移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法

2023-05-02 12:31:46 5

專利名稱：移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法
技術領域：
本發明屬於超精密三維微細結構表面形貌測量領域，主要涉及一種移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法。

背景技術：
共焦測量技術最早是由M.Minsky於1957年提出，並於1961年獲得了美國專利，專利號US 3013467，其基本技術思想是通過引入針孔探測器抑制雜散光，實現軸向層析能力，同時共焦顯微鏡的橫向分辨力是普通顯微鏡的1.4倍。經過近五十年的發展，共焦顯微術在基本共焦的基礎上取得了長足的發展和進步，各種不同類型的共焦顯微裝置和技術不斷湧現，目前，共焦顯微測量技術已經廣泛應用於微光學、微電子、微機械、材料、生命科學、表面科學、納米蝕刻，尤其是在生物醫學領域，共焦顯微術顯示出其巨大的應用前景。
基於位移—強度變化關係的共焦測量方法，存在測量光信號強度易受測量表面反射率差異和測量工件傾斜和曲面輪廓變化影響的不足，這種影響直接導致已經標定的信號強度和位移輸出關係曲線變化，因此會帶來較大的測量誤差，這種測量原理缺陷約束了共焦測量技術在表面反射率變化較大和曲面輪廓測量中的應用；基於移相干涉的共焦測量方法的本質是將位移變化轉換成位相變化實現微結構和微位移測量，這類測量技術很好地解決了測量表面反射率和表面傾斜對測量結果的影響問題，但是由於位相測量值求解具有周期性，因此這類測量方法不能直接用於臺階高度測量，只能獲得相對位移變化，也不能直接用於絕對位移測量。
移相干涉二次共焦測量技術(參見發明專利基於移相干涉的二次共焦測量方法與裝置；專利公開號CN 101275822A；專利
公開日2008年10月1日)為已公開技術，其裝置結構包括雷射器、聚焦物鏡、照明針孔、擴束準直物鏡、偏振分光鏡、四分之一波片、普通分光鏡、平面反射鏡、第一微驅動器、探測聚焦物鏡、第二微驅動器、收集物鏡、探測針孔和光電探測器。本發明將移相干涉二次共焦測量技術視為已知技術。移相干涉二次共焦測量技術，利用共焦點探測器的軸向層析作用，通過移相干涉獲得兩種共焦狀態下的相位信息，從而實現離焦位移的解算，共焦針孔在實際測量中發揮著至關重要的作用，直接導致軸向層析能力的形成，在移相干涉二次共焦測量系統實際裝調測量中，共焦探測針孔的調試存在許多困難，幾到十幾個微米的針孔可能因發生傾斜、離軸、離焦等造成點探測誤差，本發明利用顯微物鏡和CCD相機的組合來代替移相干涉二次共焦測量技術中由實際探測針孔和光電探測器組成的點探測裝置，本發明把顯微物鏡和CCD相機的組合稱為軟針孔探測，相應地把實際共焦探測針孔稱為硬針孔。
共焦成像系統虛擬針孔技術(參見發明專利採用虛擬針孔的共焦顯微成像系統；專利公開號CN 1971333A；專利
公開日2007年5月30日)為已公開技術。本發明在移相干涉二次共焦測量裝置中引入虛擬針孔的基本思想，然後進一步發展形成了更加精細、更高精度的軟針孔探測技術，本發明將共焦顯微成像系統中的虛擬針孔技術視為已知技術。本發明軟針孔探測與虛擬針孔的區別在於硬體上，在CCD對收集物鏡焦平面成像之前，加入不同放大倍數的顯微物鏡，由於實際共焦探測針孔為微米量級與CCD像素尺寸相當，如果直接探測，虛擬針孔包含的像素數將十分有限，且CCD像面上虛擬針孔對應的像素區域不易固定及跟蹤，最終產生探測誤差，加入顯微放大後，將有效提高探測精度且易於裝調；軟體上，形成了精細的軟針孔探測步驟也區別於共焦成像系統虛擬針孔技術中的虛擬針孔的操作步驟。


發明內容
本發明目的在於克服現有技術的不足，設計提供一種移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法。
本發明的技術方案如下 一種移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法 所述裝置包括雷射器、聚焦物鏡、照明針孔、擴束準直物鏡、偏振分光鏡、四分之一波片、普通分光鏡、平面反射鏡、第一微驅動器、探測聚焦物鏡、第二微驅動器、收集物鏡，所述裝置還包括顯微物鏡和CCD相機，調整顯微物鏡和CCD相機使其位於對收集物鏡會聚準焦面處橫向光斑成清晰放大像位置，由顯微物鏡和CCD相機組成軟針孔探測裝置。
所述方法包括步驟 1)移走被測表面，由平面反射鏡、分光鏡反射回來的平行光束經收集物鏡直接聚焦； 2)移動顯微物鏡和CCD相機使其對收集物鏡焦平面附近處從近離焦到遠離焦連續等間隔採集7幅橫向光斑，提取歸一化光斑分布圖，與理想愛裡斑光強分布進行比較，分析判斷得出收集物鏡準焦面的位置，精確驅動顯微物鏡與CCD相機的組合使其對該準焦面處橫向光斑成清晰放大像； 3)確定CCD像面上愛裡斑的中心點位置，標記此像素點的幾何中心為P點，作為圓形或方形軟針孔的中心點，建立直角坐標系；①建立圓形軟針孔利用RP＝βd/2，作為圓形軟針孔半徑，其中β為顯微物鏡橫向放大倍數，d為應選共焦探測針孔直徑尺寸，由(P，RP)確定了CCD像面上一圓形像素區域，在圓形區域邊界處，被覆蓋面積在一半及以上的像素計入該區域，在被覆蓋面積在一半以下的像素不計入該區域，邊界處理完畢後，得到所需的圓形軟針孔；②建立方形軟針孔利用DP＝βd，作為方形軟針孔邊長，由(P，DP)確定了CCD像面上一方形像素區域，在方形區域邊界處，被覆蓋面積在一半及以上的像素計入該區域，在被覆蓋面積在一半以下的像素不計入該區域，邊界處理完畢後，得到所需的方形軟針孔，標記並鎖定CCD像面上軟針孔所包含的特定像素區域，把軟針孔內全部像素強度累加求和的結果作為後續移相干涉二次共焦點探測輸出； 4)加入被測表面，按照四步時間移相干涉二次共焦測量步驟進行①第一種共焦狀態下四步時間移相相位解算；②第二種共焦狀態下四步時間移相相位解算；③測量參考面復位；④第一共焦狀態測量點離焦位移求解；⑤修正二次共焦引入的復位誤差。
本發明的有益效果在於利用顯微物鏡與CCD相機組成的軟針孔探測代替現有移相干涉二次共焦測量裝置中的實際針孔和光電探測器組成的點探測，可獲得靈活的等效針孔尺寸，降低了實際共焦針孔的裝調難度，提高了移相干涉二次共焦點探測精度。



附圖是本發明所述移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置結構示意圖。
圖中1 雷射器 2 聚焦物鏡 3 照明針孔 4 擴束準直物鏡 5 偏振分光鏡 6 四分之一波片 7 普通分光鏡 8 平面反射鏡 9 第一微驅動器 10 探測聚焦物鏡 11 第二微驅動器 12 收集物鏡 13 顯微物鏡 14 CCD相機
具體實施例方式 下面結合附圖對本發明實施方案進行詳細描述。
移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置包括雷射器1、聚焦物鏡2、照明針孔3、擴束準直物鏡4、偏振分光鏡5、四分之一波片6、普通分光鏡7、平面反射鏡8、第一微驅動器9、探測聚焦物鏡10、第二微驅動器11、收集物鏡12，所述裝置還包括顯微物鏡13和CCD相機14，調整顯微物鏡13和CCD相機14使其位於對收集物鏡12會聚準焦面處橫向光斑成清晰放大像位置，由顯微物鏡13和CCD相機14組成軟針孔探測裝置。
工作原理雷射器1發出線偏振光，經聚焦物鏡2、照明針孔3、擴束準直物鏡4後成為近似理想平面波，再經偏振分光鏡5和四分之一波片6之後成為圓偏振光，由分光鏡7分為兩路；第一路光束經分光鏡7透射、平面反射鏡8反射，再經分光鏡7反射成為參考光束，第二路光束經分光鏡7反射、探測聚焦物鏡10會聚、測量表面反射，反向經過探測聚焦物鏡10，再經分光鏡7透射成為測量光束，兩路旋向相同的參考和測量圓偏振光相遇幹涉，由收集物鏡12會聚；調整顯微物鏡13和CCD相機14使其對收集物鏡12準焦面處橫向光斑成清晰放大像，顯微物鏡13和CCD相機14的組合形成軟針孔探測；第一微驅動器9用於驅動平面反射鏡8改變參考光和測量光的相位差，實現四步時間移相干涉，第二微驅動器11用於驅動探測聚焦物鏡10實現二次共焦狀態測量，探測聚焦物鏡10初始狀態對應第一次共焦狀態測量。
具體微位移測量步驟 第一步定位並鎖定探測軟針孔 1)移走被測表面，由平面反射鏡8、分光鏡7反射回來的平行光束經收集物鏡12直接聚焦； 2)移動顯微物鏡13和CCD相機14使其對收集物鏡焦平面附近處從近離焦到遠離焦連續等間隔採集7幅橫向光斑，提取歸一化光斑分布圖，與理想愛裡斑光強分布進行比較，分析判斷得出收集物鏡準焦面的位置，精確驅動顯微物鏡13與CCD相機14的組合使其對該準焦面處橫向光斑成清晰放大像； 3)確定CCD像面上愛裡斑的中心點位置，標記此像素點的幾何中心為P點，作為圓形或方形軟針孔的中心點，建立直角坐標系；①建立圓形軟針孔利用RP＝βd/2，作為圓形軟針孔半徑，其中β為顯微物鏡橫向放大倍數，d為應選共焦探測針孔直徑尺寸，由(P，RP)確定了CCD像面上一圓形像素區域，在圓形區域邊界處，被覆蓋面積在一半及以上的像素計入該區域，在被覆蓋面積在一半以下的像素不計入該區域，邊界處理完畢後，得到所需的圓形軟針孔；②建立方形軟針孔利用DP＝βd，作為方形軟針孔邊長，由(P，DP)確定了CCD像面上一方形像素區域，在方形區域邊界處，被覆蓋面積在一半及以上的像素計入該區域，在被覆蓋面積在一半以下的像素不計入該區域，邊界處理完畢後，得到所需的方形軟針孔； 4)標記並鎖定CCD像面上軟針孔所包含的特定像素區域，把軟針孔內全部像素強度累加求和的結果作為後續移相干涉二次共焦點探測輸出。
第二步放入被測表面或樣品進行四步時間移相干涉二次共焦測量 1)第一種共焦狀態下四步時間移相相位解算 定義α1為第一微驅動器9用於驅動反射鏡8改變參考光和測量光的相位差，i表示移相狀態序號；利用第一微驅動器9驅動反射鏡8，分別給出α1＝0，α2＝π/2，α3＝π，α4＝3π/2的四種移相狀態。在四種移相狀態下，按照第一步所述方法確定的軟針孔，其等效點探測輸出響應分別如下 其中，I1、I2、I3、I4為第一種共焦狀態下，與四種移相狀態相對應的軟針孔探測輸出響應；IA(r1，un)和IB(r1，un)與參考光和測量光振幅、測量點振幅反射率等有關；n表示掃描測量點序號，φn(r1，Δzn)表示第n個掃描測量點，在第一種共焦狀態下，測量光相對於參考光的相位；Δz表示測量點相對於探測聚焦物鏡焦面(測量參考面)的離焦位移；un為對應於Δzn的軸向無量綱光學坐標；r1為被測物面徑向真實坐標。
求解式(1)，得到第n個掃描測量點，在第一共焦狀態下測量光相對於參考光的相位 φn(r1，Δzn)＝tg-1[(I4-I2)/(I3-I1)] (2) 2)第二種共焦狀態下四步時間移相相位解算 利用第二微驅動器11驅動探測聚焦物鏡10，改變測量點相對於測量物鏡10焦面的位置關係，產生第二種共焦狀態。在第二種共焦狀態下，第n個掃描測量點測量光相對於參考光的相位φn-de(r1，Δzn±εde)，「±」表示操作者對位移方向正方向的定義，取+或-不影響測量結果的值。
重複1)的移相干涉過程，並由式(2)得第二種共焦狀態下，測量光相對於參考光的相位φn-de(r1，Δzn±εde) φn-de(r1，Δzn±εde)＝tg-1[(I′4-I′2)/(I′3-I′1)] (3) 其中，I′1、I′2、I′3、I′4為第二種共焦狀態下，與四種移相狀態對應的軟針孔探測輸出響應；εde表示第二微驅動器11驅動探測聚焦物鏡10的位移量，限定0≤εdeλ/4，且有 3)測量參考面復位 探測聚焦物鏡的焦面是測量參考面，第二微驅動器11驅動探測聚焦物鏡10產生測量參考面移動，因此需要將測量參考面復位。復位狀態下，第n個掃描測量點測量光相對於參考光的相位φn-re(r1，Δzn±εde

εre)，重複1)的移相干涉過程，由式(2)得到

) 其中，I＂1、I＂2、I＂3、I＂4為復位狀態下，與四種移相狀態對應的軟針孔探測輸出響應；「±」表示操作者對位移方向正方向的定義；εre表示第二微驅動器11驅動探測聚焦物鏡10的復位位移量，限定0≤εre<λ/4，且有 參考面復位誤差 Δεn＝εre-εde (7) 4)第一共焦狀態測量點離焦位移求解 求解關聯方程 其中， λ為照明雷射波長；NA為探測聚焦物鏡10的數值孔徑。
通過合理求解方程(8)，得第n個測量點無量綱軸向光學坐標位置un，進而得離焦位移Δzn。
5)修正二次共焦引入的復位誤差 考慮到第n個測量點和第n+1個測量點參考平面的一致性問題，需要修正探測聚焦物鏡10復位引入的復位誤差。利用式(7)修正4)中Δzn求解結果 Δzn＝Δzn-Δεn-1 (9)。
權利要求
1.一種移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置，包括雷射器(1)、聚焦物鏡(2)、照明針孔(3)、擴束準直物鏡(4)、偏振分光鏡(5)、四分之一波片(6)、普通分光鏡(7)、平面反射鏡(8)、第一微驅動器(9)、探測聚焦物鏡(10)、第二微驅動器(11)、收集物鏡(12)；其特徵在於，所述裝置還包括顯微物鏡(13)和CCD相機(14)，調整顯微物鏡(13)和CCD相機(14)使其位於對收集物鏡(12)會聚準焦面處橫向光斑成清晰放大像位置，由顯微物鏡(13)和CCD相機(14)組成軟針孔探測裝置。
2.一種移相干涉二次共焦軟針孔探測方法，其特徵在於，所述方法包括步驟
1)移走被測表面，由平面反射鏡、分光鏡反射回來的平行光束經收集物鏡直接聚焦；
2)移動顯微物鏡和CCD相機使其對收集物鏡焦平面附近處從近離焦到遠離焦連續等間隔採集7幅橫向光斑，提取歸一化光斑分布圖，與理想愛裡斑光強分布進行比較，分析判斷得出收集物鏡準焦面的位置，精確驅動顯微物鏡與CCD相機的組合使其對該準焦面處橫向光斑成清晰放大像；
3)確定CCD像面上愛裡斑的中心點位置，標記此像素點的幾何中心為P點，作為圓形或方形軟針孔的中心點，建立直角坐標系；①建立圓形軟針孔利用RP＝βd/2，作為圓形軟針孔半徑，其中β為顯微物鏡橫向放大倍數，d為應選共焦探測針孔直徑尺寸，由(P，RP)確定了CCD像面上一圓形像素區域，在圓形區域邊界處，被覆蓋面積在一半及以上的像素計入該區域，在被覆蓋面積在一半以下的像素不計入該區域，邊界處理完畢後，得到所需的圓形軟針孔；②建立方形軟針孔利用DP＝βd，作為方形軟針孔邊長，由(P，DP)確定了CCD像面上一方形像素區域，在方形區域邊界處，被覆蓋面積在一半及以上的像素計入該區域，在被覆蓋面積在一半以下的像素不計入該區域，邊界處理完畢後，得到所需的方形軟針孔，標記並鎖定CCD像面上軟針孔所包含的特定像素區域，把軟針孔內全部像素強度累加求和的結果作為後續移相干涉二次共焦點探測輸出；
4)加入被測表面，按照四步時間移相干涉二次共焦測量步驟進行①第一種共焦狀態下四步時間移相相位解算；②第二種共焦狀態下四步時間移相相位解算；③測量參考面復位；④第一共焦狀態測量點離焦位移求解；⑤修正二次共焦引入的復位誤差。
全文摘要
移相干涉二次共焦軟針孔探測裝置與方法屬於超精密三維微細結構表面形貌測量領域；由顯微物鏡和CCD相機組成軟針孔探測裝置，通過移走測量表面，移動顯微物鏡和CCD相機確定收集物鏡準焦面位置，定位CCD像面上愛裡斑中心點位置，截取並鎖定CCD像面上相應於不同顯微放大倍數的固定像素區域作為軟針孔，調整顯微物鏡和CCD相機使其對收集物鏡會聚準焦面處橫向光斑成清晰放大像，再加入被測表面，按照四步時間移相干涉二次共焦測量步驟完成具體微位移測量；本發明可提供靈活的等效針孔樣式，有效降低實際共焦針孔的裝調誤差，提高移相干涉二次共焦點探測精度。
文檔編號G01B11/02GK101520304SQ20091007166
公開日2009年9月2日 申請日期2009年3月30日 優先權日2009年3月30日
發明者儉 劉, 譚久彬, 濤 劉, 趙晨光, 王偉波 申請人:哈爾濱工業大學