基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置的製作方法

2023-07-26 10:24:26 1

專利名稱：基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，屬於微觀測量技術領域。
背景技術：
共焦顯微成像技術的基本思想是通過引入針孔探測器抑制雜散光，並產生軸向層析能力，該技術通過逐點的對樣品的X-Y面進行二維掃描測量，獲得當前X-Y面的圖像，再對樣品進行Z向(軸向)掃描，並對下一 X-Y面進行逐點二維掃描，以此類推，通過將獲得的二維圖像進行「堆疊」處理，得到樣品的三維重構圖像。由於這種測量方法十分耗時，為提高共焦檢測技術的測量效率，人們在此基礎上提出了用狹縫探測代替點探測進行共焦測量的方法。用狹縫探測進行共焦測量的方法大大提高了樣品X-Y面的掃描檢測速度，但由於該方法的前端光路採用的是圓對稱光路，使得在狹縫探測器接收端的光強分布不均勻， 中心光強明顯高於狹縫邊緣處的光強，從而導致了最終的測量誤差。2002年6月，吳開傑、李剛等在《基於線掃描方式的雷射共焦顯微鏡的研究》(吳開傑、李剛、虞啟璉、金霞，儀器儀表學報，第23卷第3期增刊)中，提出了用柱透鏡代替圓透鏡的共焦檢測技術，該方法使探測器接收端的光強分布更加均勻，並且顯著提高了橫向量程範圍，提高了共焦檢測技術的測量效率。但該方法採用的頂點層析方式，使系統軸向分辨力低，並且三維測量效率低下。差動共焦檢測技術將差動檢測引入了共焦顯微檢測技術中，它採用兩路差動探測信號對傳統的共焦光路進行改進。相對於傳統共焦檢測技術，差動共焦檢測技術具有獨特的零點跟蹤特性，具有高軸向分辨力和二倍於傳統共焦的軸向響應線性區間。當採用零點層析測量方法時，差動共焦檢測技術提供大大高於傳統共焦頂點層析測量方法的軸向分辨力；當採用軸向響應線性區間測量方法時，差動共焦檢測技術提供二倍於傳統共焦的軸向量程和遠遠高於傳統共焦的軸向分辨力，此外當樣品軸向尺寸小於軸向響應線性區間大小時，通過一次橫向掃描即可獲得樣品的三維表面信息。因此，差動共焦軸向響應線性區間測量方法能夠測量的樣品軸向尺寸可達到傳統共焦線性區間測量方法的兩倍，軸向分辨力也得到了顯著提高，並且相對於零點層析方法具有較高的測量效率。但採用差動共焦檢測技術進行三維測量時，仍需要對樣品的X-Y面進行逐點掃描，測量效率仍然低下。

發明內容
本發明的目的是為了解決差動共焦檢測技術在進行三維測量時，測量效率低的問題，提供一種基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置。本發明包括在同軸光路上依次設置的雷射器、聚焦透鏡、針孔和準直擴束透鏡，它還包括矩形光闌、第一分光鏡、第二分光鏡、探測聚焦柱透鏡、第一收集柱透鏡、第二收集柱透鏡、第一線陣點探測器和第二線陣點探測器，雷射器產生的雷射束通過聚焦透鏡匯聚於針孔，經針孔濾波後的點光源經過準直擴束透鏡擴束後，再經矩形光闌入射至第一分光鏡，經第一分光鏡透射後的透射光束入射至探測聚焦柱透鏡，並在探測聚焦柱透鏡的像方焦平面上形成線聚集，用於對設置於探測聚焦柱透鏡的像方焦平面上的被測樣本進行線照明；由被測樣本反射後的光束經過探測聚焦柱透鏡透射後，再經第一分光鏡反射的光束入射至第二分光鏡，第二分光鏡的透射光束經過第一收集柱透鏡後線聚焦至第一線陣點探測器的光敏面上，第一線陣點探測器設置於第一收集柱透鏡的焦前位置；第二分光鏡的反射光束經過第二收集柱透鏡後線聚焦至第二線陣點探測器的光敏面上，第二線陣點探測器設置於第二收集柱透鏡的焦後位置；第一線陣點探測器和第二線陣點探測器的離焦量相等。本發明的優點是一 本發明採用柱透鏡對差動共焦測量光路進行一維擴展實現了線掃描，同時利用差動共焦軸向響應特性曲線線性區間測量方法具有大軸向量程、高軸向分辨力的特點， 將柱透鏡引入差動共焦系統後的柱透鏡差動共焦檢測技術既具有大軸向量程、高軸向分辨力的優點，又可通過一次Y向(或X向)掃描即可實現對被測樣品的測量，形成對大尺寸微結構元件的快速測量能力；二 本發明採用準直擴束透鏡將雷射束的直徑擴大，實現了對被測樣本表面照明範圍的擴展；準直擴束透鏡的出射光在被分光前使用矩形光闌遮擋掉光束的邊緣部分，使最終經過探測聚焦柱透鏡後，對被測樣本進行照明的光束強度分布更加均勻，更利於基於柱透鏡光路線掃描的共焦檢測軸向測量，降低了因測量光強分布不均勻導致的測量誤差；三採用線陣點探測器使基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦檢測技術具有三維分辨能力；線陣點探測器可以實現對探測面線聚焦光束的對應點探測，從而使柱透鏡沒有光焦度方向的分辨能力，通過將探測到的各點信號進行重構即可得到被測樣品的三維表面信息，實現了柱透鏡差動共焦測量系統的三維測量；此外相較於線陣CCD探測器，採用線陣點探測器可以實現對微弱信號的探測，進而提高測量精度。本發明通過對被測樣本進行一維掃描運動即可獲得其三維形貌，大大提高了測量效率；可用於大尺寸微結構光學元件、微結構機械元件、集成電路元件中三維微細結構的檢測，並達到高精度、非接觸及三維快速檢測的目的。


圖1為本發明的結構示意圖；圖中-Um表示離焦量。圖2為所述線陣點探測器的結構示意圖；圖3為圖1中被測樣本的左視圖，箭頭y表示被測樣本的移動方向；圖4為本發明裝置的等效光路圖；圖5為經過矩形光闌的理想平面波入射至探測聚焦柱透鏡的衍射光斑示意圖；圖6為本發明的柱透鏡共焦與傳統圓透鏡共焦的橫向響應特性對比曲線圖；圖7為本發明的柱透鏡共焦與傳統圓透鏡共焦的軸向響應特性對比曲線圖；圖8為本發明裝置的軸向差動響應特性曲線圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結合圖1至圖3說明本實施方式，本實施方式包括在同軸光路上依次設置的雷射器1、聚焦透鏡2、針孔3和準直擴束透鏡4，它還包括矩形光闌5、第一分光鏡6-1、第二分光鏡6-2、探測聚焦柱透鏡7、第一收集柱透鏡8-1、第二收集柱透鏡8-2、第一線陣點探測器9-1和第二線陣點探測器9-2，雷射器1產生的雷射束通過聚焦透鏡2匯聚於針孔3，經針孔3濾波後的點光源經過準直擴束透鏡4擴束後，再經矩形光闌5入射至第一分光鏡6-1，經第一分光鏡6-1透射後的透射光束入射至探測聚焦柱透鏡7，並在探測聚焦柱透鏡7的像方焦平面上形成線聚集，用於對設置於探測聚焦柱透鏡7的像方焦平面上的被測樣本10進行線照明；由被測樣本10反射後的光束經過探測聚焦柱透鏡7透射後，再經第一分光鏡6-1 反射的光束入射至第二分光鏡6-2，第二分光鏡6-2的透射光束經過第一收集柱透鏡8-1後線聚焦至第一線陣點探測器9-1的光敏面上，第一線陣點探測器9-1設置於第一收集柱透鏡8-1的焦前位置；第二分光鏡6-2的反射光束經過第二收集柱透鏡8-2後線聚焦至第二線陣點探測器9-2的光敏面上，第二線陣點探測器9-2設置於第二收集柱透鏡8-2的焦後位置；第一線陣點探測器9-1和第二線陣點探測器9-2的離焦量相等。本實施方式中的矩形光闌5、探測聚焦柱透鏡7、第一收集柱透鏡8-1、第一線陣點探測器9-1、第二收集柱透鏡8-2和第二線陣點探測器9-2構成了柱透鏡線掃描差動共焦測量光路，實現了差動共焦顯微測量技術的一維擴展，同時保持了差動共焦測量技術大軸向量程、高軸向分辨力的優點；其中探測聚焦柱透鏡7位於第一分光鏡6-1的透射光路上， 並在被測樣本10之前；第一收集柱透鏡8-1和第一線陣點探測器9-1依次位於第二分光鏡 6-2的透射光路上，第二收集柱透鏡8-2和第二線陣點探測器9-2依次位於第二分光鏡6-2 的反射光路上。本實施方式利用通過矩形光闌5整形後的寬光束及三個柱透鏡將傳統的差動共焦測量系統進行了一維擴展，在被測樣本10的被測面形成線掃描，從而同時獲得大軸向量程、高軸向分辨力和大橫向量程；使用線陣點探測器接收探測面光強，從而使柱透鏡沒有光焦度方向的分辨能力，實現對被測樣本10被測面的三維成像。採用柱透鏡差動共焦軸向響應曲線線性區測量方法，對被測樣本10進行一次Y向或X向帶狀掃描，即可獲得被測樣本 10對應區域表面的三維信息，具有連續點並行掃描能力，併兼有差動共焦測量技術所具有的高精度、大量程特點，可以實現對被測樣品的快速掃描測量。
具體實施方式
二 下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述針孔3設置在聚焦透鏡2的像方焦點處。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
三下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一或二的進一步說明，所述聚焦透鏡2的像方焦點與準直擴束透鏡4的物方焦點重合。其它與實施方式一或二相同。
具體實施方式
四下面結合圖1說明本實施方式，
本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述矩形光闌5的對角線長度小於經準直擴束透鏡4擴束後的光束的光斑直徑，大於經準直擴束透鏡4擴束後的光束的光斑半徑。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
五下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述探測聚焦柱透鏡7為平凸柱透鏡。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
六下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一的進一步說明，第一收集柱透鏡8-1和第二收集柱透鏡8-2為技術參數相同的平凸柱透鏡。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
七本實施方式為對實施方式一的進一步說明，所述第一線陣點探測器9-1和第二線陣點探測器9-2的技術參數相同。其它與實施方式一相同。
具體實施方式
八下面結合圖2至圖8說明本實施方式，本實施方式為對實施方式一或七的進一步說明，所述第一線陣點探測器9-1和第二線陣點探測器9-2均為由一組單模光纖構成的線陣光強點探測端及對應的光電接收器構成。其它與實施方式一或七相同。所述第一線陣點探測器9-1和第二線陣點探測器9-2的組成分別為一組單模光纖的一端緊密排列為一條直線，每一條單模光纖的另一端與對應的光電接收器相連接。本發明裝置的工作過程如下雷射器1產生的雷射束通過聚焦透鏡2匯聚於聚焦透鏡2的像方焦點上，位於聚焦透鏡2像方焦點處的針孔3對光束進行整形，使形成近似理想點光源。準直擴束透鏡4的物方焦點與聚焦透鏡2的像方焦點重合，經針孔3濾波後的點光源經過準直擴束透鏡4後形成近似理想平面波，經矩形光闌5遮擋掉光束的邊緣部分後獲得光強分布更加均勻的矩形平面波。經矩形光闌5獲得的光強分布更加均勻的近似理想平面波經過第一分光鏡6-1透射後，經過探測聚焦柱透鏡7，在探測聚焦柱透鏡7的像方焦平面上的被測樣本10處形成線
聚焦ο經過被測樣本10反射，再經過探測聚焦柱透鏡7、第一分光鏡6-1反射、第二分光鏡6-2透射後，由第一收集柱透鏡8-1形成線聚焦；經過被測樣本10反射，再經過探測聚焦柱透鏡7、第一分光鏡6-1反射、第二分光鏡6-2反射後，由第二收集柱透鏡8-2形成線聚
焦ο最後對由第一線陣點探測器9-1和第二線陣點探測器9-2探測到的等離焦信號進行差動處理，利用差動曲線的線性區間解算出被測樣品的高度；因為第一線陣點探測器 9-1和第二線陣點探測器9-2的各點探測端具有確定的空間位置信息，因此可以得到被測樣本10的橫向坐標，從而獲得被測樣品的三維結構。本發明裝置可以分為以下五部分第一部分採用準直擴束透鏡4將其入射光束的直徑擴大，可擴大到2_3cm，它直接擴展了檢測裝置的橫向量程，準直擴束透鏡4的出射光在分光前使用矩形光闌5遮擋掉光束的邊緣部分，使照明光束強度分布更加均勻，利於共焦檢測軸向測量，降低了因測量光強分布不均勻導致的測量誤差；
第二部分經過探測聚焦柱透鏡7形成的線聚焦光斑對被測樣本10進行線照明， 使共焦測量技術由點照明變為線照明，能同時獲得被測樣本10表面線聚焦光斑區域信息；
權利要求
1.一種基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，它包括在同軸光路上依次設置的雷射器(1)、聚焦透鏡O)、針孔C3)和準直擴束透鏡G)，其特徵在於它還包括矩形光闌 (5)、第一分光鏡(6-1)、第二分光鏡(6- 、探測聚焦柱透鏡(7)、第一收集柱透鏡(8-1)、第二收集柱透鏡(8-2)、第一線陣點探測器(9-1)和第二線陣點探測器(9-2)，雷射器(1)產生的雷射束通過聚焦透鏡( 匯聚於針孔(3)，經針孔C3)濾波後的點光源經過準直擴束透鏡(4)擴束後，再經矩形光闌( 入射至第一分光鏡(6-1)，經第一分光鏡(6-1)透射後的透射光束入射至探測聚焦柱透鏡(7)，並在探測聚焦柱透鏡(7)的像方焦平面上形成線聚集，用於對設置於探測聚焦柱透鏡(7)的像方焦平面上的被測樣本(10)進行線照明；由被測樣本(10)反射後的光束經過探測聚焦柱透鏡(7)透射後，再經第一分光鏡 (6-1)反射的光束入射至第二分光鏡(6-2)，第二分光鏡(6- 的透射光束經過第一收集柱透鏡(8-1)後線聚焦至第一線陣點探測器(9-1)的光敏面上，第一線陣點探測器(9-1)設置於第一收集柱透鏡(8-1)的焦前位置；第二分光鏡(6- 的反射光束經過第二收集柱透鏡(8- 後線聚焦至第二線陣點探測器(9-2)的光敏面上，第二線陣點探測器(9- 設置於第二收集柱透鏡(8- 的焦後位置；第一線陣點探測器(9-1)和第二線陣點探測器(9-2)的離焦量相等。
2.根據權利要求1所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於 所述針孔( 設置在聚焦透鏡O)的像方焦點處。
3.根據權利要求1或2所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於所述聚焦透鏡O)的像方焦點與準直擴束透鏡的物方焦點重合。
4.根據權利要求1所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於 所述矩形光闌(5)的對角線長度小於經準直擴束透鏡(4)擴束後的光束的光斑直徑，大於經準直擴束透鏡(4)擴束後的光束的光斑半徑。
5.根據權利要求1所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於 所述探測聚焦柱透鏡(7)為平凸柱透鏡。
6.根據權利要求1所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於 第一收集柱透鏡(8-1)和第二收集柱透鏡(8- 為技術參數相同的平凸柱透鏡。
7.根據權利要求1所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於 所述第一線陣點探測器(9-1)和第二線陣點探測器(9-2)的技術參數相同。
8.根據權利要求1或7所述的基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，其特徵在於所述第一線陣點探測器(9-1)和第二線陣點探測器(9-2)均為由一組單模光纖構成的線陣光強點探測端及對應的光電接收器構成。
全文摘要
基於柱透鏡光路的線掃描差動共焦測量裝置，屬於微觀測量技術領域。它解決了差動共焦檢測技術在進行三維測量時，測量效率低的問題。雷射器產生的雷射束通過聚焦透鏡匯聚於針孔，經濾波後經過準直擴束透鏡擴束再經矩形光闌入射至第一分光鏡，第一分光鏡的透射光束入射至探測聚焦柱透鏡，在探測聚焦柱透鏡的像方焦平面上形成線聚集；由被測樣本反射後的光束經過探測聚焦柱透鏡透射後，經第一分光鏡的光束入射至第二分光鏡，第二分光鏡的透射光束經過第一收集柱透鏡後線聚焦至第一線陣點探測器的光敏面上；第二分光鏡的反射光束經過第二收集柱透鏡後線聚焦至第二線陣點探測器的光敏面上。本發明適用於差動共焦檢測。
文檔編號G01B9/04GK102175143SQ20111004153
公開日2011年9月7日 申請日期2011年2月21日 優先權日2011年2月21日
發明者劉儉, 唐建波, 李鎂鈺, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學