超分辨複色差動共焦測量裝置及方法
2023-09-19 12:38:20
專利名稱：超分辨複色差動共焦測量裝置及方法
技術領域：
本發明屬於超精密測量領域，是一種用於微結構光學元件、微結構機械元 件、集成電路元件中三維微細結構、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀測 量的超精密非接觸測量裝置。
背景技術：
超分辨濾波技術是通過改變物鏡光瞳的振幅透過率分布和相位分布，利用 相干光的幹涉作用，獲得比愛裡斑更小的主瓣光斑的光學濾波技術。在共焦測 量系統中，在共焦針孔的作用下，系統以犧牲視場為代價，使測量分辨力得到 提高。在己知超分辨濾波技術中，實現光學濾波的主要技術途徑有振幅濾波、 相位濾波、復振幅濾波以及偏振調製濾波。
複色差動共焦測量是通過引入複色光照明，利用不同波長光束的軸向色散 特性獲得兩個獨立的線性工作區間，從而使量程範圍得到擴展的測量技術。對 複色光照明的共焦系統而言，由於相位調製量與波長有關，因此相位濾波、復 振幅濾波以及偏振調製濾波不能用於同時調製兩種波長的照明光束，實現超分 辨濾波調製。然而，由於純振幅濾波器調製變量與波長無關，因此可用於複色 光照明系統的濾波調製。但是在傳統純振幅濾波器中，濾波調製作用僅與振幅 透過率分布函數有關，而與基底厚度無關。濾波器基底厚度不是傳統純振幅濾 波器的設計變量。
在已公開的複色超分辨差動共焦測量技術中，兩個超分辨濾波器分別置於
第一、第二波長光束探測分支光路，用以實J見超分辨濾波調製；兩個獨立的線 性工作區間重疊區位置是在光學系統設計過程中，通過控制複色光波位置色差 校正量構建重疊區間，通過提高元件加工精度和系統裝調精度，保證重疊區間 構建的準確性。系統集成後，線性區間的重疊位置就固定下來，不能進行修正。
考慮到元件製造誤差和系統裝調誤差影響，在已公開複色超分辨差動共焦 測量系統中，精確控制線性工作區間重疊區位置具有加工難度大、裝調要求很 高的不足。
發明內容
本發明一個目的在於，克服己公開複色超分辨差動共焦測量裝置研製元件 加工難度大、系統裝調要求很高的不足，提出一種兼顧複色光照明超分辨濾波 調製作用和位置色差校正量修正功能的超分辨複色差動共焦測量方法。
為實現上述目的，本發明的超分辨複色差動共焦測量方法包括提供第一 差動共焦測量裝置，用於輸出具有第一波長的第一測量相干光束，以及用於接 收具有第一波長的第一反射光束，並根據所接收的具有第一波長的第一反射光 束產生第一近離焦探測器輸出和第一遠離焦探測器輸出；提供第二差動共焦測 量裝置，用於輸出具有第二波長的第二測量相干光束，以及用於接收具有第二 波長的第二反射光束，並根據所接收的具有第二波長的第二反射光束產生第二 近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出；提供一平行平板修正色差超分辨測頭，其包括二向分色鏡，聚焦物鏡和平 行平板色差修正超分辨濾波器，令第一測量相干光束和第二測量相干光束匯合
於二向分色鏡，再通過聚焦物鏡和超分辨濾波器後分別聚焦於不同的平面；
提供一計算機裝置，用於讀取並記錄第一近離焦探測器輸出、第一遠離焦 探測器輸出、第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出，並分別根據第 一近離焦探測器輸出與第一遠離焦探測器輸出之差生成具有一線性測量區的 第一軸向測量響應曲線，以及根據第二遠離焦探測器輸出和第二近離焦探測器 輸出之差生成具有一線性測量區的第二軸向測量響應曲線；以及，
精確修正超分辨濾波器平板基底厚度，實5見兩光束聚焦平面位置調節，從 而保證兩焦平面的位置差恰好等於第一差動共焦測量裝置的線性測量區一半 與第二差動共焦測量裝置線性測量區一半之和。
本發明還提供了一種超分辨複色差動共焦測量裝置，包括
第一差動共焦測量裝置，用於輸出具有第一波長的第一測量相干光束，以 及用於接收具有第一波長的第一反射光束，並根據所接收的具有第一波長的第 一反射光束產生第一近離焦探測器輸出和第一遠離焦探測器輸出；
第二差動共焦測量裝置，用於輸出具有第二波長的第二測量相干光束，以 及用於接收具有第二波長的第二反射光束，並根據所接收的具有第二波長的第 二反射光束產生第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出；
平行平板修正色差超分辨測頭，其包括二向分色鏡，聚焦物鏡和平行平板
色差修正超分辨濾波器，令第一測量相干光束和第二測量相干光束匯合於二向 分色鏡，再通過聚焦物鏡和超分辨濾波器後分別聚焦於不同的平面；
計算機裝置，用於讀取並記錄第一近離焦探測器輸出、第一遠離焦探測器 輸出、第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出，並分別根據第一近離 焦探測器輸出與第一遠離焦探測器輸出之差生成具有一線性測量區的第一軸 向測量響應曲線，以及根據第二遠離焦探測器輸出和第二近離焦探測器輸出之 差生成具有一線性測量區的第二軸向測量響應曲線，其中，
精確修正超分辨濾波器平板基底厚度，實現兩光束聚焦平面位置調節，從 而保證兩焦平面的位置差恰好等於第一差動共焦測量裝置的線性測量區一半 與第二差動共焦測量裝置線性測量區一半之和。
優選的是，所述超分辨濾波器包括各向同性的平板透明介質基底和設置於 該透明介質基底上的具有多個具有不同透過率的同心環帶區域膜層。
優選的是，所述各向同性透明介質是玻璃。
本發明所述的基於平行平板色差校正的超分辨複色差動共焦測量方法及 裝置的良好效果在於在保留已公幵的複色超分辨差動共焦測量技術具有兩個 獨立的雙極性跟蹤線性區間，軸向響應量程大，能抑制共模幹擾的技術優點前 提下，通過1個振幅型超分辨濾波器，同時調製第一、第二測量光束，提高系 統橫向分辨力；在光學系統集成後，通過精確修正超分辨濾波器基底厚度，進 一步調節聚焦光斑軸向位置色差，實現第一、第二波長測量光束聚焦平面間距
離精確控制，保證測量裝置具有最佳線性重疊區間，該方法調節簡便易行，便 於工程應用。
圖1為現有技術中的一種典型的超分辨差動共焦檢測系統的原理示意
圖2為圖1中的超分辨差動共焦檢測系統的軸向光強探測信號曲線圖3為本發明的基於平行平板色差校正的超分辨複色差動共焦測量裝置 原理示意圖4為圖3中的基於平行平板色差校正的超分辨複色差動共焦測量裝置 的軸向光強探測信號曲線圖5為圖3中兼有複色光照明的超分辨濾波調製和軸向位置色差修正功 能的超分辨濾波器結構示意圖6為本發明所使用的一種濾波器的立體示意圖。
具體實施例方式
參照圖3，本發明的基於平行平板色差校正的超分辨複色差動共焦測量裝 置包括第一差動共焦測量裝置100，第二差動共焦測量裝置200和平行平板修 正色差超分辨測頭300。 第一差動共焦測量裝置100包括發射波長^的第一雷射器1，依次設置在 所述雷射器發射端軸線上的第一準直聚焦物鏡2、第一針孔3、第一準直擴束 物鏡4、第一偏振分光鏡5和第一四分之一玻片13以及設置在所述第一偏振分 光鏡反射端軸線上的第一分光鏡6、第一探測物鏡9、第二針孔10和第一遠離 焦平面光電探測器ll，及設置在所述第一分光鏡6反射端軸線上的第二探測物 鏡7、第三針孔8和第一近離焦平面光電探測器12。
第二差動共焦測量裝置200包括發射波長^的第二雷射器18，依次設置在 所述雷射器發射端軸線上的第二準直聚焦物鏡19、第四針孔20以及第二準直 擴束物鏡21、第二偏振分光鏡22和第二四分之一玻片23以及設置在所述第二 偏振分光鏡反射端軸線上的第二分光鏡24、第三探測物鏡25、第五針孔26和 第二近離焦平面光電探測器27，及設置在所述第一分光鏡24反射端軸線上的 第四探測物鏡28、第六針孔29和第二遠離焦平面光電探測器30。
平行平板色差修正超分辨測頭300包括二向分色鏡14、聚焦物鏡15和平 行平板色差修正超分辨濾波器31。
根據差動及超分辨差動共焦探測基本原理可知，圖3所示的由第二針孔8、 第三針孔10與第一光電探測器12、第二光電探測器11構成的點探測器產生的 差動輸出信號可以用公式(l)表示；由第六針孔26、第五針孔29與第四光電 探測器27、第三光電探測器30構成的點探測器產生的差動輸出信號可以用公 式(2)表示。即公式(1)、 (2)分別對應波長為^、 ^的測量光束的測量響 應輸出表達式；
〃Vl ， Wl ， )=/2" ， "i, +"紹)+- (A (v, ， ,-"紹)+ ).[2j[ j(/ )e 2 /。(/ v2);r/^/ ]
(2)
式中，
vi、 ^表示橫向無量剛坐標;
v12 =2;z>sina.rA，2
為以光斑焦點為原點的徑向坐標;
"為像方數值孔徑角;
"u =^'sin2("/2)'z/\2為軸向無量剛坐標;
為以光斑焦點為原點的軸向坐標;
A"，""-^)為第一光電探測器輸出
2"，""+^)為第二光電探測器輸出;
formula see original document page 12為第四光電探測器輸出；formula see original document page 12為第三光電探測器輸出；
"w、""為共模噪聲；
^P)為平行平板色差修正超分辨濾波器31的振幅透過率調製函數； +UM1為第一遠離焦光電探測器的偏移量； -UM1為第一近離焦光電探測器的偏移量； +UM2為第二遠離焦光電探測器的偏移量；. -UM1為第二近離焦光電探測器的偏移量；
公式(l)的典型輸出如附圖4中波長1響應曲線所示，其測量原點為01即 第一差動共焦測量裝置100的準焦面17，線性測量區間為AX即如圖3所示的 偏移原點"的區間；公式(2)的典型輸出如附圖4中波長2響應曲線所示， 測量原點為。2即第二差動共焦測量裝置的準焦面16，其線性測量區間為CY即 偏移原點。2的區間。圖3中的準焦面16、 17分別用虛線表示。區間臨界面A、 X、 Y、 C分別用實線表示。其中，根據物鏡對複色波聚焦將產生焦面平移的原 理，利用部分色差校正物鏡15位置色差不完全校正特性，通過對應A、 ^選
擇部分色差校正物鏡15，可以實現令4、 ^光束聚焦所產生的位置色差 《=0102小於第一差動共焦測量裝置wo的線性測量範圍M的一半和第二差
動共焦測量裝置200的線性測量範圍CY的一半兩者之和；繼而使得第一差動
共焦測量裝置100和第二差動共焦測量裝置200的線性測量區域AX、 CY存在 交點B，即轉換點B，這樣就保證了本發明中裝置的實現。
部分色差校正物鏡為專用物鏡，其作用是通過物鏡設計控制第一測量相干 光束和第二測量相干光束的位置色差，即第一焦平面和第二焦平面之間的距 離。物鏡色差校正設計方法為已知技術。但是，考慮到光學元件加工誤差和系 統裝調誤差的影響作用，依賴高精度元件加工和高精度系統裝調的方法精確控 制第一焦平面和第二焦平面之間的距離具有很高的技術難度和很高的研製成 本。為此，本發明給出一種兼顧複色光照明超分辨濾波調製和軸向位置色差修 正的裝置，在聚焦物鏡對複色照明光束聚焦位置色差進行初步控制後，通過精 確修正平行平板色差修正超分辨濾波器基底厚度，進一步修正第一焦平面和第 二焦平面之間的距離。
根據平行平板對光線折射具有方向不變而只引入位置色差，且色差大小隻 與平板的厚度和玻璃的光學常數有關的原理，利用平行平板色差修正超分辨濾 波器31基底材料的色差特性修正第一、第二測量光束聚焦的位置色差。
λ1，λ2光束聚焦所產生的位置色差δc=O1O2由兩部分組成， 一部分是測量 聚焦物鏡光學系統固有色差，系統裝調完畢即為固定值；另一部分是平行平板 色差修正超分辨濾波器弓I入的修正色差，用以實現最終位置色差的精確控制。
平行平板色差修正超分辨濾波器引入的修正色差量可由公式(3)求得 formula see original document page 14 (3)
式中，
《為平行平板色差修正超分辨濾波器引入的修正色差；
、為平行平板色差修正超分辨濾波器基底玻璃材料對應波長A的折射率；
為平行平板色差修正超分辨濾波器基底玻璃材料對應波長^的折射率；
為平行平板色差修正超分辨濾波器基底玻璃材料對應設計中心波長^= 的折射率；
"l為平行平板色差修正超分辨濾波器振幅透過率膜層厚度，"1 0，使用 中忽略的"l影響作用；
"2為平行平板色差修正超分辨濾波器基底厚度，為位置色差修正的調節 參數。
圖5中，k0、 kl…kn表示平行平板色差修正超分辨濾波器環帶區域振幅透 過率；a0、 al…an表示平行平板色差修正超分辨濾波器不同振幅透過率環帶區
域的歸一化極坐標半徑。 、氣、氣可由玻璃材料手冊查詢獲得。kn、 an參 數的確定，即^"函數的確定，由已知的超分辨濾波器設計方法獲得。圖6為 一種可以使用的濾波器的結構示意圖。
假設某型號玻璃的 =1'52， =1'525， =1'517， ^2=1.5mm，則由公式 (3)得，由平行平板色差修正超分辨濾波器引入的位置色差^^7.9^im。若需
要進一步調整第一、第二測量光束聚焦的位置色差，假設平行平板色差修正超 分辨濾波器基底厚度"2由1.5mm修正加工後的厚度為1.3mm，則由公式(3) 得，第一、第二測量光束聚焦的位置色差改變量為1. 05^im.。可見，改變平行 平板色差修正超分辨濾波器基底厚度可以實現第一、第二測量光束聚焦的位置 色差的精確控制。
在用本發明進行測量的過程中，當測量面位置由J運動到位置^時，第一 差動共焦測量裝置的輸出與第二差動共焦測量裝置的輸出相同，此時切換探測 器輸出信號，由第二差動共焦測量裝置的輸出繼續跟蹤測量面位移，測量輸出 曲線由^轉移到^C，從而實現量程擴展，本發明的位移測量量程範圍是J^c
曲線所對應的軸向位移範圍。
第一差動共焦測量裝置100和第二差動共焦測量裝置200的線性測量區的 範圍是由其本身的屬性確定的，因此，本發明的範圍並不限於如圖中所示的AB， BC的線性測量區範圍相等的情況，當第一差動共焦測量裝置100和第二差動共 焦測量裝置200的線性測量區範圍有差異時，本發明的裝置及方法也是可實施 的。另外，由於照明光束波長存在差異，第一差動共焦測量裝置100和第二差 動共焦測量裝置200的橫向、軸向分辨力存在差異，因此系統應用時應分別標 定第一差動共焦測量裝置100和第二差動共焦測量裝置200的橫向、軸向分辨 力。
由公式(1) (2)運算結果可見，共模噪聲"a、""得到抑制。
參考附圖3，本發明所述的基於平行平板色差校正的超分辨複色差動共焦 測量裝置，其具體測量步驟如下-
第一第二雷射器l、 18分別發出波長為^、 ^的線偏振光束，分別經過第 一準直聚焦物鏡2、第一針孔3和第一準直物鏡4，以及第二準直聚焦物鏡19、 第四針孔20和第二準直物鏡21準直輸出至第一、第二偏振分光鏡5、 22;
波長為A、 ^的線偏振光束透過第一、第二偏振分光鏡5、 22和第一、第 二四分之一波片13、 23後成為圓偏振光；
波長為^、 ^的測量光束分別經過二向分色鏡14透射和反射，到達聚焦 物鏡15和平行平板色差修正超分辨濾波器31，具有相應的超分辨振幅調製信 息和位置色差校正量，分別聚焦於第一焦平面17和第二焦平面16;
測量光束被測量面反射，經過聚焦物鏡15、平行平板色差修正超分辨濾波 器31和二向分色鏡14，再次經過第一、第二四分之一波片13、 23後成為與入 射光束振動方向垂直的線偏振光；
波長為^、 ^的測量光束被第一、第二偏振分光鏡5、 22反射到達第一、 第二分光鏡6、 24;
第一、第二分光鏡6、 24分別將波長為^、 ^的測量光束等強度分離，分 支光束分別經過第一、第二、第三和第四探測聚焦物鏡7、 9、 25、 28和第二、
第三、第五、第六針孔8、 10、 26、 29由第一遠焦、第一近焦、第二近焦、第 二遠焦光電探測器ll、 12、 27、 30接收，其軸向響應測量曲線,如附圖4所示;
當測量面由位置^向位置5運動過程中，由曲線^輸出測量結果，當測量
面由位置^運動到達位置B時，第一差動共焦測量裝置的輸出與第二差動共焦
測量裝置的輸出，此時切換探測器輸出信號，由第二差動共焦測量裝置的輸出
繼續跟蹤測量面位移，測量輸出曲線由AB轉移到BC，測量原理與JB段相同， 系統測量範圍為ABC曲線所對應的軸向線性位移範圍。
即若第一差動共焦測量裝置的輸出計算方法為第一近焦探測器輸出減第 一遠焦探測器輸出，則第二差動共焦測量裝置的輸出為第二遠焦探測器輸出減 第二近焦探測器輸出，當然，反之亦然。其作用是產生等值響應輸出，從而便 於實現測量區間轉換。
所述裝置的特徵在於通過一個平行平板色差修正超分辨濾波器同時實現 兩個波段照明光束的超分辨濾波調製；
所述裝置的特徵在於具有平行平板色差修正超分辨濾波器，可以通過調節 平行平板色差修正超分辨濾波器基底厚度實現對複色光束聚焦平面間距的精 確修正；
所述裝置的特徵在於平行平板色差修正超分辨濾波器同時具有位置色差 修正作用和超分辨濾波調製作用。
權利要求
1.一種超分辨複色差動共焦測量方法包括提供第一差動共焦測量裝置，用於輸出具有第一波長的第一測量相干光束，以及用於接收具有第一波長的第一反射光束，並根據所接收的具有第一波長的第一反射光束產生第一近離焦探測器輸出和第一遠離焦探測器輸出；提供第二差動共焦測量裝置，用於輸出具有第二波長的第二測量相干光束，以及用於接收具有第二波長的第二反射光束，並根據所接收的具有第二波長的第二反射光束產生第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出；提供一平行平板修正色差超分辨測頭，其包括二向分色鏡，聚焦物鏡和平行平板色差修正超分辨濾波器，令第一測量相干光束和第二測量相干光束匯合於二向分色鏡，再通過聚焦物鏡和超分辨濾波器後分別聚焦於不同的平面；提供一計算機裝置，用於讀取並記錄第一近離焦探測器輸出、第一遠離焦探測器輸出、第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出，並分別根據第一近離焦探測器輸出與第一遠離焦探測器輸出之差生成具有一線性測量區的第一軸向測量響應曲線，以及根據第二遠離焦探測器輸出和第二近離焦探測器輸出之差生成具有一線性測量區的第二軸向測量響應曲線；以及，精確修正超分辨濾波器平板基底厚度，實現兩光束聚焦平面位置調節，從而保證兩焦平面的位置差恰好等於第一差動共焦測量裝置的線性測量區一半與第二差動共焦測量裝置線性測量區一半之和。
2. —種超分辨複色差動共焦測量裝置，其特徵在於包括第一差動共焦測量裝置，用於輸出具有第一波長的第一測量相干 光束，以及用於接收具有第一波長的第一反射光束，並根據所接收的具有 第一波長的第一反射光束產生第一近離焦探測器輸出和第一遠離焦探測器 輸出；第二差動共焦測量裝置，用於輸出具有第二波長的第二測量相干光束， 以及用於接收具有第二波長的第二反射光束，並根據所接收的具有第二波 長的第二反射光束產生第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出；平行平板修正色差超分辨測頭，其包括二向分色鏡，聚焦物鏡和平行 平板色差修正超分辨濾波器，令第一測量相干光束和第二測量相干光束匯 合於二向分色鏡，再通過聚焦物鏡和超分辨濾波器後分別聚焦於不同的平 面；其中；計算機裝置，用於讀取並記錄第一近離焦探測器輸出、第一遠離焦探 測器輸出、第二近離焦探測器輸出和第二遠離焦探測器輸出，並分別根據 第一近離焦探測器輸出與第一遠離焦探測器輸出之差生成具有一線性測量 區的第一軸向測量響應曲線，以及根據第二遠離焦探測器輸出和第二近離 焦探測器輸出之差生成具有一線性測量區的第二軸向測量響應曲線；以及，精確修正超分辨濾波器平板基底厚度，實現兩光束聚焦平面位置調節， 從而保證兩焦平面的位置差恰好等於第一差動共焦測量裝置的線性測量區 一半與第二差動共焦測量裝置線性測量區一半之和。
3. 根據權利要求2所述的超分辨複色差動共焦測量裝置，其特徵在於所 述超分辨濾波器包括各向同性的平板透明介質基底和設置於該透明介質基 底上的具有多個具有不同透過率的同心環帶區域膜層。 4. 根據權利要求3所述的超分辨複色差動共焦測量裝置，其特徵在於所 述各向同性透明介質是玻璃。
全文摘要
本發明公開了一種超分辨複色差動共焦測量方法，其包括提供第一差動共焦測量裝置，提供一平行平板修正色差超分辨測頭，提供一計算機裝置，以及，精確修正超分辨濾波器平板基底厚度，實現兩光束聚焦平面位置調節，從而保證兩焦平面的位置差恰好等於第一差動共焦測量裝置的線性測量區一半與第二差動共焦測量裝置線性測量區一半之和。本發明還提供了一種超分辨複色差動共焦測量裝置，本發明的超分辨複色差動共焦測量方法及裝置的有益效果在於，在保留已公開的複色超分辨差動共焦測量技術具有兩個獨立的雙極性跟蹤線性區間，軸向響應量程大，能抑制共模幹擾的技術優點前提下，提高系統橫向分辨力。
文檔編號G01B11/00GK101358835SQ200810147049
公開日2009年2月4日 申請日期2008年8月13日 優先權日2008年8月13日
發明者儉 劉, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學