[发明专利]复色超分辨差动共焦测量方法与装置

说明书

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、θ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；θ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5一10μm，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1，所述激光器1发光波长为λ1，针孔3、8、10，所述针孔3、8、10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O1，即当测量面位置由A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，保留已公开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；