用於納米級表麵形貌（mào）測量的光（guāng）學顯微測頭

為了滿足（zú）納米級表麵形貌（mào）模板高精度非接觸測量的要求，研製了一種高分辨率光學顯微鏡探頭。以（yǐ）激光（guāng）全息單元為（wéi）光源和信號拾取器（qì）件，利（lì）用差分光斑尺寸變化檢測原理建立了微位移測量係統，並與（yǔ）光學顯微成像係統結合（hé）形成了高分辨率的光學微探針。將測頭應用於納米三維測量機，進行了台階高度模板（bǎn）和一維線間距模板（bǎn）的測量實驗。結果表明，光學顯微鏡探頭（tóu）結合納米三維測（cè）量機可（kě）以實（shí）現納米級（jí）表麵形貌模板的溯源測量，具有掃描（miáo）速度快、測量分辨率高、結構緊湊、非接觸測量等優（yōu）點，對解（jiě）決（jué）納米級表麵形貌測量問題具有重要的（de）實用價（jià）值。

0簡介（jiè）

隨著超精密加工技術的發展和各種微納結構的（de）廣泛應用，納米三坐標測量機等（děng）精（jīng）密測量儀器越來（lái）越受到重視。國內外一些（xiē）研究機構開發（fā）了納米測量（liàng）機，開展了微納結構測量[1-4]。納米測量（liàng）機作為一個高精（jīng）度的開放式測量平台，可（kě）以兼容不同原理（lǐ）的（de）接觸式探針和非接觸式探針[5-6]。作為納米測量（liàng）機的核心部件之一，測頭在微納（nà）結（jié）構幾何參數的高精度測量中（zhōng）發揮著重要作用。隨著原子力顯微鏡等（děng）高分辨率探針（zhēn）的出（chū）現，納米測量機可以實現複雜微納（nà）結構的高（gāo）精度測量[7-8]。但由於其測量速度慢，對測量環境要求高，不適合大規模快速測量。光學探（tàn）針從原理上可（kě）以提高掃描速度（dù），作為非接觸式探針，還可以避免損傷樣品表麵。因此，在微納表麵（miàn）形貌測量中有其獨特的（de）優勢。在光學探頭的（de）發展（zhǎn）中，激光（guāng）聚焦方法受到國內外研究者的青睞。德（dé）國Sioses公司生產的納米測量機包括基於光（guāng）學像（xiàng）散原理的激（jī）光聚焦光學探針。國（guó）內一些（xiē）高校和研究機構也開展了這方麵的（de）研究[9-11]。這些探（tàn）頭主要基於散光和差分光斑尺寸變化檢測的原理來（lái）執行散焦檢測[12-13]。CD和DVD播放機係統中常用的激光全息單元（yuán）已應用於微位移測量[14-15]，在納米測量機光學測頭的研製中（zhōng）也有很好（hǎo）的實用價值。為了滿足納米尺度表麵形貌測量的要求（qiú），本（běn）文研製了一種基於激（jī）光全息單（dān）元的（de）高分辨（biàn）率光學（xué）顯微鏡測頭，應用於自主研發的納米（mǐ）三維（wéi）測量機，可以實現對被測樣品的快速瞄準和測量。

1激光全（quán）息單元的工作原理

全息單元是半導體激光器(LD)、全息光（guāng）學元（yuán）件(HOE)、光電探測器(PD)和信號處理電路的集成元（yuán）件。它最早應用於CD和DVD播放係統，用於讀取光盤信（xìn）息和實時檢測光（guāng）盤聚焦誤差。其工作原理如圖1所示（shì）。LD發射激光束，出（chū）射窗上有一個透明塑料（liào）部件。其內表麵為直線條（tiáo）紋光柵，外表（biǎo）麵為曲線條紋（wén）全息光（guāng）柵。兩組光柵相互交叉，外表麵光柵用於產生聚焦誤差信號。LD發出的激光束在光盤表麵反射回來後，全息光柵產生的一級衍射光分別返回到（dào）兩組（zǔ）光電探測（cè）器P1~P5和P2~P10。當光盤上下移動時，左（zuǒ）右光電探測器的（de）光斑麵積反向變（biàn）化（huà），根據這一現象產生聚焦誤差信號。這種測量方法稱為差分光斑尺寸變化檢測（cè），聚焦誤差信號可以表示為

根據聚焦（jiāo）誤差信號，可以判斷光盤的（de）散焦量。

根據上述原理，本文設計了一種具（jù）有高分辨率光學（xué）顯微鏡探頭的激（jī）光全息測量（liàng）係統（tǒng）。

光學顯微鏡探（tàn）頭的設（shè）計與實現（xiàn）

光學測頭由激光全息測量係（xì）統（tǒng）和光學顯微成像係統兩部（bù）分（fèn）組成。前者用於測量被（bèi）測樣（yàng）品（pǐn）的（de）微小位（wèi）移，後者（zhě）用於（yú）監測測量過程（chéng），從而實現（xiàn）對（duì）被測樣品表麵結構的非接觸瞄準和測量。

2.1激光全息測量係統的設計

光學（xué）探頭的光學係統如圖2所示，其中激光（guāng）全息測量係統（tǒng）由激光全息單元、透（tòu）鏡1、分光鏡1和顯微物鏡組成。測量時，激（jī）光全息單元中的半導體激光器發出（chū）的光（guāng）束（shù）通過透鏡1變成平行光束，經分光鏡1反（fǎn）射後，通過顯微物鏡會聚在被測件表麵。從被測件表麵反射的光束反向通過顯微鏡物鏡，一（yī）小（xiǎo）部分光通過分光鏡1進行觀察，大部分光被分（fèn）光鏡1反射，然後通過透鏡1會聚在激光全息單元上（shàng），被集成在全（quán）息單元中的光電探測器接收。這（zhè）樣，被測樣品表麵上瞄準點（diǎn）的位置信息被轉換成電信號。光學顯微鏡探頭設計選用的激光全息單元為（wéi）鬆下HUL7001，激光波長為790 nm。

當被測樣品表麵位於光學顯微鏡探頭（tóu）的焦平麵（miàn）上時，反（fǎn）射光沿原路返回激光全息單元。全息單元中兩組光電探（tàn）測器接收的光斑大小相等（děng），聚焦誤差信（xìn）號為零。當（dāng）樣品表麵偏（piān）離顯微鏡物鏡的聚焦平麵（miàn）時，從樣品表（biǎo）麵反射回來的光束的傳（chuán）播路（lù）徑會發生（shēng）變化，進入（rù）激光全息單元的反射光在兩組光電探測器上（shàng）的分布（bù）也會發生相（xiàng）應的變化（huà），導（dǎo）致激光全息（xī）單元的聚焦誤差信號發生變化。當被測樣品在（zài）顯微鏡物鏡的焦點內（nèi）時，聚焦誤（wù）差信號小於零，而當被測樣品在顯微鏡物鏡的焦點外時，聚焦誤差信號（hào）大（dà）於零。因此（cǐ），利用激光全息單（dān）元的輸出電壓與（yǔ）樣品在焦平麵附近的位移之間的單調對應關（guān）係，通過（guò）測量激光全息單元的輸出電壓，可以得到樣品的位移。

2.2顯微鏡物鏡參數的選擇

在激光全息測量係統中，顯微鏡物鏡是一個（gè）重要的光學元件，其光學參數直（zhí）接關係到光學顯微鏡（jìng）探頭的分（fèn）辨率。首先（xiān），顯微鏡物鏡的（de）焦距直接影響探針的縱向分辨率。在激光全息單元（yuán）、透鏡（jìng）1和顯微鏡（jìng）物（wù）鏡之間的位置關係不變（biàn）的情況下，對於相同的樣品位移，顯微（wēi）鏡物鏡的（de）焦距越小，顯微鏡物（wù）鏡和透鏡1成像的樣品上被測點的位移（yí）越大，激光全（quán）息單元中光電探測器的輸（shū）出信號變化越（yuè）大，即測量係統的縱（zòng）向分辨率越高。此外，顯微鏡物鏡的數值孔徑也影（yǐng）響探針的（de）分辨率。當光波長不變時，顯微鏡物鏡的數值孔徑越大，其景深越小，探針的縱向分辨率越高。同時，顯微鏡物鏡（jìng）的數值孔徑（jìng）越大，激光束的會聚光斑越小，係統的橫向分辨率越高。考慮到探頭分（fèn）辨率和工作距離等因素，光學顯微鏡探頭（tóu）的設（shè）計選用（yòng）了大恒光電GCO-2133長工作（zuò）距離物鏡。它的放大率為40，數值孔徑為0.6，工作距離為3.33毫米

2.3定（dìng）焦微探頭的實現

除激光全（quán）息測量係（xì）統外，光學顯微鏡探頭還包括光學顯微（wēi）鏡成像係統，由光源（yuán）、顯微鏡物鏡、透鏡2、透鏡3、分光鏡1、分光鏡2和CCD相（xiàng）機組成。光源（yuán）均勻照亮被測樣品表麵，被測樣品通（tōng）過顯（xiǎn）微物鏡、分光鏡1、透鏡2和分光鏡2成像在CCD相機的接收（shōu）麵上。為了避免光源發熱（rè）對測（cè）量係統的影響，采用光纖傳輸光束將照明光引入顯微成像係統。通（tōng）過（guò）CCD攝像機，我們不僅可以觀察被測樣品的表麵形貌，還可（kě）以觀（guān）察激光全息單元發出的光束在樣品表麵的聚焦情況。

根據圖2所示（shì）的原理，通過光學元件的選（xuǎn）擇、加工和信（xìn）號放大電路的設計來製造（zào）光學（xué）顯微鏡（jìng）探頭，如圖3所示。從結（jié）構上看，該探頭（tóu）具有體積（jī）小、集成度高的（de）優點。將探頭安裝在納米測量機上，編（biān）製相應的測量軟件，可用於被（bèi）測樣品的（de）快速瞄準和高（gāo）分辨率非接觸測量。

3測量實驗（yàn）及結果分析

為了測試光學顯微鏡探針的功能，將探針安裝（zhuāng）在納米3D測量（liàng）機上，並且顯微鏡物鏡的（de）光軸沿著測量（liàng）機的Z軸。標定了其輸（shū）出信（xìn）號的電壓與被測樣品離焦量（liàng）的（de）關係，並用其測量了台階高度模板和一維線間距模板[16]。在25 mm×25 mm×5 mm的（de）測量範（fàn）圍內，空間分辨率可達0.1 nm。實（shí）驗在溫（wēn）度控製在(20±0.5)℃

3.1輸出電壓和探頭位移之間關係的建立

為了獲得光學顯微鏡探頭輸出電壓與被測表麵位移(離（lí）焦)的關係（xì），將（jiāng）被測樣品板放置（zhì）在納米（mǐ）三維測量機的工作台上，精密位（wèi）移（yí）台驅動被測樣品（pǐn）板（bǎn）沿測量光軸移動。納米測量機采集（jí）位移數據（jù），同（tóng）時記錄（lù）探（tàn）頭（tóu）的輸出電壓信號。圖4示出了當待測樣品從遠離和靠近探針的焦點（diǎn）表麵向探針移動時，探（tàn）針的輸出電壓（yā）和（hé）樣品（pǐn）位移之間的關係。

從圖4可以看出，光學顯微鏡探頭（tóu）的輸出電壓與被測樣品的位移之間的關係為S形曲（qǔ）線，這與第一節所述的通過微分光斑尺寸變化測量離焦量的原（yuán）理是一致的。當被測（cè）樣品遠離光學顯微鏡探頭的焦平麵時，電壓信號（hào）近似恒定。當被測樣品靠近探頭焦麵時，電壓開始升高（gāo），達到最大（dà）值後（hòu）逐漸下降。當（dāng）模板通過探頭的聚（jù）焦麵時，電壓通過初始電壓值，可視為測量的零點；當樣品繼續遠（yuǎn）離焦平麵時，電壓繼續降低，當達到最小（xiǎo）值時，電壓逐漸升高，回到穩定（dìng）值。在電壓的峰值和穀值之間，曲線上有一個線性度較好的區域。在測量中（zhōng），該區（qū）域被選擇作為探針（zhēn）的工作區域。通過擬合（hé）該曲線，可以（yǐ）得（dé）到探針電壓和模板位移之間的關係。在圖4所示的3微米操作區域中（zhōng），電壓和位移之（zhī）間的關係是

其中:U為激光全息單元的輸出電壓；d是離焦平麵的距（jù）離。

3.2台（tái）階高度測量試驗

在校準光學（xué）微（wēi）探針的電壓-位移關係之後，通過配備有光學微探（tàn）針的納米3D測（cè）量機測量台階高度模板。

測量過程中，矽基SHS-1微米台階高度模板（bǎn）放置在納米三維測量機（jī）的工作台（tái）上。首先調整（zhěng）模板的位置，通（tōng）過CCD圖像（xiàng）觀察模板，使被測台階（jiē）的邊緣垂直於（yú）工作台的X軸移動方向，模板的表麵位於光學顯微鏡探頭的聚（jù）焦麵上。此時（shí），測量光束會聚在被（bèi）測模板的（de）表麵，如圖5所示。然後利（lì）用工作台帶動模板沿X方向移動，使測量光束掃過模板上的（de）台階，同時（shí）記錄光（guāng）學顯（xiǎn）微鏡探頭的輸出信號。最後，對測量數據進行處理，計算（suàn）出台階高度。

step模板的（de）測量結果（guǒ）如圖6所示。根據檢定規程[17]對測量結果進行處理後，發（fā）現被測模板的台階高度為1.005μ m，與該樣板1.012微米的標定結果相比，測量結果吻合（hé）較好，其微小偏差反映了測量過程（chéng）中溫度變化、幹涉儀非線性、樣板不平整等因素造成的測量誤差。

3.3一（yī）維線間距測量測試

在測量一維線間（jiān）距模板的過程中（zhōng），將矽基（jī）LPS-2微米一維線間距模板放置在納米測量機（jī）的工作台（tái）上，使測量線沿X軸方向，模板表麵位（wèi）於光學顯微（wēi）鏡探針的焦（jiāo）平麵上。然後（hòu）利用工作台帶動模板沿X方向移動（dòng），使測量光束掃過行距模板上的刻線，同時記錄納米測量機的（de）位移測量結（jié）果（guǒ）和光學（xué）顯（xiǎn）微鏡探針（zhēn）的輸出信號。最後，對測（cè）量數據進行（háng）處理，測量結果如圖7所示。

根據檢定規程[17]對一（yī）維線間距（jù）的測量結果進行處理，發現被測樣品（pǐn）的劃線間距為2.004微米，與該樣品2.002μ m的標定結果非常吻合

3.4分析和討論

從光學（xué）顯微鏡探針輸出（chū）電壓與被測表麵位移關係的標定實驗結果可以看出，利用探針輸出電壓與探針（zhēn）焦平麵附近樣品位移（yí）的單調對應關係（xì），通過測量探針輸出電壓的變化，可以得到樣品的位移。在圖4所示的曲線中，以電壓-位移曲線上探頭焦麵附（fù）近3微米的（de）位移範圍為工作區（qū）域，對應的電壓變（biàn）化範（fàn）圍約為0.628V，根據電壓測量分辨率和噪聲影響的分析，探頭（tóu）在有效範圍內的（de）分辨率（lǜ）可以達到納米級。

台階模板和（hé）一維線間距模板的（de）測量結（jié）果表明，該光學顯微鏡探針（zhēn）可應用於（yú）納米（mǐ）三維測量機，實現微納表（biǎo）麵形貌模板的快速定位和微（wēi）位移的測（cè）量。通過用納米測量機的激（jī）光幹涉儀標定光學顯微鏡探針的位移，探針的位移測量結果可以溯源到（dào）穩頻（pín）激光的波長。實驗過程（chéng）也（yě）證（zhèng）明了光學（xué）顯微鏡探頭具有掃描速度快、測量分辨率高、抗幹擾能力強的優點，適用於納米表麵形貌的非接觸測（cè）量（liàng）。

4結論

本文介紹了一（yī）種用（yòng）於（yú）納米級（jí）表麵（miàn）形貌測量的高分辨率（lǜ）光（guāng）學顯微（wēi）鏡探頭。在探頭設（shè）計中，采用激光全息單元（yuán）作為位移測量係統（tǒng）的（de）主要組成部分，根據差分光斑尺寸變（biàn）化原（yuán）理實現（xiàn）微位移測量。結合光（guāng）學顯微鏡係統，形成結構緊湊、集測量和觀察功能於一體的高分辨率（lǜ）光（guāng）學（xué）顯微（wēi）鏡探頭。將探頭安裝在納米三維測量機上，進行了台階高（gāo）度模（mó）板和一維線（xiàn）間距模板的測（cè）量實驗。結果表明，光學顯微鏡探頭（tóu）能夠（gòu）實現預期（qī）的測量功能，位（wèi）移測量（liàng）分辨率可以達到納米級（jí）。下一步，將通（tōng）過多種微納模板測量實驗，進一步考察和改進探頭的結構和性能，使其更適用於納米3D測量機，並應用於微納結構幾何參數的非接觸測（cè）量。