[發明專利]一種基于分離反射鏡組的共焦測量裝置

有效

• 申請號: 201210244367.9
• 申請日: 2012-07-05
• 公開（公告）號: CN102768024A
• 公開（公告）日: 2012-11-07
• 發明（設計）人: 劉儉;譚久彬
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于光學顯微測量領域，主要涉及一種用于微結構工業樣品中三維微細結構表面形貌測量的超精密非接觸測量裝置。

背景技術

共焦點掃描測量是微光學、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。包括差動共焦曲率半徑測量方法與裝置(公開號CN101526341)、共焦顯微鏡及用其測量高度的方法(公開號CN1392962)、復色超分辨差動共焦測量方法與裝置(公開號CN101182992)等采用傳統透鏡照明結構的共焦點掃描測量系統，其軸向分辨力及橫向分辨力與物鏡數值孔徑大小密切相關，數值孔徑越大，分辨力越高。但是，由于衍射極限的存在，基于透鏡的共焦掃描系統很難通過增大數值孔徑在探測分辨力的提高上取得突破。

采用反射照明結構的共焦測量系統可以較好地解決這個問題，如已經被提出一段時間并經過發展的拋物面反射系統：采用拋物面反射鏡可以滿足大數值孔徑的需求，但是，為減小載物臺遮擋光源的遮擋比采用大孔徑反射鏡，在保證像差的基礎上制作直徑與其匹配的大口徑平面波照明光源難度很高；采用橢球面反射鏡可利用其一對共軛點的特性，突破常規方案的物鏡數值孔徑，實現大數值孔徑照明探測，使軸向分辨力和橫向分辨力大幅提高，但是橢球反射鏡也存在視場小，采用大口徑設計時加工難度高的問題。

發明內容

為克服已有技術存在的橢球反射鏡視場小、采用大口徑設計時難加工的不足，本裝置采用了為橢球鏡配套的補償鏡組，達到通過逐級矯正軸外像差的方式增大鏡組的視場，同時通過補償降低橢球反射鏡的設計難度。

本發明的目的是這樣實現的：

一種基于分離反射鏡組的共焦測量裝置，包括激光器及依次配置在激光器直射光路上的準直擴束器、大數值孔徑聚焦物鏡、針孔、分光鏡和三維位移載物臺，在分光鏡的折轉光路上依次配置探測針孔和探測器，在激光器直射光路上還配置由大口徑橢球反射鏡和補償鏡組組成的分離反射鏡組，該分離反射鏡組中的補償鏡組置于分光鏡與三維位移載物臺之間，大口徑橢球反射鏡置于三維位移載物臺上側部位處，該分離反射鏡組可等效為一橢球面反射鏡，其遠焦點位于針孔處，近焦點位于三維位移載物臺上的樣品表面上；其中補償鏡組由兩片反射鏡組成，分離反射鏡組包括的三片反射鏡頂點處均開有通孔。

本發明以反射式共焦顯微鏡為基礎，利用橢球反射鏡從一個焦點發出的探測光經橢球鏡反射必聚焦于另一個焦點的特性，突破常規方案的物鏡數值孔徑，實現大數值孔徑照明，使軸向分辨力和橫向分辨力大幅提高；同時利用補償鏡組逐級矯正離軸像差及加工中產生的機械誤差，起到了增大視場，降低加工難度的效果。

附圖說明

附圖是一種基于分離反射鏡組的共焦測量裝置結構示意圖

圖中件號說明：1、激光器、2、準直擴束器、3、大數值孔徑聚焦物鏡、4、針孔、5、探測針孔、6、分光鏡、7、探測器、8、分離反射鏡組、8-1、大口徑橢球反射鏡、8-2、補償鏡組9、三維位移載物臺。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明實施方案進行詳細描述。

一種基于分離反射鏡組的共焦測量裝置，包括激光器1及依次配置在激光器1直射光路上的準直擴束器2、大數值孔徑聚焦物鏡3、針孔4、分光鏡6和三維位移載物臺9，在分光鏡6的折轉光路上依次配置探測針孔5和探測器7；在激光器1直射光路上還配置由大口徑橢球反射鏡8-1和補償鏡組8-2組成的分離反射鏡組8，該分離反射鏡組8中的補償鏡組8-2置于分光鏡6與三維位移載物臺9之間，大口徑橢球反射鏡8-1置于三維位移載物臺9上側部位處。所述的分離反射鏡組8可等效為一橢球面反射鏡，其遠焦點位于針孔4處，近焦點位于三維位移載物臺9上的樣品表面上。所述的補償鏡組8-2由兩片反射鏡組成；所述的分離反射鏡組8中，在補償鏡組8-2的兩片反射鏡和大口徑橢球反射鏡8-1的中心頂點處均開有通孔。

測量作業使用時：

第一步，對被測樣品進行照明。

激光器1發射出平行探測光束，經準直擴束器2擴束后成為理想平面波，經過大數值孔徑聚焦物鏡3后聚焦至針孔4成為球面波探測波，分離反射鏡組8可等效為橢球面反射鏡，其遠焦點位于針孔4處，近焦點位于三維位移載物臺9上的待測樣品表面處，故通過針孔4的球面探測波經分離反射鏡組8反射后聚焦于三維位移載物臺9上的樣品表面從而實現大孔徑照明。

第二步，收集探測

球面探測光打在樣品表面處形成漫反射，后經分離反射鏡組8反射后于分光鏡5處，經分光鏡5反射匯聚于探測針孔6處，并通過針孔6打入探測器7。