專利名稱：基于橢球反射照明共焦測量裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于光學顯微測量領域，主要涉及一種用于微結構工業(yè)樣品中三維微細結構表面形貌測量的超精密非接觸測量裝置。
背景技術：
共焦點掃描測量是微光學、微機械、微電子領域中測量三維微細結構、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀的重要技術手段之一。包括差動共焦曲率半徑測量方法與裝置(公開號CN101526341)、共焦顯微鏡及用其測量高度的方法(公開號CN1392962)、復色超分辨差動共焦測量方法與裝置(公開號CN101182992)等采用 傳統(tǒng)透鏡照明結構的共焦點掃描測量系統(tǒng)，其軸向分辨力及橫向分辨力與物鏡數(shù)值孔徑大小密切相關，數(shù)值孔徑越大，分辨力越高。但是由于衍射極限的存在，以往的基于透鏡結構的共焦掃描系統(tǒng)很難通過增大數(shù)值孔徑在探測分辨力的提高上取得突破。采用反射照明結構的共焦測量系統(tǒng)可以較好地解決這個問題，如已經(jīng)被提出一段時間并經(jīng)過發(fā)展的拋物面反射系統(tǒng)采用拋物面反射鏡反射平面探測光即可對置于其焦點上的待測物體進行大孔徑照明，但是為減小載物臺遮擋光源的遮擋比采用大孔徑反射鏡，在保證像差的基礎上制作直徑與其匹配的大口徑平面波照明光源難度很高。

發(fā)明內容
為克服已有技術存在的共焦測量方法的軸向分辨力及橫向分辨力受物鏡數(shù)值孔徑限制的不足，本發(fā)明提供了一種基于橢球反射照明共焦測量裝置，利用橢球反射鏡具有一對共軛焦點的特性，突破常規(guī)方案的探測光數(shù)值孔徑，實現(xiàn)大數(shù)值孔徑照明，使軸向分辨力和橫向分辨力大幅提聞。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種基于橢球反射照明共焦測量裝置包括激光器及依次配置在激光器直射光路上的準直擴束器、大數(shù)值孔徑聚焦物鏡、針孔、三維微位移載物臺、聚焦物鏡、探測針孔和探測器；在激光器直射光路上、位于聚焦物鏡與探測針孔之間配置橢球反射鏡，所述的橢球反射鏡的遠焦點和近焦點分別位于針孔上和放置在三維微位移載物臺上的樣品表面上。本發(fā)明以反射式共焦顯微鏡為基礎，利用橢球反射鏡從一個焦點發(fā)出的探測光經(jīng)橢球鏡反射必聚焦于另一個焦點的特性，大幅度增加了探測光的數(shù)值孔徑，提高了系統(tǒng)的軸向分辨力及橫向分辨力，同時容易為其匹配較為理想的光源。


圖I是基于橢球反射照明共焦測量裝置結構示意2是基于橢球反射照明共焦測量裝置橢球反射鏡點擴散函數(shù)分析坐標定義3是基于橢球反射照明共焦測量裝置的橫向響應曲線對比4是基于橢球反射照明共焦測量裝置的軸向響應曲線對比圖
圖中件號說明1、激光器、2、準直擴束器、3、大數(shù)值孔徑聚焦物鏡、4、針孔、5、三維微位移載物臺、6、橢球反射鏡、7、聚焦物鏡、8、探測針孔、9、探測器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明實施方式進行詳細描述。一種基于橢球反射照明共焦測量裝置包括激光器I及依次配置在激光器I直射光路上的準直擴束器2、大數(shù)值孔徑聚焦物鏡3、針孔4、三維微位移載物臺5、聚焦物鏡7、探測針孔8和探測器9 ;在激光器I直射光路上、位于聚焦物鏡7與探測針孔8之間配置橢球反射鏡6，所述的橢球反射鏡6的遠焦點位于針孔4位置，近焦點位于放置在三維微位移載物臺5上的樣品表面上。測量作業(yè)時
第一步，對被測樣品進行照明。如圖I所示，激光器I發(fā)射出平行探測光束，經(jīng)準直擴束器2擴束后成為理想平面波，經(jīng)過大數(shù)值孔徑聚焦物鏡3后聚焦至針孔4，通過后成為球面波經(jīng)過橢球反射鏡6反射聚焦于三維微位移載物臺5上的樣品表面實現(xiàn)大孔徑照明。如圖2所示，由于所述橢球反射鏡6不同于傳統(tǒng)透鏡模型，則需要從光學衍射理論進行理論推導，對于橢球反射鏡設橢球鏡的空間幾何方程為z2/a2+y2/b2+x2/b2 = I。其中a和b分別表示橢球鏡的長軸和短軸，c表示1/2焦距。P1和P2是橢球的兩個焦點，同時分別代表了探測系統(tǒng)中的照明點和被測點。在圖2中橢球鏡的實體部分S由實線繪制。在實際系統(tǒng)中S的頂部被設置為采集系統(tǒng)，所以橢球鏡實體相當于S中的一部分環(huán)形體。如圖IStl代表這個橢球體S代表橢球鏡，為了準確地了解系統(tǒng)整體的性能。我們采用格林公式來分析橢球鏡的聚焦特性并使用基爾霍夫衍射積分對其進行求解。其響應函數(shù)為
Ω I L rMPl 」L rMPl 」伽 J其中，O表示坐標原點；P1表示平面反射鏡8所在的橢球遠焦點，坐標為(Xl，Y1, Z1)；P1表示被測樣品所在的橢球近焦點,坐標為(x2, y2, ζ2)；M表示P1到P2光線軌跡在橢球反射鏡上的反射點；η表示M點處的橢球面單位法向量；rplM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表示橢球反射鏡7所在的橢球；S表不橢球反射鏡7 ；為了得到上式，我們認為P1, P2, M都位于封閉橢球體Stl中。邊界條件為在實體S中Um = O、BUfJdn=Oo Ω代表P1周邊的一個三維密閉空間。滿足下列條件
權利要求
1.一種基于橢球反射照明共焦測量裝置，包括激光器(I)及依次配置在激光器(I)直射光路上的準直擴束器(2)、大數(shù)值孔徑聚焦物鏡(3)、針孔(4)、三維微位移載物臺(5)、聚焦物鏡(7)、探測針孔(8)和探測器(9);其特征在于，在激光器(I)直射光路上、位于聚焦物鏡(7)與探測針孔(8)之間配置橢球反射鏡(6)，所述的橢球反射鏡(6)的遠焦點位于針孔(4)位置，近焦點位于放置在三維微位移載物臺(5)上的樣品表面位置。
全文摘要
基于橢球反射照明共焦測量裝置屬于光學顯微技術；在激光器直射光路上依次配置準直擴束器、大數(shù)值孔徑聚焦物鏡、針孔、三維微位移載物臺、聚焦物鏡、探測針孔和探測器，在激光器直射光路上、位于聚焦物鏡與探測針孔之間部位處配置橢球反射鏡，所述的橢球反射鏡的遠焦點位于針孔上，近焦點位于放置在三維微位移載物臺上的樣品表面上；本裝置克服了傳統(tǒng)共焦測量技術軸向分辨力受物鏡數(shù)值孔徑限制的不足，可以實現(xiàn)大數(shù)值孔徑的照明，從而大幅度提高了系統(tǒng)的橫向分辨力及軸向分辨力。
文檔編號G01B11/30GK102818521SQ20121024437
公開日2012年12月12日 申請日期2012年7月5日 優(yōu)先權日2012年7月5日
發(fā)明者劉儉, 譚久彬, 譚欣然 申請人:哈爾濱工業(yè)大學