专利名称：复色超分辨差动共焦测量方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于超精密测量领域，是一种用于微结构光学元件、微结构机械元 件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测 量的超精密非接触测量方法与装置。
背景技术：
共焦点扫描测量技术是微光学、微机械、微电子领域中测量三维微细结构、 微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的重要技术手段之一。其基本思想由
M. Minsky于1957年提出，并于1961年获得了美国专利，其基本技术思想是 通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生了轴向层析能力，该技术的不足之处 在于，轴向响应信号在测量面准焦区域附近测量灵敏度不高，因此只适用于离 焦位移测量。此后，在M. Minsky提出的共焦扫描成像技术基础上衍生出双光 子荧光显微技术、单光子荧光显微技术、4PI荧光共焦显微技术、激光干涉共 焦显微技术、e共焦显微技术、彩色共焦、差动共焦扫描测量技术等多种类型 的共焦测量技术。
双光子荧光显微技术、单光子荧光显微技术和4PI荧光共焦显微技术基本 技术特征是利用照明光束作用，样品吸收一个入射光子，产生荧光辐射，实现 三维成像，此类技术适用于具有荧光特性的物质；激光干涉共焦显微技术是利 用双频激光技术和共焦扫描测量技术相结合，采用相位测量技术实现长度测
量，此类技术对激光频率稳定性要求很高，而且测量范围相对较小；e共焦显
微技术是一种基于扫描测量原理的测量技术，可以提高测量效率，但是测量精
度相对较低；彩色共焦测量方法采用宽光谱非相干光进行照明，采用传统共焦 结构，通过分析探测信号光谱变化实现位移测量，该方法与传统共焦技术相比 提高了测量范围，并提高了测量表面的倾斜允限，但是测量速度相对较低，而 且响应信号强度较弱，不利于进一步提高信号噪声比；差动共焦扫描测量技术 及三差动共焦测量技术，通过对探测器等距离离焦，并对探测光强信号做减法 运算，获得双极性跟踪特性，使测量范围和轴向测量分辨力得到提高；超分辨 共焦扫描测量技术及超分辨差动共焦扫描测量技术通过光瞳滤波提高了轴向 和径向分辨力，但是差动及超分辨差动扫描测量技术的线性范围一般只有5— 10pm，相对较小的线性范围制约了该技术的应用范畴。
差动及超分辨差动共焦探测为已公开技术，因此本发明将差动共焦探测和 超分辨技术视为已知技术。
一种典型的超分辨差动共焦检测系统，如图1所示，包括激光器l，所述
激光器1发光波长为^，针孔3、 8、 10,所述针孔3、 8、 IO具有相同通光口 径，其中针孔3用于生成理想点光源，针孔8、 10与光电探测器12、 11 一一
对应构成点探测器，探测测量表面离焦产生的强度变化信号，光电探测器11 置于远焦平面处，光电探测器12置于近焦平面处；还包括准直物镜4用于准 直针孔3生成的理想点光源；偏振分光镜5与四分之一波片13相结合，用于 分离激光器发出光束与测量表面反射的测量光束；超分辨滤波器31用于进行 横向、轴向或三维超分辨，以提高横向分辨力和轴向分辨力；部分色差校正物
镜15用于聚焦测量光束；分光镜6用于等强度分离由测量表面反射的测量光 束，以形成差动探测；探测聚焦物镜7、 9用于聚焦测量光束，以形成测量点 的共轭像。
附图2为上述系统的一种典型波长响应曲线，如图所示，其线性测量区间 为AX，测量原点为Ol，即当测量面位置由」运动到位置X时，可以有效地进 行差动或超分辨差动共焦测量，然而，在这种系统中，通过使用大数值孔径聚 焦物镜而获得的高轴向测量分辨力与轴向测量范围扩展是矛盾的，即轴向分辨 力越高，其线性测量范围越小，这种相对狭小的线性测量范围是制约现有差动 及超分辨差动共焦测量技术得到更广泛应用的主要障碍之一。
发明内容
本发明目的在于提供一种适用于三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深 度及表面形状测量的超精密非接触测量方法与装置。
为克服现有差动及超分辨差动共焦测量方法线性测量范围小的不足，本发 明提供了一种复色超分辨差动共焦测量装置，在不牺牲轴向分辨力，保留已公 幵的差动及超分辨差动扫描测量技术横向、轴向分辨力高，具有双极性跟踪特 性，能抑制共模干扰的技术优点前提下，进一步扩展线性测量范围。
按照本发明，所述复色超分辨差动共焦测量装置包括
第一超分辨差动共焦测量装置，用于输出具有第一波长的第一测量相干光 束，以及接收具有第一波长的第一反射光束，并根据所接收的具有第一波长的
第一反射光束产生第一近离焦探测器输出和第一远离焦探测器输出；
第二超分辨差动共焦测量装置，用于输出具有第二波长的第二测量相干光 束，以及接收具有第二波长的第二反射光束，并根据所接收的具有第二波长的
第二反射光束产生第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出；
二向色镜，所述第一测量相干光束和第二测量相干光束分别入射至该二向
色镜，该二向色镜用以汇合第一测量相干光束和第二测量相干光束，以及将从
部分色差校正物镜透射回的光束分离为具有第一波长的第一反射光束和具有
第二波长的第二反射光束；
部分色差校正物镜，设置于二向色镜与被测物之间，用以将第一测量相干
光束和第二测量相干光束汇合后的光束分别聚焦于远离部分色差校正物镜的
第一焦平面和临近部分色差校正物镜的第二焦平面，其中，第一焦平面为第一
测量相干光束的聚焦平面，第二焦平面为第二测量相干光束的聚焦平面，且保 证第一焦平面与第二焦平面的位置差不大于第一超分辨差动共焦测量装置的
线性测量区一半与第二超分辨差动共焦测量装置线性测量区一半之和；部分色 差校正物镜还用以将位于第一焦平面和第二焦平面之间的被测物反射的光透 射至二向色镜； 以及，
计算机装置，读取并记录第一近离焦探测器输出、第一远离焦探测器输出、 第二近离焦探测器输出和第二远离焦探测器输出，并分别根据第一近离焦探测 器输出与第一远离焦探测器输出之差生成第一轴向测量响应曲线，以及根据第 二远离焦探测器输出和第二近离焦探测器输出之差生成第二轴向测量响应曲 线。本发明的另一个目的在于提供一种基于上述复色超分辨差动共焦测量装 置的测量方法，该方法包括以下步骤首先，参照第一轴向测量响应曲线，当 检测到第一近离焦探测器输出与第一远离焦探测器输出之差等于第二远离焦 探测器输出和第二近离焦探测器输出之差时，参照第二轴向测量响应曲线。
本发明的有益效果在于融合基于单光束测量的差动及超分辨差动共焦 探测技术方法，引入复色相干光束，利用不同波长光束聚焦产生理想聚焦面平 移的色散特性，形成两个部分重叠的线性测量区域，获得了两个具有双极性跟 踪特性的线性测量区，不但量程范围扩展近一倍，而且实现测量区交替跟踪测 量；通过多超分辨滤波器的独立调制，可以根据应用需要，分别在两个线性测 量区内获得一致或不一致的横向、轴向扫描特性，在保留差动及超分辨差动共 焦测量技术优点的情况下，使测量装置线性范围得到显著扩展。不一致的横向、 轴向扫描特性应用价值在于分别获得横向最优特性和轴向最优特性。此外，还 继承了现有的差动及超分辨差动共焦探测装置的特性，即抑制共模噪声，有益 于提高信号噪声比。
图1为现有技术中的一种典型的超分辨差动共焦检测系统的原理示意图。
图2为图1中的超分辨差动共焦检测系统的轴向光强探测信号曲线图。 图3为本依照发明的一种具体实施方式
的复色超分辨差动共焦测量装置 原理示意图。
图4为图3中的复色差动共焦测量装置的轴向光强探测信号曲线图。
具体实施例方式
参照图3，本发明的第一种具体实施方式
中提供的复色超分辨差动共焦测 量装置包括第一超分辨差动共焦测量装置100，第一超分辨差动共焦测量装置
100包括第一激光器1、第一激光器发出第一波长4的光，所述第一波长的光 通过第一准直聚焦物镜2、第一针孔3以及第一准直聚焦物镜4准直，再通过 第一偏振分光镜5分为两束偏振光，其中一束偏振光通过第一分光镜6分光后 一束通过第一探测聚焦物镜7以及第二针孔8后由位于近离焦平面处的第一光 电探测器12接收，另一束通过第二探测聚焦物镜9以及第三针孔10后由位于 远离焦平面处的第二光电探测器11接收，另一束偏振光通过第一四分之一波 片13和第一超分辨滤波器31以45度角入射至二向色镜14。
对于第一超分辨差动共焦测量装置100，所述第一激光器发出波长为A的 线偏振光；所述第一针孔、第二针孔、第三针孔最好具有相同通光口径，其中 第一针孔用于生成理想点光源，第二针孔、第三针 L、分别与第一光电探测器、 第二光g探测器、 一一对应构成点探测器，探测被测物离焦产生的强度变化信 号，第二光电探测器置于远焦平面处，第一光电探测器置于近焦平面处；第一 准直物镜用于与第一针孔生成理想点光源；第一偏振分光镜与第一四分之一波 片相结合，用于分离激光器发出光束与测量表面反射的测量光束；第一超分辨 滤波器用于进行横向、轴向或三维超分辨，以提高横向分辨力和轴向分辨力。 第一分光镜、用于等强度分离由测量表面反射的测量光束，以形成差动探测；
第一探测聚焦物镜、第二探测聚焦物镜、用于聚焦测量光束，以形成测量点的 共轭像。第一超分辨差动共焦测量装置的输出则为第一光电探测器与第二光电 探测器的输出之差。
第二超分辨差动共焦测量装置200，包括第二激光器18、第二激光器18
发出第二波长^的线偏振光，所述第二波长的光通过第二准直聚焦物镜19、第 四针孔20以及第一准直聚焦物镜21准直、再通过第二偏振分光镜22分为两 束偏振光，其中一束偏振光通过第二分光镜分光24后一束通过的第三探测聚 焦物镜28以及第五针孔29后由位于远离焦平面处的第三光电探测器30接收， 另一束通过第四探测聚焦物镜25以及第六针孔26后由位于近离焦平面处的第 四光电探测器27接收，另一束偏振光通过第二四分之一波片23和第二超分辨 滤波器32以45度角入射至二向色镜14。
对于第二超分辨差动共焦测量装置200，所述第二激光器发出波长为^的 线偏振光；所述第四针孔、第五针孔、第六针孔具有相同通光口径，其中第 四针孔用于生成理想点光源，第五针孔、第六针孔、分别与第三光电探测器、 第四光电探测器、 一一对应构成点探测器，探测测量表面离焦产生的强度变化 信号，第三光电探测器置于远焦平面处，第四光电探测器置于近焦平面处；第 二准直物镜用于与第四针孔生成理想点光源；第二偏振分光镜与第二四分之一 波片相结合，用于分离激光器发出光束与测量表面反射的测量光束；第二超分 辨滤波器用于进行横向、轴向或三维超分辨，以提高横向分辨力和轴向分辨力。 第二分光镜、用于等强度分离由测量表面反射的测量光束，以形成差动探测；
第三探测聚焦物镜、第四探测聚焦物镜、用于聚焦测量光束，以形成测量点的 共轭像。第二超分辨差动共焦测量装置的输出则为第三光电探测器与第三光点 探测器的输出之差。
二向色镜14，用以分离分别从第一超分辨滤波器31和第二超分辨滤波器 32入射的不同波长的相干测量光束，并且用以分离自部分色差校正物镜15反 射的光束；因此，其需要用依照第一激光器和第二激光器所发光的波长进行选 择。
部分色差校正物镜15，设置于二向色镜14与被测物体之间。从第一超分 辨滤波器31和第二超分辨滤波器32入射的不同波长的相干测量光束分别聚焦 于Ol平面和02平面。
根据差动及超分辨差动共焦探测基本原理可知，图3所示的由第二针孔8、 第三针孔10与第一光电探测器12、第二光电探测器11构成的点探测器产生的 差动输出信号可以用公式(1)表示；由第六针孔26、第五针孔29与第四光电 探测器27、第三光电探测器30构成的点探测器产生的差动输出信号可以用公
式(2)表示。即公式(1)、 (2)分别对应波长为4、 ^的测量光束的测量响 应输出表达式；<formula>formula see original document page 12</formula>式中，
vi、 ^表示横向无量刚坐标;
v12 -ZTr.sina.r/
r为以光斑焦点为原点的径向坐标；
"为像方数值孔径角；
Wl2 =8;r'Sin2("/2)'z/&2为轴向无量刚坐标;
为以光斑焦点为原点的轴向坐标；
A"，""-^)为第一光电探测器输出:
!"，"P+t^)为第二光电探测器输出:
A'(V2，"2，—"'^)为第四光电探测器27输出； /2 '&，"2，C/V2)为第三光电探测器30输出；
""、""为共模噪声；
^P)、 A(P)分别为超分辨滤波器31、 32的调制函数； +UM1为第一光电探测器的近离焦偏移量； -UM1为第二光电探测器的远离焦偏移量； +UM2为第四光电探测器的近离焦偏移量； -UM1为第三光电探测器的远离焦偏移量；
公式(1)的典型输出如附图4中波长1响应曲线所示，其测量原点为G1即 第一超分辨差动共焦测量装置100的准焦面16，线性测量区间为AX即如图3、 4所示的偏移原点G1的区间；公式(2)的典型输出如附图4中波长2响应曲 线所示，测量原点为02即第二超分辨差动共焦测量装置的准焦面17，其线性 测量区间为CY即偏移原点C^的区间。图3中的准焦面16、 17分别用虚线表 示。区间临界面A、 X、 Y、 C分别用实线表示。其中，根据物镜对复色波聚 焦将产生焦面平移的原理，利用部分色差校正物镜15位置色差不完全校正特 性，通过对应4、 ^选择部分色差校正物镜15，可以实现令4、 ^光束聚焦所 产生的位置色差《=^02小于第一超分辨差动共焦测量装置100的线性测量范 围AX的一半和第二超分辨差动共焦测量装置200的线性测量范围CY的一半
两者之和；继而使得第一超分辨差动共焦测量装置100和第二超分辨差动共焦 测量装置200的线性测量区域AX、 CY存在交点B，即转换点B，这样就保证 了本发明中的装置的实现。
当然，在设计中，可以作出调整，使得线性测量区AX与CY的X、 Y点 重合，这样可以获得最大的测量范围。
部分色差校正物镜为专用物镜，其作用是通过物镜设计控制第一测量相干 光束和第二测量相干光束的位置色差，即第一焦平面和第二焦平面之间的距 离。物镜色差校正设计方法为已知技术。
在用本发明进行测量的过程中，当测量面位置由^运动到位置B时，第一
超分辨差动共焦测量装置的输出与第二超分辨差动共焦测量装置的输出输出
相同，此时切换探测器输出信号，由第二超分辨差动共焦测量装置的输出继续
跟踪测量面位移，测量输出曲线由^转移到^，从而实现量程扩展，本发明 的位移测量量程范围是^^C曲线所对应的轴向位移范围。
第一超分辨差动共焦测量装置100和第二超分辨差动共焦测量装置200的 线性测量区的范围是由其本身的属性确定的，因此，本发明的范围并不限于如 图中所示的AB， BC的线性测量区范围相等的情况，当第一超分辨差动共焦测 量装置100和第二超分辨差动共焦测量装置200的线性测量区范围有差异时， 本发明的装置及方法也是可实施的。另外，对于第一超分辨差动共焦测量装置
100和第二超分辨差动共焦测量装置200，分别在其线性测量区的范围内可以
获得一致或不一致的超分辨横向、轴向扫描特性。
由公式(1) (2)运算结果可见，共模噪声""、""得到抑制；
通过设定^(P)、 A^)函数建立超分辨滤波关系，实现超分辨测量，有关 具有调制函数、 A(P)的超分辨滤波器的的设计方法为已知技术。
参考附图3本发明所述的复色超分辨差动共焦测量方法的实施步骤如下
步骤l，第二激光器l、 18分别发出波长为4、 ^的线偏振光束，分别经 过第一准直聚焦物镜2、第一针孔3和第一准直物镜4，以及第二准直聚焦物 镜19、第四针孔20和第二准之物镜21准直输出至第一、第二偏振分光镜5、 22;
步骤2，波长为^、 ^的线偏振光束透过第一、第二偏振分光镜5、 22经 过第一、第二超分辨滤波器31、 32调制后，具有相应的位相、振幅或复振幅
调制信息；
步骤3，经过第一、第二四分之一波片13、 23后成为圆偏振光；
步骤4，波长为4、 ^的测量光束分别经过二向色镜14透射和反射，到达 部分色差校正物镜15，分别聚焦于第一焦平面17和第二焦平面16;
步骤5，测量光束被测量面反射，经过部分色差校正物镜15和二向色镜 14，再次经过第一、第二四分之一波片13、 23后成为与入射光束振动方向垂 直的线偏振光；
步骤6，波长为4、 ^的测量光束被第一、第二偏振分光镜5、 22反射到 达第一、第二分光镜6、 24;
步骤7，第一、第二分光镜6、 24分别将波长为4、 ^的测量光束等强度 分离，分支光束分别经过第一、第二、第三和第四探测聚焦物镜7、 9、 25、 28 和第二、第三、第五、第六针孔8、 10、 26、 29由第一、第二、第三、第四光 电探测器ll、 12、 27、 30接收，产生强度输出信号A",""+ )、
V02，"2,-UV2) 、V(V2'"2，U'M2);
步骤8，利用公式(1)和(2)计算轴向响应测量曲线,如附图4所示；
步骤9，当测量面由位置^向位置S运动过程中，由曲线^^输出测量结果， 当测量面由位置^运动到达位置S时，第一超分辨差动共焦测量装置的输出与 第二超分辨差动共焦测量装置的输出，此时切换探测器输出信号，由第二超分 辨差动共焦测量装置的输出继续跟踪测量面位移，测量输出曲线由^^转移到 ^C，测量原理与^段相同，系统测量范围为^c曲线所对应的轴向位移范围。
即若第一超分辨差动共焦测量装置的输出计算方法为第一 (近焦)探测器 输出减第二 (远焦)探测器输出，则第一超分辨差动共焦测量装置的输出为第
四(远焦)探测器输出减第三(近焦)探测器输出，当然，反之亦然。其作用 是产生等值响应输出，从而便于实现测量区间转换。
所述装置的特征在于具有发光频率不同的激光器l、 18，测量线性工作区
为不同波长光束聚焦区域，系统具有两个线性测量区；
所述装置的特征在于具有二向色镜14，可以分离不同波长的相干测量光
束；
所述装置的特征在于两个独立的超分辨滤波器，可以分别对不同波长测量 光束进行超分辨调制，可以分别在两个线性测量区获得一致或不一致的横向、 轴向扫描特性；
所述装置的特征在于具有两组差动点探测器，可以分别接收不同波长测量 光束的测量信号，分别实现差动共焦探测；
所述测量方法的特征在于引入复色相干光束，利用不同波长光束聚焦产 生理想聚焦面平移的色散特性，形成两个部分重叠的线性测量区域，从而在保 留单光束差动共焦探测技术优点前提下，获得了较单光束差动共焦探测更大的 量程范围。另外，两个测量光束均为相干光束，因此可以使用超分辨滤波技术 提高横向、轴向分辨力，保留超分辨差动共焦探测技术优点，这一特征区别于 基于白光光束测量的技术方法。
前述对本发明具体实施方式
的说明仅以示例和描述为目的。其并非意于穷 尽各实施方式或将发明局限于已揭示的实施方式或某一定式。据此，上述描述
应被看作是示例性的而非局限性的。显而易见是，很多修改及变体对本领域内 的技术人员来说的可见的。选定并描述了各具体实施方式
是为了最清楚的解释 本发明的原理以及最佳的实际应用方式，以令本领域内的技术人员了解本发明 的适合于预期的特殊用途或实现的各种实施例及各种变体。意欲由后续的权利 要求及其等效变化限定本发明的范围，在权利要求中，除非另行指出，所有术
语都应解释为其最广的含义。应该意识到，本领域内的一般技术人员可以在不 脱离由下面的权利要求定义的本发明的范围的情况下，在具体实施方式
中作出 变化。此外，无论下述的权利要求是否明确描述了某些要素及组件，均不意在 将现有公开中的这些要素及组件献于公知领域。
权利要求
1.一种复色超分辨差动共焦测量装置，其特征在于包括第一超分辨差动共焦测量装置，用于输出具有第一波长的第一测量相干光束，以及接收具有第一波长的第一反射光束，并产生第一近焦探测器输出和第一远焦探测器输出；第二超分辨差动共焦测量装置，用于输出具有第二波长的第二测量相干光束，以及接收具有第二波长的第二反射光束，并产生第二近焦探测器输出和第二远焦探测器输出；二向色镜，所述第一测量相干光束和第二测量相干光束分别呈45度角入射至该二向色镜，该二向色镜用以汇合第一测量相干光束和第二测量相干光束，并且用以将从部分色差校正物镜透射回的光束分离为具有第一波长的第一反射光束和具有第二波长的第二反射光束；部分色差校正物镜，设置于二向色镜与被测物之间，用以将第一测量相干光束和第二测量相干光束汇合后的光束分别聚焦于远离部分色差校正物镜的第一焦平面和临近部分色差校正物镜的第二焦平面，其中，第一焦平面为第一测量相干光束的聚焦平面，第二焦平面为第二测量相干光束的聚焦平面，且保证第一焦平面与第二焦平面的位置差不大于第一超分辨差动共焦测量装置的线性测量区一半与第二超分辨差动共焦测量装置线性测量区一半之和；部分色差校正物镜还用以将位于第一焦平面和第二焦平面之间的被测物反射的光透射至二向色镜；以及，计算机装置，读取并记录第一近焦探测器输出、第一远焦探测器输出、第二近焦探测器输出和第二远焦探测器输出，并分别根据第一近焦探测器输出与第一远焦探测器输出之差生成第一轴向测量响应曲线，以及根据第二远焦探测器输出和第二近焦探测器输出之差生成第二轴向测量响应曲线。
2. —种基于权利要求1的复色超分辨差动共焦测量装置的一种测量方法，该 方法包括以下步骤参照第一轴向测量响应曲线，当检测到第一近焦探测器输 出与第一远焦探测器输出之差等于第二远焦探测器输出和第二近焦探测器输 出之差时，参照第二轴向测量响应曲线。
全文摘要
本发明公开了一种复色超分辨差动共焦测量装置，包括第一超分辨差动共焦测量装置，第二超分辨差动共焦测量装置，二向色镜，部分色差校正物镜，以及，计算机装置。本装置可以通过利用不同波长光束聚焦产生理想聚焦面平移的色散特性，形成两个部分重叠的线性测量区域，获得了两个具有双极性跟踪特性的线性测量区，不但量程范围扩展近一倍，而且实现测量区交替跟踪测量；通过多超分辨滤波器的独立调制，可以根据应用需要，分别在两个线性测量区内获得一致或不一致的横向、轴向扫描特性，在保留差动及超分辨差动共焦测量技术优点的情况下，使测量装置线性范围得到显著扩展。
文档编号G01B11/00GK101182992SQ20071030142
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月27日 优先权日2007年12月27日
发明者俭 刘, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学