CN102818522A - 相位共轭反射双通照明共焦显微装置 - Google Patents

Abstract

相位共轭反射双通照明共焦显微装置属于光学显微测量技术；在激光器直射光路上依次配置准直扩束器和分光镜，聚焦物镜和三维微位移载物台配置在分光镜反射光路上，收集物镜配置在分光镜透射光路上，传导光纤将收集物镜会聚光传导到光电探测器，在分光镜反射光路上还配置椭球反射镜，所述的椭球反射镜的近焦点位于放置在三维微位移载物台上的样品表面上，在椭球反射镜远焦点位置处配置相位共轭反射镜；本装置利用相位共轭反射镜反射光线作为入射光线的相位共轭光波沿原路返回的特点，配合椭球反射镜具有一对等晕成像共轭焦点的特点，对大曲率凸表面进行双通照明，使装置具有大曲率凸表面测量能力和高轴向分辨力的特性。

Description

相位共轭反射双通照明共焦显微装置

技术领域

本发明属于光学显微测量技术，主要涉及一种用于微结构光学元件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触测量装置。

背景技术

共焦点扫描测量是微光学、微机械、微电子领域中测量三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的重要技术手段之一，其基本思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生了轴向层析能力，但传统共焦技术一直受到传统透镜成像数值孔径小于1的原理局限。

双通照明共焦测量由C.J.R.Sheppard和T.Wilson于1980年提出(Sheppard，C.J.R.andWilson，T.(1980)′Multiple Traversing of the Object in the Scanning Microscope′，Journal of ModemOptics，27：5，611-624)，其基本思想是利用球面或平面反射镜将透射样品的透射照明光反射回去，对样品进行二次照明，使双通照明响应函数具有更高的分辨率。分析表明相对于传统共焦测量，双通照明共焦测量轴向分辨力能提高2～4倍，光斑旁瓣也得到更好的抑制。

已有双通照明共焦测量方法与Minsky提出的共焦测量方法的共性不足在于，对曲率较大的表面进行测量时，由于表面法方向变化导致反射测量光超出收集物镜的集光孔径，因此，***将无法实现大曲率表面的测量。与此同时，***分辨率也与收集物镜数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，轴向分辨力越高，而由于受到传统透镜成像数值孔径小于1的原理局限，二者都难以通过提高数值孔径来进一步提高轴向分辨率。

发明内容

本发明的目的就是针对上述已有共焦测量及双通照明共焦测量轴向分辨率受物镜数值孔径限制的不足，并进一步提高***对大曲率凸表面测量能力，研究设计了一种相位共轭反射双通照明共焦显微装置，利用相位共轭反射镜反射光线作为入射光线的相位共轭光波沿原路返回的特点，配合椭球反射镜具有一对等晕成像共轭焦点的特点对大曲率凸表面进行双通照明，达到实现大曲率凸表面样品的测量、同时椭球反射镜可实现对大曲率凸表面反射光线数值孔径为1的收集、使***具有大曲率凸表面测量能力和高轴向分辨力特性的目的。

本发明的目的是这样实现的：

相位共轭反射双通照明共焦显微装置包括：激光器、准直扩束器、分光镜、聚焦物镜、三维微位移载物台、收集物镜、传导光纤、光电探测器；其中在激光器直射光路上依次配置准直扩束器和分光镜，聚焦物镜和三维微位移载物台配置在分光镜反射光路上，收集物镜配置在分光镜透射光路上，传导光纤将收集物镜会聚光传导到光电探测器，在分光镜反射光路上还配置椭球反射镜，所述的椭球反射镜的近焦点位于放置在三维微位移载物台上样品表面上，在椭球反射镜远焦点处配置相位共轭反射镜。

所述装置具有椭球反射镜以及置于其远焦点处的相位共轭反射镜，其作用是由相位共轭反射镜将经椭球反射镜会聚的光沿原路返回，对大曲率凸表面样品进行二次照明。其独特光学特性改变传统椭球双通照明的光线轨迹，使装置适用于大曲率凸表面的测量。同时双通照明响应函数相对于传统共焦***响应函数具有更高的轴向分辨力，并实现数值孔径为1的二次照明。

所述装置具有椭球反射镜，其作用是利用其具有一对等晕成像共轭焦点，样品置于其近焦点，可以实现对样品漫反射光线数值孔径为1的收集，并对由远焦点反射回来的光线进行会聚对样品进行数值孔径为1的二次照明，通过增大物镜数值孔径提高***轴向分辨力。特别对于大曲率凸表面样品，照明光束在样品表面发生大角度偏转的情况下，与传统透镜显微测量装置不同，椭球反射镜能对反射光线进行数值孔径为1的收集，并汇聚于远焦点处。

所述装置具有相位共轭反射镜，其作用是使入射光线以其相位共轭光波按原路返回，实现样品的二次照明，使装置具有大曲率凸表面测量能力。

本发明的良好效果在于：

1)采用相位共轭反射镜与椭球反射镜实现双通照明，使装置具有大曲率凸表面的探测能力。

2)相位共轭反射双通照明共焦显微装置可以实现数值孔径为1的二次照明与探测，有利于提高测量分辨力。

3)建立了不同于传统共焦和双通照明共焦***的高阶响应函数，有利于提高点扫描分辨力。

附图说明

图1是相位共轭反射双通照明共焦显微装置结构示意图。

图2是相位共轭反射双通照明共焦显微装置椭球反射镜点扩散函数分析坐标定义图。

图3是相位共轭反射双通照明共焦显微装置相位共轭反射镜反射原理图。

图4是相位共轭反射双通照明共焦显微装置轴向响应曲线。

图5是相位共轭反射双通照明共焦显微装置横向响应曲线。

图中件号说明：1、激光器、2、准直扩束器、3、分光镜、4、聚焦物镜、5、三维微位移载物台、6、椭球反射镜、7、相位共轭反射镜、8、收集物镜、9、传导光纤、10、光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

相位共轭反射双通照明共焦显微装置包括：激光器1、准直扩束器2、分光镜3、聚焦物镜4、三维微位移载物台5、收集物镜8、传导光纤9、光电探测器10；其中在激光器1直射光路上依次配置准直扩束器2和分光镜3，聚焦物镜4和三维微位移载物台5配置在分光镜3反射光路上，收集物镜8配置在分光镜3透射光路上，传导光纤9将收集物镜8会聚光传导到光电探测器10，在分光镜3反射光路上还配置椭球反射镜6，所述的椭球反射镜6的近焦点位于放置在三维微位移载物台5上样品表面上，在椭球反射镜6远焦点处配置相位共轭反射镜7。

测量使用时：

第一、激光器1发出线偏振光束，经过准直扩束器2后成为近似理想平面波；经过分光镜3反射光纤由聚焦物镜4收集。

第二、测量光在大曲率凸表面样品表面发生大角度偏转；再经过椭球反射镜6，会聚于相位共轭反射镜7。

其中所述椭球反射镜6不同于传统透镜模型，则需要从光学衍射理论进行理论推导，如图2所示，对于椭球反射镜6，其几何表达式为z²/a²+y²/b²+x²/b²＝1时响应函数为

其中，

O表示坐标原点；

P₁表示相位共轭反射镜7所在的椭球远焦点，坐标为(x₁，y₁，z₁)；

P₂表示被测样品所在的椭球近焦点，坐标为(x₂，y₂，z₂)；

M表示P₁到P₂光线轨迹在椭球反射镜上的反射点；

n表示M点处的椭球面单位法向量；

r_P1M表示P₁点到M点的距离；

r_MP2表示M点到P₂点的距离；

U_P2表示P₂点处的光波函数；

U_M表示M点处的光波函数；

S₀表示椭球反射镜6所在的椭球；

S表示椭球反射镜6；

考虑一般情况，h_p1-p2表示p1到p2点得点扩展函数，化简得到

$h_{p1-p2}(\mathrm{0,0,0},x_2,y_2=0,z_2)=\underset{-b^2/a}{\overset{b^2/a}{\∫}}\underset{c}{\overset{c+z_{\mathrm{sol}}}{\∫}}\frac{\exp [-\mathrm{jk}(r_{P1M}+r_{\mathrm{MP}2})]}{r_{P1M}{r}_{\mathrm{MP}2}}\cos \left(\frac{\∠P_{1}M{P}_2}{2}\right)\mathrm{dxdz}---\left(2\right)$

式中积分域为所有光线反射点M构成的空间曲面。

第三、光束经过相位共轭反射镜7反射将沿原路返回，实现对样品的二次照明。其中所述相位共轭反射镜7的工作原理与普通平面镜不同，如图3所示

频率为ω_s的单色光波沿z轴方向入射到相位共轭反射镜7，其电场表示式为

$E_s(r,t)=E_s\left(r\right)e^{-j({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}z)}---\left(3\right)$

则它将以其在振幅、相位及偏振态三个方面互为时间反演的反向相位共轭波反射出去，其电场表达式为

${\·E}_p(r,t)=E_s^{*}\left(r\right)e^{-j({\mathrm{\ω}}_{s}t-k_{s}z)}---\left(4\right)$

其不同于平面反射镜，将按原路返回，如图3所示，对样品进行二次照明，因而该装置适用于大曲率凸表面的测量；同时双通照明响应函数相对于传统共焦***响应函数具有更高的轴向分辨率，并实现数值孔径为1的二次照明。

第四、再经过聚焦物镜4由分光镜3透射，经收集物镜8会聚，经过传导光纤9传输由光电探测器10接收。

第五、由光电探测器10接收到的响应信号对应图3、图4得到样品表面面形结果，图中曲线分别取聚焦物镜4数值孔径为0.1和0.65。

Claims (1)

1.一种相位共轭反射双通照明共焦显微装置，包括：激光器(1)、准直扩束器(2)、分光镜(3)、聚焦物镜(4)、三维微位移载物台(5)、收集物镜(8)、传导光纤(9)、光电探测器(10)；其中在激光器(1)直射光路上依次配置准直扩束器(2)和分光镜(3)，聚焦物镜(4)和三维微位移载物台(5)配置在分光镜(3)反射光路上，收集物镜(8)配置在分光镜(3)透射光路上，传导光纤(9)将收集物镜(8)会聚光传导到光电探测器(10)，其特征在于在分光镜(3)反射光路上还配置椭球反射镜(6)，所述的椭球反射镜(6)的近焦点位于放置在三维微位移载物台(5)上样品表面上，在椭球反射镜(6)远焦点处配置相位共轭反射镜(7)。

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