用于纳米级表面形貌测量的光学显微测头

为了满足纳米级表面形貌模板高精度非接触测量的要求，研制了一种高分辨率光学显微镜探头。以激光全息单元为光源和信号拾取器件，利用差分光斑尺寸变化检测原理建立了微位移测量系统，并与光学显微成像系统结合形成了高分辨率的光学微探针。将测头应用于纳米三维测量机，进行了台阶高度模板和一维线间距模板的测量实验。结果表明，光学显微镜探头结合纳米三维测量机可以实现纳米级表面形貌模板的溯源测量，具有扫描速度快、测量分辨率高、结构紧凑、非接触测量等优点，对解决纳米级表面形貌测量问题具有重要的实用价值。

0简介

随着超精密加工技术的发展和各种微纳结构的广泛应用，纳米三坐标测量机等精密测量仪器越来越受到重视。国内外一些研究机构开发了纳米测量机，开展了微纳结构测量[1-4]。纳米测量机作为一个高精度的开放式测量平台，可以兼容不同原理的接触式探针和非接触式探针[5-6]。作为纳米测量机的核心部件之一，测头在微纳结构几何参数的高精度测量中发挥着重要作用。随着原子力显微镜等高分辨率探针的出现，纳米测量机可以实现复杂微纳结构的高精度测量[7-8]。但由于其测量速度慢，对测量环境要求高，不适合大规模快速测量。光学探针从原理上可以提高扫描速度，作为非接触式探针，还可以避免损伤样品表面。因此，在微纳表面形貌测量中有其独特的优势。在光学探头的发展中，激光聚焦方法受到国内外研究者的青睐。德国SIOS公司生产的纳米测量机包括基于光学像散原理的激光聚焦光学探针。国内一些高校和研究机构也开展了这方面的研究[9-11]。这些探头主要基于散光和差分光斑尺寸变化检测的原理来执行散焦检测[12-13]。CD和DVD播放机系统中常用的激光全息单元已应用于微位移测量[14-15]，在纳米测量机光学测头的研制中也有很好的实用价值。为了满足纳米尺度表面形貌测量的要求，本文研制了一种基于激光全息单元的高分辨率光学显微镜测头，应用于自主研发的纳米三维测量机，可以实现对被测样品的快速瞄准和测量。

1激光全息单元的工作原理

全息单元是半导体激光器(LD)、全息光学元件(HOE)、光电探测器(PD)和信号处理电路的集成元件。它最早应用于CD和DVD播放系统，用于读取光盘信息和实时检测光盘聚焦误差。其工作原理如图1所示。LD发射激光束，出射窗上有一个透明塑料部件。其内表面为直线条纹光栅，外表面为曲线条纹全息光栅。两组光栅相互交叉，外表面光栅用于产生聚焦误差信号。LD发出的激光束在光盘表面反射回来后，全息光栅产生的一级衍射光分别返回到两组光电探测器P1~P5和P2~P10。当光盘上下移动时，左右光电探测器的光斑面积反向变化，根据这一现象产生聚焦误差信号。这种测量方法称为差分光斑尺寸变化检测，聚焦误差信号可以表示为

根据聚焦误差信号，可以判断光盘的散焦量。

根据上述原理，本文设计了一种具有高分辨率光学显微镜探头的激光全息测量系统。

光学显微镜探头的设计与实现

光学测头由激光全息测量系统和光学显微成像系统两部分组成。前者用于测量被测样品的微小位移，后者用于监测测量过程，从而实现对被测样品表面结构的非接触瞄准和测量。

2.1激光全息测量系统的设计

光学探头的光学系统如图2所示，其中激光全息测量系统由激光全息单元、透镜1、分光镜1和显微物镜组成。测量时，激光全息单元中的半导体激光器发出的光束通过透镜1变成平行光束，经分光镜1反射后，通过显微物镜会聚在被测件表面。从被测件表面反射的光束反向通过显微镜物镜，一小部分光通过分光镜1进行观察，大部分光被分光镜1反射，然后通过透镜1会聚在激光全息单元上，被集成在全息单元中的光电探测器接收。这样，被测样品表面上瞄准点的位置信息被转换成电信号。光学显微镜探头设计选用的激光全息单元为松下HUL7001，激光波长为790 nm。

当被测样品表面位于光学显微镜探头的焦平面上时，反射光沿原路返回激光全息单元。全息单元中两组光电探测器接收的光斑大小相等，聚焦误差信号为零。当样品表面偏离显微镜物镜的聚焦平面时，从样品表面反射回来的光束的传播路径会发生变化，进入激光全息单元的反射光在两组光电探测器上的分布也会发生相应的变化，导致激光全息单元的聚焦误差信号发生变化。当被测样品在显微镜物镜的焦点内时，聚焦误差信号小于零，而当被测样品在显微镜物镜的焦点外时，聚焦误差信号大于零。因此，利用激光全息单元的输出电压与样品在焦平面附近的位移之间的单调对应关系，通过测量激光全息单元的输出电压，可以得到样品的位移。

2.2显微镜物镜参数的选择

在激光全息测量系统中，显微镜物镜是一个重要的光学元件，其光学参数直接关系到光学显微镜探头的分辨率。首先，显微镜物镜的焦距直接影响探针的纵向分辨率。在激光全息单元、透镜1和显微镜物镜之间的位置关系不变的情况下，对于相同的样品位移，显微镜物镜的焦距越小，显微镜物镜和透镜1成像的样品上被测点的位移越大，激光全息单元中光电探测器的输出信号变化越大，即测量系统的纵向分辨率越高。此外，显微镜物镜的数值孔径也影响探针的分辨率。当光波长不变时，显微镜物镜的数值孔径越大，其景深越小，探针的纵向分辨率越高。同时，显微镜物镜的数值孔径越大，激光束的会聚光斑越小，系统的横向分辨率越高。考虑到探头分辨率和工作距离等因素，光学显微镜探头的设计选用了大恒光电GCO-2133长工作距离物镜。它的放大率为40，数值孔径为0.6，工作距离为3.33毫米

2.3定焦微探头的实现

除激光全息测量系统外，光学显微镜探头还包括光学显微镜成像系统，由光源、显微镜物镜、透镜2、透镜3、分光镜1、分光镜2和CCD相机组成。光源均匀照亮被测样品表面，被测样品通过显微物镜、分光镜1、透镜2和分光镜2成像在CCD相机的接收面上。为了避免光源发热对测量系统的影响，采用光纤传输光束将照明光引入显微成像系统。通过CCD摄像机，我们不仅可以观察被测样品的表面形貌，还可以观察激光全息单元发出的光束在样品表面的聚焦情况。

根据图2所示的原理，通过光学元件的选择、加工和信号放大电路的设计来制造光学显微镜探头，如图3所示。从结构上看，该探头具有体积小、集成度高的优点。将探头安装在纳米测量机上，编制相应的测量软件，可用于被测样品的快速瞄准和高分辨率非接触测量。

3测量实验及结果分析

为了测试光学显微镜探针的功能，将探针安装在纳米3D测量机上，并且显微镜物镜的光轴沿着测量机的Z轴。标定了其输出信号的电压与被测样品离焦量的关系，并用其测量了台阶高度模板和一维线间距模板[16]。在25 mm×25 mm×5 mm的测量范围内，空间分辨率可达0.1 nm。实验在温度控制在(20±0.5)℃

3.1输出电压和探头位移之间关系的建立

为了获得光学显微镜探头输出电压与被测表面位移(离焦)的关系，将被测样品板放置在纳米三维测量机的工作台上，精密位移台驱动被测样品板沿测量光轴移动。纳米测量机采集位移数据，同时记录探头的输出电压信号。图4示出了当待测样品从远离和靠近探针的焦点表面向探针移动时，探针的输出电压和样品位移之间的关系。

从图4可以看出，光学显微镜探头的输出电压与被测样品的位移之间的关系为S形曲线，这与第一节所述的通过微分光斑尺寸变化测量离焦量的原理是一致的。当被测样品远离光学显微镜探头的焦平面时，电压信号近似恒定。当被测样品靠近探头焦面时，电压开始升高，达到最大值后逐渐下降。当模板通过探头的聚焦面时，电压通过初始电压值，可视为测量的零点；当样品继续远离焦平面时，电压继续降低，当达到最小值时，电压逐渐升高，回到稳定值。在电压的峰值和谷值之间，曲线上有一个线性度较好的区域。在测量中，该区域被选择作为探针的工作区域。通过拟合该曲线，可以得到探针电压和模板位移之间的关系。在图4所示的3微米操作区域中，电压和位移之间的关系是

其中:U为激光全息单元的输出电压；d是离焦平面的距离。

3.2台阶高度测量试验

在校准光学微探针的电压-位移关系之后，通过配备有光学微探针的纳米3D测量机测量台阶高度模板。

测量过程中，硅基SHS-1微米台阶高度模板放置在纳米三维测量机的工作台上。首先调整模板的位置，通过CCD图像观察模板，使被测台阶的边缘垂直于工作台的X轴移动方向，模板的表面位于光学显微镜探头的聚焦面上。此时，测量光束会聚在被测模板的表面，如图5所示。然后利用工作台带动模板沿X方向移动，使测量光束扫过模板上的台阶，同时记录光学显微镜探头的输出信号。最后，对测量数据进行处理，计算出台阶高度。

step模板的测量结果如图6所示。根据检定规程[17]对测量结果进行处理后，发现被测模板的台阶高度为1.005μ m，与该样板1.012微米的标定结果相比，测量结果吻合较好，其微小偏差反映了测量过程中温度变化、干涉仪非线性、样板不平整等因素造成的测量误差。

3.3一维线间距测量测试

在测量一维线间距模板的过程中，将硅基LPS-2微米一维线间距模板放置在纳米测量机的工作台上，使测量线沿X轴方向，模板表面位于光学显微镜探针的焦平面上。然后利用工作台带动模板沿X方向移动，使测量光束扫过行距模板上的刻线，同时记录纳米测量机的位移测量结果和光学显微镜探针的输出信号。最后，对测量数据进行处理，测量结果如图7所示。

根据检定规程[17]对一维线间距的测量结果进行处理，发现被测样品的划线间距为2.004微米，与该样品2.002μ m的标定结果非常吻合

3.4分析和讨论

从光学显微镜探针输出电压与被测表面位移关系的标定实验结果可以看出，利用探针输出电压与探针焦平面附近样品位移的单调对应关系，通过测量探针输出电压的变化，可以得到样品的位移。在图4所示的曲线中，以电压-位移曲线上探头焦面附近3微米的位移范围为工作区域，对应的电压变化范围约为0.628V，根据电压测量分辨率和噪声影响的分析，探头在有效范围内的分辨率可以达到纳米级。

台阶模板和一维线间距模板的测量结果表明，该光学显微镜探针可应用于纳米三维测量机，实现微纳表面形貌模板的快速定位和微位移的测量。通过用纳米测量机的激光干涉仪标定光学显微镜探针的位移，探针的位移测量结果可以溯源到稳频激光的波长。实验过程也证明了光学显微镜探头具有扫描速度快、测量分辨率高、抗干扰能力强的优点，适用于纳米表面形貌的非接触测量。

4结论

本文介绍了一种用于纳米级表面形貌测量的高分辨率光学显微镜探头。在探头设计中，采用激光全息单元作为位移测量系统的主要组成部分，根据差分光斑尺寸变化原理实现微位移测量。结合光学显微镜系统，形成结构紧凑、集测量和观察功能于一体的高分辨率光学显微镜探头。将探头安装在纳米三维测量机上，进行了台阶高度模板和一维线间距模板的测量实验。结果表明，光学显微镜探头能够实现预期的测量功能，位移测量分辨率可以达到纳米级。下一步，将通过多种微纳模板测量实验，进一步考察和改进探头的结构和性能，使其更适用于纳米3D测量机，并应用于微纳结构几何参数的非接触测量。