双边错位差动共焦测量方法技术

本发明专利技术属于光学成像与检测技术领域，涉及一种双边错位差动共焦测量方法。该方法通过对共焦轴向特性曲线自身两侧边数据组的错位差动相减处理，来准确求得共焦系统特性曲线的极值点位置。本发明专利技术由于利用了共焦特性曲线靠近半高宽位置附近对轴向位移非常灵敏的两段数据来进行差动相减处理，因而由该数据段推算出的共焦特性曲线的极值点位置与现有共焦特性曲线顶部拟合方法相比灵敏度大幅提高，其结果在不改变共焦显微系统结构的条件下，可显著改善现有共焦显微系统的轴向分辨力和信噪比等。本发明专利技术将为共焦成像/检测领域提供一种新的技术途径。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学成像与检测
，涉及一种双边错位差动共焦测量方法。可用三维微细结构、微台阶、微构槽、集成电路线宽、表面形貌以及表面测量定位等。
技术介绍
共焦显微镜的思想最早由美国学者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年获得美国专利，专利号为US3013467。共焦显微镜将点光源、点物和点探测器三者置于彼此对应的共轭位置，构成了光学显微成像中独具层析能力的点照明和点探测的光学显微成像系统。共焦显微镜的基本原理如图1所示，光源1发出的光经过针孔3、分光镜5、物镜6在被测样品7表面聚焦，被测样品7反射测量光束，该反射测量光束沿原路返回，再通过分光镜5将来自样品7的测量光聚焦到置于光电探测器11前的针孔10内，在光电探测器11处形成点探测，光电探测器11接收来自物镜焦点处的测量光，焦点以外的返回光被针孔10遮挡。当物体位于焦平面F时，光电探测器11接收到的光强最大，当物体偏离焦平面F时，反射光被聚焦在针孔前或后的某一位置，此时光电探测器11仅接收少部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的光强要比在焦平面时弱，光电探测器11便测到图2所示的共焦轴向响应特性曲线13，共焦显微镜通过确定共焦轴向响应特性曲线13的极值点位置便可测得样品的高度位置。共焦显微镜轴向分辨能力通常通过其轴向响应曲线的半高宽FWHM来表征，FWHM越小，轴向分辨能力越强。但由于受衍射极限等因素的限制，仅通过增大物镜4数值孔径NA和减小光波波长λ等来改善共焦显微镜轴向分辨的能力有限。本质上，改善共焦测量系统轴向分辨能力的核心问题就是如何灵敏并准确地确定出共焦轴向响应特性曲线13的最大值位置。但现有共焦显微镜由于通过共焦轴向响应特性曲线13对轴向位移相对不敏感的顶部数据段进行拟合来求其最大值位置，因而其分辨能力的改善就受到制约。从共焦轴向响应特性曲线13可以看出，其理论特性曲线关于极值点位置左右对称，而且半高宽FWHM附近的数据对样品轴向位置非常灵敏，因而本专利技术提出通过共焦轴向响应特性曲线13半高宽附近的数据段来准确确定其极值点位置，以期改善共焦测量系统的轴向分辨能力。基于此，本专利技术提出一种双边错位差动共焦测量方法，以期在不改变共焦测量系统结构的前提下，仅经过测量数据的分析处理就能改善共焦测量系统的轴向分辨能力和信噪比等。
技术实现思路
本专利技术的目的是设计一种双边错位差动共焦测量方法，以期实现高精度定位。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种双边错位差动共焦测量方法，包括下列步骤：步骤一、将共焦轴向强度响应数值14自身一侧边的数据组进行平移S并与其另一侧边数据组交汇并进行错位差动相减处理；步骤二、将错位差动相减处理的数据进行曲线拟合，求曲线拟合方程；步骤三、求拟合曲线方程的解，确定共焦轴向强度响应数值14的共焦轴向响应特性曲线极值点的准确位置。本专利技术一种双边错位差动共焦测量方法，其实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤：步骤一、确定共焦轴向强度响应数值14的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；步骤二、保持左侧边数据组15和右侧边数据组16其中一组不动，使另一数据组沿横向坐标平移S得到新的数据组17，并使数据组17和数据组16在值为M/2的附近交汇；步骤三、对数据组17和数据组16分别进行同横坐标点插值处理后再进行逐点相减处理得到双边交汇相减数据组22；步骤四、取相减数据组22零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到双边交汇相减数据拟合曲线23和拟合方程ID(z)；步骤五、求拟合曲线方程ID(z)＝0的解z＝h；步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。本专利技术方法步骤二中将左侧边数据组15和右侧边数据组16的横坐标分别加、减S/2，使左侧边数据组15和右侧边数据组16在值为M/2的附近交汇。本专利技术方法步骤二中S值大小选为共焦特性曲线的半高宽FWHM。本专利技术方法步骤四中对双边交汇相减数据组22直接进行直线拟合来加速处理过程。本专利技术一种双边错位差动共焦测量方法，其实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:步骤一、求共焦轴向强度响应数值14的最大值M，并以M为界将共焦轴向强度响应数值14分割为左侧边数据组15和右侧边数据组16；步骤二、各选左侧边数据组15和右侧边数据组16在值为M/2的左侧边段数据组19和右侧边段数据组20；步骤三、保持左侧边段数据组19和右侧边段数据组20中一组不动，使另一段数据组沿横向坐标平移S得到平移段数据组21，并使右侧边段数据组20和平移段数据组21在值为M/2的附近交汇。步骤四、对右侧边段数据组20和平移段数据组21分别进行曲线拟合，并得到拟合曲线方程IA(z)和IB(z)；步骤五、求解两拟合曲线方程IA(z)-IB(z)＝0的解z＝h，同时得到相减拟合曲线27；步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。本专利技术方法步骤三中将左侧边段数据组19和右侧边段数据组20沿横坐标分别相向平移S/2，使两组侧边数据组在值为M/2的附近交汇。本专利技术方法步骤三中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM。本专利技术方法步骤四中对左侧边段数据组19和右侧边段数据组20直接进行直线拟合来加速处理过程。本专利技术一种双边错位差动共焦测量方法，其实现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:步骤一、将共焦轴向强度响应数值14沿横向坐标平移S得到移位共焦轴向强度响应数值24，并使共焦轴向强度响应数值24与共焦轴向强度响应数值14的侧边交汇；步骤二、对共焦轴向强度响应数值14和移位共焦轴向强度响应数值24分别进行同横坐标点插值处理后，再进行逐点相减处理得到相减共焦轴向强度响应数据组25；步骤三、取相减共焦轴向强度响应数据组25零值附近且对轴向位移敏感的数据段进行曲线拟合，得到相减共焦特性曲线26和其拟合方程ID(z)；步骤四、求拟合方程ID(z)＝0的解z＝h；步骤五、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精确位置。本专利技术方法步骤一中S值大小选为共焦轴向强度响应数据组14曲线的半高宽FWHM。本专利技术方法步骤三中对相减共焦轴向强度响应数据组25零值附近数据段直接进行直线拟合来加速处本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于包括下列步骤：步骤一、将共焦轴向强度响应数值(14)自身一侧边的数据组进行平移S并与其另一侧边数据组交汇并进行错位差动相减处理；步骤二、将错位差动相减处理的数据进行曲线拟合，求曲线拟合方程；步骤三、求拟合曲线方程的解，确定共焦轴向强度响应数值(14)的共焦轴向响应特性曲线极值点的准确位置。

【技术特征摘要】
1.一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于包括下列步骤：
步骤一、将共焦轴向强度响应数值(14)自身一侧边的数据组进行平
移S并与其另一侧边数据组交汇并进行错位差动相减处理；
步骤二、将错位差动相减处理的数据进行曲线拟合，求曲线拟合方程；
步骤三、求拟合曲线方程的解，确定共焦轴向强度响应数值(14)的
共焦轴向响应特性曲线极值点的准确位置。
2.根据权利1所述的一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于实
现双边错位差动相减的过程包括下列步骤：
步骤一、确定共焦轴向强度响应数值(14)的最大值M，并以M为界
将共焦轴向强度响应数值(14)分割为左侧边数据组(15)和右侧边数据
组(16)；
步骤二、保持左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)其中一组不
动，使另一数据组沿横向坐标平移S得到新的数据组(17)，并使数据组(17)
和数据组(16)在值为M/2的附近交汇；
步骤三、对数据组(17)和数据组(16)分别进行同横坐标点插值处
理后再进行逐点相减处理得到双边交汇相减数据组(22)；
步骤四、取相减数据组(22)零值附近且对轴向位移敏感的数据段进
行曲线拟合，得到双边交汇相减数据拟合曲线(23)和拟合方程ID(z)；
步骤五、求拟合曲线方程ID(z)＝0的解z＝h；
步骤六、依据h值及相对横坐标平移量S求得共焦测量系统焦点的精
确位置。
3.根据权利2所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：步骤
二中将左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)的横坐标分别加、减S/2，
使左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)在值为M/2的附近交汇。
4.根据权利2所述的双边错位差动共焦测量方法，其特征在于：步骤
四中对双边交汇相减数据组(22)直接进行直线拟合来加速处理过程。
5.根据权利1所述的一种双边错位差动共焦测量方法，其特征在于实
现双边错位差动相减的过程包括下列步骤:
步骤一、求共焦轴向强度响应数值(14)的最大值M，并以M为界将
共焦轴向强度响应数值(14)分割为左侧边数据组(15)和右侧边数据组
(16)；
步骤二、各选左侧边数据组(15)和右侧边数据组(16)在值为M/2
的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，邱丽荣，王允，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11