[發明專利]復色超分辨差動共焦測量方法與裝置

有效

• 申請號: 200710301423.7
• 申請日: 2007-12-27
• 公開（公告）號: CN101182992A
• 公開（公告）日: 2008-05-21
• 發明（設計）人: 譚久彬;劉儉
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01B11/02;G01B11/22;G01B11/24
• 代理公司: 北京英特普羅知識產權代理有限公司
• 代理人: 齊永紅

技術領域

本發明屬于超精密測量領域，是一種用于微結構光學元件、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方法與裝置。

背景技術

共焦點掃描測量技術是微光學、微機械、微電子領域中測量三維微細結構、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀的重要技術手段之一。其基本思想由M.Minsky于1957年提出，并于1961年獲得了美國專利，其基本技術思想是通過引入針孔探測器抑制雜散光，并產生了軸向層析能力，該技術的不足之處在于，軸向響應信號在測量面準焦區域附近測量靈敏度不高，因此只適用于離焦位移測量。此后，在M.Minsky提出的共焦掃描成像技術基礎上衍生出雙光子熒光顯微技術、單光子熒光顯微技術、4PI熒光共焦顯微技術、激光干涉共焦顯微技術、θ共焦顯微技術、彩色共焦、差動共焦掃描測量技術等多種類型的共焦測量技術。

雙光子熒光顯微技術、單光子熒光顯微技術和4PI熒光共焦顯微技術基本技術特征是利用照明光束作用，樣品吸收一個入射光子，產生熒光輻射，實現三維成像，此類技術適用于具有熒光特性的物質；激光干涉共焦顯微技術是利用雙頻激光技術和共焦掃描測量技術相結合，采用相位測量技術實現長度測量，此類技術對激光頻率穩定性要求很高，而且測量范圍相對較小；θ共焦顯微技術是一種基于掃描測量原理的測量技術，可以提高測量效率，但是測量精度相對較低；彩色共焦測量方法采用寬光譜非相干光進行照明，采用傳統共焦結構，通過分析探測信號光譜變化實現位移測量，該方法與傳統共焦技術相比提高了測量范圍，并提高了測量表面的傾斜允限，但是測量速度相對較低，而且響應信號強度較弱，不利于進一步提高信號噪聲比；差動共焦掃描測量技術及三差動共焦測量技術，通過對探測器等距離離焦，并對探測光強信號做減法運算，獲得雙極性跟蹤特性，使測量范圍和軸向測量分辨力得到提高；超分辨共焦掃描測量技術及超分辨差動共焦掃描測量技術通過光瞳濾波提高了軸向和徑向分辨力，但是差動及超分辨差動掃描測量技術的線性范圍一般只有5一10μm，相對較小的線性范圍制約了該技術的應用范疇。

差動及超分辨差動共焦探測為已公開技術，因此本發明將差動共焦探測和超分辨技術視為已知技術。

一種典型的超分辨差動共焦檢測系統，如圖1所示，包括激光器1，所述激光器1發光波長為λ1，針孔3、8、10，所述針孔3、8、10具有相同通光口徑，其中針孔3用于生成理想點光源，針孔8、10與光電探測器12、11一一對應構成點探測器，探測測量表面離焦產生的強度變化信號，光電探測器11置于遠焦平面處，光電探測器12置于近焦平面處；還包括準直物鏡4用于準直針孔3生成的理想點光源；偏振分光鏡5與四分之一波片13相結合，用于分離激光器發出光束與測量表面反射的測量光束；超分辨濾波器31用于進行橫向、軸向或三維超分辨，以提高橫向分辨力和軸向分辨力；部分色差校正物鏡15用于聚焦測量光束；分光鏡6用于等強度分離由測量表面反射的測量光束，以形成差動探測；探測聚焦物鏡7、9用于聚焦測量光束，以形成測量點的共軛像。

附圖2為上述系統的一種典型波長響應曲線，如圖所示，其線性測量區間為AX，測量原點為O1，即當測量面位置由A運動到位置X時，可以有效地進行差動或超分辨差動共焦測量，然而，在這種系統中，通過使用大數值孔徑聚焦物鏡而獲得的高軸向測量分辨力與軸向測量范圍擴展是矛盾的，即軸向分辨力越高，其線性測量范圍越小，這種相對狹小的線性測量范圍是制約現有差動及超分辨差動共焦測量技術得到更廣泛應用的主要障礙之一。

發明內容

本發明目的在于提供一種適用于三維微細結構、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方法與裝置。

為克服現有差動及超分辨差動共焦測量方法線性測量范圍小的不足，本發明提供了一種復色超分辨差動共焦測量裝置，在不犧牲軸向分辨力，保留已公開的差動及超分辨差動掃描測量技術橫向、軸向分辨力高，具有雙極性跟蹤特性，能抑制共模干擾的技術優點前提下，進一步擴展線性測量范圍。

按照本發明，所述復色超分辨差動共焦測量裝置包括：

第一超分辨差動共焦測量裝置，用于輸出具有第一波長的第一測量相干光束，以及接收具有第一波長的第一反射光束，并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；