專(zhuān)利名稱(chēng)：瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置與方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于超精密三維微細(xì)結(jié)構(gòu)表面形貌測(cè)量領(lǐng)域，主要涉及一種瞬間移相 干涉二次共焦測(cè)量裝置與方法。
背景技術(shù)：
共焦測(cè)量技術(shù)最早是由M. Minsky于1957年提出，并于1961年獲得了美國(guó) 專(zhuān)利，專(zhuān)利號(hào)US 3013467，其基本技術(shù)思想是通過(guò)引入針孔探測(cè)器抑制雜散光， 實(shí)現(xiàn)軸向?qū)游瞿芰?，同時(shí)共焦顯微鏡的橫向分辨力是普通顯微鏡的1.4倍。經(jīng)過(guò) 近五十年的發(fā)展，共焦顯微技術(shù)在基本共焦的基礎(chǔ)上取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和進(jìn)步， 各種不同類(lèi)型的共焦顯微裝置和技術(shù)不斷涌現(xiàn)，目前，共焦顯微測(cè)量技術(shù)已經(jīng)廣 泛應(yīng)用于微光學(xué)、微電子、微機(jī)械、材料、生命科學(xué)、表面科學(xué)、納米蝕刻，尤 其是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，共焦顯微術(shù)顯示出其巨大的應(yīng)用前景。
基于位移一強(qiáng)度變化關(guān)系的共焦測(cè)量方法，存在易受測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度易受測(cè) 量表面反射率差異和測(cè)量工件傾斜和曲面輪廓變化影響的不足，這種影響直接導(dǎo) 致巳經(jīng)標(biāo)定的信號(hào)強(qiáng)度和位移輸出關(guān)系曲線(xiàn)變化，因此會(huì)帶來(lái)較大的測(cè)量誤差， 這種測(cè)量原理缺陷約束了共焦測(cè)量技術(shù)在表面反射率變化較大和曲面輪廓測(cè)量 中的應(yīng)用；基于移相干涉的共焦測(cè)量方法的本質(zhì)是將位移變化轉(zhuǎn)換成位相變化實(shí) 現(xiàn)微結(jié)構(gòu)和微位移測(cè)量，這類(lèi)測(cè)量技術(shù)很好地解決了測(cè)量表面反射率和表面傾斜 對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響問(wèn)題，但是由于位相測(cè)量值求解具有周期性，因此這類(lèi)測(cè)量方 法不能直接用于臺(tái)階高度測(cè)量，只能獲得相對(duì)位移變化，也不能直接用于絕對(duì)位 移測(cè)量。
時(shí)間移相干涉二次共焦測(cè)量技術(shù)(參見(jiàn)發(fā)明專(zhuān)利基于移相干涉的二次共焦 測(cè)量方法與裝置；專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)CN 101275822A;專(zhuān)利
公開(kāi)日2008年10月1 日)為已公開(kāi)技術(shù)，其裝置結(jié)構(gòu)包括激光器、聚焦物鏡、照明針孔、擴(kuò)束準(zhǔn)直 物鏡、偏振分光鏡、四分之一波片、普通分光鏡、平面反射鏡、第一微驅(qū)動(dòng)器、 探測(cè)聚焦物鏡、第二微驅(qū)動(dòng)器、收集物鏡、探測(cè)針孔和光電探測(cè)器。本發(fā)明將時(shí)
3間移相干涉二次共焦測(cè)量技術(shù)視為已知技術(shù)。
時(shí)間移相干涉二次共焦測(cè)量技術(shù)，利用共焦點(diǎn)探測(cè)器的軸向?qū)游鲎饔?，通過(guò) 兩次移相干涉獲得兩種共焦?fàn)顟B(tài)下的相位信息，從而實(shí)現(xiàn)離焦位移的解算；四步 時(shí)間移相干涉二次共焦測(cè)量技術(shù)存在兩大缺點(diǎn)首先由于四幅干涉圖是在同一位 置不同時(shí)刻獲得的，使得時(shí)間移相干涉方法只適于靜態(tài)測(cè)量，且環(huán)境振動(dòng)和空氣 擾動(dòng)嚴(yán)重影響高精度干涉條紋的獲得；其次四步時(shí)間移相通過(guò)PZT微位移驅(qū)動(dòng) 來(lái)實(shí)現(xiàn)，難以消除機(jī)械移相誤差，這同樣制約超精密測(cè)量精度的提高。
同步移相干涉測(cè)量技術(shù)的基本原理是在同一時(shí)刻、不同空間位置采集相互之 間具有一定移相步長(zhǎng)的干涉圖。由于振動(dòng)在相同時(shí)刻對(duì)干涉圖的影響是相同的， 如采用高速、高分辨率的采集設(shè)備，則基于一般移相算法的相減相除的規(guī)則，可 以從根本上避免環(huán)境振動(dòng)和空氣擾動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。
基于'分光鏡分光一偏振移相'原理的同步移相模塊由Piotr Szwaykowski 等人于2004年申請(qǐng)了美國(guó)專(zhuān)利(參見(jiàn)專(zhuān)利Simultaneous phase shifting module for use in interferometry;專(zhuān)利號(hào)US 7483145)。該同步移相模塊結(jié)構(gòu)包括非偏分 振幅分光鏡、快軸方向與水平方向都成45°角的三個(gè)四分之一波片、通光方向與 水平方向分別成0°、 45°和卯°角的三個(gè)偏振片以及三個(gè)相同的干涉圖采集相機(jī)。 該專(zhuān)利技術(shù)己經(jīng)商品化應(yīng)用于ESDI公司Intellium H2000系列Fizeau型同步干 涉儀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有時(shí)間移相干涉共焦測(cè)量技術(shù)中環(huán)境振動(dòng)和空氣擾 動(dòng)以及機(jī)械移相誤差對(duì)二次移相干涉共焦超精密測(cè)量的影響，設(shè)計(jì)提供一種瞬間 移相干涉二次共焦測(cè)量裝置與方法。
本發(fā)明的技術(shù)方案如下
一種瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置與方法
所述裝置包括激光器、聚焦物鏡、照明針孔、擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡、偏振分光鏡、 第一四分之一波片、平面反射鏡、探測(cè)聚焦物鏡、微驅(qū)動(dòng)器以及由第一收集物鏡、 第一探測(cè)針孔和第一光電探測(cè)器組成的第一干涉信號(hào)接收裝置，所述裝置還包 括二分之一波片、第二四分之一波片、同步移相模塊、由第二收集物鏡、第二探測(cè)針孔和第二光電探測(cè)器組成的第二干涉信號(hào)接收裝置、由第三收集物鏡、第 三探測(cè)針孔和第三光電探測(cè)器組成的第三干涉信號(hào)接收裝置；其中，二分之一波 片置于擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡和偏振分光鏡之間，第一四分之一波片置于偏振分光鏡和平 面反射鏡之間，第二四分之一波片置于偏振分光鏡和探測(cè)聚焦物鏡之間；第一收 集物鏡、第二收集物鏡和第三收集物鏡相同，第一探測(cè)針孔、第二探測(cè)針孔和第 三探測(cè)針孔相同，第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器相同；第 二四分之一波片與第一四分之一波片放置的快軸方向相同。
所述方法包括步驟
1) 探測(cè)聚焦物鏡固定，在第一種共焦?fàn)顟B(tài)下，控制第一光電探測(cè)器、第二 光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器同步采集輸出，利用三步移相算法得到測(cè) 量光相對(duì)于參考光的相位；
2) 微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)探測(cè)聚焦物鏡產(chǎn)生微小位移量，形成第二種共焦?fàn)顟B(tài)，控 制第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器同步采集輸出， 利用三步移相算法再次計(jì)算測(cè)量光相對(duì)于參考光的相位；
3) 測(cè)量參考面復(fù)位，第一共焦?fàn)顟B(tài)測(cè)量點(diǎn)離焦位移解算，修正二次共焦引 入的復(fù)位誤差。
本發(fā)明的有益效果在于保留了移相干涉二次共焦技術(shù)'強(qiáng)度一相位一位移' 轉(zhuǎn)換測(cè)量原理，融合移相二次共焦與同步移相干涉技術(shù)的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)超精 密微細(xì)結(jié)構(gòu)的高速動(dòng)態(tài)測(cè)量，且具有很強(qiáng)的抗振動(dòng)能力，同時(shí)利用偏振移相方法 降低了機(jī)械移相誤差。


圖1是本發(fā)明所述瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是已有同步移相模塊結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)激光器2聚焦物鏡3照明針孔4擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡5二分之一 波片6偏振分光鏡7第一四分之一波片8平面反射鏡9第二四分之一波片 IO探測(cè)聚焦物鏡ll微驅(qū)動(dòng)器12同步移相模塊13第一收集物鏡14第二 收集物鏡15第三收集物鏡16第一探測(cè)針孔17第二探測(cè)針孔18第三探測(cè) 針孔19第一光電探測(cè)器20第二光電探測(cè)器21第三光電探測(cè)器22非偏分振幅分光鏡23第三四分之一波片24第四四分之一波片25第五四分之一波 片26第一偏振片27第二偏振片28第三偏振片
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)描述。
如圖1所示，瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置包括激光器l、聚焦物鏡2、
照明針孔3、擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡4、 二分之一波片5、偏振分光鏡6、第一四分之一波 片7、平面反射鏡8、第二四分之一波片9、探測(cè)聚焦物鏡IO、微驅(qū)動(dòng)器ll、同 步移相模塊12、第一收集物鏡13、第二收集物鏡14、第三收集物鏡15、第一探 測(cè)針孔16、第二探測(cè)針孔17、第三探測(cè)針孔18、第一光電探測(cè)器19、第二光電 探測(cè)器20、第三光電探測(cè)器21;其中，第一四分之一波片7和第二四分之一波 片9的快軸方向與水平方向都成45°角；第一收集物鏡13、第二收集物鏡14和 第三收集物鏡15相同，第一探測(cè)針孔16、第二探測(cè)針孔17和第三探測(cè)針孔18 相同，第一光電探測(cè)器19、第二光電探測(cè)器20和第三光電探測(cè)器21相同；第 一收集物鏡13、第一探測(cè)針孔16和第一光電探測(cè)器19組成第一干涉信號(hào)接收 裝置，第二收集物鏡14、第二探測(cè)針孔17和第二光電探測(cè)器20組成第二干涉 信號(hào)接收裝置，第三收集物鏡15、第三探測(cè)針孔18和第三光電探測(cè)器21組成 第三干涉信號(hào)接收裝置。
如圖2所示，美國(guó)專(zhuān)利技術(shù)同步移相模塊結(jié)構(gòu)包括非偏分振幅分光鏡22、 第三四分之一波片23、第四四分之一波片24、第五四分之一波片25、第一偏振 片26、第二偏振片27和第三偏振片28;其中，第三四分之一波片23、第四四 分之一波片24和第五四分之一波片25的快軸方向與水平方向都成45°角；第一 偏振片26的通光方向與水平方向成(T角，第二偏振片27的通光方向與水平方向 成45°角以及第三偏振片28的通光方向與水平方向成90°角。
瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置工作原理激光器1發(fā)出線(xiàn)偏振光，經(jīng)聚焦 物鏡2、照明針孔3、擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡4后成為近似理想平面波，后經(jīng)二分之一波 片5調(diào)整線(xiàn)偏振光偏振方向，由偏振分光鏡6分成振動(dòng)方向相互垂直、能量近似 相等的兩束線(xiàn)偏振光；第一束透射光經(jīng)第一四分之一波片7和平面反射鏡8反射 再次經(jīng)過(guò)第一四分之一波片7后，水平偏振變垂直偏振再經(jīng)偏振分光鏡6反射形 成參考光束，第二束反射光束經(jīng)第二四分之一波片9和探測(cè)聚焦物鏡10再由測(cè) 量表面反射，反向經(jīng)過(guò)探測(cè)聚焦物鏡10以及第二四分之一波片9后垂直偏振變水平偏振再經(jīng)偏振分光鏡6透射形成測(cè)量光束；兩偏振方向相互垂直的共光路參 考、測(cè)量線(xiàn)偏振光束，由同步移相模塊12分成三路，各自經(jīng)過(guò)第三、第四和第 五四分之一波片23、 24和25后變成旋向相反的圓偏振光，再經(jīng)過(guò)通光方向與水 平方向成(T角的偏振片26形成的干涉條紋移相0°，經(jīng)過(guò)通光方向與水平方向成 45°角的偏振片27形成的干涉條紋移相90°，經(jīng)過(guò)通光方向與水平方向成卯°角的 偏振片28形成的干涉條紋移相180°,在空間不同位置、同一時(shí)刻得到三幅位相 依次相差90。的干涉圖，經(jīng)第一、第二和第三收集物鏡13、 14和15分別會(huì)聚， 經(jīng)第一、第二和第三探測(cè)針孔16、 17和18及相應(yīng)的第一、第二和第三光電探測(cè) 器19、 20和21進(jìn)行點(diǎn)探測(cè)瞬間同步采集輸出；微驅(qū)動(dòng)器11用于驅(qū)動(dòng)探測(cè)聚焦 物鏡10實(shí)現(xiàn)二次共焦?fàn)顟B(tài)測(cè)量。
瞬間移相干涉二次共焦微位移測(cè)量步驟
1)第一種共焦?fàn)顟B(tài)下同步移相相位解算
定義a,為'分光鏡分光一偏振移相'模塊在干涉圖之間引入的移相量，/表 示移相狀態(tài)序號(hào)，給出a,-O， 《2="/2， 《3="三種移相狀態(tài)。在三種移相狀
態(tài)下，點(diǎn)探測(cè)器輸出光強(qiáng)響應(yīng)分別如下
= /B (r" M") + /A (r, ， w") cos, (r,, Az")] < /2 =/B— ，w")sinW"(r,，Az")] (1)
73 = A (rp "") — 7a (r, ，"" )cos(r, ， )]
其中，/,、 /2、 /3為第一種共焦?fàn)顟B(tài)下，與三種移相狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的點(diǎn)探測(cè)器強(qiáng)度 輸出；/,(r,，M")和/e(r,，w")與參考光和測(cè)量光振幅、測(cè)量點(diǎn)振幅反射率、光電探 測(cè)器光強(qiáng)響應(yīng)變化有關(guān)；n表示掃描測(cè)量點(diǎn)序號(hào)，-"(r,，Az")表示第"個(gè)掃描測(cè)量 點(diǎn)，在第一種共焦?fàn)顟B(tài)下，測(cè)量光相對(duì)于參考光的相位；Az表示測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于 探測(cè)聚焦物鏡焦面(測(cè)量參考面)的離焦位移；""為對(duì)應(yīng)于A(yíng)z"的軸向無(wú)量綱光 學(xué)坐標(biāo)；r,為被測(cè)物面徑向真實(shí)坐標(biāo)。
求解式(1)，得到第"個(gè)掃描測(cè)量點(diǎn)，在第一共焦?fàn)顟B(tài)下測(cè)量光相對(duì)于參考 光的相位
< (r' ， Az") = /g-1 [(/, + /3 - 2/2) /(/-/3 )〗 (2 )
2)第二種共焦?fàn)顟B(tài)下同步移相相位解算
利用第二微驅(qū)動(dòng)器11驅(qū)動(dòng)探測(cè)聚焦物鏡10，改變測(cè)量點(diǎn)相對(duì)于測(cè)量物鏡10焦面的位置關(guān)系，產(chǎn)生第二種共焦?fàn)顟B(tài)。在第二種共焦?fàn)顟B(tài)下，第"個(gè)掃描測(cè)量 點(diǎn)測(cè)量光相對(duì)于參考光的相位,-血(r,，Az"土,)， "±"表示操作者對(duì)位移方向正
方向的定義，取+或-不影響測(cè)量結(jié)果的值。
重復(fù)1)的移相干涉過(guò)程，并根據(jù)式(2)得第二種共焦?fàn)顟B(tài)下，測(cè)量光相 對(duì)于參考光的相位(r,, Az" ± ,):
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，/、、 /'2、 /'3為第二種共焦?fàn)顟B(tài)下，與三種移相狀態(tài)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)探測(cè)器的強(qiáng)
度輸出；s^表示第二微驅(qū)動(dòng)器11驅(qū)動(dòng)探測(cè)聚焦物鏡10的位移量，限定 0^,</1/4，且有
3)測(cè)量參考面復(fù)位
探測(cè)聚焦物鏡的焦面是測(cè)量參考面，第二微驅(qū)動(dòng)器11驅(qū)動(dòng)探測(cè)聚焦物鏡10
產(chǎn)生測(cè)量參考面移動(dòng)，因此需要將測(cè)量參考面復(fù)位。復(fù)位狀態(tài)下，第"個(gè)掃描測(cè) 量點(diǎn)測(cè)量光相對(duì)于參考光的相位/—re(rpAz" ±一6，重復(fù)1 )的移相干涉過(guò)程，
由式(2)得到
<formula>formula see original document page 8</formula>其中，/",、 /"2、 /"3為復(fù)位狀態(tài)下，與三種移相狀態(tài)對(duì)應(yīng)的點(diǎn)探測(cè)器的強(qiáng)度輸
出；"±"表示操作者對(duì)位移方向正方向的定義；s"表示第二微驅(qū)動(dòng)器11驅(qū)動(dòng)探 測(cè)聚焦物鏡10的復(fù)位位移移動(dòng)量，限定0《,<々4，且有
<formula>formula see original document page 8</formula>(7)
4)第一共焦?fàn)顟B(tài)測(cè)量點(diǎn)離焦位移求解 求解關(guān)聯(lián)方程
8<formula>formula see original document page 9</formula>
/l為照明波長(zhǎng)；NA為探測(cè)聚焦物鏡10數(shù)值孔徑。
通過(guò)合理求解方程(8)，得第n個(gè)測(cè)量點(diǎn)無(wú)量綱軸向光學(xué)坐標(biāo)位置""，進(jìn) 而得離焦位移Az"。
5)修正二次共焦引入的復(fù)位誤差
考慮到第《個(gè)測(cè)量點(diǎn)和第w+l個(gè)測(cè)量點(diǎn)參考平面的一致性問(wèn)題，需要修正探 測(cè)聚焦物鏡10復(fù)位引入的復(fù)位誤差。利用式(7)修正4)中Az"求解結(jié)果-
<formula>formula see original document page 9</formula>
權(quán)利要求
1. 一種瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置，包括激光器(1)、聚焦物鏡(2)、照明針孔(3)、擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡(4)、偏振分光鏡(6)、第一四分之一波片(7)、平面反射鏡(8)、探測(cè)聚焦物鏡(10)、微驅(qū)動(dòng)器(11)以及由第一收集物鏡(13)、第一探測(cè)針孔(16)和第一光電探測(cè)器(19)組成的第一干涉信號(hào)接收裝置；其特征在于，所述裝置還包括二分之一波片(5)、第二四分之一波片(9)、同步移相模塊(12)、由第二收集物鏡(14)、第二探測(cè)針孔(17)和第二光電探測(cè)器(20)組成的第二干涉信號(hào)接收裝置、由第三收集物鏡(15)、第三探測(cè)針孔(18)和第三光電探測(cè)器(21)組成的第三干涉信號(hào)接收裝置；其中，二分之一波片(5)置于擴(kuò)束準(zhǔn)直物鏡(4)和偏振分光鏡(6)之間，第一四分之一波片(7)置于偏振分光鏡(6)和平面反射鏡(8)之間，第二四分之一波片(9)置于偏振分光鏡(6)和探測(cè)聚焦物鏡(10)之間；第一收集物鏡(13)、第二收集物鏡(14)和第三收集物鏡(15)相同，第一探測(cè)針孔(16)、第二探測(cè)針孔(17)和第三探測(cè)針孔(18)相同，第一光電探測(cè)器(19)、第二光電探測(cè)器(20)和第三光電探測(cè)器(21)相同；第二四分之一波片(9)與第一四分之一波片(7)放置的快軸方向相同。
2. —種瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量方法，其特征在于，所述方法包括步驟1) 探測(cè)聚焦物鏡固定，在第一種共焦?fàn)顟B(tài)下，控制第一光電探測(cè)器、第二 光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器同步采集輸出，利用三步移相算法得到測(cè) 量光相對(duì)于參考光的相位；2) 微驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)探測(cè)聚焦物鏡產(chǎn)生微小位移量，形成第二種共焦?fàn)顟B(tài)，控 制第一光電探測(cè)器、第二光電探測(cè)器和第三光電探測(cè)器同步采集輸出， 利用三步移相算法再次計(jì)算測(cè)量光相對(duì)于參考光的相位；3) 測(cè)量參考面復(fù)位，第一共焦?fàn)顟B(tài)測(cè)量點(diǎn)離焦位移解算，修正二次共焦引 入的復(fù)位誤差。
全文摘要
瞬間移相干涉二次共焦測(cè)量裝置與方法屬于超精密三維微細(xì)結(jié)構(gòu)表面形貌測(cè)量領(lǐng)域；其裝置包括同步移相模塊，在該模塊三側(cè)分別配置完全相同的由收集物鏡、探測(cè)針孔和光電探測(cè)器組成的干涉信號(hào)接收裝置；在第一和第二兩種共焦測(cè)量狀態(tài)下，控制三路干涉信號(hào)接收裝置同步采集輸出信號(hào)，利用三步移相算法完成共焦微位移解算；本發(fā)明融合移相二次共焦與同步移相技術(shù)各自特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)超精密高速動(dòng)態(tài)測(cè)量，具有強(qiáng)抗振動(dòng)能力和低移相誤差的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK101520305SQ20091007166
公開(kāi)日2009年9月2日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者儉 劉, 濤 劉, 王偉波, 譚久彬, 趙晨光 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)