專利名稱：一種納米分辨全反射差分微位移測量的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高精密微位移測量和監(jiān)測的方法和
裝置O
背景技術(shù)：
如今，納米科學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、高端集成電路制造技術(shù)成為世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展的 重要方向?？焖倏煽康募{米級(jí)分辨率檢測技術(shù)在納米科學(xué)技術(shù)、生物技術(shù)、高端集成電路 制造等領(lǐng)域的研究中扮演著極其重要的角色。傳統(tǒng)基于光干涉的顯微測量技術(shù)目前已經(jīng) 能夠獲得高達(dá)Inm以下的測量分辨率。而目前，對(duì)于微小位移測量的光學(xué)非干涉方法屬共 聚焦手段最為成功，傳統(tǒng)的共聚焦方法，是利用點(diǎn)光源、被測物和針孔三者放置在彼此共軛 的位置，構(gòu)成了光學(xué)系統(tǒng)中的點(diǎn)照明和點(diǎn)探測。但其分辨率受限于針孔大小和顯微物鏡的 數(shù)值孔徑，且受到外界背景與光源本身波動(dòng)的影響。為了改善其軸向分辨率，在專利號(hào)為 200510123581.9的中國專利中，趙維謙等人提出了差分共焦的思想，利用兩個(gè)接收小孔在 軸向上距離焦平面錯(cuò)開一定的位置，通過探測通過兩小孔后的光強(qiáng)，然后作差分處理，提高 了軸向分辨率，同時(shí)也消除了光功率波動(dòng)以及背景噪聲對(duì)測量的影響，但其需要兩個(gè)小孔、 兩個(gè)探測器且調(diào)整相對(duì)復(fù)雜，因而系統(tǒng)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種基于全反射差分的具有納米分辨率的微位移測量方法和裝置， 可用于工業(yè)精密測量和顯微鏡中樣品是否離焦的監(jiān)測。一種納米分辨全反射差分微位移測量的方法，包括以下步驟(1)由激光器發(fā)射的光線，經(jīng)單模光纖濾波濾去高階模式后，再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn) 直，得到準(zhǔn)直光束；(2)所述的準(zhǔn)直光束垂直入射到消偏振分光器上分光為第一透射光束和第一反射 光束；(3)將所述的第一透射光束或第一反射光束作為第一入射光束，經(jīng)過顯微物鏡匯 聚得到聚焦光束，聚焦光束入射到被測靶鏡后逆向反射，反射光束經(jīng)過所述的顯微物鏡后， 再垂直入射到所述的消偏振分光器上，得到第二反射光束或第二透射光束，作為第二入射 光束；當(dāng)所述的第一入射光束為第一透射光束，所述的第二入射光束為第二反射光束；當(dāng) 所述的第一入射光束為第一反射光束，所述的第二入射光束為第二透射光束；(4)所述的第二入射光束進(jìn)入斜方棱鏡后在斜方棱鏡內(nèi)部發(fā)生至少一次全反射后 出射，出射光束經(jīng)過凸透鏡匯聚入射到差分探測器上，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送入到探 測器驅(qū)動(dòng)和顯示系統(tǒng)中，通過差分計(jì)算得到反映被測靶鏡位置變化的電壓信號(hào)，并顯示被 測靶鏡的位置變化。其中，所述的激光器發(fā)射的光線為波長在380 780nm范圍內(nèi)的非偏振光。其中，所述的準(zhǔn)直透鏡為正透鏡或正透鏡組。
其中，所述的顯微物鏡采用高數(shù)值孔徑的消復(fù)色差透鏡，所述的高數(shù)值孔徑NA = 0. 8 1。其中，所述的差分探測器為二象限探測器或四象限探測器。本發(fā)明還提供了一種用于實(shí)現(xiàn)納米分辨全反射差分微位移測量的裝置，包括第 一部件組、第二部件組、第三部件組和第四部件組，其中，所述的第一部件組，依次包括激光器、單模光纖和準(zhǔn)直透鏡，用于發(fā)射出光線，并 對(duì)其進(jìn)行濾波處理濾去高階模式和準(zhǔn)直處理，得到準(zhǔn)直光束；所述的第二部件組，為消偏振分光器，用于將垂直入射的所述的準(zhǔn)直光束分光為 第一透射光束和第一反射光束，所述的第一透射光束或第一反射光束為第一入射光束；以 及用于對(duì)垂直入射的所述的第三部件組的出射光束進(jìn)行反射或透射，得到第二反射光束或 第二透射光束，作為第二入射光束；當(dāng)所述的第一入射光束為第一透射光束，所述的第二入 射光束為第二反射光束；當(dāng)所述的第一入射光束為第一反射光束，所述的第二入射光束為 第二透射光束；所述的第三部件組，包括顯微物鏡，與被測靶鏡位于相同的光路上，用于使垂直 入射的第一入射光束聚焦后到達(dá)被測靶鏡，并經(jīng)被測靶鏡逆向反射后，再逆向返回經(jīng)過所 述的顯微物鏡后出射到所述的消偏振分光器上；所述的第四部件組，依次包括斜方棱鏡、凸透鏡、差分探測器和探測器驅(qū)動(dòng)和顯 示單元；所述的斜方棱鏡用于使入射的第二入射光束發(fā)生至少一次全反射后出射；所述的 凸透鏡用于匯聚從斜方棱鏡出射的光束；所述的差分探測器用于接收經(jīng)所述的凸透鏡匯聚 的光束，并將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；所述的探測器驅(qū)動(dòng)和顯示單元用于接收所述的電信 號(hào)，進(jìn)行差分和顯示；所述的各部件組的相對(duì)位置為(a)所述的第一部件組和第二部件組依次位于所述的激光器發(fā)射出的光線的光路 上，所述的第三部件組位于所述的消偏振分光器的第一透射光路上，所述的第四部件組位 于所述的消偏振分光器的第二反射光路上，所述的第一透射光路為所述的準(zhǔn)直光束垂直 入射到所述的消偏振分光器上時(shí)第一透射光束的出射光路；所述的第二反射光路為由所 述的被測靶鏡逆向反射回來的光經(jīng)過所述的顯微物鏡后，垂直入射到所述的消偏振分光器 上時(shí)第二反射光束的出射光路；或者，(b)所述的第一部件組和第二部件組依次位于所述的激光器發(fā)射出的光線 的光路上，所述的第三部件組位于所述的消偏振分光器的第一反射光路上，所述的第四部 件組位于所述的消偏振分光器的第二透射光路上，所述的第一反射光路為所述的準(zhǔn)直光 束垂直入射到所述的消偏振分光器上時(shí)第一反射光束的出射光路；所述的第二透射光路 為由所述的被測靶鏡逆向反射回來的光經(jīng)過所述的顯微物鏡后，垂直入射到所述的消偏 振分光器上時(shí)第二透射光束的出射光路。其中，所述的準(zhǔn)直透鏡為正透鏡或正透鏡組。其中，所述的顯微物鏡采用高數(shù)值孔徑的消復(fù)色差透鏡，所述的高數(shù)值孔徑NA = 0. 8 1。其中，所述的差分探測器為二象限探測器或四象限探測器。本發(fā)明的方法和裝置的基本原理是
當(dāng)被測靶鏡位于顯微物鏡的焦平面上時(shí)，經(jīng)被測靶鏡反射后逆向返回的光束為平 行光束，經(jīng)消偏振分光器后，入射到斜方棱鏡上，經(jīng)過斜方棱鏡的至少一次全反射后，透過 凸透鏡匯聚到差分探測器上，這時(shí)差分探測器的差分電壓輸出為零。當(dāng)被測靶鏡離開顯微物鏡的焦平面時(shí)，經(jīng)被測靶鏡反射后逆向返回的光束為匯聚 或者發(fā)散光束，經(jīng)消偏振分光器后，入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內(nèi)發(fā)生至少一次全反射 后，透過凸透鏡匯聚到差分探測器上，差分探測器的驅(qū)動(dòng)和顯示單元顯示相應(yīng)的差分電壓 的值。由此，可以標(biāo)定差分電壓與被測靶鏡位移的關(guān)系，把系統(tǒng)標(biāo)定好后，就可以用于微小 位移的測量與監(jiān)測。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果(1)利用了發(fā)生全反射時(shí)反射率對(duì)角度敏感的原理，提高系統(tǒng)的靈敏度；(2)利用差分的原理，可以克服光功率波動(dòng)以及背景噪聲對(duì)測量的影響；(3)測量系統(tǒng)簡單且標(biāo)定的差分電壓和被測靶鏡位移的關(guān)系曲線過零點(diǎn)，因此既 可以確定靶鏡的運(yùn)動(dòng)位移大小，還可以確定其移動(dòng)方向。


圖1為本發(fā)明裝置的原理示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖來詳細(xì)說明本發(fā)明，但本發(fā)明并不僅限于此。實(shí)施例1 如圖1所示，一種納米分辨全反射差分微位移測量的裝置，包括激光器1、單模光 纖2、準(zhǔn)直透鏡3、消偏振分光器14、顯微物鏡6、被測靶鏡7、斜方棱鏡8、凸透鏡9、差分探測 器10、驅(qū)動(dòng)與顯示單元11。激光器1、單模光纖2和準(zhǔn)直透鏡3依次構(gòu)成第一部件組，消偏振分光器14為第 二部件組，第一部件組和第二部件組依次位于激光器1發(fā)射出的光線的光路上；顯微物鏡6 為第三部件組，和被測靶鏡7依次位于消偏振分光器14的第一透射光路上；斜方棱鏡8、凸 透鏡9、差分探測器10和驅(qū)動(dòng)與顯示單元11依次構(gòu)成第四部件組，位于消偏振分光器14的 第二反射光路上，此處，第一透射光路為由第一部件組出射的準(zhǔn)直光束垂直入射到消偏振 分光器14上的透射光路(即第一透射光束的出射光路)；第二反射光路為由被測靶鏡7 逆向反射回來的光經(jīng)過顯微物鏡6后，垂直入射到消偏振分光器14上進(jìn)行反射的反射光路 (即第二反射光束的出射光路)。采用上述裝置進(jìn)行微位移測量的過程如下激光器1發(fā)出的非偏振光經(jīng)過單模光纖2濾去高階模式，再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡3準(zhǔn)直， 透過消偏振分光器14后光束能量一分為二，得到第一透射光束和第一反射光束；使第一透 射光束經(jīng)過顯微物鏡6聚焦到被測靶鏡7上。經(jīng)過被測靶鏡7反射后光線逆向返回，再次 透過顯微物鏡6，返回到消偏振分光器14上，能量再次一分為二，得到第二反射光束和第二 透射光束，其中第二反射光束入射到斜方棱鏡8上，在斜方棱鏡8的內(nèi)部發(fā)生兩次全反射， 最后出射光通過凸透鏡9匯聚到差分探測器10上，探測器得到的電壓信號(hào)送入探測器的驅(qū) 動(dòng)與顯示單元11作差分和顯示。
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采用這種裝置，系統(tǒng)相對(duì)簡單，但是由于消偏振分光器14的作用，能量損失較多； 并且在斜方棱鏡8內(nèi)部發(fā)生全反射時(shí)，是P偏振光和S偏振光同時(shí)作用的結(jié)果，因此系統(tǒng)的 分辨率介于采用P偏振光和S偏振光作為全反射的入射光線的兩種情況之間。具體原理如下當(dāng)被測靶鏡7位于顯微物鏡6的焦平面上時(shí)，經(jīng)被測靶鏡7逆向反射回來的光為 平行光束，平行光束被消偏振分光器14反射后，入射到斜方棱鏡8上，經(jīng)過斜方棱鏡8的兩 次全反射后，透過凸透鏡9匯聚到差分探測器10上，這時(shí)差分探測器的驅(qū)動(dòng)與顯示單元11 的讀數(shù)為零。當(dāng)被測靶鏡7離開顯微物鏡6的焦平面時(shí)，逆向反射回來的光為匯聚或者發(fā)散光 束，此光束經(jīng)過消偏振分光器14反射后，入射到斜方棱鏡8，經(jīng)過斜方棱鏡8的兩次全反射 后，透過凸透鏡9匯聚到差分探測器10上，經(jīng)過差分探測器10探測，差分探測器的驅(qū)動(dòng)與 顯示單元11顯示相應(yīng)的差分電壓的值。將被測靶鏡7固定在納米平移臺(tái)上，通過納米平移臺(tái)的移動(dòng)，可以得到被測靶鏡7 移動(dòng)的位移與差分探測器10的差分電壓輸出的關(guān)系，把這個(gè)關(guān)系式作為系統(tǒng)標(biāo)定函數(shù)寫 入探測器的驅(qū)動(dòng)與顯示單元11的程序中。把系統(tǒng)標(biāo)定好后，就可以用于微小位移的測量與 監(jiān)測。
權(quán)利要求
1.一種納米分辨全反射差分微位移測量的方法，其特征在于，包括以下步驟(1)由激光器發(fā)射的光線，經(jīng)單模光纖濾波濾去高階模式后，再經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，得 到準(zhǔn)直光束；(2)所述的準(zhǔn)直光束垂直入射到消偏振分光器上分光為第一透射光束和第一反射光束；(3)將所述的第一透射光束或第一反射光束作為第一入射光束，經(jīng)過顯微物鏡匯聚得 到聚焦光束，聚焦光束入射到被測靶鏡后逆向反射，反射光束經(jīng)過所述的顯微物鏡后，再垂 直入射到所述的消偏振分光器上，得到第二反射光束或第二透射光束，作為第二入射光束； 當(dāng)所述的第一入射光束為第一透射光束，所述的第二入射光束為第二反射光束；當(dāng)所述的 第一入射光束為第一反射光束，所述的第二入射光束為第二透射光束；(4)所述的第二入射光束進(jìn)入斜方棱鏡后在斜方棱鏡內(nèi)部發(fā)生至少一次全反射后出 射，出射光束經(jīng)過凸透鏡匯聚入射到差分探測器上，將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，送入到探測 器驅(qū)動(dòng)和顯示系統(tǒng)中，通過差分計(jì)算得到反映被測靶鏡位置變化的電壓信號(hào)，并顯示被測 靶鏡的位置變化。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器發(fā)射的光線為波長在380 780nm范圍內(nèi)的非偏振光。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的準(zhǔn)直透鏡為正透鏡或正透鏡組。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的顯微物鏡采用高數(shù)值孔徑的消復(fù)色 差透鏡，所述的高數(shù)值孔徑NA = 0. 8 1。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的差分探測器為二象限探測器或四象 限探測器。
6.一種用于實(shí)現(xiàn)納米分辨全反射差分微位移測量的裝置，其特征在于，包括第一部 件組、第二部件組、第三部件組和第四部件組，其中，所述的第一部件組，依次包括激光器、單模光纖和準(zhǔn)直透鏡，用于發(fā)射出光線，并對(duì)其 進(jìn)行濾波處理濾去高階模式和準(zhǔn)直處理，得到準(zhǔn)直光束；所述的第二部件組，為消偏振分光器，用于將垂直入射的所述的準(zhǔn)直光束分光為第一 透射光束和第一反射光束，所述的第一透射光束或第一反射光束為第一入射光束；以及用 于對(duì)垂直入射的所述的第三部件組的出射光束進(jìn)行反射或透射，得到第二反射光束或第二 透射光束，作為第二入射光束；當(dāng)所述的第一入射光束為第一透射光束，所述的第二入射光 束為第二反射光束；當(dāng)所述的第一入射光束為第一反射光束，所述的第二入射光束為第二 透射光束；所述的第三部件組，包括顯微物鏡，與被測靶鏡位于相同的光路上，用于使垂直入射 的第一入射光束聚焦后到達(dá)被測靶鏡，并經(jīng)被測靶鏡逆向反射后，再逆向返回經(jīng)過所述的 顯微物鏡后出射到所述的消偏振分光器上；所述的第四部件組，依次包括斜方棱鏡、凸透鏡、差分探測器和探測器驅(qū)動(dòng)和顯示單 元；所述的斜方棱鏡用于使入射的第二入射光束發(fā)生至少一次全反射后出射；所述的凸透 鏡用于匯聚從斜方棱鏡出射的光束；所述的差分探測器用于接收經(jīng)所述的凸透鏡匯聚的光 束，并將光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)；所述的探測器驅(qū)動(dòng)和顯示單元用于接收所述的電信號(hào)，進(jìn) 行差分和顯示；所述的各部件組的相對(duì)位置為(a)所述的第一部件組和第二部件組依次位于所述的激光器發(fā)射出的光線的光路上， 所述的第三部件組位于所述的消偏振分光器的第一透射光路上，所述的第四部件組位于所 述的消偏振分光器的第二反射光路上，所述的第一透射光路為所述的準(zhǔn)直光束垂直入射 到所述的消偏振分光器上時(shí)第一透射光束的出射光路；所述的第二反射光路為由所述的 被測靶鏡逆向反射回來的光經(jīng)過所述的顯微物鏡后，垂直入射到所述的消偏振分光器上時(shí) 第二反射光束的出射光路；或者，(b)所述的第一部件組和第二部件組依次位于所述的激光器發(fā)射出的光線的光 路上，所述的第三部件組位于所述的消偏振分光器的第一反射光路上，所述的第四部件組 位于所述的消偏振分光器的第二透射光路上，所述的第一反射光路為所述的準(zhǔn)直光束垂 直入射到所述的消偏振分光器上時(shí)第一反射光束的出射光路；所述的第二透射光路為由 所述的被測靶鏡逆向反射回來的光經(jīng)過所述的顯微物鏡后，垂直入射到所述的消偏振分光 器上時(shí)第二透射光束的出射光路。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的準(zhǔn)直透鏡為正透鏡或正透鏡組。
8.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的顯微物鏡采用高數(shù)值孔徑的消復(fù)色 差透鏡，所述的高數(shù)值孔徑NA = 0. 8 1。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的差分探測器為二象限探測器或四象 限探測器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種納米分辨全反射差分微位移測量的方法和裝置，裝置包括激光器、單模光纖、準(zhǔn)直透鏡、消偏振分光器、顯微物鏡、被測靶鏡、斜方棱鏡、凸透鏡、差分探測器、驅(qū)動(dòng)與顯示單元，方法包括激光經(jīng)濾波和準(zhǔn)直后，垂直入射到消偏振分光器上；再依次透過顯微物鏡到達(dá)被測靶鏡后被逆向反射，再透過顯微物鏡返回后垂直入射到所述消偏振分光器，再進(jìn)入斜方棱鏡并在斜方棱鏡內(nèi)部發(fā)生至少一次全反射后出射，出射光束匯聚入射到差分探測器并將信號(hào)送入探測器驅(qū)動(dòng)和顯示系統(tǒng)中，得到反映被測靶鏡位置變化的電壓信號(hào)，并顯示被測靶鏡的位置變化。本發(fā)明可進(jìn)行納米分辨率的檢測，廣泛應(yīng)用于工業(yè)精密測量與監(jiān)測領(lǐng)域中。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102121819SQ201010590580
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月15日
發(fā)明者劉旭, 匡翠方, 庫玉龍, 王婷婷, 郝翔 申請人:浙江大學(xué)