[发明专利]样品中心的检测装置及检测方法

权利要求书

1.样品中心的检测装置，其特征在于，包括激光器(1)、扩束准直器(2)、1/2波片(3)、偏振分光棱镜(4)、1/4波片(5)、调焦装置(6)、显微物镜(7)、供待测样品(8)放置的二维电机位移平台(9)、柱面镜CL_x(10)、柱面镜CL_y(11)、四象限探测器(12)、电机控制器(13)、通用计算机(14)和控制器(15)；

所述激光器(1)发出的光经过所述扩束准直器(2)调整后变为近似平行光，该近似平行光依次经过所述1/2波片(3)和偏振分光棱镜(4)后被该偏振分光棱镜(4)分束为第一透射光和第一反射光，其中第一透射光通过1/4波片(5)入射到显微物镜(7)，利用调焦装置(6)将光束聚焦到待测样品(8)上，经该待测样品(8)反射的反射光，沿原入射光路返回依次经显微物镜(7)和1/4波片(5)至偏振分光棱镜(4)，该偏振分光棱镜(4)将其分束为第二反射光和第二透射光，其中第二反射光依次经过柱面镜CL_x(10)和柱面镜CL_y(11)汇聚到四象限探测器(12)上，该四象限探测器(12)的输出端与所述控制器(15)的输入端相连，且该控制器(15)与所述计算机(14)进行通讯；

所述电机控制器(13)的输出端与所述二维电机位移平台(9)的输入端相连，且该电机控制器(13)与所述计算机(14)进行通讯。

2.根据权利要求1所述的确定样品中心的检测装置，其特征在于，所述的柱面镜CL_x(10)的焦距f_x、柱面镜CL_y(11)的焦距f_y、柱面镜CL_x(10)与显微物镜(7)之间的光程s_x、柱面镜CL_x(10)与四象限探测器(12)之间的距离q_x，柱面镜CL_x(10)与柱面镜CL_y(11)之间的距离s_xy，待测样品(8)与显微物镜(7)之间的距离l₀，显微物镜(7)的焦距f₀，显微物镜(7)的通光孔径R₀，四象限探测器感光区域半径R_q，满足如下条件：

式中，R_x为第二反射光光斑在四象限探测器(12)中x方向上的长度，R_y为第二反射光光斑在四象限探测器(12)中y方向上的长度；且R_x≤R_q，R_y≤R_q。

3.利用权利要求1所述的检测装置进行中心检测的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1)在某种已知几何外形的基底上镀上一层金属薄膜作为待测样品(8)；

步骤2)定义聚焦误差电压信号FES(Focus Error Signal)：

2.1)将四象限探测器(12)的四个象限依次设为A，B，C，D，利用电流电压转换器将四个象限采集到的电流信号转换为电压信号，设测得四个象限的电压值分别为V_A、V_B、V_C、V_D；

2.2)将上述四个象限的电压值传入控制器(15)；

2.3)按如下公式定义四象限探测器的聚焦误差电压信号FES和四个象限的总信号SA：

SA＝V_A+V_B+V_C+V_D

在这里，FES的值能够体现显微物镜出射到样品表面的光斑的聚焦情况，如果完美聚焦，那么有FES＝0；

步骤3)确定离焦检测光路的机械参数和光学参数

3.1)根据系统需要的动态范围D₀，该动态范围即FES的取值范围，按照如下公式进行仿真：

式中：

R_x为第二反射光光斑在四象限探测器(12)中x方向上的长度，R_y为第二反射光光斑在四象限探测器(12)中y方向上的长度，l₀为待测样品(8)与显微物镜(7)之间的距离，f₀为显微物镜(7)的焦距，f_x为柱面镜CL_x(10)的焦距，S_x为柱面镜CL_x(10)与显微物镜(7)之间的距离，q_x为柱面镜CL_x(10)与四象限探测器(12)之间的距离，f_y为柱面镜CL_y(11)的焦距，s_xy为柱面镜CL_x(10)与柱面镜CL_y(11)之间的距离；

3.2)设置l₀的值从l₀-a到l₀+a变化，其中0＜a＜100μm，计算相应的FES值并绘制成曲线，从而得到仿真的动态范围D；

3.3)改变系统参数f_x，f_y，s_x，q_x，s_xy，使得到的仿真动态范围D＞D₀，确认此时得到的上述5个系统参数；

3.4)根据步骤c)得到的f_x，f_y，s_x，q_x，s_xy搭建光路，挑选对应光学参数的光学元件按设定的距离摆放各光学元件，调节光路将各光学元件光轴对准；

步骤4)在二维电机位移平台(9)上放置待测样品(8)，使显微物镜(7)出射的光斑能够照射在待测样品(8)上，通过调焦装置(6)调节显微物镜(7)到待测样品(8)表面的距离，使该距离等于显微物镜(7)的焦距，观察反射回的红光照在四象限探测器(12)上的光斑形状，微调调焦装置(6)，直至观察到的光斑形状为长宽一致的十字状，同时读取到的FES信号为0；

步骤5)记录下此时四象限探测器(12)接收到的总信号SA₁；

步骤6)移动待测样品(8)，使显微物镜(7)出射的光斑打在用来放置待测样品(8)的二维电机位移平台(9)上，记录下此时四象限探测器(12)接收到的总信号SA₂；

步骤7)在总信号SA₁和SA₂间选择一个控制阈值，这里设定为SA_c

SA_c＝SA₂+α(SA₁-SA₂)，0＜α＜1

步骤8)重新移动待测样品(8)，使显微物镜(7)的出射光斑照在样品表面；

步骤9)通过电机控制器(13)控制二维电机位移平台(9)，具体如下：

9.1)通过四象限探测器(12)接收到的总信号SA，当该总信号SA大于SA_c时，控制二维电机位移平台(9)往某个方向不停移动，当显微物镜(7)出射的光斑移动到待测样品(8)的边缘处时，即此时总信号SA小于等于SA_c，控制二维电机位移平台(9)停止移动，并记录下此时的一个边缘位置P₁(x₁，y₁)；

9.2)控制二维电机位移平台(9)移动，使显微物镜(7)出射光斑返回到待测样品(8)表面；

9.3)类似操作b)，控制二维电机位移平台(9)寻找其他的边缘位置，记为P₂(x₂，y₂)，P₃(x₃，y₃)，……，P_i(x_i，y_i)；

9.4)建立关于样品中心的方程组：

当圆形样品时，至少需要三个边缘点P₁(x₁，y₁)，P₂(x₂，y₂)，P₃(x₃，y₃)，根据圆心方程建立关于圆心的方程组为：

求解以上方程组即可得到圆心位置P₀(x₀，y₀)；

当椭圆形样品时，至少需要五个边缘点P₁(x₁，y₁)，P₂(x₂，y₂)，P₃(x₃，y₃)，P₄(x₄，y₄)，P₅(x₅，y₅)，根据椭圆的标准方程建立关于中心的方程组为：

求解以上方程组即可得到中心位置P₀(x₀，y₀)；

9.5)通过电机控制器(13)控制二维电机位移平台(9)移动到中心位置。