專利名稱：熒光反射鏡共軛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)，主要涉及一種用于微結(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，傳統(tǒng)雙通照明共焦測量軸向分辨力能提高2 4倍，光斑旁斑也得到更好的抑制。傳統(tǒng)雙通照明共焦測量方法存在的主要不足在于一次照明光和二次照明光的干涉擾動，降低信噪比，不利于軸向分辨率的提高。而傳統(tǒng)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還在于，系統(tǒng)分辨率與收集物鏡數(shù)值孔徑大小密切相關(guān)，數(shù)值孔徑越大，軸向分辨力越高，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)一步提高軸向分辨率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是針對上述傳統(tǒng)共焦測量和雙通照明共焦測量軸向分辨率受物鏡數(shù)值孔徑限制和雙通照明共焦測量存在的干涉擾動的不足，提供了一種熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置，利用熒光反射鏡的熒光特性使照明光產(chǎn)生頻移，避免了雙通照明中一次照明光和二次照明光發(fā)生光波混疊而產(chǎn)生干涉；同時采用單色濾光技術(shù)能有效濾除一次照明光干擾，提高信噪比；采用橢球共軛雙通照明，使響應(yīng)函數(shù)具有更高的軸向分辨率，同時橢球反射鏡可實現(xiàn)數(shù)值孔徑為I的收集與探測，通過提高數(shù)值孔徑來進(jìn)一步提高軸向分辨率。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的熒光反射鏡共軛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、窄帶濾波片、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，窄帶濾波片和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)焦點位置處配置熒光反射鏡。所述裝置具有熒光反射鏡，其作用是使入射光線產(chǎn)生頻移，對樣品進(jìn)行二次照明，同時與一次照明光束分離，與單色濾光技術(shù)相結(jié)合，避免一次照明反射光與二次照明反射光的干涉擾動。熒光反射鏡為具有表面熒光涂層或熒光液的反射鏡，其制作方法與現(xiàn)有熒光染色技術(shù)相同，視為已知技術(shù)，該反射鏡在超短激光照射下，能產(chǎn)生單光子或多光子激發(fā)，是照明光產(chǎn)生頻移。本發(fā)明的良好效果在于I)采用熒光反射鏡與窄帶濾波片，將雙通照明一次照明光和二次照明光通過頻率進(jìn)行分離，抑制雜散光，克服干涉擾動，提高信噪比。
2)克服了傳統(tǒng)共焦測量技術(shù)和傳統(tǒng)雙通照明共焦技術(shù)軸向分辨率受物鏡數(shù)值孔徑的限制的不足，熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置可以實現(xiàn)數(shù)值孔徑為I的二次照明與探測，通過提高數(shù)值孔徑提高分辨率。3)建立了不同于傳統(tǒng)共焦和傳統(tǒng)雙通照明共焦系統(tǒng)的高階響應(yīng)函數(shù)，有利于提高點掃描分辨率。


圖I是熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置橢球反射鏡點擴(kuò)散函數(shù)分析坐標(biāo)定義圖。圖3是熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置單光子激發(fā)軸向響應(yīng)曲線。圖4是熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置單光子激發(fā)橫向響應(yīng)曲線。圖5是熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置雙光子激發(fā)軸向響應(yīng)曲線。圖6是熒光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置雙光子激發(fā)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、熒光反射鏡、8、窄帶濾波片、9、收集物鏡、10、傳導(dǎo)光纖、11、光電探測器。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。熒光反射鏡共軛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、窄帶濾波片8、收集物鏡9、傳導(dǎo)光纖10、光電探測器11 ；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，窄帶濾波片8和收集物鏡9配置在分光鏡3透射光路上，傳導(dǎo)光纖10將收集物鏡9會聚光傳導(dǎo)到光電探測器11，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的近焦點位于放置在三維微位移載物臺5上的樣品表面上，在橢球反射鏡6遠(yuǎn)焦點位置處配置熒光反射鏡7。測量使用時第一、激光器I發(fā)出波長為\ x的線偏振光束，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分光后，反射光經(jīng)過聚焦物鏡4會聚在被測反射樣品表面；第二、反射光線再經(jīng)過橢球反射鏡6，會聚于其遠(yuǎn)焦點處的熒光反射鏡7 ;經(jīng)過熒光反射鏡7，出射波長為入2的光線，經(jīng)過橢球反射鏡6會聚，對樣品實現(xiàn)二次照明；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)為其中，0表示坐標(biāo)原點；P1表示熒光反射鏡I所在的橢球遠(yuǎn)焦點，坐標(biāo)為(X1, Y1, Z1)；
P2表示被測樣品所在的橢球近焦點,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；n表示M點處的橢球面單位法向量；rP1M表示P1點到M點的距離；rW2表示M點到P2點的距離；Up2表示P2點處的光波函數(shù)；Um表示M點處的光波函數(shù)；S0表不橢球反射鏡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點得點擴(kuò)展函數(shù)，化簡得到
;A 、bf C+C°' Qw\_~MrPXM + rMPl)] (^PxMpI L j _
\i-P2(0,0,0,x2,y2 =0’z2)= J J ----cos x-- dxdz (2)
-I31Ia CrPlMrMPlV 2 y其中所述熒光反射鏡7為具有表面熒光涂層或熒光液的反射鏡，其制作方法與現(xiàn)有熒光染色技術(shù)相同，視為已知技術(shù)，該反射鏡在超短激光照射下，能產(chǎn)生單光子或多光子激發(fā)，是照明光產(chǎn)生頻移。第三、再經(jīng)過聚焦物鏡4由分光鏡3分光，透射光經(jīng)過窄帶濾波片8，包括雜散光的入工波長光被吸收，只包含測量信息的、2波長光透過，經(jīng)收集物鏡9會聚，經(jīng)傳導(dǎo)光纖10傳輸由光電探測器11接收。第四、如圖3所示，最后通過雙通照明響應(yīng)函數(shù)表達(dá)式為Id(xs, zs) = |hL(xs，zs，X1) hp2_pl (xs，zs，X ) |2*(|hL(xs，zs，A2) |2 hpl_p2(0,0 ；
xs，zs，A2)|2) ⑶其中，Id表示探測面上的光強(qiáng)分布；hpl_p2表示P1點到P2點的點擴(kuò)展函數(shù)；hL表示聚焦物鏡4的點擴(kuò)展函數(shù)；A1為一次照明光波長；
A 2為二次照明光波長。如式(3)可見，構(gòu)建了不同于傳統(tǒng)共焦和雙通照明共焦系 統(tǒng)的高階響應(yīng)函數(shù)，有利于提高點掃描分辨率。圖3、圖4、圖5、圖6為其軸向和橫向響應(yīng)曲線，分別取聚焦物鏡4數(shù)值孔徑為0. I和0. 65。
權(quán)利要求
1.一種熒光反射鏡共軛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)、窄帶濾波片(8)、收集物鏡(9)、傳導(dǎo)光纖(10)、光電探測器(11);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，窄帶濾波片(8)和收集物鏡(9)配置在分光鏡(3)透射光路上，傳導(dǎo)光纖(10)將收集物鏡(9)會聚光傳導(dǎo)到光電探測器(11)，其特征在于在分光鏡(3)反射光路上還配置橢球反射鏡出)，所述的橢球反射鏡出)的近焦點位于放置在三維微位移載物臺(5)上的樣品表面上，在橢球反射鏡(6)遠(yuǎn)焦點位置處配置熒光反射鏡(7)。
全文摘要
熒光反射鏡共軛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，窄帶濾波片和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，橢球反射鏡的近焦點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)焦點位置處配置熒光反射鏡；本裝置避免了雙通照明中一次照明與二次照明光發(fā)生光波混疊而產(chǎn)生的干涉，信噪比和軸向分辨率高。
文檔編號G01B11/02GK102759331SQ201210244838
公開日2012年10月31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)