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
技術領域：
本發明屬于光電檢測技術領域，具體涉及一種高精密微位移測量和監測的方法和
裝置O
背景技術：
如今，納米科學技術、生物技術、高端集成電路制造技術成為世界科學技術發展的 重要方向。快速可靠的納米級分辨率檢測技術在納米科學技術、生物技術、高端集成電路 制造等領域的研究中扮演著極其重要的角色。傳統基于光干涉的顯微測量技術目前已經 能夠獲得高達Inm以下的測量分辨率。而目前，對于微小位移測量的光學非干涉方法屬共 聚焦手段最為成功，傳統的共聚焦方法，是利用點光源、被測物和針孔三者放置在彼此共軛 的位置，構成了光學系統中的點照明和點探測。但其分辨率受限于針孔大小和顯微物鏡的 數值孔徑，且受到外界背景與光源本身波動的影響。為了改善其軸向分辨率，在專利號為 200510123581.9的中國專利中，趙維謙等人提出了差分共焦的思想，利用兩個接收小孔在 軸向上距離焦平面錯開一定的位置，通過探測通過兩小孔后的光強，然后作差分處理，提高 了軸向分辨率，同時也消除了光功率波動以及背景噪聲對測量的影響，但其需要兩個小孔、 兩個探測器且調整相對復雜，因而系統昂貴。
發明內容
本發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， 可用于工業精密測量和顯微鏡中樣品是否離焦的監測。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)由激光器發射的光線，經單模光纖濾波濾去高階模式后，再經過準直透鏡準 直，得到準直光束；(2)所述的準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 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入斜方棱鏡后在斜方棱鏡內部發生至少一次全反射后 出射，出射光束經過凸透鏡匯聚入射到差分探測器上，將光強信號轉化為電信號，送入到探 測器驅動和顯示系統中，通過差分計算得到反映被測靶鏡位置變化的電壓信號，并顯示被 測靶鏡的位置變化。其中，所述的激光器發射的光線為波長在380 780nm范圍內的非偏振光。其中，所述的準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值孔徑的消復色差透鏡，所述的高數值孔徑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。本發明還提供了一種用于實現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、單模光纖和準直透鏡，用于發射出光線，并 對其進行濾波處理濾去高階模式和準直處理，得到準直光束；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 及用于對垂直入射的所述的第三部件組的出射光束進行反射或透射，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被測靶鏡，并經被測靶鏡逆向反射后，再逆向返回經過所 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動和顯 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所述的凸透鏡匯聚 的光束，并將光強信號轉化為電信號；所述的探測器驅動和顯示單元用于接收所述的電信 號，進行差分和顯示；所述的各部件組的相對位置為(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直光束垂直 入射到所述的消偏振分光器上時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直光 束垂直入射到所述的消偏振分光器上時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 振分光器上時第二透射光束的出射光路。其中，所述的準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值孔徑的消復色差透鏡，所述的高數值孔徑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。本發明的方法和裝置的基本原理是
當被測靶鏡位于顯微物鏡的焦平面上時，經被測靶鏡反射后逆向返回的光束為平 行光束，經消偏振分光器后，入射到斜方棱鏡上，經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，這時差分探測器的差分電壓輸出為零。當被測靶鏡離開顯微物鏡的焦平面時，經被測靶鏡反射后逆向返回的光束為匯聚 或者發散光束，經消偏振分光器后，入射到斜方棱鏡上，在斜方棱鏡內發生至少一次全反射 后，透過凸透鏡匯聚到差分探測器上，差分探測器的驅動和顯示單元顯示相應的差分電壓 的值。由此，可以標定差分電壓與被測靶鏡位移的關系，把系統標定好后，就可以用于微小 位移的測量與監測。相對于現有技術，本發明具有以下有益的技術效果(1)利用了發生全反射時反射率對角度敏感的原理，提高系統的靈敏度；(2)利用差分的原理，可以克服光功率波動以及背景噪聲對測量的影響；(3)測量系統簡單且標定的差分電壓和被測靶鏡位移的關系曲線過零點，因此既 可以確定靶鏡的運動位移大小，還可以確定其移動方向。
圖1為本發明裝置的原理示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖來詳細說明本發明，但本發明并不僅限于此。實施例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、驅動與顯示單元11。激光器1、單模光纖2和準直透鏡3依次構成第一部件組，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和驅動與顯示單元11依次構成第四部件組，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過顯微物鏡6后，垂直入射到消偏振分光器14上進行反射的反射光路 (即第二反射光束的出射光路)。采用上述裝置進行微位移測量的過程如下激光器1發出的非偏振光經過單模光纖2濾去高階模式，再經過準直透鏡3準直， 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 射光束經過顯微物鏡6聚焦到被測靶鏡7上。經過被測靶鏡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的內部發生兩次全反射， 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送入探測器的驅 動與顯示單元11作差分和顯示。
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采用這種裝置，系統相對簡單，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內部發生全反射時，是P偏振光和S偏振光同時作用的結果，因此系統的 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。具體原理如下當被測靶鏡7位于顯微物鏡6的焦平面上時，經被測靶鏡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，這時差分探測器的驅動與顯示單元11 的讀數為零。當被測靶鏡7離開顯微物鏡6的焦平面時，逆向反射回來的光為匯聚或者發散光 束，此光束經過消偏振分光器14反射后，入射到斜方棱鏡8，經過斜方棱鏡8的兩次全反射 后，透過凸透鏡9匯聚到差分探測器10上，經過差分探測器10探測，差分探測器的驅動與 顯示單元11顯示相應的差分電壓的值。將被測靶鏡7固定在納米平移臺上，通過納米平移臺的移動，可以得到被測靶鏡7 移動的位移與差分探測器10的差分電壓輸出的關系，把這個關系式作為系統標定函數寫 入探測器的驅動與顯示單元11的程序中。把系統標定好后，就可以用于微小位移的測量與 監測。
權利要求
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)由激光器發射的光線，經單模光纖濾波濾去高階模式后，再經過準直透鏡準直，得 到準直光束；(2)所述的準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入斜方棱鏡后在斜方棱鏡內部發生至少一次全反射后出 射，出射光束經過凸透鏡匯聚入射到差分探測器上，將光強信號轉化為電信號，送入到探測 器驅動和顯示系統中，通過差分計算得到反映被測靶鏡位置變化的電壓信號，并顯示被測 靶鏡的位置變化。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的激光器發射的光線為波長在380 780nm范圍內的非偏振光。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的準直透鏡為正透鏡或正透鏡組。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述的顯微物鏡采用高數值孔徑的消復色 差透鏡，所述的高數值孔徑NA = 0. 8 1。
5.如權利要求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。
6.一種用于實現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、單模光纖和準直透鏡，用于發射出光線，并對其 進行濾波處理濾去高階模式和準直處理，得到準直光束；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 于對垂直入射的所述的第三部件組的出射光束進行反射或透射，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被測靶鏡，并經被測靶鏡逆向反射后，再逆向返回經過所述的 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動和顯示單 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所述的凸透鏡匯聚的光 束，并將光強信號轉化為電信號；所述的探測器驅動和顯示單元用于接收所述的電信號，進 行差分和顯示；所述的各部件組的相對位置為(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直光束垂直入射 到所述的消偏振分光器上時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 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直光束垂 直入射到所述的消偏振分光器上時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 器上時第二透射光束的出射光路。
7.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的準直透鏡為正透鏡或正透鏡組。
8.如權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述的顯微物鏡采用高數值孔徑的消復色 差透鏡，所述的高數值孔徑NA = 0. 8 1。
9.如權利要求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、驅動與顯示單元，方法包括激光經濾波和準直后，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，再進入斜方棱鏡并在斜方棱鏡內部發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送入探測器驅動和顯示系統中，得到反映被測靶鏡位置變化的電壓信號，并顯示被測靶鏡的位置變化。本發明可進行納米分辨率的檢測，廣泛應用于工業精密測量與監測領域中。
文檔編號G01B11/02GK102121819SQ201010590580
公開日2011年7月13日 申請日期2010年12月15日 優先權日2010年12月15日
發明者劉旭, 匡翠方, 庫玉龍, 王婷婷, 郝翔 申請人:浙江大學