可行主要受制于多层微纳结构的读取效率。在检测与读取单层及多层微纳结构图形试样时，需要使用倍数大景深小的物镜，在位移台扫描运动时易发生离焦，使得采集图像质量变差，无法使用，因此需要对单层及多层微纳结构图形试样进行实时自动跟踪。
发明内容
本发明的目的在于克服了现有技术的不足，根据线阵CCD高速实时测量激光光斑直径得出离焦距离而非通过激光光斑能量判断，可实现高速高精度高灵敏度跟踪不同反射率的单层及多层微纳结构图形试样。
本发明的技术解决方案如下：
单层及多层微纳结构图形试样跟踪装置，其特征在于，包括物镜、线阵CCD、面阵CCD、成像透镜和分光元件，所述的线CCD到成像透镜的距离，与所述的面CCD到成像透镜的距离均等于该成像透镜的焦距，且所述的线CCD到分光元件的距离与面CCD到分光元件的距离相同。入射光经所述的物镜汇聚后，照射在微纳结构图形试样上，经该微纳结构图形试样反射，反射光经成像透镜成像、经分光元件分束后，分别由所述的线阵CCD和面阵CCD清晰成像。压电陶瓷和位移台分别与控制器相连。将微纳结构图形试样放置于位移台上，通过粗调电机使得微纳结构图形试样的表面在面阵CCD中清晰成像，通过线阵CCD采集的激光光斑直径数据得出当前位置的离焦量，控制压电陶瓷实时自动跟踪。依次聚焦于微纳结构图形试样各层可实现各层微纳结构图形试样实时自动跟踪。
为达到上述目的，本发明的步骤如下：
a)构建跟踪光路：包括照明模块、线阵CCD、计算机、光阑、分光元件、面阵CCD、激光器、分光棱镜、成像透镜、反射镜、扩束镜、衰减片、1/2波片、反射镜、偏振分光棱镜、1/4波片、粗调电机、压电陶瓷、物镜、供微纳结构图形试样放置的位移台、控制器；所述照明模块发出白光依次经过所述分光棱镜和第一反射镜，经偏振分光棱镜反射后，经1/4波片、第二反射镜、物镜，到达微纳结构图形试样，然后沿原光路返回到达分光棱镜反射，到成像透镜、第三反射镜、经过分光元件，分别到达线阵CCD和面阵CCD；激光器发出激光，经过扩束镜、衰减片、1/2波片、偏振分光棱镜、1/4波片、第二反射镜、物镜，到达微纳结构图形试样，然后沿原光路返回到达偏振分光棱镜反射、第一反射镜反射、分光棱镜反射，到成像透镜、第三反射镜、经过分光元件，分别到达线阵CCD和面阵CCD；所述的线阵CCD、面阵CCD、位移台、控制器与所述计算机进行通讯；线阵CCD、压电陶瓷、位移台与控制器实时通讯；
b)将微纳结构图形试样放置于位移台上，控制压电陶瓷运动到中间行程，通过粗调电机使得微纳结构图形试样的第一层表面在面阵CCD中清晰成像，设该点为该层的焦点位置；
c)控制激光器，将激光器功率设定为p mW；
d)控制压电陶瓷向上下运动lμm，找出面阵CCD探测到的最大光斑直径dmax与最小光斑直径dmin，计算出中间位置的光斑直径控制压电陶瓷(2回到中间行程，调节扩束镜使得面阵CCD中激光光斑直径为d，控制压电陶瓷上下运动lμm,运动分辨率2nm，完成激光光斑直径与离焦距离的数据标定,绘制激光光斑直径与离焦量的拟合曲线；
e)通过线阵CCD采集的激光光斑直径数据得出当前位置的离焦量，使用PID控制算法控制压电陶瓷，使得压电陶瓷带动物镜运动到焦点位置；
f)控制位移台做扫描运动，完成微纳结构图形试样的第一层表面的自动跟踪，控制粗调电机移动到微纳结构图形试样的各层，依次完成微纳结构图形试样的各层自动跟踪。
与现有技术相比，本发明的技术效果如下：
1)激光光斑直径中间位置为图像清晰位置，使得可以通过光斑直径大小判断是近焦还是远焦；
2)激光光斑直径中间位置为图像清晰位置，使得整个线性跟踪区间最大；
3)线阵CCD通过测量光斑直径轮廓得出离焦量，因此可跟踪不同反射率的微纳结构图形试样，应用范围广。
附图说明
图1本发明单层及多层微纳结构图形试样装置示意图；
图2本发明激光光斑不同离焦位置示意图；
图3本发明离焦量与激光光斑直径图；
图4本发明离焦量与激光光斑直径拟合曲线图；
图5本发明单层及多层微纳结构示意图；
具体实施方式
下面通过实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，单层及多层微纳结构跟踪装置，其特征在于，包括照明模块1、线阵CCD2、计算机3、第一光阑4、分光元件5、第二光阑6、面阵CCD7、激光器8、分光棱镜9、成像透镜10、第三反射镜11、扩束镜12、衰减片13、1/2波片14、第一反射镜15、偏振分光棱镜16、1/4波片17、第二反射镜18、粗调电机19、压电陶瓷20、物镜21、微纳结构图形试样22、位移台23、控制器24；
所述照明模块1发出白光依次经过所述分光棱镜9和第一反射镜15，经偏振分光棱镜16反射后，经1/4波片17、第二反射镜18、物镜21，到达微纳结构图形试样22，然后沿原光路返回到达分光棱镜9反射，到成像透镜10、第三反射镜11、经过分光棱镜5，分别到达线阵CCD2和面阵CCD7；激光器8发出激光，经过扩束镜12、衰减片13、1/2波片14、偏振分光棱镜16、1/4波片17、第二反射镜18、物镜21，到达微纳结构图形试样22，然后沿原光路返回到达偏振分光棱镜16反射，到第一反射镜15、分光棱镜9反射，到成像透镜10、第三反射镜11、经过分光元件5，分别到达线阵CCD2和面阵CCD7；
所示的线阵CCD2、面阵CCD7、位移台23、控制器24与所示计算机3进行通讯；线阵CCD2、压电陶瓷20位移台23与控制器24实时通讯
单层及多层微纳结构图形试样跟踪方法，包括以下步骤：
a)将微纳结构图形试样22放置于位移台23上，压电陶瓷20运动行程范围100um,控制压电陶瓷20运动到50um，通过粗调电机19使得微纳结构图形试样22的第一层表面在面阵CCD7中清晰成像，设该点为该层的焦点位置；
b)控制激光器，将激光器功率设定为p＝50mW；
c)控制压电陶瓷20向上下运动l＝30μm，找出面阵CCD7探测到的最大光斑直径dmax＝439与最小光斑直径dmin＝59，计算出中间位置的光斑直径d＝249,控制压电陶瓷20回到中间行程，调节扩束镜12使得面阵CCD7中激光光斑直径为d＝249，控制压电陶瓷20上下运动30μm,运动分辨率2nm，完成激光光斑直径与离焦距离的数据标定,绘制激光光斑直径与离焦量的拟合曲线；
d)通过线阵CCD2采集的激光光斑直径数据得出当前位置的离焦量，使用PID控制算法控制压电陶瓷20，使得压电陶瓷20带动物镜21运动到焦点位置；
e)控制位移台做10次往复扫描运动，长轴运动距离5mm，短轴运动距离0.5mm，位移台运动速度为1mm/s，测试片图形面积有20mm X 20mm,共有38809个100um X 100um的数据块，如图5所示，数据块中数据点最小尺寸为400nm。进行微纳结构图形试样第一层表面的自动跟踪测试，结果表明线性跟踪范围可达到70um，实时跟踪精度优于250nm，控制粗调电机移动到微纳结构图形试样的各层，依次完成微纳结构图形试样的各层自动跟踪。
Claims (4)
1.单层及多层微纳结构图形试样跟踪装置，其特征在于，包括照明模块(1)、线阵CCD(2)、计算机(3)、第一光阑(4)、分光元件(5)、第二光阑(6)、面阵CCD(7)、激光器(8)、分光棱镜(9)、成像透镜(10)、第三反射镜(11)、扩束镜(12)、衰减片(13)、1/2波片(14)、第一反射镜(15)、偏振分光棱镜(16)、1/4波片(17)、第二反射镜(18)、粗调电机(19)、压电陶瓷(20)、物镜(21)、供微纳结构图形试样(22)放置的位移台(23)和控制器(24)，所述照明模块(1)发出白光依次经过所述分光棱镜(9)和第一反射镜(15)，经偏振分光棱镜(16)反射后，经1/4波片(17)、第二反射镜(18)、物镜(21)，到达微纳结构图形试样(22)，然后沿原光路返回到达分光棱镜(9)反射，到成像透镜(10)、第三反射镜(11)、经过分光元件(5)，分别到达线阵CCD(2)和面阵CCD(7)；激光器(8)发出激光，经过扩束镜(12)、衰减片(13)、1/2波片(14)、偏振分光棱镜(16)、1/4波片(17)、第二反射镜(18)、物镜(21)，到达微纳结构图形试样(22)，然后沿原光路返回到达偏振分光棱镜(16)反射，到第一反射镜(15)、分光棱镜(9)反射，到成像透镜(10)、第三反射镜(11)，经过分光元件(5)，分别到达线阵CCD(2)和面阵CCD(7)；所述的线阵CCD(2)到成像透镜(10)的距离，与所述的面阵CCD(7)到成像透镜(10)的距离均等于该成像透镜(10)的焦距，且所述的线阵CCD(2)到分光元件(5)的距离与面阵CCD(7)到分光元件(5)的距离相同；所述的面阵CCD(7)探测的最大光斑直径为dmax,最小光斑直径为dmin；
所述的线阵CCD(2)的分辨率为n×1，所述的面阵CCD(7)的分辨率为p×q，且p≥n，q≥n；
入射光经所述的物镜(21)汇聚后，照射在微纳结构图形试样(22)上，经该微纳结构图形试样(22)反射，反射光经成像透镜(10)成像、经分光元件(5)分束后，分别由所述的线阵CCD(2)和面阵CCD(7)清晰成像，且所述的物镜(21)与微纳结构图形试样(22)的距离能确保所述的面阵CCD(7)的光斑直径
2.根据权利要求1所述的单层及多层微纳结构图形试样跟踪装置，其特征在于，还包括用于物镜(21)移动的压电陶瓷(20)和用于微纳结构图形试样(22)移动的位移台(23)，该压电陶瓷(20)和位移台(23)分别与控制器(24)相连，以及用于给微纳结构图形试样(22)照明的照明模块(1)。
3.一种单层及多层微纳结构图形试样的跟踪方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤①构建跟踪光路：包括照明模块(1)、线阵CCD(2)、计算机(3)、第一光阑(4)、分光元件(5)、第二光阑(6)、面阵CCD(7)、激光器(8)、分光棱镜(9)、成像透镜(10)、第三反射镜(11)、扩束镜(12)、衰减片(13)、1/2波片(14)、第一反射镜(15)、偏振分光棱镜(16)、1/4波片(17)、第二反射镜(18)、粗调电机(19)、压电陶瓷(20)、物镜(21)、供微纳结构图形试样(22)放置的位移台(23)和控制器(24)；
所述照明模块(1)发出白光依次经过所述分光棱镜(9)、第一反射镜(15)、偏振分光棱镜(16)、1/4波片(17)、第二反射镜(18)和物镜(21)后，入射到微纳结构图形试样(22)，经该微纳结构图形试样(22)反射后，沿原光路返回，依次经所述的物镜(21)、第二反射镜(18)、1/4波片(17)、偏振分光棱镜(16)和第一反射镜(15)后，入射到所述分光棱镜(9)，经该分光棱镜(9)反射后，依次经所述的成像透镜(10)和第三反射镜(11)后，入射到所述的分光元件(5)，经该分光元件(5)分为反射光束和透射光束，所述的反射光束经第二光阑(6)入射到面阵CCD(7)，所述的透射光束经第一光阑(4)入射到线阵CCD(2)；
所述的激光器(8)发出激光，依次经所述的扩束镜(12)、衰减片(13)、1/2波片(14)、偏振分光棱镜(16)、1/4波片(17)、第二反射镜(18)和物镜(21)后，入射到微纳结构图形试样(22)，经该微纳结构图形试样(22)反射后，沿原光路返回，依次经所述的物镜(21)、第二反射镜(18)和1/4波片(17)后，入射到所述的偏振分光棱镜(16)，经该偏振分光棱镜(16)反射后，经所述的第一反射镜(15)入射到所述的分光棱镜(9)，经该分光棱镜(9)反射后，依次经所述的成像透镜(10)和第三反射镜(11)后，入射到所述的分光元件(5)，经该分光元件(5)分为激光反射光束和激光透射光束，所述的激光反射光束经第二光阑(6)入射到面阵CCD(7)，所述的激光透射光束经第一光阑(4)入射到线阵CCD(2)；所述的线阵CCD(2)、面阵CCD(7)、位移台(23)、控制器(24)与所述计算机(3)进行通讯；线阵CCD(2)、压电陶瓷(20)、位移台(23)与控制器(24)实时通讯；
步骤②将微纳结构图形试样(22)放置于位移台(23)上，控制压电陶瓷(20)运动到中间行程，通过粗调电机(19)使得微纳结构图形试样(22)的第一层表面在面阵CCD(7)中清晰成像，并设该点为该层焦点位置；
步骤③控制压电陶瓷(20)上下运动lμm，找出面阵CCD(7)探测到的最大光斑直径dmax与最小光斑直径dmin，计算出中间位置的光斑直径控制压电陶瓷(20)回到中间行程，调节扩束镜(12)使得面阵CCD(7)中激光光斑直径为d，控制压电陶瓷(20)上下运动lμm,运动分辨率2nm，完成激光光斑直径与离焦距离的数据标定,绘制激光光斑直径与离焦量的拟合曲线；
步骤④通过线阵CCD(2)采集激光光斑直径数据，然后结合激光光斑直径与离焦量拟合曲线，得出当前位置的离焦量，控制压电陶瓷(20)实时自动跟踪；
步骤⑤控制位移台(23)做扫描运动，完成微纳结构图形试样(22)第一层表面自动跟踪，控制粗调电机(19)移动到微纳结构图形试样(22)的各层，依次完成微纳结构图形试样(22)的各层自动跟踪。
4.根据权利要求3所述的单层及多层微纳结构图形试样的跟踪方法，其特征在于，所述的微纳结构图形试样(22)为微纳光学器件、多层微纳存储器，无任何结构的光刻片。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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