CN1486444A - 用来确定物体微起伏和表层的光学性质的方法、一种用于该方法实现的调制显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学工程，特别涉及测量近表面层的光学材料常数微起伏和分布的方法，并且能够用于微电子工程、纳米技术、材料科学、医学、和生物学。本发明的目标是提高测量光学材料的起伏和分布的几何参数的空间分辨率、扩展包括光学各向异性常数的确定常数的范围、显著提高材料常数确定的精度、以及扩展研究的物体的数量。本发明公开了用于测量近表面层的微起伏以及光学特性的方法，以及用于实行所述方法的调制干涉显微镜。

Description

用来确定物体微起伏和表层的光学性质 的方法、一种用于该方法实现的调制显微镜

本发明涉及光学，具体地说，涉及用来确定物体表层的光学材料常数的微起伏和分布的方法，并且能用于在微电子、纳米技术、材料科学、医学、和生物学中的研究。

一种用来观看物体微起伏的方法是已知的，该方法包括步骤：把微物体场曝光于一种相干、单色辐射，并且把从物体反射的辐射转换成与图像点相对应的电信号(USSR作者证书No 1734066，Int.Cl.G02B 21/00，1992)。

这种方法允许达到显著超过传统振幅显微镜的分辨率极限。

然而，它允许仅对于是单一材料并且具有简单几何形状的少量较简单物体得到较高空间分辨率。

所述方法的缺点如下：

-在物体表面处具有不同光学参数的材料存在的情况下，即使用中等分辨率也不可能合理地译码物体相位图像。

-不可能研究微物体表层的光学材料常数的高度有益分布。

一种微型椭率计是已知的，它允许进行用来确定物体微起伏和表层光学特征的一种方法(Interferometrical Profilometry atSurfaces with Varying Materials，H.Jennewein，H.Gottschling，T.Ganz and T.Tschudi，Proceedings of SPIE：Metrology，Inspectionand Process Control for Microlithography XIII，Vol.3677 II(1999)p.1009)。

在已知方法中，同时测量微物体起伏的参数和表层的复数折射率。该方法允许考虑和补偿在具体的阶形起伏情形下局部复数折射率对起伏高度名义值的影响。

这种已知方法的缺点如下：

-对于折射率的分布和对于起伏参数都具有较低的横向分辨率；

-对于变通型起伏和对于光学各向异性材料不可能执行材料和几何参数的同时研究的程序；

-所述方法在确定光学常数时具有较低精度。

在技术本质上与提出方法最接近的方法是一种用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，该方法包括步骤：进行一种偏振调制：把一个输入相干、单色偏振光束分离成一个经显微透镜曝光物体场的物体光束、和一个基准光束；进行基准光束的相位调制；进行光束的干涉混合；抽取两个相互正交的偏振分量，并且得到一个干涉图；选择所述干涉图的最小碎块(象素)；把所述碎块的平均照亮度转换成相应电信号；确定相位调制信号的可变分量的相位和振幅；计算从物体束落到象素上的光的相位、振幅及偏振参数的值；及计算物体表层的光学材料常数(俄罗斯专利No 2029976，Int.Cl.G02B 21/00，1995)。

然而，已知方法由于不可能保证以高度吸光把物体曝光于偏振光，所以在确定光学常数时具有低精度，并且在较暗和不良反射物体的情况下，这种方法在确定由使来自基准和物体束的象素曝光等同的可能性不存在引起的起伏参数和光学材料恒定分布时具有较低的空间分辨率。

在技术本质上与提出的装置最接近的装置是一种调制干涉显微镜，它包括：一个激光器、一个相位调制器、一个偏振调制器、还有一个望远镜、分析仪和沿一个单光学轴安装的光电探测器、及一个控制发生器、一个信号处理单元、一个设计成经一根交换总线连接到计算机上的控制器。信号处理单元包括一个信号可变分量振幅测量仪和一个相位测量仪(俄罗斯专利No 2029976，Int.Cl.G02B 21/00，1995)。

然而，已知显微镜由于电气光学偏振调制器的较低吸光、和这种吸光的额外减少以光束穿过显微透镜的透镜系统两次和缺乏保证最佳调制模式的可能性为代价，所以不允许高精度测量光学常数。

已知显微镜具有由相位和偏振失衡的分辨率级，这不允许得到光学常数分布的较高空间分辨率。已知显微镜不允许在物体和基准束中进行光强度的受控重新分布，这不允许使来自所述束的给定象素曝光相等，由此减小调制信号可变分量的相对值和使所有精度和分辨率参数变坏。

这种缺点对于较暗物体和对于具有不良反射表面的物体，例如对于流体，特别实际。

由提出的发明解决的技术问题在于：当确定起伏的几何参数和材料光学常数的分布时增大空间分辨率；增大包括光学各向异性常数的确定常数的数量；显著提高材料常数确定的精度；及扩展研究物体的范围。

本发明的技术结果通过提供一种用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法实现，该方法包括步骤：进行一种偏振调制：把一个输入相干、单色偏振光通量分离成一个经显微透镜曝光物体场的物体光束、和一个基准光束；进行基准光束的相位调制；进行光束的干涉混合；抽取两个相互正交的偏振分量，并且得到一个干涉图；选择所述干涉图的最小碎块(象素)；把所述碎块的平均照亮度转换成相应电信号；确定相位调制信号的可变分量的相位和振幅；计算从物体束落到象素上的光的相位、振幅及偏振参数的值；及计算物体表层的光学材料常数，其中根据本发明，该方法包括步骤：与把光通量分离成物体和基准束的步骤的同时，进行在这些束之间的光通量强度的受控制重新分布；分别对于物体束和基准束进行偏振调制；通过使物体束从内部通过显微透镜的前透镜的前表面进行物体场曝光，并且进行光束的干涉混合；在测量之前，建立在基准与物体束之间的初步照亮度比，并且计算从物体束落到象素上的光的初级相位和振幅值；在对于全部象素集重复该运算之后，通过重新分布这些束的强度，进行使分别来自物体和基准束的一个象素的照亮相等的步骤；测量调制信号可变分量的相位和振幅；及计算从物体束落到象素上的光的一个精细相位和振幅值。

本发明的特征也在于，在两种线性独立偏振条件下顺序进行物体场的曝光。

在使用一个偏振分析仪的同时，这允许得到如下显微物体特性：

-局部正常和显微物体高度的向量的一种分布，

-用于各向异性物体的复数折射率的分布，

-光轴取向和用于不包括光轴的垂直定位的情形的一轴两束折射材料的复数折射率的值。

本发明的特征也在于另外的步骤：通过把基准束光的相位设置成与从物体束落到象素上的光反相，进行从物体束落到象素上的光的振幅值的另外细化；通过改变物体与基准光束的强度比，进行振幅调制；确定与象素的相同照亮相对应的两个不同强度比；及计算从物体束落到象素上的光的一个分数。

这允许以提高在确定反射率时的精度为代价提高在确定光学材料常数时的精度，并且提高所述常数分布的空间分辨率。

本发明的特征也在于另外的步骤：另外把物体束相位设置成与从物体束落到象素上的光同相；连续进行物体束的偏振调制；测量偏振调制信号；及计算所述偏振调制信号的谐波分量的相位和振幅，由这些相位和振幅计算物体表层的光学各向异性的参数。

这允许确定完整光学材料常数集，包括任何本性的光学各向异性的参数确定。

本发明的特征也在于另外的步骤：与所述基准束的相位调制同时进行物体束和基准束的偏振调制，物体束相位调制的频率高于或低于光束偏振调制的频率；测量信号包络的谐波分量的相位和振幅；及计算光学材料常数，包括物体表层的光学各向异性的参数。

这给出在单个过程的上下文中研究各向同性和各向性显微物体而没有关于光学各向异性特性的事前假设、和保证对于基本上各向异性显微物体的帧输入时间节省的可能性。

在提出专利中的技术结果通过提供一种调制干涉显微镜实现，该显微镜包括：一个激光器；一个调制干涉仪，带有一个相位调制器、与一个偏振调制器光学连接的准直仪、和一个束分离器；沿一个单光学轴安装的一个显微透镜、望远镜、偏振分析仪单元和光电探测器；一个控制和信号处理单元，设计成经一根交换总线连接到一个计算机上，根据本发明的显微镜进一步包括：一个空间微孔径滤波器；一个设计成用来偏转和混合光束并且布置在相同光轴上的元件；调制干涉仪，添加有借助于一个偏转光学元件系统与一个第二偏振调制器光学连接的一个第二准直仪、和一个相位补偿器；使束分离器是可调节的，并且经系统的反射光学元件通过一个输出与相位调制器、偏振调制器、准直仪及设计成用来偏转和混合光束的元件的一侧串联耦合，和通过其它输出与相位补偿器、第二偏振调制器、第二准直仪及所述元件的一个相对侧串联耦合。

使设计成用来偏转和混合光束的元件以两侧平镜的形式放置成与光轴成一个角，保证物体的照亮和用来与物体束混合的基准束的同时反射，由此简化调制干涉仪结构。

使平面镜是部分透明的，消除来自靠近光轴的物体的物体束射线的阴影。

一个不透明平面镜消除光束的相互寄生照亮。

本发明的特征还在于，设计成用来偏转和混合光束的元件布置在显微透镜的前透镜的内侧。

这允许从偏振调制器旁通过透镜的显微透镜系统供给一种具有高度吸光的偏振光，由此允许根本上提高在确定光学材料常数时的精度。

使偏振调制器处于光学连接和串联布置的线性偏振滤波器、受控制补偿器和偏振平面转动单元的形式，允许在各束中形成任何偏振状态和根据一种扩展与给定物体相对应的调制方案的最佳选择的可能性的任意规则及时改变这种状态。

把相位调制器对于光轴以与右边一个不同的角度布置，并且干涉仪另外供给有放置在相位调制器与偏转光学元件系统的元件之一之间的至少一个旋转平面镜，允许减小整个构造尺寸。

通过用来确定物体起伏和表层光学性质的方法的如下描述、和用于方法实施的调制干涉显微镜的结构，并且通过附图，解释提出发明的本质，在附图中：

图1表示调制干涉显微镜；

图2表示带有具有平面镜的相位调制器的调制干涉仪；

图3表示带有具有角旋转平面镜的相位调制器的调制干涉仪；

图4表示带有具有角旋转平面镜的相位调制器的调制干涉仪，调制器放置成平行于光轴；

图5表示带有具有平面镜的相位调制器的调制干涉仪，调制器放置成与光轴成一个角度；

图6表示完全放置在显微透镜内的调制干涉仪；

图7是图6的顶视图；及

图8表示偏振调制器。

提出的调制干涉显微镜包括一个激光器1、一个空间微孔径滤波器2、一个调制干涉仪3、一个望远镜4、一个偏振分析仪单元5、一个光电探测器6、沿一个单一光轴布置的元件3至6、一个设计成经一根交换总线8连接到一个计算机(未表示)上的控制和信号处理单元7。

空间微孔径滤波器2保证相位波前的统一，由此提高所有相位测量的精度，同时保证空间分辨率参数的改进和确定材料光学常数时的精度。

调制干涉仪包括一个可调节束分离器9、一个相位补偿器、与一个准直仪11光学连接的一个偏振调制器10、一个设计成用来偏转和混合光束的元件12、一个相位调制器13及一个与偏转光学元件系统的一个第二准直仪15光学连接的第二偏振调制器14。

第二准直仪15保证光束的独立调制的可能性，以及物体光束从物体反射之后光束的精确匹配。

一个偏转光学元件系统包括六个平面镜16、17、18、19、20、21及一个能制成透明的平面镜22元件。平面镜22放置在相位调制器13与偏振调制器14之间，并且与可调节束分离器9光学耦合。

在使平面镜22不透明的情况下，使相位调制器13的一个平面镜23以一对相互正交平面镜(图3)或一个角反射镜(未表示)的形式旋转。

在使平面镜22透明的情况下，使相位调制器13的平面镜23处于一个平面镜的形式(图2)。

相位调制器13能布置成对于光轴成一个与右边一个不同的角度。在这种情况下，调制干涉仪另外装有放置在是偏转光学元件系统的元件之一的平面镜22元件与相位调制器13之间的至少一个旋转平面镜24(图4和图5)。

在使相位调制器的平面镜23处于一对相互正交平面镜或一个角反射镜(图5)的形式的情况下，装有两个旋转平面镜是必要的。

彼此以直角倾斜并且沿所述直角的角平分线装有一个线性运动驱动器25的平面镜16和17构成相位补偿器。

在这种构造中，相位补偿器允许精确均衡模块干涉仪光束的光程长度以及补偿在形成与线性的不同的偏振条件时出现的Pancharantnam相位。

束分离器9通过其输出之一经相位补偿器的平面镜16和17与偏振调制器10、经平面镜18与准直仪11、及经平面镜19与元件12的下侧串联耦合。上述元件集体形成干涉仪的一个物体台肩。

束分离器9的其它输出在透明平面镜22的情况下经这个平面镜与相位调制器13和第二偏振调制器14、经平面镜20与第二准直仪15、及经平面镜21与元件12的上侧耦合。

在使平面镜22不透明的情况下，在这个平面镜与相位调制器13之间另外布置至少一个反射平面镜24。

上述元件形成干涉仪的一个基准台肩。

平面镜18和19与平面镜20和21一起成对布置，从而基准和物体台肩的光轴从平面镜19到元件12的下表面和从平面镜21到元件12的上表面的部分是共线的。

制造和布置设计成用来偏转和混合光束的元件12依据研究的物体的类型，例如依据材料的结构和特征等，而不同。

在与束分离器分离布置的用来相干混合光束的元件12的结构中的基准和物体束的存在，允许独立进行与基准和物体束分离的偏振调制，由此扩展偏振调制的可能性。

设计成用来偏转和混合光束的元件12布置在显微透镜3内，例如在前透镜26内，并且形成一个平面镜的形式，和以对于光轴成一个角度，例如45°，放置。

显微透镜3的前透镜26包括形成一种平面与元件12的平面匹配的不可拆接合的几个部分，至少两个部分。

偏振调制器10和14具有类似结构，并且以光学连接和串联布置的一个线性偏振滤波器27、一个受控偏振补偿器28及一个偏振平面转动单元29的形式制成。

在先有技术中已知的带有线性机电伺服机构的Babine-Soleil补偿器能用作受控偏振补偿器28。

在先有技术中已知的带有机电转动伺服机构的半波板能用作偏振平面转动单元29。

使束分离器9是可调节的，并且由一个偏振束分离器30和一个例如以具有一个机电转动伺服机构32的半波板31的形式制成的偏振平面转动器组成。

这借助于均衡来自物体和基准台肩的每个象素的照亮，允许保证一个最大调制因数，并因此保证独立于物体局部亮度的最佳信/噪比，由此提高对于不良反射物体的精度和分辨率参数。

准直仪11和15是相同的并且这样布置，从而从准直仪11到元件12的下表面的光程和从元件12的下表面到物体平面的两倍光程之和等于从准直仪15到元件12的上表面的光程。

可调节束分离器9、偏振调制器10、相位调制器13、第二偏振调制器14、相位补偿器、偏振分析仪单元5及一个光电探测器6与控制和信号处理单元7连接。

这样，控制和信号处理单元7能包括可变分量的一个振幅测量仪与相位测量仪和恒定分量的一个振幅测量仪、及一个控制器(未表示)。

调制干涉仪能在各种光学-机电基础上制造。

如果它在显微元件的基础上制造，那么调制干涉仪的元件全部或部分放置在显微透镜3外面(图2至图5)。

在这种情况下，制造反射元件系统，从而在通过束分离器9之后的各束之一的光部分能横向经显微透镜3在其透镜之间的空间中或经它们之一穿过。

如果它在显微机电系统元件的基础上制造，那么它完全布置在靠近其前透镜26的显微透镜3内，如图6和7中所示，其中激光器1和微孔径滤波器2及其与干涉仪元件的相互位置没有按比例表示。

以这种方式，制造反射元件系统，从而在通过束分离器的各束之一的光部分能横向穿过前透镜。

提出的干涉显微镜如下操作：

把由激光器1发射的和穿过空间微孔径滤波器2的相干单色线性偏振光束供给到可调节束分离器9，其中把光束相干分离成两个束-物体和基准束。每个束对应地沿调制干涉仪的物体和基准台肩传播。

按照来自在输入束的偏振向量与偏振束分离器的轴之间设置的角度的已知关系，重新分布光束功率。

首先，根据研究的物体的中等亮度由操作者选择台肩的强度比，以后把它设置为缺省值，或者对于每个象素自动选择。

在后一种情况下，考虑由显微透镜的给定部分反射的测量光强度，并且重新分布台肩的光强度，创建从基准束和从对应物体部分供给到象素的光的强度的等同性。

然后对于物体束和基准束分别进行偏振调制。

物体束的偏振调制按如下进行：

光的物体束顺序穿过相位补偿器的平面镜16和17、偏振调制器10、平面镜18和准直仪11、及平面镜19到元件12的下侧。

物体和基准束的光程光学长度借助于平面镜16和17的同时运动由相位补偿器均衡。

在偏振模块10中，物体束在穿过线性偏振滤波器27时，获得高度吸光的线性偏振状态。

在受控补偿器28中，物体束偏振的状态在普通情况下转换成具有椭圆半轴的一定确定定向的椭圆状态。通过Pancharantnam相位出现的另外相位移动借助于相位补偿器补偿，或者在进一步的计算机计算中考虑。

其次，借助于偏振平面转动单元29的帮助，把椭圆半轴设置到预定位置或者转动到任一侧。

因而，在通过偏振调制器之后，在物体束中形成任何确定的偏振状态。这种状态的参数由任意规则可控制地及时改变。

把在准直仪11中的光的偏振物体束形成由元件12反射到物体平面上的会聚束。因而进行物体场的曝光。

在物体上散射之后已经落在显微透镜3内的物体束的光的一部分，经望远镜4和偏振分析仪单元5供给到光电探测器6。

基准束的偏振调制按如下进行：

基准束经平面镜元件22供给到相位调制器13、第二偏振调制器14，经平面镜20供给到第二准直仪15，及经平面镜21供给到元件12的上侧。

相位调制器13借助于调制器的平面镜23的受控制运动改变基准束的光学长度，并且通过已知时间规则进行基准束相位的改变。

设计基准台肩的第二偏振调制器14并且类似于物体台肩的偏振调制器10操作，及通过任意规则提供基准束偏振状态的受控改变。Pancharantnam相位补偿由相位调制器13进行。

在其光学参数方面与物体台肩的准直低仪11相同的第二准直仪15形成一个会聚束，这个会聚束供给到元件12的面向上倾斜侧，向上反射并且经显微透镜3、望远镜4和偏振分析仪单元5供给到光电探测器6。

从每个束的线性分量的抽取出现在偏振分析仪单元5中。

然后这些分量在光电探测器6上彼此相干混合，并且在这个光电探测器上形成代表两维亮度分布及时变化的干涉图案。

而且，把干涉图案划分成分离的空间最小碎块(象素)，并且对于它们的每一个，借助于确定的、单调函数关系进行象素当前中等照亮至交变电信号(调制信号)的转换。

把调制信号供给到控制和信号处理单元7，其中发生调制信号本身、或其谐波分量的相位和振幅、以及信号恒定分量的值的测量。所述测量结果经交换总线8传输到计算机(未表示)以便以后分析。

为了实现用来确定物体显微起伏和表层光学性质的方法，进行如下操作：

操作者把物体和基准束的光强度比设置为1/R₀，其中R₀是研究的物体部分的平均反射系数。

当工作在白光中时进行R₀的第一近似估计。在研究的物体部分的表面上展现特征外貌。

然后在物体束中创建线性偏振圆形偏振的状态。为此，借助于受控补偿器28，对于线性偏振把延迟设置到零，而对于圆形偏振设置到一个波长的四分之一。

考虑到展现的外貌由操作者借助于偏振平面转动单元29的帮助选择线性偏振向量的方向。

在初始位置中，象素定位在选择部分的图案中。

然后，依据在物体束中设置的偏振状态(线性或圆形的)的特性，进行四次测量序列。所有四次测量包括相位调制和调制信号参数的测量，并且仅在偏振调制器的状态方面彼此不同。

在线性偏振的情况下：

1.在基准束中形成一种与在物体束中的相同的偏振状态。与在基准束中的偏振向量平行地设置分析仪单元。

2.把基准束偏振向量的方向变到垂直于初始的，把偏振分析仪单元的位置变到垂直于初始的。

3.在与初始的正交的位置中设置物体束偏振向量。

4.把基准束偏振向量和偏振分析仪单元设置到初始位置。

在圆形偏振的情况下：

1.在基准束中形成一种与在物体束中的相同(相反)的偏振状态。操作者考虑到展现的外貌或任意地设置分析仪单元。

2.把偏振分析仪单元的位置变到垂直于初始的。

3.把物体和基准束的偏振状态变到相反的。

4.把偏振分析仪单元的位置变到垂直于初始的。

根据与上述的类似的四次测量序列也进行不包括具有连续偏振调制的测量的相位和振幅的所有进一步测量。

使用控制和信号处理单元7，进行调制信号的相位、振幅和恒定分量的计算。按照所述测量的结果测量从物体束落到每个给定象素上的光的相位和振幅。对于象素的每个新位置重复上述操作。

顺序定位象素以便重叠研究的物体部分的整个表面。在这种情况下，能依次以任意间隙而也以任意重叠定位象素。

然后，使用束分离器9，重新分布在物体和基准束中的强度，从而来自基准束的象素的指定照亮等于其来自早先确定的物体的照亮。

然后对于每个象素再次进行相位调制。使用控制和信号处理单元7，进行调制信号的可变分量的相位、振幅和恒定分量的值的计算。根据所述测量的结果，计算从物体台肩落到每个给定象素上的光的相位和振幅的初始细化值。

此后，使用相位调制器13，把基准束的相位设置成与从物体束落到给定象素上的光的相位反相，后一相位在以前操作中测量。使用可调节束分离器9设置在束中的光强度的比，从而从物体台肩落到象素上的光的指定强度达到比来自基准台肩的强度值高或低的值。

然后重新分布强度，从而象素照亮的强度再达到初始值。

借助于象素照亮的不同初始值重复所述操作几次。

根据得到的各束的强度比值对，对应于象素的类似求和照亮，计算所述比的值，对应于来自物体和基准束的象素照亮的等同，由该值计算从物体束落到给定象素上的光的振幅的二次细化值。

当考虑到来自物体台肩的二次细化照亮值时均衡来自台肩的每个象素的照亮，并且再次进行相位调制，和计算从物体束落到象素上的光的相位的二次细化值。

根据从物体束落到象素上的光的顺序细化相位和振幅集，所述集是来自与偏振调制器和分析仪的四次各种状态相对应的顺序四次测量序列的每一个的结果，计算显微物体的如下参数：

-局部法线的真实高度和向量的分布；

-对于各向同性物体的显微物体材料的表层的复数折射率的分布；

-对于一轴两束折射材料的两个折射率和光轴的定向(不包括该轴的垂直定向)；

-法拉第转动能力。

为了实现该方法，物体束基准束的偏振调制与其相位调制同时进行，基准束相位调制频率高于或低于束偏振调制频率，并且测量信号包络的可变分量的谐波分量的相位和振幅。除上述之外，计算各材料的光学各向异性的所有参数，包括两轴晶体的折射率和轴的定向。

在有调制干涉仪完全或部分布置在显微透镜内的装置的实施例中，干涉仪是带有改进可变显微透镜的单个单元。

在从物体反射的射线的路上的前面透镜内在定位具有小于孔径面积百分之1面积的平面镜元件12时包括的一种标准显微透镜修改，不会妨碍借助于其帮助同时实现对于标准、未修改显微透镜适用的任何显微测量。

这样的实施例允许把装置用作现代通用显微镜平台的模块之一和用在特殊装置的构成中，例如在电子工业中用于技术监视的设备。这个模块在结构上包括用放置到显微镜转盘组件的标准升降筒中的修改显微透镜阻塞的调制干涉仪。取决于其类型的激光源能直接放置在所述模块上或者附加在显微镜外。使用为电视摄像机和其它光电探测器设计的标准显微镜升降筒，放置模块光电探测器。在白光中或通过使用适用于给定显微镜平台的其它显微镜设备能研究物体，此后根据提出的方法进行物体研究，而不用重新布置透镜、不用借助于把显微镜的光路切换到其上布置接收器模块的接收升降筒上重新聚焦和重新瞄准。

图2中表示的方案能用作设备实施的一个例子。在这种情况下，把有频率加倍的单模式半导体激光器用作一个激光辐射源，激光器在532nm的波长下工作，并且具有2MW的功率和线性偏振。偏振束分离器和带有机电伺服机构的半波板的结合用作可调节束分离器。两个偏振调制器的线性偏振滤波器以Glann-Thompson棱镜的形式制造，授控延迟器以带有线性机电驱动器的Babine-Soleil补偿器的形式制造，及偏振转动器以带有机电伺服机构的半波板的形式制造。设计成用来偏转和混合基准和物体束的元件12靠近显微透镜的前透镜的轴倾斜放置在这个透镜的两个部分的分离平面中，并且是一个透明非偏振平面镜膜。分析仪以膜偏振元件的形式制造。使用具有约0.6μm振荡振幅和约5kHz频率的压电驱动器进行相位调制。一个带有电磁铁聚焦偏转系统(FDS)的析像管用作光电探测器。使用FDS进行在图像平面中的标准碎块(象素)的定位，象素能够定位在整个屏幕内和在其任意选择的碎块内。借助于任意空间分离和任意彼此重叠(包括在不同坐标中的不同重叠)能进行象素的定位。

在平行束中进行所有类型的调制，由此允许根本上减小由调制器引入到束的相位偏振结构中的失真。把物体束从偏振调制器供给到物体平面以最小数量的反射避免显微透镜通过单个长焦透镜(准直仪)，允许保持其对于已知偏振显微镜装置不适用的极高吸光。一种等同的高度吸光也保持在基准束中，由此集体保证在确定材料光学常数时的空前高精度级。

确认提出方法有效性的提出显微镜的一种简化样式在公司Leitz的显微镜DMR的基础上实现。具有10MW功率和632.8nm波长的氦氖激光器用作激光照明源。一个压电元件用作相位调制器驱动器，借助于用手重新布置半波和四分之一波板进行偏振调制。借助于把一个中性滤波器引入到干涉仪的基准台肩中进行照亮强度的重新分布。不利用微孔径滤波器和受控延迟器。以不同本性的显微物体进行的测量结果表明，横向分辨率的最高极限是约25nm，高度的分辨率是约0.5nm。在具有不同折射率的材料之间的边界处的横向分辨率也具有约25nm的值，以相同分辨率近似确定在光轴的方向上在具有巨大区别的两束折射材料的晶粒之间的分离边界处的位置。横向分辨率由析像管切开孔径的尺寸和光学系统的引起增大限制，这确定实际象素的一个值。垂直分辨率一方面由在高度(0.3nm)中的选择组合元件的值而另一方面由颤噪声级限制。因而，不仅通过改进干涉仪光学系统本身-这在技术方面相当困难，而且通过优化图像投影系统、信号处理系统参数、和环境监视-这不是严重问题，能明显改进装置分辨率参数。

Claims (12)

1.一种用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，该方法包括步骤：进行一种偏振调制：把一个输入相干、单色偏振光通量分离成一个经显微透镜曝光物体场的物体光束、和一个基准光束；进行基准光束的相位调制；进行光束的干涉混合；抽取两个相互正交的偏振分量，并且得到一个干涉图；定位所述干涉图的最小碎块(象素)；把所述碎块的平均照亮度转换成相应电信号(调制信号)；测量调制信号的可变分量的相位和振幅及恒定分量的一个值；计算从物体束落到象素上的光的相位、振幅及偏振参数；及计算物体微起伏和物体表层的光学材料常数，其特征在于该方法包括步骤：与把光通量分离成物体和基准束的步骤的同时，进行在这些束之间的光通量强度的受控制重新分布；分别对于物体束和基准束进行偏振调制；通过使物体束从内部通过显微透镜的前透镜的前表面进行物体场曝光；并且进行光束的干涉混合；在测量之前，建立在基准与物体束之间的初步照亮度比，并且计算从物体束落到象素上的光的初级相位和振幅值；在对于全部象素集重复该运算之后，通过重新分布这些束的强度，进行使分别来自物体和基准束的一个象素的照亮相等的步骤；然后测量调制信号的可变分量的相位和振幅及恒定分量的一个值；及计算从物体束落到象素上的光的一个精细相位和振幅值。

2.根据权利要求1所述的用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，其特征在于，在两个线性独立偏振条件下顺序进行物体场曝光。

3.根据权利要求1所述的用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，其特征在于另外的步骤：通过把基准束光的相位设置成与从物体束落到象素上的光反相，进行从物体束落到象素上的光的振幅值的另外细化；通过改变物体与基准光束的强度比，进行振幅调制，并且确定与象素的相同照亮相对应的两个不同强度比；及计算从物体束落到象素上的光的一个分数。

4.根据权利要求1、2所述的用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，其特征在于另外的步骤：另外把物体束相位设置成与从物体束落到象素上的光同相；连续进行物体束的偏振调制；测量偏振调制信号；及计算所述偏振调制信号的谐波分量的相位和振幅，由这些相位和振幅计算物体表层的光学各向异性的参数。

5.根据权利要求1所述的用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，其特征在于另外的步骤：与所述基准束的相位调制同时进行物体束和基准束的偏振调制，物体束相位调制的频率高于或低于光束偏振调制的频率；测量信号包络的谐波分量的相位和振幅；及计算起伏参数和光学材料常数，包括物体表层的光学各向异性的所有参数。

6.一种调制干涉显微镜，包括：一个激光器；一个调制干涉仪，带有一个相位调制器、与一个偏振调制器光学连接的准直仪、和一个束分离器；沿一个单光学轴安装的一个显微透镜、望远镜、偏振分析仪单元和光电探测器；一个控制和信号处理单元，设计成经一根交换总线连接到一个计算机上，其特征在于所述显微镜进一步包括：一个空间微孔径滤波器；一个设计成用来偏转和混合光束并且布置在相同光轴上的元件；调制干涉仪，添加有借助于一个偏转光学元件系统与一个第二偏振调制器光学连接的一个第二准直仪、和一个相位补偿器；使束分离器是可调节的，并且经系统的偏转光学元件通过一个输出与相位调制器、偏振调制器、准直仪及设计成用来偏转和混合光束的元件的一侧串联耦合，和通过其它输出与相位补偿器、第二偏振调制器、第二准直仪及所述元件的一个相对侧串联耦合。

7.根据权利要求6所述的调制干涉显微镜，其特征在于，使设计成用来偏转和混合光束的元件以两侧平面镜的形式放置成与光轴成一个角。

8.根据权利要求7所述的调制干涉显微镜，其特征在于，使平面镜是透明的。

9.根据权利要求7所述的调制干涉显微镜，其特征在于，使平面镜是不透明的。

10.根据权利要求6所述的调制干涉显微镜，其特征在于，设计成用来偏转和混合光束的元件布置在显微透镜的前透镜的内侧。

11.根据权利要求6所述的调制干涉显微镜，其特征在于，使偏振调制器处于光学连接和串联布置的线性偏振滤波器、受控制补偿器和偏振平面转动单元的形式。

12.根据权利要求6所述的调制干涉显微镜，其特征在于，把相位调制器对于光轴以与右边一个不同的角度布置，并且干涉仪另外供给有放置在相位调制器与偏转光学元件系统的元件之一之间的至少一个旋转平面镜。

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