[发明专利]远场纳米级超分辨全场光学计量系统和方法

说明书

一种用于在远场纳米级上传递样品或物体(6)的表面形貌信息的超分辨率全场光学计量系统，该系统包括：光源(2)；干涉仪(1a、1b、1c、1d)，其包括参考臂和物体臂，参考臂包含微球(9)和镜子(10)，物体臂包括类似于微球(9)的微球(7)并且紧邻物体(6)的表面(22)布置；接收装置(5)，其用于捕获干涉图；以及用于处理这些干涉图以生成表面形貌信息的装置。光源(2)是时间相干或部分相干的。干涉仪和用于处理干涉图的装置被设计成通过相移干涉法重建物体(6)的表面。

技术领域

本发明涉及一种用于在远场纳米级上传递样品表面形貌的信息的超分辨率全场光学计量的系统和方法。它还涉及在该系统中实现的计量方法。

该系统和方法尤其涉及超分辨光学轮廓测定法。关于在三个空间方向上获得的超过衍射极限的纳米空间分辨率是有意义的。

背景技术

光学轮廓仪是一种非接触式计量仪器，它能够重建物体的表面形貌。存在几种光学轮廓测定法技术，例如共聚焦显微镜、结构光投影和干涉显微镜。

光学干涉法的原理类似于声波回波描记术，因为它能够通过测量由物体的具有不同折射率的两种材料之间的接合处反射的波的飞行时间来重建该物体的深度信息。换句话说，在回波描记术中，由换能器发射的波被接合处反射，并且随后由接收器收集。发射和接收之间的持续时间称为飞行时间。通过利用速度、时间和距离之间的关系，能够得到接合处的相对位置。干涉法使用同样的原理，即测量飞行时间。然而，由于光速远大于声速，目前还没有传感器能够测量这种持续时间。因此，这种技术需要更复杂的结构，例如添加一个参考臂。

在干涉法中，接收器记录的信号(强度图像)称为干涉图，该干涉图携带光程差信息。接收器通常是CCD(电荷耦合器件)或CMOS(互补金属氧化物半导体)矩阵。通过测量参考波(由镜面反射)和物体接合处反射的波之间的光程差，就能够得到高度信息。

因此，干涉轮廓仪利用该原理来重建物体的形貌。干涉法将基于照射的两种主要测量方法组合在一起。此外，为了进一步使这两种方法多样化，有多种方法来解释结果和重建形貌。

第一种轮廓测定法方法使用时间相干的照射。它包括两种重建形貌的方法：这些方法是数字全息法和相移干涉法。

在数字全息法中，每个像素上的深度(或光程差)信息取决于参考波和物体波之间的相移。检测器收集干涉图。然后，借助于基于波的传播和傅里叶变换的算法，得到物体波和参考波之间的相移。该技术的优点是只需要一次采集。另一方面，与相移干涉法不同，它需要空间相干源和更复杂的算法过程。

在相移干涉法中，基于一系列的异相干涉图计算出物体波与参考波之间的相移，从而能够得到每个像素上的光程差。通过物体或参考镜子的轴向位移(已知距离)来施加相移。这种技术允许非常高的轴向灵敏度，通常小于1nm。

这两种相干光光学计量技术由于受到相干噪声和引起的散斑效应的影响，目前很少用于光学轮廓测定法。

在相干干涉法中，相干函数近似为1。因此，在相位项中得到光程差项。另一方面，第二轮廓测定法方法使用时间非相干或部分非相干的照射(即多色光源，例如卤素灯或LED(发光二极管))。这里，该原理基于以下事实：两个非相干或部分非相干波之间的相互作用形成由信号携带的干涉信号，该信号被称为相干函数，其携带每个像素上的光程差信息。在数学上，这个相干函数表示为光源光谱的傅里叶变换。光谱越窄(在单色光源的情况下)，相干函数就越大，反之亦然。

这里，深度信息不是来自相位项，而是来自相干项，该相干项本身携带每个像素上的光程差信息。检测器记录每个像素上的光辐照度，它是物体波和参考波的振幅平方之和。通过轴向移动物体或参考镜子，获得关于每个像素的干涉图，该干涉图根据物体位置变化。当镜子的平面与物体接合处之间的光程差为零时，每个像素上的条纹包络值最大，并且出现强度峰值。换句话说，通过沿着光轴扫描光程差，该方法检测每个像素的这种包络峰值，然后使得能够得到物体的深度信息。