专利名称：移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法
技术领域：
本发明属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域，主要涉及一种移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法。
背景技术：
共焦测量技术最早是由M.Minsky于1957年提出，并于1961年获得了美国专利，专利号US 3013467，其基本技术思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，实现轴向层析能力，同时共焦显微镜的横向分辨力是普通显微镜的1.4倍。经过近五十年的发展，共焦显微术在基本共焦的基础上取得了长足的发展和进步，各种不同类型的共焦显微装置和技术不断涌现，目前，共焦显微测量技术已经广泛应用于微光学、微电子、微机械、材料、生命科学、表面科学、纳米蚀刻，尤其是在生物医学领域，共焦显微术显示出其巨大的应用前景。
基于位移—强度变化关系的共焦测量方法，存在测量光信号强度易受测量表面反射率差异和测量工件倾斜和曲面轮廓变化影响的不足，这种影响直接导致已经标定的信号强度和位移输出关系曲线变化，因此会带来较大的测量误差，这种测量原理缺陷约束了共焦测量技术在表面反射率变化较大和曲面轮廓测量中的应用；基于移相干涉的共焦测量方法的本质是将位移变化转换成位相变化实现微结构和微位移测量，这类测量技术很好地解决了测量表面反射率和表面倾斜对测量结果的影响问题，但是由于位相测量值求解具有周期性，因此这类测量方法不能直接用于台阶高度测量，只能获得相对位移变化，也不能直接用于绝对位移测量。
移相干涉二次共焦测量技术(参见发明专利基于移相干涉的二次共焦测量方法与装置；专利公开号CN 101275822A；专利
公开日2008年10月1日)为已公开技术，其装置结构包括激光器、聚焦物镜、照明针孔、扩束准直物镜、偏振分光镜、四分之一波片、普通分光镜、平面反射镜、第一微驱动器、探测聚焦物镜、第二微驱动器、收集物镜、探测针孔和光电探测器。本发明将移相干涉二次共焦测量技术视为已知技术。移相干涉二次共焦测量技术，利用共焦点探测器的轴向层析作用，通过移相干涉获得两种共焦状态下的相位信息，从而实现离焦位移的解算，共焦针孔在实际测量中发挥着至关重要的作用，直接导致轴向层析能力的形成，在移相干涉二次共焦测量系统实际装调测量中，共焦探测针孔的调试存在许多困难，几到十几个微米的针孔可能因发生倾斜、离轴、离焦等造成点探测误差，本发明利用显微物镜和CCD相机的组合来代替移相干涉二次共焦测量技术中由实际探测针孔和光电探测器组成的点探测装置，本发明把显微物镜和CCD相机的组合称为软针孔探测，相应地把实际共焦探测针孔称为硬针孔。
共焦成像系统虚拟针孔技术(参见发明专利采用虚拟针孔的共焦显微成像系统；专利公开号CN 1971333A；专利
公开日2007年5月30日)为已公开技术。本发明在移相干涉二次共焦测量装置中引入虚拟针孔的基本思想，然后进一步发展形成了更加精细、更高精度的软针孔探测技术，本发明将共焦显微成像系统中的虚拟针孔技术视为已知技术。本发明软针孔探测与虚拟针孔的区别在于硬件上，在CCD对收集物镜焦平面成像之前，加入不同放大倍数的显微物镜，由于实际共焦探测针孔为微米量级与CCD像素尺寸相当，如果直接探测，虚拟针孔包含的像素数将十分有限，且CCD像面上虚拟针孔对应的像素区域不易固定及跟踪，最终产生探测误差，加入显微放大后，将有效提高探测精度且易于装调；软件上，形成了精细的软针孔探测步骤也区别于共焦成像系统虚拟针孔技术中的虚拟针孔的操作步骤。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，设计提供一种移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法。
本发明的技术方案如下 一种移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法 所述装置包括激光器、聚焦物镜、照明针孔、扩束准直物镜、偏振分光镜、四分之一波片、普通分光镜、平面反射镜、第一微驱动器、探测聚焦物镜、第二微驱动器、收集物镜，所述装置还包括显微物镜和CCD相机，调整显微物镜和CCD相机使其位于对收集物镜会聚准焦面处横向光斑成清晰放大像位置，由显微物镜和CCD相机组成软针孔探测装置。
所述方法包括步骤 1)移走被测表面，由平面反射镜、分光镜反射回来的平行光束经收集物镜直接聚焦； 2)移动显微物镜和CCD相机使其对收集物镜焦平面附近处从近离焦到远离焦连续等间隔采集7幅横向光斑，提取归一化光斑分布图，与理想爱里斑光强分布进行比较，分析判断得出收集物镜准焦面的位置，精确驱动显微物镜与CCD相机的组合使其对该准焦面处横向光斑成清晰放大像； 3)确定CCD像面上爱里斑的中心点位置，标记此像素点的几何中心为P点，作为圆形或方形软针孔的中心点，建立直角坐标系；①建立圆形软针孔利用RP＝βd/2，作为圆形软针孔半径，其中β为显微物镜横向放大倍数，d为应选共焦探测针孔直径尺寸，由(P，RP)确定了CCD像面上一圆形像素区域，在圆形区域边界处，被覆盖面积在一半及以上的像素计入该区域，在被覆盖面积在一半以下的像素不计入该区域，边界处理完毕后，得到所需的圆形软针孔；②建立方形软针孔利用DP＝βd，作为方形软针孔边长，由(P，DP)确定了CCD像面上一方形像素区域，在方形区域边界处，被覆盖面积在一半及以上的像素计入该区域，在被覆盖面积在一半以下的像素不计入该区域，边界处理完毕后，得到所需的方形软针孔，标记并锁定CCD像面上软针孔所包含的特定像素区域，把软针孔内全部像素强度累加求和的结果作为后续移相干涉二次共焦点探测输出； 4)加入被测表面，按照四步时间移相干涉二次共焦测量步骤进行①第一种共焦状态下四步时间移相相位解算；②第二种共焦状态下四步时间移相相位解算；③测量参考面复位；④第一共焦状态测量点离焦位移求解；⑤修正二次共焦引入的复位误差。
本发明的有益效果在于利用显微物镜与CCD相机组成的软针孔探测代替现有移相干涉二次共焦测量装置中的实际针孔和光电探测器组成的点探测，可获得灵活的等效针孔尺寸，降低了实际共焦针孔的装调难度，提高了移相干涉二次共焦点探测精度。
附图是本发明所述移相干涉二次共焦软针孔探测装置结构示意图。
图中1 激光器 2 聚焦物镜 3 照明针孔 4 扩束准直物镜 5 偏振分光镜 6 四分之一波片 7 普通分光镜 8 平面反射镜 9 第一微驱动器 10 探测聚焦物镜 11 第二微驱动器 12 收集物镜 13 显微物镜 14 CCD相机
具体实施例方式 下面结合附图对本发明实施方案进行详细描述。
移相干涉二次共焦软针孔探测装置包括激光器1、聚焦物镜2、照明针孔3、扩束准直物镜4、偏振分光镜5、四分之一波片6、普通分光镜7、平面反射镜8、第一微驱动器9、探测聚焦物镜10、第二微驱动器11、收集物镜12，所述装置还包括显微物镜13和CCD相机14，调整显微物镜13和CCD相机14使其位于对收集物镜12会聚准焦面处横向光斑成清晰放大像位置，由显微物镜13和CCD相机14组成软针孔探测装置。
工作原理激光器1发出线偏振光，经聚焦物镜2、照明针孔3、扩束准直物镜4后成为近似理想平面波，再经偏振分光镜5和四分之一波片6之后成为圆偏振光，由分光镜7分为两路；第一路光束经分光镜7透射、平面反射镜8反射，再经分光镜7反射成为参考光束，第二路光束经分光镜7反射、探测聚焦物镜10会聚、测量表面反射，反向经过探测聚焦物镜10，再经分光镜7透射成为测量光束，两路旋向相同的参考和测量圆偏振光相遇干涉，由收集物镜12会聚；调整显微物镜13和CCD相机14使其对收集物镜12准焦面处横向光斑成清晰放大像，显微物镜13和CCD相机14的组合形成软针孔探测；第一微驱动器9用于驱动平面反射镜8改变参考光和测量光的相位差，实现四步时间移相干涉，第二微驱动器11用于驱动探测聚焦物镜10实现二次共焦状态测量，探测聚焦物镜10初始状态对应第一次共焦状态测量。
具体微位移测量步骤 第一步定位并锁定探测软针孔 1)移走被测表面，由平面反射镜8、分光镜7反射回来的平行光束经收集物镜12直接聚焦； 2)移动显微物镜13和CCD相机14使其对收集物镜焦平面附近处从近离焦到远离焦连续等间隔采集7幅横向光斑，提取归一化光斑分布图，与理想爱里斑光强分布进行比较，分析判断得出收集物镜准焦面的位置，精确驱动显微物镜13与CCD相机14的组合使其对该准焦面处横向光斑成清晰放大像； 3)确定CCD像面上爱里斑的中心点位置，标记此像素点的几何中心为P点，作为圆形或方形软针孔的中心点，建立直角坐标系；①建立圆形软针孔利用RP＝βd/2，作为圆形软针孔半径，其中β为显微物镜横向放大倍数，d为应选共焦探测针孔直径尺寸，由(P，RP)确定了CCD像面上一圆形像素区域，在圆形区域边界处，被覆盖面积在一半及以上的像素计入该区域，在被覆盖面积在一半以下的像素不计入该区域，边界处理完毕后，得到所需的圆形软针孔；②建立方形软针孔利用DP＝βd，作为方形软针孔边长，由(P，DP)确定了CCD像面上一方形像素区域，在方形区域边界处，被覆盖面积在一半及以上的像素计入该区域，在被覆盖面积在一半以下的像素不计入该区域，边界处理完毕后，得到所需的方形软针孔； 4)标记并锁定CCD像面上软针孔所包含的特定像素区域，把软针孔内全部像素强度累加求和的结果作为后续移相干涉二次共焦点探测输出。
第二步放入被测表面或样品进行四步时间移相干涉二次共焦测量 1)第一种共焦状态下四步时间移相相位解算 定义α1为第一微驱动器9用于驱动反射镜8改变参考光和测量光的相位差，i表示移相状态序号；利用第一微驱动器9驱动反射镜8，分别给出α1＝0，α2＝π/2，α3＝π，α4＝3π/2的四种移相状态。在四种移相状态下，按照第一步所述方法确定的软针孔，其等效点探测输出响应分别如下 其中，I1、I2、I3、I4为第一种共焦状态下，与四种移相状态相对应的软针孔探测输出响应；IA(r1，un)和IB(r1，un)与参考光和测量光振幅、测量点振幅反射率等有关；n表示扫描测量点序号，φn(r1，Δzn)表示第n个扫描测量点，在第一种共焦状态下，测量光相对于参考光的相位；Δz表示测量点相对于探测聚焦物镜焦面(测量参考面)的离焦位移；un为对应于Δzn的轴向无量纲光学坐标；r1为被测物面径向真实坐标。
求解式(1)，得到第n个扫描测量点，在第一共焦状态下测量光相对于参考光的相位 φn(r1，Δzn)＝tg-1[(I4-I2)/(I3-I1)] (2) 2)第二种共焦状态下四步时间移相相位解算 利用第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10，改变测量点相对于测量物镜10焦面的位置关系，产生第二种共焦状态。在第二种共焦状态下，第n个扫描测量点测量光相对于参考光的相位φn-de(r1，Δzn±εde)，“±”表示操作者对位移方向正方向的定义，取+或-不影响测量结果的值。
重复1)的移相干涉过程，并由式(2)得第二种共焦状态下，测量光相对于参考光的相位φn-de(r1，Δzn±εde) φn-de(r1，Δzn±εde)＝tg-1[(I′4-I′2)/(I′3-I′1)] (3) 其中，I′1、I′2、I′3、I′4为第二种共焦状态下，与四种移相状态对应的软针孔探测输出响应；εde表示第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10的位移量，限定0≤εdeλ/4，且有 3)测量参考面复位 探测聚焦物镜的焦面是测量参考面，第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10产生测量参考面移动，因此需要将测量参考面复位。复位状态下，第n个扫描测量点测量光相对于参考光的相位φn-re(r1，Δzn±εde
εre)，重复1)的移相干涉过程，由式(2)得到
) 其中，I＂1、I＂2、I＂3、I＂4为复位状态下，与四种移相状态对应的软针孔探测输出响应；“±”表示操作者对位移方向正方向的定义；εre表示第二微驱动器11驱动探测聚焦物镜10的复位位移量，限定0≤εre<λ/4，且有 参考面复位误差 Δεn＝εre-εde (7) 4)第一共焦状态测量点离焦位移求解 求解关联方程 其中， λ为照明激光波长；NA为探测聚焦物镜10的数值孔径。
通过合理求解方程(8)，得第n个测量点无量纲轴向光学坐标位置un，进而得离焦位移Δzn。
5)修正二次共焦引入的复位误差 考虑到第n个测量点和第n+1个测量点参考平面的一致性问题，需要修正探测聚焦物镜10复位引入的复位误差。利用式(7)修正4)中Δzn求解结果 Δzn＝Δzn-Δεn-1 (9)。
权利要求
1.一种移相干涉二次共焦软针孔探测装置，包括激光器(1)、聚焦物镜(2)、照明针孔(3)、扩束准直物镜(4)、偏振分光镜(5)、四分之一波片(6)、普通分光镜(7)、平面反射镜(8)、第一微驱动器(9)、探测聚焦物镜(10)、第二微驱动器(11)、收集物镜(12)；其特征在于，所述装置还包括显微物镜(13)和CCD相机(14)，调整显微物镜(13)和CCD相机(14)使其位于对收集物镜(12)会聚准焦面处横向光斑成清晰放大像位置，由显微物镜(13)和CCD相机(14)组成软针孔探测装置。
2.一种移相干涉二次共焦软针孔探测方法，其特征在于，所述方法包括步骤
1)移走被测表面，由平面反射镜、分光镜反射回来的平行光束经收集物镜直接聚焦；
2)移动显微物镜和CCD相机使其对收集物镜焦平面附近处从近离焦到远离焦连续等间隔采集7幅横向光斑，提取归一化光斑分布图，与理想爱里斑光强分布进行比较，分析判断得出收集物镜准焦面的位置，精确驱动显微物镜与CCD相机的组合使其对该准焦面处横向光斑成清晰放大像；
3)确定CCD像面上爱里斑的中心点位置，标记此像素点的几何中心为P点，作为圆形或方形软针孔的中心点，建立直角坐标系；①建立圆形软针孔利用RP＝βd/2，作为圆形软针孔半径，其中β为显微物镜横向放大倍数，d为应选共焦探测针孔直径尺寸，由(P，RP)确定了CCD像面上一圆形像素区域，在圆形区域边界处，被覆盖面积在一半及以上的像素计入该区域，在被覆盖面积在一半以下的像素不计入该区域，边界处理完毕后，得到所需的圆形软针孔；②建立方形软针孔利用DP＝βd，作为方形软针孔边长，由(P，DP)确定了CCD像面上一方形像素区域，在方形区域边界处，被覆盖面积在一半及以上的像素计入该区域，在被覆盖面积在一半以下的像素不计入该区域，边界处理完毕后，得到所需的方形软针孔，标记并锁定CCD像面上软针孔所包含的特定像素区域，把软针孔内全部像素强度累加求和的结果作为后续移相干涉二次共焦点探测输出；
4)加入被测表面，按照四步时间移相干涉二次共焦测量步骤进行①第一种共焦状态下四步时间移相相位解算；②第二种共焦状态下四步时间移相相位解算；③测量参考面复位；④第一共焦状态测量点离焦位移求解；⑤修正二次共焦引入的复位误差。
全文摘要
移相干涉二次共焦软针孔探测装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域；由显微物镜和CCD相机组成软针孔探测装置，通过移走测量表面，移动显微物镜和CCD相机确定收集物镜准焦面位置，定位CCD像面上爱里斑中心点位置，截取并锁定CCD像面上相应于不同显微放大倍数的固定像素区域作为软针孔，调整显微物镜和CCD相机使其对收集物镜会聚准焦面处横向光斑成清晰放大像，再加入被测表面，按照四步时间移相干涉二次共焦测量步骤完成具体微位移测量；本发明可提供灵活的等效针孔样式，有效降低实际共焦针孔的装调误差，提高移相干涉二次共焦点探测精度。
文档编号G01B11/02GK101520304SQ20091007166
公开日2009年9月2日 申请日期2009年3月30日 优先权日2009年3月30日
发明者俭 刘, 谭久彬, 涛 刘, 赵晨光, 王伟波 申请人:哈尔滨工业大学