[發明專利]相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置

無效

• 申請號: 201210244825.9
• 申請日: 2012-07-05
• 公開（公告）號: CN102818522A
• 公開（公告）日: 2012-12-12
• 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: G01B9/04
• 分類號: G01B9/04;G01B11/00;G01B11/02;G01B11/22;G01B11/30
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技術領域

本發明屬于光學顯微測量技術，主要涉及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，其基本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，但傳統共焦技術一直受到傳統透鏡成像數值孔徑小于1的原理局限。

雙通照明共焦測量由C.J.R.Sheppard和T.Wilson于1980年提出(Sheppard，C.J.R.and?Wilson，T.(1980)′Multiple?Traversing?of?the?Object?in?the?Scanning?Microscope′，Journal?of?Modem?Optics，27：5，611-624)，其基本思想是利用球面或平面反射鏡將透射樣品的透射照明光反射回去，對樣品進行二次照明，使雙通照明響應函數具有更高的分辨率。分析表明相對于傳統共焦測量，雙通照明共焦測量軸向分辨力能提高2～4倍，光斑旁瓣也得到更好的抑制。

已有雙通照明共焦測量方法與Minsky提出的共焦測量方法的共性不足在于，對曲率較大的表面進行測量時，由于表面法方向變化導致反射測量光超出收集物鏡的集光孔徑，因此，系統將無法實現大曲率表面的測量。與此同時，系統分辨率也與收集物鏡數值孔徑大小密切相關，數值孔徑越大，軸向分辨力越高，而由于受到傳統透鏡成像數值孔徑小于1的原理局限，二者都難以通過提高數值孔徑來進一步提高軸向分辨率。

發明內容

本發明的目的就是針對上述已有共焦測量及雙通照明共焦測量軸向分辨率受物鏡數值孔徑限制的不足，并進一步提高系統對大曲率凸表面測量能力，研究設計了一種相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置，利用相位共軛反射鏡反射光線作為入射光線的相位共軛光波沿原路返回的特點，配合橢球反射鏡具有一對等暈成像共軛焦點的特點對大曲率凸表面進行雙通照明，達到實現大曲率凸表面樣品的測量、同時橢球反射鏡可實現對大曲率凸表面反射光線數值孔徑為1的收集、使系統具有大曲率凸表面測量能力和高軸向分辨力特性的目的。

本發明的目的是這樣實現的：

相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置包括：激光器、準直擴束器、分光鏡、聚焦物鏡、三維微位移載物臺、收集物鏡、傳導光纖、光電探測器；其中在激光器直射光路上依次配置準直擴束器和分光鏡，聚焦物鏡和三維微位移載物臺配置在分光鏡反射光路上，收集物鏡配置在分光鏡透射光路上，傳導光纖將收集物鏡會聚光傳導到光電探測器，在分光鏡反射光路上還配置橢球反射鏡，所述的橢球反射鏡的近焦點位于放置在三維微位移載物臺上樣品表面上，在橢球反射鏡遠焦點處配置相位共軛反射鏡。

所述裝置具有橢球反射鏡以及置于其遠焦點處的相位共軛反射鏡，其作用是由相位共軛反射鏡將經橢球反射鏡會聚的光沿原路返回，對大曲率凸表面樣品進行二次照明。其獨特光學特性改變傳統橢球雙通照明的光線軌跡，使裝置適用于大曲率凸表面的測量。同時雙通照明響應函數相對于傳統共焦系統響應函數具有更高的軸向分辨力，并實現數值孔徑為1的二次照明。

所述裝置具有橢球反射鏡，其作用是利用其具有一對等暈成像共軛焦點，樣品置于其近焦點，可以實現對樣品漫反射光線數值孔徑為1的收集，并對由遠焦點反射回來的光線進行會聚對樣品進行數值孔徑為1的二次照明，通過增大物鏡數值孔徑提高系統軸向分辨力。特別對于大曲率凸表面樣品，照明光束在樣品表面發生大角度偏轉的情況下，與傳統透鏡顯微測量裝置不同，橢球反射鏡能對反射光線進行數值孔徑為1的收集，并匯聚于遠焦點處。

所述裝置具有相位共軛反射鏡，其作用是使入射光線以其相位共軛光波按原路返回，實現樣品的二次照明，使裝置具有大曲率凸表面測量能力。

本發明的良好效果在于：

1)采用相位共軛反射鏡與橢球反射鏡實現雙通照明，使裝置具有大曲率凸表面的探測能力。

2)相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置可以實現數值孔徑為1的二次照明與探測，有利于提高測量分辨力。

3)建立了不同于傳統共焦和雙通照明共焦系統的高階響應函數，有利于提高點掃描分辨力。

附圖說明

圖1是相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置結構示意圖。

圖2是相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置橢球反射鏡點擴散函數分析坐標定義圖。

圖3是相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置相位共軛反射鏡反射原理圖。