用来确定物体微起伏和表层的光学性质的方法、一种用于该方法实现的调制显微镜技术

本发明专利技术涉及光学工程，特别涉及测量近表面层的光学材料常数微起伏和分布的方法，并且能够用于微电子工程、纳米技术、材料科学、医学、和生物学。本发明专利技术的目标是提高测量光学材料的起伏和分布的几何参数的空间分辨率、扩展包括光学各向异性常数的确定常数的范围、显著提高材料常数确定的精度、以及扩展研究的物体的数量。本发明专利技术公开了用于测量近表面层的微起伏以及光学特性的方法，以及用于实行所述方法的调制干涉显微镜。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光学，具体地说，涉及用来确定物体表层的光学材料常数的微起伏和分布的方法，并且能用于在微电子、纳米技术、材料科学、医学、和生物学中的研究。一种用来观看物体微起伏的方法是已知的，该方法包括步骤把微物体场曝光于一种相干、单色辐射，并且把从物体反射的辐射转换成与图像点相对应的电信号(USSR作者证书No 1734066，Int.Cl.G02B 21/00，1992)。这种方法允许达到显著超过传统振幅显微镜的分辨率极限。然而，它允许仅对于是单一材料并且具有简单几何形状的少量较简单物体得到较高空间分辨率。所述方法的缺点如下-在物体表面处具有不同光学参数的材料存在的情况下，即使用中等分辨率也不可能合理地译码物体相位图像。-不可能研究微物体表层的光学材料常数的高度有益分布。一种微型椭率计是已知的，它允许进行用来确定物体微起伏和表层光学特征的一种方法(Interferometrical Profilometry atSurfaces with Varying Materials，H.Jennewein，H.Gottschling，T.Ganz and T.Tschudi，Proceedings of SPIEMetrology，Inspectionand Process Control for Microlithography XIII，Vol.3677 II(1999)p.1009)。在已知方法中，同时测量微物体起伏的参数和表层的复数折射率。该方法允许考虑和补偿在具体的阶形起伏情形下局部复数折射率对起伏高度名义值的影响。这种已知方法的缺点如下-对于折射率的分布和对于起伏参数都具有较低的横向分辨率；-对于变通型起伏和对于光学各向异性材料不可能执行材料和几何参数的同时研究的程序；-所述方法在确定光学常数时具有较低精度。在技术本质上与提出方法最接近的方法是一种用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，该方法包括步骤进行一种偏振调制把一个输入相干、单色偏振光束分离成一个经显微透镜曝光物体场的物体光束、和一个基准光束；进行基准光束的相位调制；进行光束的干涉混合；抽取两个相互正交的偏振分量，并且得到一个干涉图；选择所述干涉图的最小碎块(象素)；把所述碎块的平均照亮度转换成相应电信号；确定相位调制信号的可变分量的相位和振幅；计算从物体束落到象素上的光的相位、振幅及偏振参数的值；及计算物体表层的光学材料常数(俄罗斯专利No 2029976，Int.Cl.G02B 21/00，1995)。然而，已知方法由于不可能保证以高度吸光把物体曝光于偏振光，所以在确定光学常数时具有低精度，并且在较暗和不良反射物体的情况下，这种方法在确定由使来自基准和物体束的象素曝光等同的可能性不存在引起的起伏参数和光学材料恒定分布时具有较低的空间分辨率。在技术本质上与提出的装置最接近的装置是一种调制干涉显微镜，它包括一个激光器、一个相位调制器、一个偏振调制器、还有一个望远镜、分析仪和沿一个单光学轴安装的光电探测器、及一个控制发生器、一个信号处理单元、一个设计成经一根交换总线连接到计算机上的控制器。信号处理单元包括一个信号可变分量振幅测量仪和一个相位测量仪(俄罗斯专利No 2029976，Int.Cl.G02B 21/00，1995)。然而，已知显微镜由于电气光学偏振调制器的较低吸光、和这种吸光的额外减少以光束穿过显微透镜的透镜系统两次和缺乏保证最佳调制模式的可能性为代价，所以不允许高精度测量光学常数。已知显微镜具有由相位和偏振失衡的分辨率级，这不允许得到光学常数分布的较高空间分辨率。已知显微镜不允许在物体和基准束中进行光强度的受控重新分布，这不允许使来自所述束的给定象素曝光相等，由此减小调制信号可变分量的相对值和使所有精度和分辨率参数变坏。这种缺点对于较暗物体和对于具有不良反射表面的物体，例如对于流体，特别实际。由提出的专利技术解决的技术问题在于当确定起伏的几何参数和材料光学常数的分布时增大空间分辨率；增大包括光学各向异性常数的确定常数的数量；显著提高材料常数确定的精度；及扩展研究物体的范围。本专利技术的技术结果通过提供一种用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法实现，该方法包括步骤进行一种偏振调制把一个输入相干、单色偏振光通量分离成一个经显微透镜曝光物体场的物体光束、和一个基准光束；进行基准光束的相位调制；进行光束的干涉混合；抽取两个相互正交的偏振分量，并且得到一个干涉图；选择所述干涉图的最小碎块(象素)；把所述碎块的平均照亮度转换成相应电信号；确定相位调制信号的可变分量的相位和振幅；计算从物体束落到象素上的光的相位、振幅及偏振参数的值；及计算物体表层的光学材料常数，其中根据本专利技术，该方法包括步骤与把光通量分离成物体和基准束的步骤的同时，进行在这些束之间的光通量强度的受控制重新分布；分别对于物体束和基准束进行偏振调制；通过使物体束从内部通过显微透镜的前透镜的前表面进行物体场曝光，并且进行光束的干涉混合；在测量之前，建立在基准与物体束之间的初步照亮度比，并且计算从物体束落到象素上的光的初级相位和振幅值；在对于全部象素集重复该运算之后，通过重新分布这些束的强度，进行使分别来自物体和基准束的一个象素的照亮相等的步骤；测量调制信号可变分量的相位和振幅；及计算从物体束落到象素上的光的一个精细相位和振幅值。本专利技术的特征也在于，在两种线性独立偏振条件下顺序进行物体场的曝光。在使用一个偏振分析仪的同时，这允许得到如下显微物体特性-局部正常和显微物体高度的向量的一种分布，-用于各向异性物体的复数折射率的分布，-光轴取向和用于不包括光轴的垂直定位的情形的一轴两束折射材料的复数折射率的值。本专利技术的特征也在于另外的步骤通过把基准束光的相位设置成与从物体束落到象素上的光反相，进行从物体束落到象素上的光的振幅值的另外细化；通过改变物体与基准光束的强度比，进行振幅调制；确定与象素的相同照亮相对应的两个不同强度比；及计算从物体束落到象素上的光的一个分数。这允许以提高在确定反射率时的精度为代价提高在确定光学材料常数时的精度，并且提高所述常数分布的空间分辨率。本专利技术的特征也在于另外的步骤另外把物体束相位设置成与从物体束落到象素上的光同相；连续进行物体束的偏振调制；测量偏振调制信号；及计算所述偏振调制信号的谐波分量的相位和振幅，由这些相位和振幅计算物体表层的光学各向异性的参数。这允许确定完整光学材料常数集，包括任何本性的光学各向异性的参数确定。本专利技术的特征也在于另外的步骤与所述基准束的相位调制同时进行物体束和基准束的偏振调制，物体束相位调制的频率高于或低于光束偏振调制的频率；测量信号包络的谐波分量的相位和振幅；及计算光学材料常数，包括物体表层的光学各向异性的参数。这给出在单个过程的上下文中研究各向同性和各向性显微物体而没有关于光学各向异性特性的事前假设、和保证对于基本上各向异性显微物体的帧输入时间节省的可能性。在提出专利中的技术结果通过提供一种调制干涉显微镜实现，该显微镜包括一个激光器；一个调制干涉仪，带有一个相位调制器、与一个偏振调制器光学连接的准直仪、和一个束分离器；沿一个单光学轴安装的一个显微透镜、望远镜、偏振分析仪单元和光电探测器；一个控制和信号处理单元，设计成经一根本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用来确定物体微起伏和表层光学性质的方法，该方法包括步骤：进行一种偏振调制：把一个输入相干、单色偏振光通量分离成一个经显微透镜曝光物体场的物体光束、和一个基准光束；进行基准光束的相位调制；进行光束的干涉混合；抽取两个相互正交的偏振分量，并且得到一个干涉图；定位所述干涉图的最小碎块（象素）；把所述碎块的平均照亮度转换成相应电信号（调制信号）；测量调制信号的可变分量的相位和振幅及恒定分量的一个值；计算从物体束落到象素上的光的相位、振幅及偏振参数；及计算物体微起伏和物体表层的光学材料常数，其特征在于该方法包括步骤：与把光通量分离成物体和基准束的步骤的同时，进行在这些束之间的光通量强度的受控制重新分布；分别对于物体束和基准束进行偏振调制；通过使物体束从内部通过显微透镜的前透镜的前表面进行物体场曝光；并且进行光束的干涉混合；在测量之前，建立在基准与物体束之间的初步照亮度比，并且计算从物体束落到象素上的光的初级相位和振幅值；在对于全部象素集重复该运算之后，通过重新分布这些束的强度，进行使分别来自物体和基准束的一个象素的照亮相等的步骤；然后测量调制信号的可变分量的相位和振幅及恒定分量的一个值；及计算从物体束落到象素上的光的一个精细相位和振幅值。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：弗拉基米尔安德列维奇安德列夫，康斯坦丁瓦西里耶维奇英杜卡耶夫，巴维尔亚里别尔托维奇奥西波夫，
申请(专利权)人：阿姆弗拉实验室有限责任公司，
类型：发明
国别省市：RU[俄罗斯]