專利名稱：基于移相干涉的二次共焦測量方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密測量領(lǐng)域，是一種用于微結(jié)構(gòu)光學元件、微結(jié)構(gòu)機械元件、 集成電路元件中三維微細結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀測量的超 精密非接觸快速、大范圍掃描測量方法與裝置。
背景技術(shù)：
共焦點掃描測量是微光學、微機械、微電子領(lǐng)域中測量三維微細結(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。其基本思想由M. Minsky 于1957年提出，并于1961年獲得了美國專利，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?，該技術(shù)的不足之處在于，軸向響應信號 在測量面準焦區(qū)域附近測量靈敏度不高，因此只適用于離焦位移測量。此后，在 M. Minsky提出的共焦掃描成像技術(shù)基礎上衍生出光纖共焦顯微測量、差動共焦 掃描測量等方法與裝置多種類型的共焦測量原理。光纖共焦顯微鏡如實用新型專利(專利號99240337.5)等采用光纖作為探 測接收器，利用光纖的屬于波導元件的特點提高了測量信號的相干性，這類共焦 測量方法可以改善由于共焦系統(tǒng)中非理想點探測器尺寸對測量光相干性的影響 作用，有利于提高干涉條紋對比度，其位移量輸出對應測量光信號強度變化。差動共焦掃描測量包括具有高空間分辨成像能力的共焦干涉顯微鏡(公開號 CN1614457A)、具有高空間分辨力的整形環(huán)形光束式差動共焦傳感器(公開號 CN1529123A)、三差動共焦顯微成像方法與裝置(公開號CN1587898A)、三差動 共焦顯微三維超分辨成像方法(公開號CN1609590A)、三維超分辨共焦陣列掃描 顯微探測方法及裝置(公開號CN1632448A)、整形環(huán)形光三差動共焦顯微鏡(公 開號CN1588157A)、具有高空間分辨力的差動共焦掃描檢測方法(公開號 CN1527026A)等，差動共焦掃描測量技術(shù)克服了 Minsky提出的共焦方法只能進 行相對位置測量的不足，產(chǎn)生了跟蹤零點，并擴展了測量線性范圍。但是差動共焦掃描測量方法與Minsky提出的共焦測量方法的共同之處在于，二者都是基于 位移一強度變化關(guān)系的測量方法，這類測量方法存在易受測量光信號強度易受測 量表面反射率差異和測量工件傾斜和曲面輪廓變化影響的不足，這種影響直接導 致已經(jīng)標定的信號強度和位移輸出關(guān)系曲線變化，因此會帶來較大的測量誤差， 這種測量原理缺陷約束了共焦測量技術(shù)在表面反射率變化較大和曲面輪廓測量 中的應用。另外，共焦和差動共焦測量軸向分辨力與物鏡數(shù)值孔徑大小密切相關(guān)， 數(shù)值孔徑越大，軸向分辨力越高。但是，增大物鏡數(shù)值孔徑會使軸向響應范圍迅 速減小。共焦點掃描測量方法并不是測量三維微細結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝槽線寬、深度 及表面形狀的唯一方法，基于干涉和移項干涉的測量方法也是微結(jié)構(gòu)超精密測量 領(lǐng)域的重要技術(shù)途徑。干涉測量的本質(zhì)是將位移變化轉(zhuǎn)換成位相變化實現(xiàn)微結(jié)構(gòu) 和微位移測量，這類測量技術(shù)很好地解決了測量表面反射率和表面傾斜對測量結(jié) 果的影響問題，但是由于位相測量值求解具有周期性，因此這類測量方法不能直 接用于臺階高度測量，只能獲得相對位移變化，也不能直接用于絕對位移測量。本發(fā)明提供一種基于移相干涉的二次共焦測量方法與裝置，利用共焦點探測 器的軸向?qū)游鲎饔?，通過兩次移相干涉獲得兩種共焦狀態(tài)下的相位信息，從而實 現(xiàn)離焦位移的解析求解，本發(fā)明目的是克服傳統(tǒng)共焦測量技術(shù)易受測量表面反射 率差異、測量工件傾斜和曲面輪廓變化影響的不足，以及干涉測量存在位相求解 周期性，不能直接用于臺階測量的不足。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的在于提供一種適用于三維微細結(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快速、大范圍掃描測量方法與裝置。本發(fā)明所述裝置包括激光器(1)、準直聚焦物鏡(2)、第一針孔(3)、準直擴束物鏡(4)、偏振分光鏡(5)、四分之一波片(6)、分光鏡(7)、探測聚焦 物鏡(10)、收集物鏡(12)、第二針孔(13)、探測器(14);反射鏡(8)、第一 微驅(qū)動器(9)、第二微驅(qū)動器(11);其中，所述激光器(1)發(fā)出線偏振光束， 經(jīng)過準直聚焦物鏡(2)、第一針孔(3)、準直擴束物鏡(4)構(gòu)成的準直擴束鏡組后成為近似理想平面波；經(jīng)過偏振分光鏡(5)和四分之一波片(6)之后成為 圓偏振光束；經(jīng)過分光鏡(7)分為兩束光，第一束光由分光鏡(7)透射，經(jīng)過 反射鏡(8)反射，分光鏡(7)反射，經(jīng)收集物鏡會聚在由第二針孔(13)和探測器(14)組成的點探測器；第二束光由分光鏡(7)反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡(10)、分光鏡(7)會聚在測量表面上，經(jīng)過測量表面反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡 (10)、經(jīng)收集物鏡會聚在點探測器；第一微驅(qū)動器(9)用于驅(qū)動反射鏡(8)改變參考光和測量光的相位差，實現(xiàn)移相干涉；測量點初始位置為第一種共焦狀態(tài)。進一歩的，上述裝置具有由第二針孔13和探測器14組成的點探測器，其作 用是在測量光束與參考光束干涉中引入軸向?qū)游瞿芰Γ瑥亩褂奢S向離焦產(chǎn)生的 相位變化與離焦位移相關(guān)；進一步的，所述裝置具有第一、第二微驅(qū)動器9和11，第一微驅(qū)動器9的 作用是產(chǎn)生移相干涉參考光相位變化，第二微驅(qū)動器11的作用是產(chǎn)生相對于初 始測量共焦狀態(tài)而言的第二種共焦狀態(tài)，從而獲得離焦量求解的關(guān)聯(lián)方程，實現(xiàn) 離焦量求解計算。本發(fā)明還提供了一種基于移相干涉的二次共焦測量方法，該方法包括以下步驟在第一種共焦狀態(tài)下，計算測量光相對于參考光的相位； 在第二共焦狀態(tài)下，計算測量光相對于參考光的相位； 測量參考面復位；以及 第一共焦狀態(tài)測量點離焦位移求解。該方法進一步的是基于移相干涉的二次共焦測量方法對位移變化的測量輸 出是基于位移和兩次移相干涉相位轉(zhuǎn)換原理，而不是位移一強度轉(zhuǎn)換關(guān)系，因此 克服了傳統(tǒng)共焦測量技術(shù)易受測量表面反射率差異和測量工件傾斜和曲面輪廓 變化影響的不足，所述測量方法可以應用于測量表面反射率差異較大及曲面輪廓 的超精密非接觸測量，這一技術(shù)特征顯著區(qū)別于現(xiàn)有共焦測量技術(shù)；該方法進一步的是基于移相干涉的二次共焦測量方法利用共焦測量原理的軸向強度層析特性，建立了軸向強度變化與軸向位移相位變化的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而 獲得一個可直接求解離焦位移值的解析方程，獲得理論零點，實現(xiàn)了絕對位置測 量，這一技術(shù)特征顯著區(qū)別于現(xiàn)有共焦測量技術(shù)和干涉掃描測量技術(shù)；該方法進一步的是基于移相干涉的二次共焦測量方法通過離焦位移值的解 析方程求解，直接獲得離焦位移測量值，這一過程不存在位相測量的周期性問題， 因此不需要通過位相展開計算就可以得到大于測量光束半波長的離焦位移，移相 共焦測量方法可直接用于臺階輪廓測量，這一技術(shù)特征顯著區(qū)別于現(xiàn)有干涉掃描 測量技術(shù)。本發(fā)明創(chuàng)新性在于針對現(xiàn)有傳統(tǒng)共焦測量技術(shù)易受測量表面反射率差異、 測量工件傾斜和曲面輪廓變化影響的不足，以及干涉測量存在位相求解周期性， 不能直接用于臺階測量的不足，提出一種基于移相干涉的二次共焦測量方法與 裝置，利用共焦點探測器的軸向強度層析作用，通過兩次移相干涉獲得兩種離 焦狀態(tài)下的相位，建立軸向離焦位移與相位狀態(tài)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，獲得理論零點， 實現(xiàn)絕對離焦位移的直接求解。本發(fā)明的良好效果在于-1) 克服了傳統(tǒng)共焦測量技術(shù)易受測量表面反射率差異、測量工件傾斜和曲 面輪廓變化影響的不足，基于移相干涉的二次共焦測量方法與裝置可以 應用于測量表面反射率差異較大及曲面輪廓的超精密非接觸測量；2) 獲得一個可直接求解離焦位移值的解析方程，獲得理論零點，實現(xiàn)了絕 對位置測量；3) 直接獲得離焦位移測量值，這一過程不存在位相測量的周期性問題，因 此不需要通過位相展開計算就可以得到大于測量光束半波長的離焦位 移，可直接用于臺階輪廓測量；4) 與共焦、差動共焦測量方法相比，具有更大的量程范圍；5) 在焦面附近測量區(qū)域內(nèi)，不存在測量非線性問題。


圖l為所述基于移相干涉的二次共焦測量裝置示意圖。圖2為所述基于移相干涉的二次共焦測量方法理論分析坐標定義圖。圖3為所述基于移相干涉的二次共焦測量方法探測聚焦物鏡移動及復位 示意圖。圖4為所述基于移相干涉的二次共焦測量方法量程范圍說明。
具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的提供基于移相干涉的二次共焦測量裝置包括激光器 1;準直聚焦物鏡2;第一針孔3;準直擴束物鏡4;偏振分光鏡5;四分之一波 片6;分光鏡7;反射鏡8;第一微驅(qū)動器9;探測聚焦物鏡10;第二微驅(qū)動器 11;收集物鏡12;第二針孔13;探測器14。本發(fā)明具體實施步驟第一步，在第一種共焦狀態(tài)下，計算測量光相對于參考光的相位如圖1所示，所述激光器1發(fā)出線偏振光束，經(jīng)過準直聚焦物鏡2、第一針 孔3、準直擴束物鏡4構(gòu)成的準直擴束鏡組后成為近似理想平面波；經(jīng)過偏振分 光鏡5和四分之一波片6之后成為圓偏振光束；經(jīng)過分光鏡7分為兩束光，第一束光由分光鏡7透射，經(jīng)過反射鏡8反射，分光鏡7反射，經(jīng)收集物鏡會聚在由第二針孔13和探測器14組成的點探測器上，該光束稱為參考光；第二束光由分光鏡7反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡10、分光鏡7會聚在測量表面上，經(jīng)過測量表 面反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡10、經(jīng)收集物鏡會聚在點探測器上，該光束稱為測 量光；第一微驅(qū)動器9用于驅(qū)動反射鏡8改變參考光和測量光的相位差，實現(xiàn)移 相干涉；測量點初始位置為第一種共焦狀態(tài)。如附圖2所示，由光學衍射理論分析可知，在點掃描測量系統(tǒng)中，忽略測量 點尺寸和物體厚度影響，將探測聚焦物鏡光瞳和收集物鏡視為薄透鏡，則測量光 在第二針孔13和探測器14共同構(gòu)成的點探測器上振幅響應如下U (r2) = R (r,) H (S(r')) x fJ"p, (rp,) e鄧(-i" |rpl 「 / 2)^ xJ7p2(rp2)exp(-i"|rp2|2/2)drp2式中，w = A:Az》fl為探測聚焦物鏡和收集物鏡的通光孔徑的半徑； /為探測聚焦物鏡和收集物鏡焦距；A二2;r/;i為波數(shù)，；i為波長；r,二0^y,)，為物空間坐標系的位置矢量；r2=(x2,_y2)，為像空間(探測器空間)坐標系的位置矢量；rpl = Ocp,Jpl)，探測聚焦物鏡光瞳坐標系的位置矢量；rp2=( ,;v)，收集物鏡光瞳坐標系的位置矢量； R(r,)表示測量點振幅反射率函數(shù)；H(S(iO)表示測量光反射方向變化引起的探測器14上振幅響應變化函數(shù)； Az表示測量點相對于探測聚焦物鏡焦面的離焦位移，|&|為離焦量；P,(rpl)=l，表示探測聚焦物鏡光瞳函數(shù)； P2(rp2)=l，表示收集物鏡光瞳函數(shù)；i)為探測聚焦物鏡光瞳和收集物鏡光瞳所在平面的光程距離； r(r,，Az)，表示公式(1)中省略的光束傳播衍射系數(shù)。7\ ) = J'exp(械r,，Az)) (2)則，U(r2)-R(rjH(S(r,)).r(r',Az)xsinc2(w/4;r) (3)定義《為第一微驅(qū)動器9用于驅(qū)動反射鏡8改變參考光和測量光的相位差， /表示移相狀態(tài)序號，^為經(jīng)過反射鏡8和分光鏡7反射后，入射到收集物鏡的 參考光振幅。參考光在像平面上的振幅分布為UR (r2) = ^ exp(i.",)限定第二針孔13通光尺寸小于10微米，則測量光和參考光在探測器14上 的疊加為完全相關(guān)疊加。探測器14光強度響應如公式(4)。"(r2,m" ) = < + sinc4 (w" /4;r).R2 (r,)H2 (S(n)) - J'2,、 , 、 (4)+2 sin c2 (m" / 4;r) R (r,) H(S(r,)) - Vcos (a, + (r,, Az"))"表示掃描測量點序號。- ")表示第"個掃描測量點，在第一共焦狀態(tài) 下，測量光相對于參考光的相位。以四步移相法為例，利用第一微驅(qū)動器9驅(qū)動反射鏡8，分別給出《,=0， 2="/2， a3=;r， "4=3"/2的移相狀態(tài)。四步移相方法為已知技術(shù)。完成四步 移相之后，還應移相;r/2，實現(xiàn)參考鏡相位狀態(tài)復位。在四種移相狀態(tài)下，探測 器14的光強度響應分別如下I, = IB (r,) + IA (i;) sin c2 (w" / 4;r ) cos (^" (r!, Az"))J2 ^B(r》"A")sinc2(w"/4;r)sin(。13 =IB(r)_ /4;r)c。s(^"(rpAz"))14 = IB (r') + IA (r,) sin c2 (m" / 4;r) sin(r,, Az"))I。 I2、 I3、 14為第一種共焦狀態(tài)下，與四種移相狀態(tài)對應的探測器14的 強度輸出。求解公式(5)，得第n個掃描測量點，在第一共焦狀態(tài)下測量光相對 于參考光的相位^(r',Az")^g-'[(/4-/2)/(/廣/3)] (6)第二步，在第二共焦狀態(tài)下，計算測量光相對于參考光的相位利用第二微驅(qū)動器11驅(qū)動探測聚焦物鏡10，改變測量點相對于測量物鏡10 焦面的位置關(guān)系，產(chǎn)生第二種共焦狀態(tài)，如圖3所示。第二種共焦狀態(tài)下，第"個掃描測量點測量光相對于參考光的相位-"-,r,，Az"土s,， "±"表示操作者對 位移方向正方向的定義，取+或-不影響測量結(jié)果的值。重復公式(5)的移相干涉過程，并根據(jù)公式(6)得第二共焦狀態(tài)下，測量 光相對于參考光的相位(T,r,，Az"士,)的計算公式(7)<formula>formula see original document page 11</formula>,表示第二微驅(qū)動器11驅(qū)動探測聚焦物鏡10的位移移動量，限定<formula>formula see original document page 11</formula>^，/;/、，/、為第二種共焦狀態(tài)下，與四種移相狀態(tài)對應的探測器14的強 度輸出。第三步，測量參考面復位如圖3所示，探測聚焦物鏡的焦面是測量參考面，第二微驅(qū)動器ll驅(qū)動探 測聚焦物鏡10產(chǎn)生測量參考面移動，因此需要將測量參考面復位。復位狀態(tài)下， 第n個掃描測量點測量光相對于參考光的相位f1—re(rpAz"±,eT,)重復公式(5)的移相干涉過程，由公式(6)得公式(8)<formula>formula see original document page 11</formula> ( 8 )^表示第二微驅(qū)動器11驅(qū)動探測聚焦物鏡10的復位位移移動量，限定<formula>formula see original document page 11</formula>r',，/'、,/;/ 為復位狀態(tài)下，與四種移相狀態(tài)對應的探測器14的強度輸出；"±"表示操作者對位移方向正方向的定義。參考面復位誤差(9)第四步，第一共焦狀態(tài)測量點離焦位移求解 由方程組(6)和公式(7) (8)，得其中，<formula>formula see original document page 12</formula>通過求解方程(10)，得第"個測量點t/"，繼而得離焦位移Az"。根據(jù)sinc函 數(shù)屬性可知，當l"" 4;r，且l《卜4;r時，方程(10)解唯一。由于/^
，與圖4所示范圍1相對應；"±"符號取"一"時，解的區(qū)間為[-4;r +《,4;r)與圖4所示范圍2相對應。解的區(qū)間就是本發(fā)明所提出的測量方法的軸向響應理論量程范圍。以《=8， "=±0.15為例，曲線(1) (2)的交點和曲線(1) (3)的交點分別為0+， 0_，其橫坐標值分別對應方程 (10)的解""。解的符號表示離焦方向，與離焦正方向定義有關(guān)。第五步，修正二次共焦引入的復位誤差考慮到第n個測量點和第w + l個測量點參考平面的一致性問題，需要修正探 測聚焦物鏡10復位引入的復位誤差。利用公式(9)修正第四步Az"求解結(jié)果Az"-A^"-A 一i (12)
權(quán)利要求
1. 一種基于移相干涉的二次共焦測量裝置，其特征在于包括激光器(1)、準直聚焦物鏡(2)、第一針孔(3)、準直擴束物鏡(4)、偏振分光鏡(5)、四分之一波片(6)、分光鏡(7)、探測聚焦物鏡(10)、收集物鏡(12)、第二針孔(13)、探測器(14)；反射鏡(8)、第一微驅(qū)動器(9)、第二微驅(qū)動器(11)；其中，所述激光器(1)發(fā)出線偏振光束，經(jīng)過準直聚焦物鏡(2)、第一針孔(3)、準直擴束物鏡(4)構(gòu)成的準直擴束鏡組后成為近似理想平面波；經(jīng)過偏振分光鏡(5)和四分之一波片(6)之后成為圓偏振光束；經(jīng)過分光鏡(7)分為兩束光，第一束光由分光鏡(7)透射，經(jīng)過反射鏡(8)反射，分光鏡(7)反射，經(jīng)收集物鏡會聚在由第二針孔(13)和探測器(14)組成的點探測器；第二束光由分光鏡(7)反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡(10)、分光鏡(7)會聚在測量表面上，經(jīng)過測量表面反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡(10)、經(jīng)收集物鏡會聚在點探測器；第一微驅(qū)動器(9)用于驅(qū)動反射鏡(8)改變參考光和測量光的相位差，實現(xiàn)移相干涉；測量點初始位置為第一種共焦狀態(tài)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于移相干涉的二次共焦測量裝置，其特征在于第二針孔(13) 和探測器(14)組成的點探測器，用于在測量光束與參考光束干涉中引入軸向?qū)游瞿芰Γ?從而使由軸向離焦產(chǎn)生的相位變化與離焦位移相關(guān)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于移相干涉的二次共焦測量裝置，其特征在于第一微驅(qū) 動器(9)用于產(chǎn)生移相干涉參考光相位變化，第二微驅(qū)動器(11)用于產(chǎn)生相對于初始測 量離焦狀態(tài)而言的第二種離焦狀態(tài)，從而獲得離焦量求解的關(guān)聯(lián)方程，實現(xiàn)離焦量求解計 算。
4. 一種基于移相干涉的二次共焦測量方法，該方法包括以下步驟-在第一種共焦狀態(tài)下，計算測量光相對于參考光的相位； 在第二共焦狀態(tài)下，計算測量光相對于參考光的相位； 測量參考面復位；以及 第一共焦狀態(tài)測量點離焦位移求解。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于移相干涉的二次共焦測量方法，其特征在于移相共焦測量方法對位移變化的測量輸出是基于位移——兩次移相干涉相位轉(zhuǎn)換原理。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的基于移相干涉的二次共焦測量方法，其特征在于移相共焦 測量方法利用共焦測量原理的軸向強度層析特性，建立了軸向強度變化與軸向位移相位'變 化的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于移相干涉的二次共焦測量方法，其特征在于移相共焦測量 方法通過離焦位移值的解析方程求解，直接獲得離焦位移測量值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于移相干涉的二次共焦測量方法與裝置，在該裝置中，激光器發(fā)出線偏振光束，經(jīng)過準直擴束鏡組后成為近似理想平面波；經(jīng)過偏振分光鏡和四分之一波片之后成為圓偏振光束；經(jīng)過分光鏡分為兩束光，第一束光由分光鏡透射，經(jīng)過反射鏡反射，分光鏡反射，經(jīng)收集物鏡會聚在由第二針孔和探測器組成的點探測器；第二束光由分光鏡反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡、分光鏡會聚在測量表面上，經(jīng)過測量表面反射，經(jīng)過探測聚焦物鏡、經(jīng)收集物鏡會聚在點探測器；第一微驅(qū)動器用于驅(qū)動反射鏡改變參考光和測量光的相位差，實現(xiàn)移相干涉；測量點初始位置為第一種共焦狀態(tài)。本發(fā)明還公開了一種基于移相干涉的二次共焦測量方法。
文檔編號G01B11/22GK101275822SQ200810097210
公開日2008年10月1日 申請日期2008年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年5月6日
發(fā)明者儉 劉, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業(yè)大學