[发明专利]径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置

说明书

技术领域

径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置属于光学显微镜测量领域；主要涉及一种用于微结构工业样品中三维细微结构表面形貌测量的超精密非接触测量装置。

背景技术

共焦点扫描测量是微光学、微机械、微电子领域中测量三维精细结构、微台阶、微沟漕线宽、深度及表面形状的主要技术手段之一。包括差动共焦曲率半径测量方法与装置(公开号CN101526341)、共焦显微镜及用其测量高度的方法(公开号CN1392962)、复色超分辨差动共焦测量方法与装置(公开号CN101182992)等采用传统透镜照明和探测结构的共焦点扫描测量系统，其横向分辨率与物镜的数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，分辨率越高。对于这类采用传统透镜照明和探测结构的共焦点扫描测量系统，透镜组构成的物镜的会聚角理论极限为90°，然而苛刻的加工工艺和复杂的镜组结构使得实际商用干式物镜的最大会聚角被限制在72°(对应数值孔径为0.95，折射率为1时)，所以采用传统透镜照明和探测结构的共焦扫描系统很难通过增大数值孔径来提高分辨率。

此外，已知使用径向偏振光照明，可以在焦点附近获得轴偏振光。王海凤等人于2008年在《Nature Photonics》上发表《Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics》介绍了其在径向偏振光照明条件下，利用二元光学器件滤波从而获得轴向偏振光的方法。轴向偏振光在很多领域有着重要的应用，比如粒子加速，生物显微镜中的荧光成像，二次谐波的产生以及光刻技术等。在不经过滤波的情况下，利用透镜会聚得到的轴向偏振光的轴向偏振比例不高。在会聚角达到90°时(理想情况，实际上干式物镜只能达到72°左右)，轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比低于5。

发明内容

为了解决上述问题，本发明设计了一种径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，不仅可以提高横向分辨率，而且可以提高焦点处轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比。

本发明的目的是这样实现的：

径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，包括激光器，准直扩束器，起偏器，径向偏振光转换器，分光镜，大数值孔径物镜，椭球反射镜，样品，三维载物台，耦合透镜，光纤，光电倍增管；激光器发出的激光束依次经过准直扩束器，起偏器，径向偏振光转换器，分光镜后，由大数值孔径物镜会聚到椭球反射镜表面，再经过椭球反射镜和样品的两次反射后沿对称路径返回，再次经过分光镜时被反射，反射光束先经耦合透镜会聚，再经光纤传输到光电倍增管上成像；其中，样品固定放置在三维载物台上；大数值孔径物镜的焦点和椭球反射镜的远焦点F₁重合，椭球反射镜的近焦点F₂位于样品的表面上；所述的椭球反射镜为环带结构，相隔的两个环带反射率相同，相邻的两个环带反射率分别为0和1。

上述径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，所述的椭球反射镜的边缘环带反射率为1；顶点环带反射率为0。

上述径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置，所述的椭球反射镜为四环带结构。

从椭球反射镜边缘到顶点，环带的反射率依次为1、0、1、0。

从椭球反射镜边缘到顶点，第一环带对椭球反射镜近焦点F₂的张角范围为[7π/8,π]；第三环带对椭球反射镜近焦点F₂的张角范围为[5π/8,3π/4]。

由于本发明共焦成像装置中，椭球反射镜为环带结构，相隔的两个环带反射率相同，相邻的两个环带反射率分别为0和1；这种环带设计，可以实现对光束的滤波，不仅可以提高横向分辨率，而且可以提高焦点处轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比。

附图说明

图1是径向偏光照明椭球曲面光瞳振幅滤波共焦成像装置结构示意图。

图2是椭球反射镜点扩散函数分析坐标定义图。

图3是椭球曲面光瞳滤波结构沿z轴负方向在x₂-y₂面上的投影图。

图4是椭球反射镜近焦点F₂附近径向光强分布和艾里斑径向光强分布对比图。

图5是椭球反射镜和传统透镜所对应的聚焦光斑轴向电场能流密度最大值和径向电场能流密度最大值之比随数值孔径角变化趋势图。