本发明专利技术属于光学精密测量领域，涉及基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置。该方法利用谐振梁的共振带动聚焦透镜在光轴方向快速振动，实现聚焦焦点在光轴方向的快速扫描。采用硬件过零触发电路探测差动共焦传感器的零点，配合精密位移传感器，可以实现光轴方向位移的快速测量并扩展了其量程。同时可以利用光瞳滤波技术提高系统的分辨力和灵敏度。本发明专利技术利用谐振梁的方式实现差动共焦传感器的轴向快速扫描，解决了传统差动共焦位移测量速度慢、量程小的难题。差动共焦式传感器探测的是光强信号，具有精度高、抗环境干扰能力强、不损坏被测对象等优点。该方法可以满足高空间分辨力、高精度和大测量范围的要求。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学精密测量
，涉及一种基于谐振梁扫描的 差动共焦瞄准触发式显微测量方法与装置，特别适合于表面三维微纳 结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽、活体细胞和透明半透明材料 的检测等。
技术介绍
随着半导体器件、MEMS器件、MOEMS器件的飞速发展，细微 加工技术已经进入亚微米、纳米三维加工
，迫切需要大量程、 高效率、高空间分辨力的检测技术。同时随着物理学、生物医学和材 料学等学科的迅速发展，例如对活体细胞内部检测和材料断层晶面的 检测等，也急需高效率、高层析能力、高空间分辨力和无损伤的检测 技术。近年来虽然扫描隧道显微镜、原子力显微镜和近场光学显微镜等 显微探测技术得到迅速的发展，其分辨力已经达到了纳米级。但是， 这些显微探测技术存在着以下缺点和不足。扫描隧道和原子力显微探 测技术，工作时要求探针与被测样品之间控制在纳米级的范围；近场 光学显微探测技术，工作时要求探针与被测样品之间控制在一个波长 范围。上述原因限制了此类仪器的检测范围，限制了其在台阶和大倾 斜样品检测中的应用。另外此类方法还存在仪器结构复杂、测试条件 苛刻、测试效率低和测量范围小等缺点。由于共焦显微探测技术具有独特的三维层析探测特性，近年来成 为国际国内显微探测领域研究的热点。目前，国外已有众多公司研制了多种型号和多种用途的共焦显微 探测仪器，主要分为三类 一类是用于生物医学、材料分析、生化分 析等方面的共焦显微镜，如德国莱卡公司生产的Leica TCS SP5共焦 显微镜和Leica TCS 4兀共焦显微镜，日本Lasertec Corp生产的五 波长共焦显微镜0PTELICS⑧S130;第二类是用于微纳结构与器件、半 导体晶圆及掩模版测试等领域的共焦显微测量仪器，如德国Nanofocus公司的白光共焦光学轮廓仪u Surf和激光扫描(光学) 轮廓仪nScan， Leica公司生产的LeicalNS2000线宽测试仪，日本 Lasertec Corp生产的M5350型晶圆检测系统和M3350掩模版检测系 统等；第三类是基于共焦显微技术的扫描探针式共焦传感器，如德国 米依公司生产的optoNCDT2400型共焦多光谱位移测量系统、法国 STIL公司生产的CHR系列共焦多光谱位移测量系统，以及日本基恩 士 (Keyence)公司生产的LT9000系列表面扫描激光共焦位移计等。 现有共焦显微镜大多基于轴向光强响应/(0， w)与样品轴向位置 w之间的对应关系，来进行成像与测量。但利用光强度响应直接进行 测量时，存在以下不足1、 信噪比低，易受环境背景光干扰；2、 线性度差，易受强度响应曲线的非线性影响，降低层析精度；3、 无测量绝对零点，不便于进行绝对跟踪测量；4、 易受样品倾斜和表面粗糙特性影响，不利于微纳尺度的高精^、、、5、分辨能力依旧不高，尽管共焦显微镜的横向分辨力比光学显 微镜改善了 1.4倍，但受衍射极限的限制，同时工作在曲线的离焦 状态，共焦显微系统实际工作光斑远大于其焦点光斑，降低了其横 向分辨力。由于存在上述原理性缺憾，现有共焦显微镜已不能适应近年来微 光机电技术、生化技术、生物医学、微电子学和材料学等领域快速发 展而提出的光学高分辨和高层析成像能力的测量需求。近年来共焦显微探测技术在国内取得了很大的发展。中国专利"具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法"(申请 号200410006359.6，公告号CN1209599C)公开了一种高空间分辨 力的共焦显微技术。中国专利"复色超分辨差动共焦测量方法与装置"(申请号 200710301423.7，公告号CN101182992A)公开了一种复色超分辨差动共焦显微测量方法。这些研究在提高共焦显微测量技术的空间分辨力方面取得了一 定的进展，但是在提高测量速度和扩大量程方面并没有取得进步。至于光轴方向扫描方式方面，在国际上日本基恩士 (Keyence) 公司生产的LT9000系列表面扫描激光共焦位移计采用图5所示的音 叉扫描方式。而德国蔡司(ZEISS)生产的LSM700系列共聚焦扫描显 微镜采用了压电陶瓷扫描方式。国内的天津大学的张国雄等人在音叉 扫描方式方面进行了研究。根据天津大学张国雄等人的分析，音叉在带动透镜运动时，物镜 焦点在垂直于测量方向上(即在垂直于光轴方向)的偏移量与音叉振 动量的大小量级相当，会造成测量误差。而压电陶瓷由于受各种条件 的限制，其位移量很小，达不到毫米量级，在共焦显微镜中带动物镜 在光轴方向运动，进行量程扩展，其扩展范围有限。目前具有高测量速度、大量程和高空间分辨力的光学显微测量技 术的报道，迄今为止尚未见到。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前显微测量中量程小、速度低、无法 测量台阶和大倾斜样品等问题，提出一种基于谐振梁共振原理进行快 速扫描和量程扩展。利用差动共焦传感器的响应曲线零点作为瞄准触 发点，通过高精密的位移传感器测量谐振梁振动位移，从而实现在光 轴方向的大量程快速扫描测量。本专利技术的目的是通过下述技术方案实 现的。本专利技术的基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，包括以下步骤1、 平行光透过偏振分光镜、1/4波片，经过物镜会聚到被测样品； 光线经过被测样品反射后，通过物镜、1/4波片和偏振分光镜进入差 动共焦瞄准触发系统；2、 谐振梁带动物镜在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应 曲线上的零点对应物镜聚焦在被测样品表面；3、 通过差动瞄准触发系统探测零点来测量与其对应的物镜的振 动位置，其值记为"；为瞄准点对应被测样品表面轮廓的高度值。本专利技术所述的测量方法还可以通过加入超分辨光学系统，用于提 高差动共焦瞄准触发系统的横向分辨力。超分辨光学系统可放置在偏振分光镜前面，也可放置在偏振分光镜与差动共焦瞄准触发系统之 间。被测样品为透明或半透明物体时，本专利技术所述测量方法中的物镜还可以聚焦到被测样品内表面；本专利技术还提供一种基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微 测量装置，包括光源，还包括偏振分光镜、1/4波片、物镜、谐振梁、 精密位移传感器和差动共焦瞄准触发系统；其中偏振分光镜、1/4波 片和物镜依次放在光源出射光线方向，差动共焦瞄准触发系统放置在 偏振分光镜反射方向；被测样品与偏振分光镜将光束反射至差动共焦 瞄准触发系统，谐振梁配合物镜、差动共焦瞄准触发系统和位移测量 系统实现被测样品外表面或内表面的形貌测量。还可以包括超分辨光学系统，用来提高差动共焦瞄准触发系统的 横向分辨力。超分辨光学系统可以放置在光源与偏振分光镜之间，也 可以放置在偏振分光镜与差动共焦瞄准触发系统之间。本专利技术对比已有技术具有以下显著优点1.首次提出利用利用谐振梁进行光轴方向的快速扫描和量程扩 展，由差动共焦响应曲线零点进行瞄准触发，结合位移传感器进行高 效率、高分辨力、大量程的显微测量；2、 与传统共焦显微测量技术相比，本显微测量技术具有绝对零 点，位于特性曲线灵敏度最大处且与显微系统焦点位置相对应，利 用"零点触发"式绝对跟踪测量，可抑制样品表面倾斜、粗糙特性 和系统非线性等对测量精度的影响；3、 基于绝对零点瞄准触发测量的"焦点瞄准触发测量方式"， 可使共焦显微系统工作在最小光斑状态，显著减小现有共焦显微系 统因离焦而引起的对本文档来自技高网...
【技术保护点】
基于谐振梁扫描的差动共焦瞄准触发式显微测量方法，其特征在于： ①平行光透过偏振分光镜（１）、１／４波片（２），经过物镜（３）会聚到被测样品（５）；光线经过被测样品（５）反射后，通过物镜（３）、１／４波片（２）和偏振分光镜（１）进入差动共焦瞄准触发系统（６）； ②谐振梁（４）带动物镜（３）在光轴方向做高速振动扫描，差动共焦响应曲线上的零点（２３）对应物镜（３）聚焦到被测样品（５）的表面； ③通过差动瞄准触发系统（６）探测零点（２３）来测量与其对应的物镜（３）的振动位置，其值记为ａ，为瞄准点对应被测样品（５）表面的高度值。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：赵维谦，郭俊杰，邱丽荣，沙定国，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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