專利名稱：徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置屬于光學(xué)顯微鏡測量領(lǐng)域；主要涉及一種用于微結(jié)構(gòu)工業(yè)樣品中三維細(xì)微結(jié)構(gòu)表面形貌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)、微機械、微電子領(lǐng)域中測量三維精細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝漕線寬、深度及表面形狀的主要技術(shù)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(fù)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)透鏡照明和探測結(jié)構(gòu)的共焦點掃描測量系統(tǒng)，其橫向分辨率與物鏡的數(shù)值孔徑大小密切相關(guān)，數(shù)值孔徑越大，分辨率越高。對于這類采用傳統(tǒng)透鏡照明和探測結(jié)構(gòu)的共焦點掃描測量系統(tǒng)，透鏡組構(gòu)成的物鏡的會聚角理論極限為90°，然而苛刻的加工工藝和復(fù)雜的鏡組結(jié)構(gòu)使得實際商用干式物鏡的最大會聚角被限制在72° (對應(yīng)數(shù)值孔徑為0.95，折射率為I時)，所以采用傳統(tǒng)透鏡照明和探測結(jié)構(gòu)的共焦掃描系統(tǒng)很難通過增大數(shù)值孔徑來提高分辨率。此外，已知使用徑向偏振光照明，可以在焦點附近獲得軸偏振光。王海鳳等人于 2008 年在《Nature Photonics》上發(fā)表《Creation of a needle of longitudinallypolarized light in vacuum using binary optics》介紹了其在徑向偏振光照明條件下,利用二元光學(xué)器件濾波從而獲得軸向偏振光的方法。軸向偏振光在很多領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，比如粒子加速，生物顯微鏡中的熒光成像，二次諧波的產(chǎn)生以及光刻技術(shù)等。在不經(jīng)過濾波的情況下，利用 透鏡會聚得到的軸向偏振光的軸向偏振比例不高。在會聚角達(dá)到90°時(理想情況，實際上干式物鏡只能達(dá)到72°左右)，軸向電場能流密度最大值和徑向電場能流密度最大值之比max(￡_ )/max(￡；2)低于5。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明設(shè)計了一種徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，不僅可以提高橫向分辨率，而且可以提高焦點處軸向電場能流密度最大值max(￡ )和徑向電場能流密度最大值max(￡,2)之比。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，包括激光器，準(zhǔn)直擴束器，起偏器，徑向偏振光轉(zhuǎn)換器，分光鏡，大數(shù)值孔徑物鏡，橢球反射鏡，樣品，三維載物臺，稱合透鏡，光纖，光電倍增管；激光器發(fā)出的激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴束器，起偏器，徑向偏振光轉(zhuǎn)換器，分光鏡后，由大數(shù)值孔徑物鏡會聚到橢球反射鏡表面，再經(jīng)過橢球反射鏡和樣品的兩次反射后沿對稱路徑返回，再次經(jīng)過分光鏡時被反射，反射光束先經(jīng)耦合透鏡會聚，再經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆姳对龉苌铣上?；其中，樣品固定放置在三維載物臺上；大數(shù)值孔徑物鏡的焦點和橢球反射鏡的遠(yuǎn)焦點F1重合,橢球反射鏡的近焦點F2位于樣品的表面上；所述的橢球反射鏡為環(huán)帶結(jié)構(gòu)，相隔的兩個環(huán)帶反射率相同，相鄰的兩個環(huán)帶反射率分別為0和I。
上述徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，所述的橢球反射鏡的邊緣環(huán)帶反射率為I ;頂點環(huán)帶反射率為O。上述徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，所述的橢球反射鏡為四環(huán)帶結(jié)構(gòu)。從橢球反射鏡邊緣到頂點,環(huán)帶的反射率依次為1、0、1、0。從橢球反射鏡邊緣到頂點，第一環(huán)帶對橢球反射鏡近焦點F2的張角范圍為[7 31/8，31 ];第三環(huán)帶對橢球反射鏡近焦點F2的張角范圍為[5 31 /8, 3 31 /4]。由于本發(fā)明共 焦成像裝置中，橢球反射鏡為環(huán)帶結(jié)構(gòu)，相隔的兩個環(huán)帶反射率相同，相鄰的兩個環(huán)帶反射率分別為0和I ;這種環(huán)帶設(shè)計，可以實現(xiàn)對光束的濾波，不僅可以提高橫向分辨率，而且可以提高焦點處軸向電場能流密度最大值Dlax(K)和徑向電場能流密度最大值max(￡；2)之比。


圖1是徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是橢球反射鏡點擴散函數(shù)分析坐標(biāo)定義圖。圖3是橢球曲面光瞳濾波結(jié)構(gòu)沿z軸負(fù)方向在x2_y2面上的投影圖。圖4是橢球反射鏡近焦點F2附近徑向光強分布和艾里斑徑向光強分布對比圖。圖5是橢球反射鏡和傳統(tǒng)透鏡所對應(yīng)的聚焦光斑軸向電場能流密度最大值max(￡:)和徑向電場能流密度最大值max(杧)之比隨數(shù)值孔徑角變化趨勢圖。圖中:1激光器、2準(zhǔn)直擴束器、3起偏器、4徑向偏振光轉(zhuǎn)換器、5分光鏡、6大數(shù)值孔徑物鏡、7橢球反射鏡、8樣品、9三維載物臺、10稱合透鏡、11光纖、12光電倍增管。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明具體實施方式
作進一步詳細(xì)描述。本實施例的徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所不。該共焦顯微鏡包括激光器I，準(zhǔn)直擴束器2,分光鏡5,大數(shù)值孔徑物鏡6,橢球反射鏡7,樣品8,三維載物臺9, f禹合透鏡10,光纖11,光電倍增管12 ;激光器I發(fā)出的激光束先后經(jīng)過準(zhǔn)直擴束器2和分光鏡5后，由大數(shù)值孔徑物鏡6會聚到橢球反射鏡7表面，再經(jīng)過橢球反射鏡7和樣品8的兩次反射后沿對稱路徑返回，再次經(jīng)過分光鏡5時被反射，反射光束先經(jīng)耦合透鏡10會聚，再經(jīng)光纖11傳輸?shù)焦怆姳对龉?2上成像；其中，樣品8固定放置在三維載物臺9上；大數(shù)值孔徑物鏡6的焦點和橢球反射鏡7的遠(yuǎn)焦點F1重合，橢球反射鏡7的近焦點F2位于樣品8的表面上；所述的橢球反射鏡7為四環(huán)帶結(jié)構(gòu),從橢球邊緣到頂點，環(huán)帶的反射率依次為1、0、1、0 ;從橢球反射鏡7邊緣到頂點,第一環(huán)帶對橢球反射鏡7近焦點F2的張角范圍為[7 Jr/8，n ];第三環(huán)帶對橢球反射鏡7近焦點F2的張角范圍為[5 JI /8, 3 JI /4]。本實施例中，橢球反射鏡7的點擴散函數(shù)分析坐標(biāo)定義圖如圖2所示。徑向偏振光經(jīng)過大數(shù)值孔徑物鏡6會聚到橢球反射鏡7的一個焦點F1，然后被橢球反射鏡7反射、會聚到另一個焦點F2，在F2附近形成了徑向電場E, ( P s，zs)和軸向電場Ez ( P s，zs);其中，
J =5 31 /16, 21 =3 31 /8, |3|=7 3i/16o
Er(P s, Zs)表式為:
權(quán)利要求
1.徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，包括激光器(1)，準(zhǔn)直擴束器(2),起偏器(3),徑向偏振光轉(zhuǎn)換器(4),分光鏡(5),大數(shù)值孔徑物鏡(6),橢球反射鏡(7),樣品(8 )，三維載物臺(9 )，耦合透鏡(10 )，光纖(11)，光電倍增管(12);激光器(I)發(fā)出的激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴束器(2 )，起偏器(3 )，徑向偏振光轉(zhuǎn)換器(4 )，分光鏡(5 )后，由大數(shù)值孔徑物鏡(6)會聚到橢球反射鏡(7)表面，再經(jīng)過橢球反射鏡(7)和樣品(8)的兩次反射后沿對稱路徑返回，再次經(jīng)過分光鏡(5)時被反射，反射光束先經(jīng)耦合透鏡(10)會聚，再經(jīng)光纖(11)傳輸?shù)焦怆姳对龉?12)上成像；其中，樣品(8)固定放置在三維載物臺(9)上；大數(shù)值孔徑物鏡(6)的焦點和橢球反射鏡(7)的遠(yuǎn)焦點F1重合,橢球反射鏡(7)的近焦點F2位于樣品(8)的表面上；其特征在于所述的橢球反射鏡(7)為環(huán)帶結(jié)構(gòu)，相隔的兩個環(huán)帶反射率相同，相鄰的兩個環(huán)帶反射率分別為0和I。
2.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，其特征在于所述的橢球反射鏡(7)的邊緣環(huán)帶反射率為I ;頂點環(huán)帶反射率為O。
3.根據(jù)權(quán)利要求書I所述的徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，其特征在于所述的橢球反射鏡(7)為四環(huán)帶結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求書3所述的徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，其特征在于從橢球反射鏡(7)邊緣到頂點,環(huán)帶的反射率依次為1、0、1、0。
5.根據(jù)權(quán)利要求書4所述的徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置，其特征在于從橢球反射鏡(7)邊緣到頂點，第一環(huán)帶對橢球反射鏡(7)近焦點F2的張角范圍為[lnlr6,n];第三環(huán)帶對橢 球反射鏡(7)近焦點F2的張角范圍為[5v/8,3:7/4]。
全文摘要
徑向偏光照明橢球曲面光瞳振幅濾波共焦成像裝置屬于光學(xué)顯微鏡測量領(lǐng)域；該共焦成像裝置激光器發(fā)出的激光束依次經(jīng)過準(zhǔn)直擴束器，起偏器，徑向偏振光轉(zhuǎn)換器，分光鏡后，由大數(shù)值孔徑物鏡會聚到橢球反射鏡表面，再經(jīng)過橢球反射鏡和樣品的兩次反射后沿對稱路徑返回，再次經(jīng)過分光鏡時被反射，反射光束先經(jīng)耦合透鏡會聚，再經(jīng)光纖傳輸?shù)焦怆姳对龉苌铣上瘢凰龃髷?shù)值孔徑物鏡的焦點和橢球反射鏡的遠(yuǎn)焦點F1重合，橢球反射鏡的近焦點F2位于樣品的表面上；所述的橢球反射鏡為環(huán)帶結(jié)構(gòu)，相隔的兩個環(huán)帶反射率相同，相鄰的兩個環(huán)帶反射率分別為0和1；使用本發(fā)明，可以提高橫向分辨率以及提高焦點處軸向電場能流密度最大值和徑向電場能流密度最大值之比。
文檔編號G01B11/24GK103075974SQ20121054358
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月14日
發(fā)明者劉儉, 譚久彬, 張云龍 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 中國兵器工業(yè)第二〇五研究所