具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法

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1、http://www.paper.edu.cn1具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法*冯政德，赵维谦，邱丽荣哈尔滨工业大学自动化测试与控制系（150001）*E-mail:zwq669@126.com摘要：本文针对超精密三维微细结构工件测量时对高空间分辨力光触针测量传感器（LPS）的迫切需求，本文提出一种新的具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量方法（shapedannularbeamdifferentalconfocalmeasurementmethod-SABDCMM）。该SABDCMM通过整形环形光式共焦测量法（shapedannularbeamconfo

2、calmeasurementmethod-SABCMM）锐化LPS爱里斑主瓣，改善LPS横向分辨力，通过差动共焦测量法改善LPS的轴向分辨力，据此最终达到提高LPS空间分辨能力的目的。SABDCMM除了改善LPS的空间分辨力、线性和系统抗干扰能力外，还实现了共焦测量法的双极性绝对测量及量程范围的扩宽。理论分析和实验表明，SABDCMM中，环形光内孔归一化半径ε越大，横向分辨力改善的越明显，量程范围扩展的亦越宽，而随之降低的轴向分辨力则可通过优化针孔轴向偏移聚光镜焦点的光学归一化偏移量uM值来弥补和改善，当入射激光束波长λ=632.8nm，测量物镜数值孔径取NA=0.85，ε

3、=0.5，uM=6.95时，SABCMM的横向分辨力优于0.2μm，轴向分辨力优于2nm。SABDCMM为LPS空间分辨力的提高提供了一种新的方法，其除用于超精密三维微细结构工件的测量外，还可用于表面微观轮廓及微小尺度的超精密测量。关键词：超分辨共焦显微镜二元光学器件光触针1.引言近年来随着半导体技术向超大规模集成电路、毫米波及量子器件的发展，微细加工技术已进入深亚微米、纳米三维加工技术领域，迫切需要研究适应其发展要求的高空间分辨力的光触针类测量传感器(LPS)。但现有的基于临界角、像散法和共焦法等原理的LPS，其横向[1-5]分辨力与轴向分辨力极不匹配，轴向分辨力尽管已达

4、纳米量级，但是横向分辨力由于受衍射效应的限制仅达0.4μm左右。虽然LPS的横向分辨力可以通过增大测量物镜的数值孔径和减小入射光波的波长等传统方法来改善，但效果有限。事实上，横向分辨力难以提高是制约LPS空间分辨力提高的根本所在。共焦显微镜极易与超分辨光瞳滤技术相结合，实现光学超分辨测量这一显著优点，为改善LPS空间分辨力提供了一个有效的技术途径。目前，有关LPS空间分辨力的改善，主要集中在与共焦显微镜相配的超分辨光瞳滤波器技术的研究方面，并已报道了众多超分辨光瞳1本课题得到国家自然科学基金（No.50475035）、高等学校博士学科点专项科研基金（No.200502130

5、35）和新世纪人才支持计划（No.NCET-05-0348）资助。-1-http://www.paper.edu.cn[6-14]滤波器技术。为了提高共焦显微系统的横向或轴向分辨力，文献[8]设计了矩形光瞳滤波器，使共焦显微系统的横向直边响应锐化了2.36倍；文献[9]将光学系统低频部分的光束频移到高频段；文献[10]基于衍射光学技术设计了两区和多区纯相位光瞳滤波器；文献[11]设计了连续相位变化的超分辨光瞳滤波器；文献[12]设计了环形透射式滤波器。为实现三维超分辬，文献[13]设计了一种三区环形振幅型三维超分辨光瞳滤波器，使PSF不仅在横向进行压缩，而且在轴向还进行锐化

6、；文献[14]利用优化设计，将PSF的轴向HWHM和横向HWHM同时作为优化目标函数，设计了两种不同要求的三区位相型三维光瞳滤波器。但是三维超分辨光瞳滤波器，既要进行横向超分辨又要兼顾轴向超分辨，三维超分辨效果通常不是特别显著。本文融合整形环形光超分辨共焦检测法和差动共焦显微检测法各自的技术特点，提出一种新的高空间分辨力具有高空间分辨力的整形环形光式差动共焦测量法。该方法利用环形光超分辨技术最大程度地提高了横向分辨力，利用差动共焦技术提高轴向分辨力。由于差动共焦光路的布置，使基于该测量方法的高空间分辨力LPS可实现双极性绝对测量，这是已有的三维超分辨光瞳法共焦测量法无法比拟

7、的。2.整形环形光式共焦显微测量法整形环形光式共焦显微测量法（SABCMM）原理如图1所示：激光光束通过透镜1聚焦到针孔1成为点光源，扩束后的平行光束经二元光学器件（BOE）整形为超横向分辨所需的环形光束，该光束经偏振分光镜（PBS）反射，透过λ/4波片和显微物镜聚焦到被测物表面，被测物将该测量光束沿原路返回，再次经过λ/4波片并透过PBS，此透射光经聚光镜聚焦到针孔2附近，并由紧贴针孔2后的探测器接收。激光器透境1针孔1BOE物镜z针孔2y探测器1聚光镜PBS1/4波片样品图1整形环形光式共焦测量系统当物镜和聚光