一种用二次分束实现指向无依赖的差分干涉相衬成像系统的制作方法

1.本发明涉及差分干涉相衬显微成像技术，尤其涉及一种差分干涉相衬成像系统。


背景技术：

2.显微成像一直在追求更高的分辨率、更好的对比度，以及一些特殊功能，如分层扫描，以及一定的3d/准3d的能力。多种光学成像方法针对不同的应用场景，都展现出自己的优点，比较有特点的显微成像方法有差分干涉相衬(dic)方法。
3.图8a示出了透射式的差分干涉相衬(dic)成像光路，其核心是利用偏光棱镜分出两束偏振方向垂直的光，并使这两束光在几乎不改变传播方向的前提下把传播路径分开一点微小的距离，称为剪切距离。该剪切距离被控制在亚微米至亚毫米量级，照射在样品表面，因为样品表面的厚度变化/缺陷使两束光产生了光程差，待再经过一次偏光棱镜后合束，最后经过检偏器产生干涉，把和光程相关的相位变化，以干涉光强明暗变化的形式展现出来，靠成像边缘对比度的提升来获得伪3d的成像效果。
4.差分干涉相衬(dic)显微镜本质上就是一种横向剪切干涉仪，其依靠光学器件在水平方向产生两束光线，为了实现比较好的成像效果，对比度优选的两束光的光强相同。由于两束光无论是经过样品透射成像，还是在样品表面反射成像，两路光只要有光程差异，就会影响两束光的相位差，从而产生干涉强度的变化，通过干涉强度的变化来表征样品在厚度、深度上的均一性。
5.通常差分干涉相衬(dic)显微镜作为一种横向剪切干涉仪，其均分的两束光是沿着光学器件的分束方向平移展开的；在实际使用中，对于待测样品的缺陷与缺陷深度信息相关，如划痕或者空缺型缺陷，如果其延展分布方向和光束分束方向一致，那么这两束光在经过样品的反射或透射传播过程中不会引入由样品不均一性而引入的光程差，差分干涉相衬(dic)对此类缺陷，如划痕，就没有表征能力，需要通过旋转样品或者改变分束方向将缺陷延展分布方向和分光方向引入夹角，最优的即缺陷延展分布方向和分光方向正交。
6.如图8b所示，在(a)划痕延展分布方向和dic分束方向垂直，即深度变化信息和分束方向一致的情况下，差分干涉相衬对划痕缺陷的表征能力最强；在(b)划痕延展分布方向和dic分束方向平行的情况下，差分干涉相衬对划痕缺陷的表征能力最弱。
7.因为事先不确定划痕等缺陷的延展分布方向，所以为了避免漏检特定方向的缺陷，就需要通过旋转样品，或者偏振分光棱镜，如诺马斯基nomarski棱镜，拍摄2次或2次以上的差分干涉相衬图片。这样，运动拍照所用的检测时间及成像数量至少会加倍。
8.如果旋转样品90
°
，即相对于光轴旋转图1中标注为样品的部分。需要引入高精度旋转台，增加成本，而且旋转样品过程中，要使样品的缺陷始终在视场和景深范围内，是一个巨大的挑战，且同样会增加测量时间。
9.除了旋转样品90
°
之外，有的做法是旋转差分干涉相衬成像的光路，扭转光分束的方向，有通过机械的方法旋转分束棱镜，也有靠电光器件或液晶偏振旋转片改变偏振方向的方法。例如绕着光轴旋转图1中光路部分，包括偏振片和对应的检偏器，两个偏振分光棱
镜dic1和dic2等。这样会极大增加测量时间，引入不少器件成本，还可能会引入照明能量的额外损失，如液晶偏振旋转片一次透射要损失40％以上的光能量。
10.本发明提出一个既不需要旋转样品，也不需要旋转偏振成像光路的方法，能够使差分干涉相衬不受样品的缺陷或者检测信息在其延展分布方向上变化的影响，真正实现指向无依赖的差分干涉相衬成像方法。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于阐述一种指向无依赖的差分干涉相衬成像系统，以使差分干涉相衬(dic)不受样品的缺陷或者检测信息在其延展分布方向上变化的影响，实现指向无依赖的差分干涉相衬成像。
12.为此，本发明提供了一种指向无依赖的差分干涉相衬成像系统，包括照明入射端侧光路组件，所述照明入射端光路组件包括沿入射光传播方向布置第一偏振分光棱镜dic1和第二偏振分光棱镜dic2，所述dic1和dic2二者成一组，用于对一光束进行二次分光、均分成能量相等的2
×
2光束阵列，以在物像面实现二维平面指向无依赖的剪切干涉，进而以干涉图案形式对样品信息进行记录。并可进一步推广为使用多个分光棱镜将其均分为2m×2n
的光束阵列，其中，m≥1，n≥1。
13.现有的差分干涉相衬显微成像技术，其横向剪切分量是二分的，均分的两束光是沿着光学器件的分束方向平移展开的，本发明在现有一次分光的基础上，在不同于一般是垂直于原先分束方向的方向上进行二次剪切分束，实现了2
×
2的光束阵列或进一步推广为2m
×
2n的光束阵列在物象面实现二维方向的剪切干涉、进而能够以干涉图案形式对样品信息进行记录，实现了指向无依赖的差分干涉成像。
14.本发明具有以下技术特点/优势：a.没有旋转样品台或者光学器件的运动台，减少系统运动复杂度，减少成本；b.一次性成像，不会漏检特定延展分布方向的样品缺陷或检测信息；c.提高测量速度。
15.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
16.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
17.图1示出了根据本发明的一种透射式差分干涉相衬dic成像系统的光路；
18.图2示出了图1所示成像光路中光束分束前后的偏振态分布图；
19.图3示出了图1所示成像光路在检测三种典型划痕缺陷时四光束的偏振态分布图；
20.图4示出了根据发明的另一种透射式差分干涉相衬dic成像系统的光路；
21.图5示出了图4所示成像光路中光束分束前后的偏振态分布图；
22.图6示出了根据本发明的反射式的指向无依赖差分干涉相衬dic成像系统的光路；
23.图7示出了根据本发明的差分干涉相衬dic成像系统中采用三个偏振分光镜的照明入射端侧光路图；
24.图8a示出了现有技术的差分干涉相衬成像dic系统的光路；
25.图8b示出了图7所示成像光路在检测两种典型划痕缺陷时的两光束偏振态分布图。
具体实施方式
26.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
27.本发明提出一个既不需要旋转样品，也不需要旋转偏振成像光路，能够使差分干涉相衬dic不受样品的缺陷或者检测信息在分布方向上变化的影响，真正实现指向无依赖的差分干涉相衬成像方法。
28.图1示出了一种透射式差分干涉相衬dic成像系统的光路。和一般透射式差分干涉相衬成像光路一样，光源发出的光束经过一个有固定起偏方向的偏振片变成线偏振光，在波前平面上，其偏振方向见图2，这里透射轴方位角是45
°
取向。
29.第一个偏振分光棱镜dic1，透射轴方位角0
°
，把45
°
线偏振光等分成能量相等，偏振互相垂直的p光和s光(偏振方向分别为0
°
和90
°
)，并在空间上相对错开一定角度，称之为剪切角θ1。
30.其后插入一个λ/2半波片作为偏振旋转片，将两束光的偏振方向旋转45
°
，这样得到一束45
°
偏振方向和一束135
°
偏振方向的两束相干光。
31.再经过第二个偏振分光棱镜dic2，透射轴方位角90
°
，故其与dic1的分光方向呈90
°
夹角，对光进行二次分束，剪切角为θ2，优选的，可以通过精确设定偏振分光棱镜组的剪切角和相对于会聚透镜的距离，使得两个方向的光束剪切平移距离s1＝s2，这样就得到一个四束等距分开的2
×
2的光束阵列，其偏振方向如图2对应显示。2
×
2的光束阵列经过会聚透镜照射在样品上。
[0032]2×
2的光束阵列穿过样品后，将样品不同位置的厚度信息，通过光程差承载在每一束光的相位里；光束阵列经过物镜，再依次经过第三个偏振分光棱镜dic3，透射轴方位角270
°
，合并为两束光；再经过一片λ/2半波片的偏振旋转片，旋转偏振方向-45
°
后；再经过第四个偏振分光棱镜dic4，透射轴方位角180
°
，最后恢复成一束光，经过检偏器，其选偏方向和起偏器的选偏方向垂直，最后被光探测器，如ccd相机探测。
[0033]
这样，样品厚度的微小变化会导致四束光之间产生光程差，从而使光束阵列中的各独立剪切光路产生相位差，最终就会以干涉图案的形式被记录下来。
[0034]
优选地，为了使差分干涉的对比度，线性度，成像亮度等属性被优化，宜在光路中插入一个能改变光束全局相位的相位补偿器，其可以放置在起偏器和相机之间的任意位置，通常直接放在起偏器后；或者如一些差分干涉相衬的做法，沿垂直于光路的方向，用微米螺丝侧移偏振分光棱镜dic，来代替使用相位补偿器，达到改变光束全局相位的目的。该结构没有在图中示出。
[0035]
考虑到上述光学器件不是都垂直于光传播主轴放置，光线非法向入射上述光学器件形成的折射会带来光传播方向的侧移。为此，宜在光路中插入一个位移补偿器，通常由无双折射效应的光学材料制成。该位移补偿器需以一定的倾角插入光路，来补偿折射带来的光传播方向的侧移，其位置可以在从光源到相机的任意位置。
[0036]
再次以划痕缺陷为例，在图3中，不论划痕延展分布方向与偏振分光棱镜剪切分光
方向成何种夹角，即：a.划痕方向和dic1分束方向平行；b.划痕方向和dic2分束方向平行；c.划痕方向以任意角度倾斜于两分束方向(示意图也需要改)，这些划痕缺陷都可以由本成像光路识别检出。
[0037]
由此，使差分干涉相衬dic不受样品的缺陷或者检测信息在其延展分布方向上变化的影响，真正实现指向无依赖的差分干涉相衬成像方法，不再需要引入旋转部件和多次检测来改变缺陷分布方向和差分干涉相衬显微仪的相对角度关系。
[0038]
图4示出了另一种透射式差分干涉相衬成像系统的光路。与图1所示光路相比，在偏振分光棱镜组dic1和dic2之间，不再有旋转偏振方向的λ/2波片；同时，在偏振分光棱镜组dic3和dic4之间，不再有相对应的旋转偏振方向的λ/2波片。为了能够实现二次分束，在没有λ/2旋转器(波片)的偏振旋转的辅助下，每组偏振分光棱镜的分束方向不再是正交垂直关系，偏振分光棱镜夹角为45
°
，不再是90
°
；在图4中，偏振分光棱镜dic3和dic2的剪切方向应一致，dic2透射轴方位角为45
°
，dic3透射轴方位角为225
°
。
[0039]
这里对四束剪切分量在空间分布上就造成了改变，相对于有λ/2波片的旋转辅助的结构，二次分光后的剪切和偏振形式，参考图5。四束分光成平行四边形排布，不再是正方形s1＝s2，这样对缺陷的检测就不再在物像水平面互相正交的两个方向上有相同的深度灵敏度，即缺陷分辨能力。但是此种方法不改变此差分干涉相衬检测方法的指向无依赖性。
[0040]
图6示出了一种反射式的指向无依赖差分干涉相衬dic成像系统的光路。反射式差分干涉相衬成像光路检测的样品可以是透明的，也可以是半透明，或者不透明的，反射式差分干涉相衬显微成像主要检验样品的表面缺陷。
[0041]
一个光源经过一个固定透射轴方位角的偏振片，使出射光成为线偏振光，这里是45
°
取向，再经过一个能量分光器件，此处一般采用50/50非偏振分光片或分光棱镜，被反射进剪切光学器件模组；第一个偏振分光棱镜dic1，透射轴方位角0
°
，把45
°
线偏振光等分成能量相等、偏振方向互相垂直的p光和s光(偏振方向分别为0
°
和90
°
)，并在空间上相对错开一定角度，称之为剪切角θ1；优选的，其后插入一片λ/2的偏振旋转片，将两束光的偏振方向旋转45
°
，这样得到偏振方向分别为45
°
和-45
°
的两束光；再经过第二个偏振分光棱镜dic2，透射轴方位角90
°
，对光进行二次分束，剪切角为θ2，优选的，可以通过精确设定偏振分光棱镜组的分束角和相对于物镜的距离，使得两个方向的光束剪切平移距离s1＝s2，这样就得到一个四束等距分开的2
×
2的光束组，其偏振方向如图2对应显示。2
×
2的光束组经过物镜打在样品表面。
[0042]
样品表面把入射光再反射回来，2
×
2的光束组打在有高度差的样品表面后，反射的光程差以相位差的形式，承载在每一束的光路里；光返回经过物镜，依次经过第二个偏振分光棱镜dic2，合并为两束光；再经过λ/2的偏振旋转片，旋转偏振方向-45
°
后；再经过第一个偏振分光棱镜dic1，最后合并成一束光，再穿过能量分光器件，透射的光束经过检偏器，最后被光探测器，如ccd相机探测。如果样品表面高度/深度变化导致四束光的光程产生光程差，使四束剪切光的相位差发生变化，最终就会以干涉图案对比度变化的形式被记录下来。
[0043]
优选的，为了使差分干涉的对比度、线性度、成像亮度等属性被优化，一个能改变光束全局相位的相位补偿器被插入偏振片和相机之间的任意位置；或者如一些差分干涉相衬系统的做法，沿垂直于光路的方向，用微米螺丝侧移偏振分光棱镜，来代替使用相位补偿
器，达到改变光束全局相位的目的，没有在图中示出。
[0044]
考虑到上述光学器件不是都垂直于光传播主轴放置，光线非法向入射上述光学器件形成的折射会带来光传播方向的侧移。优选的，一个位移补偿器，通常是一个对偏振不敏感的透明玻璃，以一定的倾角插入光路，来补偿折射带来的光传播方向的侧移，其位置可以在从光源到相机的任意位置。
[0045]
反射式差分干涉相衬光路中，光经过每个偏振光学器件后，其剪切分量空间分布和偏振方向与透射式差分干涉相衬光路的光束的表达形式类似，此处不作赘述。
[0046]
上述各实施例是以二个偏振分光棱镜为一组，展示了实现二次分光，把一束光均分成能量相等的2
×
2的光束，在物像面得以实现二维方向的剪切干涉，既二次分束实现指向无依赖的差分干涉相衬成像方法。
[0047]
本系统可根据需求拓展至2m×2n
的分光形式，实现指向无依赖的差分干涉相衬成像方法，m≥1，n≥1，m指在二维平面的第一方向上所使用分光器件的个数，n指在二维平面的与第一方向相交或垂直的第二方向上所使用的分光器件的个数。具体如图7所示，在5所示实施例的基础上，再增加一个偏振分光棱镜dic3，用于对一光束进行三次分光、均分成能量相等的2m×2n
光束阵列，m+n为分光器件的总个数。其中，光源、起偏器、检偏器、汇聚镜等光学器件未示出。
[0048]
在上述各实施例中，各光学器件的透射轴方位角作为一个特例，代表一种最优成像对比度的一个组合形式；在其他实施例中可以做调整，例如将(45
°
，90
°
)调整为(40
°
，80
°
)，(30
°
，60
°
)组合等也能工作。
[0049]
dic显微镜本质上就是一种自参考的横向剪切干涉仪，除了本案中的偏振分光棱镜，还有一些别的光学器件，可以实现波前的横向剪切，比如非偏振分光棱镜、平行平板、ronchi光栅、双折射器件等，都可以在本方案的逻辑上使用这些非偏振分光器件，或者混合使用这些器件来达到使用二次分束实现指向无依赖的差分干涉相衬成像方法的目的和效果。
[0050]
二次分束的差分干涉相衬，其在两个维度，例如xy方向上的剪切分量，可以通过定制照明光路中两偏振分光棱镜的剪切分量来独立控制。对随机分布的同类型缺陷，如随机方向的划痕，有优选的剪切距离s1＝s2；对xy方向划痕等缺陷深度特征不同，从而需要在xy方向设计不同剪切距离，以实现对xy方向不同深度缺陷检测灵敏度优化的某些特定应用场景，则可对两偏振分光棱镜进行相应单独设计。
[0051]
各个分量上的全局相位偏差可以通过相位补偿器，或者独立推动逐级的偏振分光棱镜相对光轴主轴的水平侧移量来调制，来达到相衬对比的最优。
[0052]
传统的差分干涉相衬显微成像技术，其横向剪切分量是二分的，均分的两束光是沿着光学器件的分束方向平移展开的；在实际使用中，如果待测样品的缺陷，如划痕，其延展分布方向和光束分束方向平行，那么两束光在经过样品的反射或透射传播过程中不会引入由样品不均一性变化的而引入的光程差，对此类缺陷，如划痕，没有表征能力，需要将缺陷分布方向和分光方向引入夹角，最优的即缺陷延展分布方向和分光方向正交。
[0053]
与现已有技术相比，本发明通过引入具备向有夹角的二维方向的分别剪切分束的能力的分束措施，实现了指向无依赖的差分干涉相衬dic成像。
[0054]
本系统具有以下技术特点/优势：a.没有旋转样品台或光学器件的运动台，减少系
统运动复杂度，减少成本；b.一次性成像，不会漏检特定延展分布方向的样品缺陷或检测信息；c.提高测量速度。
[0055]
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。