專利名稱：相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)顯微測量技術(shù)，主要涉及ー種用于微結(jié)構(gòu)光學(xué)兀件、微結(jié)構(gòu)機(jī)械元件、集成電路元件中三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、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(shù)：
共焦點(diǎn)掃描測量是微光學(xué)、微機(jī)械、微電子領(lǐng)域中測量三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀的重要技術(shù)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(chǎn)生了軸向?qū)游瞿芰?，但傳統(tǒng)共焦技術(shù)一直受到傳統(tǒng)透鏡成像數(shù)值孔徑小于I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)1 Multiple Traversing of the Object in the ScanningMicroscope' , 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(jìn)行二次照明，使雙通照明響應(yīng)函數(shù)具有更高的分辨率。分析表明相對于傳統(tǒng)共焦測量，雙通照明共焦測量軸向分辨カ能提高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(jìn)行測量時，由于表面法方向變化導(dǎo)致反射測量光超出收集物鏡的集光孔徑，因此，系統(tǒng)將無法實(shí)現(xiàn)大曲率表面的測量。與此同時，系統(tǒng)分辨率也與收集物鏡數(shù)值孔徑大小密切相關(guān)，數(shù)值孔徑越大，軸向分辨カ越高，而由于受到傳統(tǒng)透鏡成像數(shù)值孔徑小于I的原理局限，二者都難以通過提高數(shù)值孔徑來進(jìn)ー步提高軸向分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)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(shù)值孔徑限制的不足，并進(jìn)ー步提高系統(tǒng)對大曲率凸表面測量能力，研究設(shè)計了ー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(diǎn)，配合橢球反射鏡具有一對等暈成像共軛焦點(diǎn)的特點(diǎn)對大曲率凸表面進(jìn)行雙通照明，達(dá)到實(shí)現(xiàn)大曲率凸表面樣品的測量、同時橢球反射鏡可實(shí)現(xiàn)對大曲率凸表面反射光線數(shù)值孔徑為I的收集、使系統(tǒng)具有大曲率凸表面測量能力和高軸向分辨カ特性的目的。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置包括激光器、準(zhǔn)直擴(kuò)束器、分光鏡、聚焦物鏡、三維微位移載物臺、收集物鏡、傳導(dǎo)光纖、光電探測器；其中在激光器直射光路上依次配置準(zhǔn)直擴(kuò)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(dǎo)光纖將收集物鏡會聚光傳導(dǎo)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(diǎn)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(yuǎn)焦點(diǎn)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(yuǎn)焦點(diǎn)處的相位共軛反射鏡，其作用是由相位共軛反射鏡將經(jīng)橢球反射鏡會聚的光沿原路返回，對大曲率凸表面樣品進(jìn)行二次照明。其獨(dú)特光學(xué)特性改變傳統(tǒng)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(yīng)函數(shù)相對于傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)具有更高的軸向分辨力，并實(shí)現(xiàn)數(shù)值孔徑為I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(diǎn)，樣品置于其近焦點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對樣品漫反射光線數(shù)值孔徑為I的收集，并對由遠(yuǎn)焦點(diǎn)反射回來的光線進(jìn)行會聚對樣品進(jìn)行數(shù)值孔徑為I的二次照明，通過增大物鏡數(shù)值孔徑提高系統(tǒng)軸向分辨カ。特別對于大曲率凸表面樣品，照明光束在樣品表面發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)的情況下，與傳統(tǒng)透鏡顯微測量裝置不同，橢球反射鏡能對反射光線進(jìn)行數(shù)值孔徑為I的收集，并匯聚于遠(yuǎn)焦點(diǎn)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(shí)現(xiàn)樣品的二次照明，使裝置具有大曲率凸表面測量能力。本發(fā)明的良好效果在于I)采用相位共軛反射鏡與橢球反射鏡實(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)數(shù)值孔徑為I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(tǒng)共焦和雙通照明共焦系統(tǒng)的高階響應(yīng)函數(shù)，有利于提高點(diǎn)掃描分辨カ。


圖I是相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置結(jié)構(gòu)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(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)分析坐標(biāo)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。圖4是相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置軸向響應(yīng)曲線。圖5是相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置橫向響應(yīng)曲線。圖中件號說明1、激光器、2、準(zhǔn)直擴(kuò)束器、3、分光鏡、4、聚焦物鏡、5、三維微位移載物臺、6、橢球反射鏡、7、相位共軛反射鏡、8、收集物鏡、9、傳導(dǎo)光纖、10、光電探測器。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置包括激光器I、準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、分光鏡3、聚焦物鏡4、三維微位移載物臺5、收集物鏡8、傳導(dǎo)光纖9、光電探測器10 ;其中在激光器I直射光路上依次配置準(zhǔn)直擴(kuò)束器2和分光鏡3，聚焦物鏡4和三維微位移載物臺5配置在分光鏡3反射光路上，收集物鏡8配置在分光鏡3透射光路上，傳導(dǎo)光纖9將收集物鏡8會聚光傳導(dǎo)到光電探測器10,在分光鏡3反射光路上還配置橢球反射鏡6,所述的橢球反射鏡6的近焦點(diǎn)位于放置在三維微位移載物臺5上樣品表面上，在橢球反射鏡6遠(yuǎn)焦點(diǎn)處配置相位共軛反射鏡7。測量使用時第一、激光器I發(fā)出線偏振光束，經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束器2后成為近似理想平面波；經(jīng)過分光鏡3反射光纖由聚焦物鏡4收集。第二、測量光在大曲率凸表面樣品表面發(fā)生大角度偏轉(zhuǎn)；再經(jīng)過橢球反射鏡6，會聚于相位共軛反射鏡7。其中所述橢球反射鏡6不同于傳統(tǒng)透鏡模型，則需要從光學(xué)衍射理論進(jìn)行理論推導(dǎo)，如圖2所示，對于橢球反射鏡6，其幾何表達(dá)式為z2/a2+y2/b2+x2/b2 = I時響應(yīng)函數(shù)為
(W2，ろ)=忐_卜冬⑴其中，O表示坐標(biāo)原點(diǎn)；P1表示相位共軛反射鏡7所在的橢球遠(yuǎn)焦點(diǎn)，坐標(biāo)為(Xl，Y1, Z1)；P2表示被測樣品所在的橢球近焦點(diǎn),坐標(biāo)為(x2,y2,z2)；M表示P1到P2光線軌跡在橢球反射鏡上的反射點(diǎn)；η表示M點(diǎn)處的橢球面單位法向量；rP1M表示P1點(diǎn)到M點(diǎn)的距離；rW2表示M點(diǎn)到P2點(diǎn)的距離；Up2表示P2點(diǎn)處的光波函數(shù)；Um表示M點(diǎn)處的光波函數(shù)；S0表示橢球反射鏡6所在的橢球；S表不橢球反射鏡6 ；考慮一般情況，hpl_p2表示pi到p2點(diǎn)得點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)，化簡得到
7 ,ΛΛΛ Λ、則(cT exp[-ノ％爾 + rMP2)] (ZPxMP2 J _\l-p2(0，0,0,X2，^2=0,Z2)=----cos ~~dxdz (2)
J/a jCrPXMrMPlV 2 ノ式中積分域?yàn)樗泄饩€反射點(diǎn)M構(gòu)成的空間曲面。第三、光束經(jīng)過相位共軛反射鏡7反射將沿原路返回，實(shí)現(xiàn)對樣品的二次照明。其中所述相位共軛反射鏡7的工作原理與普通平面鏡不同，如圖3所示頻率為的単色光波沿z軸方向入射到相位共軛反射鏡7，其電場表示式為Es(r,t)^Es(r) e<COJ~ksZ)(3)則它將以其在振幅、相位及偏振態(tài)三個方面互為時間反演的反向相位共軛波反射出去，其電場表達(dá)式為-Ep (r,t) = E*s [r)e~i{coJ+ksZ)(4)其不同于平面反射鏡，將按原路返回，如圖3所示，對樣品進(jìn)行二次照明，因而該裝置適用于大曲率凸表面的測量；同時雙通照明響應(yīng)函數(shù)相對于傳統(tǒng)共焦系統(tǒng)響應(yīng)函數(shù)具有更高的軸向分辨率，并實(shí)現(xiàn)數(shù)值孔徑為I的二次照明。第四、再經(jīng)過聚焦物鏡4由分光鏡3透射，經(jīng)收集物鏡8會聚，經(jīng)過傳導(dǎo)光纖9傳輸由光電探測器10接收。 第五、由光電探測器10接收到的響應(yīng)信號對應(yīng)圖3、圖4得到樣品表面面形結(jié)果，圖中曲線分別取聚焦物鏡4數(shù)值孔徑為O. I和O. 65。
權(quán)利要求
1.一種相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置，包括激光器(I)、準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、分光鏡(3)、聚焦物鏡(4)、三維微位移載物臺(5)、收集物鏡(8)、傳導(dǎo)光纖(9)、光電探測器(10);其中在激光器(I)直射光路上依次配置準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)和分光鏡(3)，聚焦物鏡(4)和三維微位移載物臺(5)配置在分光鏡(3)反射光路上，收集物鏡(8)配置在分光鏡(3)透射光路上，傳導(dǎo)光纖(9)將收集物鏡(8)會聚光傳導(dǎo)到光電探測器(10)，其特征在于在分光鏡(3)反射光路上還配置橢球反射鏡(6)，所述的橢球反射鏡(6)的近焦點(diǎn)位于放置在三維微位移載物臺(5)上樣品表面上，在橢球反射鏡(6)遠(yuǎn)焦點(diǎn)處配置相位共軛反射鏡(7)。
全文摘要
相位共軛反射雙通照明共焦顯微裝置屬于光學(xué)顯微測量技術(shù)；在激光器直射光路上依次配置準(zhǔn)直擴(kuò)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(dǎo)光纖將收集物鏡會聚光傳導(dǎo)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(diǎn)位于放置在三維微位移載物臺上的樣品表面上，在橢球反射鏡遠(yuǎn)焦點(diǎn)位置處配置相位共軛反射鏡；本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(diǎn)，配合橢球反射鏡具有一對等暈成像共軛焦點(diǎn)的特點(diǎn)，對大曲率凸表面進(jìn)行雙通照明，使裝置具有大曲率凸表面測量能力和高軸向分辨力的特性。
文檔編號G01B11/22GK102818522SQ20121024482
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月5日
發(fā)明者劉儉, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)