专利名称：基于椭球反射照明共焦测量装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学显微测量领域，主要涉及一种用于微结构工业样品中三维微细结构表面形貌测量的超精密非接触测量装置。
背景技术：
共焦点扫描测量是微光学、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。包括差动共焦曲率半径测量方法与装置(公开号CN101526341)、共焦显微镜及用其测量高度的方法(公开号CN1392962)、复色超分辨差动共焦测量方法与装置(公开号CN101182992)等采用 传统透镜照明结构的共焦点扫描测量系统，其轴向分辨力及横向分辨力与物镜数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，分辨力越高。但是由于衍射极限的存在，以往的基于透镜结构的共焦扫描系统很难通过增大数值孔径在探测分辨力的提高上取得突破。采用反射照明结构的共焦测量系统可以较好地解决这个问题，如已经被提出一段时间并经过发展的抛物面反射系统采用抛物面反射镜反射平面探测光即可对置于其焦点上的待测物体进行大孔径照明，但是为减小载物台遮挡光源的遮挡比采用大孔径反射镜，在保证像差的基础上制作直径与其匹配的大口径平面波照明光源难度很高。
发明内容
为克服已有技术存在的共焦测量方法的轴向分辨力及横向分辨力受物镜数值孔径限制的不足，本发明提供了一种基于椭球反射照明共焦测量装置，利用椭球反射镜具有一对共轭焦点的特性，突破常规方案的探测光数值孔径，实现大数值孔径照明，使轴向分辨力和横向分辨力大幅提闻。本发明的目的是这样实现的一种基于椭球反射照明共焦测量装置包括激光器及依次配置在激光器直射光路上的准直扩束器、大数值孔径聚焦物镜、针孔、三维微位移载物台、聚焦物镜、探测针孔和探测器；在激光器直射光路上、位于聚焦物镜与探测针孔之间配置椭球反射镜，所述的椭球反射镜的远焦点和近焦点分别位于针孔上和放置在三维微位移载物台上的样品表面上。本发明以反射式共焦显微镜为基�。猛智蚍瓷渚荡右桓鼋沟惴⒊龅奶讲夤饩智蚓捣瓷浔鼐劢褂诹硪桓鼋沟愕奶匦裕蠓仍黾恿颂讲夤獾氖悼拙叮岣吡讼低车闹嵯蚍直媪昂嵯蚍直媪Γ比菀孜淦ヅ浣衔硐氲墓庠础�
图I是基于椭球反射照明共焦测量装置结构示意2是基于椭球反射照明共焦测量装置椭球反射镜点扩散函数分析坐标定义3是基于椭球反射照明共焦测量装置的横向响应曲线对比4是基于椭球反射照明共焦测量装置的轴向响应曲线对比图
图中件号说明1、激光器、2、准直扩束器、3、大数值孔径聚焦物镜、4、针孔、5、三维微位移载物台、6、椭球反射镜、7、聚焦物镜、8、探测针孔、9、探测器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施方式进行详细描述。一种基于椭球反射照明共焦测量装置包括激光器I及依次配置在激光器I直射光路上的准直扩束器2、大数值孔径聚焦物镜3、针孔4、三维微位移载物台5、聚焦物镜7、探测针孔8和探测器9 ;在激光器I直射光路上、位于聚焦物镜7与探测针孔8之间配置椭球反射镜6，所述的椭球反射镜6的远焦点位于针孔4位置，近焦点位于放置在三维微位移载物台5上的样品表面上。测量作业时
第一步，对被测样品进行照明。如图I所示，激光器I发射出平行探测光束，经准直扩束器2扩束后成为理想平面波，经过大数值孔径聚焦物镜3后聚焦至针孔4，通过后成为球面波经过椭球反射镜6反射聚焦于三维微位移载物台5上的样品表面实现大孔径照明。如图2所示，由于所述椭球反射镜6不同于传统透镜模型，则需要从光学衍射理论进行理论推导，对于椭球反射镜设椭球镜的空间几何方程为z2/a2+y2/b2+x2/b2 = I。其中a和b分别表示椭球镜的长轴和短轴，c表示1/2焦距。P1和P2是椭球的两个焦点，同时分别代表了探测系统中的照明点和被测点。在图2中椭球镜的实体部分S由实线绘制。在实际系统中S的顶部被设置为采集系统，所以椭球镜实体相当于S中的一部分环形体。如图IStl代表这个椭球体S代表椭球镜，为了准确地了解系统整体的性能。我们采用格林公式来分析椭球镜的聚焦特性并使用基尔霍夫衍射积分对其进行求解。其响应函数为
Ω I L rMPl 」L rMPl 」伽 J其中，O表示坐标原点；P1表示平面反射镜8所在的椭球远焦点，坐标为(Xl，Y1, Z1)；P1表示被测样品所在的椭球近焦点,坐标为(x2, y2, ζ2)；M表示P1到P2光线轨迹在椭球反射镜上的反射点；η表示M点处的椭球面单位法向量；rplM表示P1点到M点的距离；rW2表示M点到P2点的距离；Up2表示P2点处的光波函数；Um表示M点处的光波函数；S0表示椭球反射镜7所在的椭球；S表不椭球反射镜7 ；为了得到上式，我们认为P1, P2, M都位于封闭椭球体Stl中。边界条件为在实体S中Um = O、BUfJdn=Oo Ω代表P1周边的一个三维密闭空间。满足下列条件
权利要求
1.一种基于椭球反射照明共焦测量装置，包括激光器(I)及依次配置在激光器(I)直射光路上的准直扩束器(2)、大数值孔径聚焦物镜(3)、针孔(4)、三维微位移载物台(5)、聚焦物镜(7)、探测针孔(8)和探测器(9);其特征在于，在激光器(I)直射光路上、位于聚焦物镜(7)与探测针孔(8)之间配置椭球反射镜(6)，所述的椭球反射镜(6)的远焦点位于针孔(4)位置，近焦点位于放置在三维微位移载物台(5)上的样品表面位置。
全文摘要
基于椭球反射照明共焦测量装置属于光学显微技术；在激光器直射光路上依次配置准直扩束器、大数值孔径聚焦物镜、针孔、三维微位移载物台、聚焦物镜、探测针孔和探测器，在激光器直射光路上、位于聚焦物镜与探测针孔之间部位处配置椭球反射镜，所述的椭球反射镜的远焦点位于针孔上，近焦点位于放置在三维微位移载物台上的样品表面上；本装置克服了传统共焦测量技术轴向分辨力受物镜数值孔径限制的不足，可以实现大数值孔径的照明，从而大幅度提高了系统的横向分辨力及轴向分辨力。
文档编号G01B11/30GK102818521SQ20121024437
公开日2012年12月12日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者刘俭, 谭久彬, 谭欣然 申请人:哈尔滨工业大学
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