[发明专利]长焦深超分辨二次共焦测量装置

说明书

技术领域

本发明属于高分辨力光学显微测量技术领域，可应用于三维微细结构测量、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触快速、大范围扫描测量。

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，该技术不足之处在于，轴向响应信号在测量面准焦区域附近测量灵敏度不高，因此只适用于离焦位移测量。差动共焦扫描测量方法是在传统共焦技术基础上，通过远离焦和近离焦的探测信号差动运算获得跟踪零点和双极性跟踪特性，并且使探测灵敏度和线性范围扩展1倍。但是，共焦及差动共焦等系统存在如下亟待解决的问题：一是由于位移传感原理基于位移—强度的变化关系，因此易受光强波动、背景光干扰等因素的影响，以及被测表面反射率差异、被测工件倾斜和曲面轮廓变化的影响，引入较大测量误差，制约了共焦测量技术在表面反射率变化较大和曲面轮廓测量中的应用。

基于移相干涉的二次共焦测量能够克服共焦及差动共焦等系统的上述不足。但是，基于移相干涉的二次共焦测量的横向分辨力受爱里斑尺寸限制，轴向响应范围也不超过爱里斑轴向焦深范围。

对以基于强度—位移转换原理的光学共焦显微探测系统而言，衍射光斑横向主瓣尺寸增大、轴向焦深扩展意味着分辨力降低；反之，横向主瓣尺寸减小，轴向焦深缩小意味着分辨力提高，因此改变衍射光斑的衍射模式成为提高测量系统分辨力的重要途径之一。近年来，随着衍射光学元件制作工艺技术发展，超分辨光瞳滤波技术开始广泛用于共焦等显微探测系统，用以提高测量分辨力。超分辨光瞳滤波技术提高显微测量系统分辨力的基本原理是通过调制光瞳函数的振幅透过率分布、相位分布或复振幅分布压缩衍射光斑的横向、轴向衍射模式，减小衍射光斑横向和轴向尺寸，从而提高系统分辨力。

本发明以基于移相干涉的二次共焦测量技术为基础，利用二次共焦测量轴向分辨力与移相精度有关，而与轴向焦深无关的特性，提出具有横向超分辨、轴向长焦深特性的长焦深超分辨二次共焦测量方法与装置。

发明内容

本发明目的是以基于移相干涉的二次共焦测量技术为基础，利用二次共焦测量轴向分辨力与移相精度有关，而与轴向焦深范围无关的特性，通过光瞳滤波在对衍射光斑横向模式进行压缩的同时，使其轴向衍射模式得到扩展，从而在不牺牲轴向分辨力的情况下，提高横向分辨力、扩展轴向量程范围，为三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量提供一种高分辨力、大量程的非接触测量装置。

一种长焦深超分辨二次共焦测量装置，其特征在于：包括设置于同一光路上的：

激光器、用于发出线偏振光束；

准直扩束镜组，包括准直聚焦物镜、第一针孔和准直扩束物镜，用于将所述偏振光束转化成为近似理想平面波；

偏振分光镜和四分之一波片，用于将近似理想平面波转换成为圆偏振光束；

超分辨滤波器，用于将圆偏振光束转换成为载有该超分辨滤波器的振幅调制信息的调制光束，所述超分辨滤波器是中心遮挡的纯振幅型超分辨滤波器，该纯振幅型超分辨滤波器被配置为，改变其中心遮挡区域的归一化半径，将入射的圆偏振光束调制为超分辨所需的环形结构光；

可调光阑，用于拦截超分辨滤波器产生的杂散光，并令调制光束通过；以及

分光镜，用于将所述调制光束分为两束光，第一束光由分光镜透射，经过一个反射镜反射，再经分光镜反射，最后经收集物镜会聚在由一个第二针孔和一个探测器组成的点探测器上；第二束光由分光镜反射，再经过一个探测聚焦物镜会聚在一个测量表面上，经过测量表面反射，经过探测聚焦物镜、分光镜，收集物镜会聚在所述点探测器上；所述探测聚焦物镜设置于一个微驱动装置上，能够沿光路方向临近或远离所述测量表面；

还包括

一个数据处理装置，其能够从所述点探测器获得并记录微驱动装置带动探测聚焦物镜处于不同位置时探测器探测到的光信号；并能够根据四步移相法将所述探测器的多个光信号分别转化为多个第一光束相对于第二光束的相位值。

本发明创新性在于：针对基于移相干涉的二次共焦测量横向分辨力和轴向量程范围受爱里斑尺寸限制的不足，利用二次共焦测量轴向分辨力与移相精度有关，而与轴向焦深无关的特性，通过光瞳滤波对测量光斑横向衍射模式进行压缩的同时，使其轴向衍射模式得到扩展，从而在不牺牲轴向分辨力的情况下，提高横向分辨力、扩展轴向量程范围。

附图说明

图1为所述长焦深超分辨二次共焦测量装置示意图。

图2为所述长焦深超分辨二次共焦测量方法探测聚焦物镜移动及复位示意图。