一种基于Bessel光束离焦扫描的微纳结构特征参数测量方法及装置

技术领域

本发明属于测试计量技术领域，具体涉及一种基于Bessel光束离焦扫描的微纳结构特征参数测量方法及装置。

背景技术

随着纳米技术的发展，微纳结构的使用获得了广泛的关注，其特征参数是加工的核心指标之一。为确保微纳结构的性能，准确测量特征参数是必不可少的步骤。

目前已有多种仪器技术可用于表征微纳结构特征参数，比如扫描探针显微镜、扫描透射/反射电子显微镜、白光干涉仪、弹性光散射技术等。

扫描探针显微镜通过探针测量可获得纳米级分辨率微纳结构三维面形，测量准确可靠，但其成本较高，易受外部噪声的影响，且效率较低，测量50微米×50微米区域时往往需要数十秒，因此该技术一般应用于实验室进行高精度表征；

扫描透射/反射电子显微镜利用电子波长短的特点，以电子为媒介可获得高分辨率微纳结构图像，但其成本较高，使用不便；

白光干涉仪通过非相干干涉成像可使用普通显微成像装置测量结构三维面形，但其受光学衍射极限影响，分辨率较低，无法准确测量亚波长级横向特征参数；

弹性光散射技术使用平行光照射结构，测量其散射光分布，与理想结构散射光进行对比，确定特征参数，测量成本低、精度高，是目前半导体加工中常用的方法。但其测量总体平均特征参数，无法反应结构局部的变化。

离焦扫描技术近年来已被应用于微纳结构特征参数表征研究，通过测量聚焦光束的反射光情况可反演特征参数，但当表面位置变化时，光斑尺寸发生变化，影响了测量效果，因此迫切需要改进现有测量技术，开发一种新型微纳结构特征参数的测量方法及装置，实现特征参数准确、低成本测量，为微纳加工检测提供一种新的技术与工具。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种基于Bessel光束离焦扫描的微纳结构特征参数测量方法及装置，适用于微纳结构特征参数的准确、低成本测量，在微纳结构检测中有广阔的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：

一种基于Bessel光束离焦扫描的微纳结构特征参数测量装置，包括上位机、控制器、电源模块、测量模块、电动聚焦平移台、电动扫描平移台和待测样品；

所述测量模块安装在所述电动聚焦平移台上，电动聚焦平移台可带动测量模块上下连续移动，改变其与待测样品表面的距离，使得聚焦光点成像的状态从离焦至聚焦至离焦连续发生变化，移动中通过成像探测器实时拍摄待测样品表面图像；

所述电动扫描平移台用于改变待测样品表面的测量区域；

所述测量模块通过Bessel光束实现待测样品表面成像；

所述上位机包括不同微纳结构特征参数所对应的三维图像栈分布数据库，通过分析通过成像探测器实时拍摄的待测样品表面图像，形成图像栈，与三维图像栈分布数据库进行对比确定微纳结构特征参数；

所述电动聚焦平移台及电动扫描平移台均使用闭环步进电机驱动；

所述上位机通过控制器控制电动聚焦平移台和电动扫描平移台；

所述电源模块为装置供电。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的测量模块包括激光子模块、半透半反棱镜、成像探测器、显微物镜；

所述激光子模块包括半导体激光器、锥透镜、45°分光镜、激光光强探测器；

所述半导体激光器产生光束，经过所述锥透镜成为Bessel光束，照射至所述45°分光镜，部分光束反射至所述激光光强探测器，实时测量激光光强变化，部分光束透射至所述半透半反棱镜；

激光光束通过半透半反棱镜反射至所述显微物镜，聚焦至待测样品表面；

所述待测样品表面聚焦光点经显微物镜、半透半反棱镜被所述成像探测器成像。

上述的半导体激光器为激光二极管，波长为可见光；

所述锥透镜使用二向色性材料制成，可将激光器出射光束转换为Bessel光，波长范围为400-700nm可见光范围；

所述45°分光镜透射反射比为1:1；

所述激光光强探测器使用光电池作为探测元件。

上述的成像探测器43使用CMOS面阵探测器。

上述的控制器包括微处理器、激光恒流驱动模块、电流模数转换模块、步进电机驱动器；

所述微处理器与所述上位机之间通过串口进行连接；

所述微处理器提供脉冲及方向信号用于通过步进电机驱动器控制电动聚焦平移台及电动扫描平移台；

所述微处理器通过电流模数转换模块对激光光强探测器的光电流进行放大及模数转换处理；

所述激光恒流驱动模块用于控制半导体激光器。

上述的电动聚焦平移台与电动扫描平移台均为丝杠导轨结构，使用闭环步进电机进行驱动，电动聚焦平移台步进电机加装刹车装置；

所述电动聚焦平移台与电动扫描平移台均安装限位及零位开关，使用所述控制器进行控制。

上述的上位机包括：用于与控制器进行串口通信的通信模块、用于获取成像探测器图像的图像采集模块、用于提取光强分布及与数据库对比的图像处理模块、用于保存数据及配置参数的文件模块。

一种基于Bessel光束离焦扫描的微纳结构特征参数测量方法，包括：

1)使用实验测量或有限元法、时域有限差分法数值模拟微纳结构不同特征参数时反射光的分布，模拟时连续改变聚焦光点与待测样品表面之间的距离，通过成像探测器实时拍摄待测样品表面图像，分析图像形成图像栈，构建不同微纳结构特征参数所对应的三维图像栈分布数据库；

2)电源模块供电，上位机发送命令至控制器，控制电动扫描平移台及电动聚焦平移台至指定位置；

3)测量模块中半导体激光器产生光束，激光光强探测器测量激光器出射光束亮度，实时传输给上位机；

4)电动聚焦平移台移动测量模块，从上往下寻找聚焦位置，找到后向下方多移动10微米；

5)从下往上移动测量模块的成像探测器，每隔2微米拍摄一副图像；

6)上位机在预先制作的数据库中查找与拍摄的光场分布最一致的微纳结构特征参数，在屏幕上显示测量结果并保存数据；

7)上位机控制电动扫描平移台将待测样品移动至不同位置，重复2)-7)测量步骤，获得不同采样点处的微纳结构特征参数，确定加工质量是否满足精度需求。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过离焦扫描技术获得聚焦光点不同离焦状态时的三维反射光场分布，进而通过数据库查找微纳结构特征参数，适用于亚波长尺度微纳结构特征参数的测量。相比传统扫描探针技术，本发明为非接触测量，不会损伤表面且成本较低。相比传统二维光场测量技术，本发明通过比对三维光场，具有更高测量精度，有望在光学加工企业广泛应用。相比传统聚焦光束离焦扫描技术，本发明使用Bessel光束，聚焦光束截面不受表面位置影响，效果更优。

附图说明

图1是本申请实施例的一种基于Bessel光束离焦扫描的微纳结构特征参数的测量装置的结构示意图。

图2是本申请实施例的测量模块的结构示意图。

图3是本申请实施例的激光子模块的结构示意图。

图中：1-上位机、2-控制器、3-电源模块、4-测量模块、5-电动聚焦平移台、6-待测样品、7-电动扫描平移台、41-激光子模块、42-半透半反棱镜、43-成像探测器、44-显微物镜、411-半导体激光器、412-锥透镜、413-45°分光镜、414-激光光强探测器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。

参阅图1，本申请实施方式提供一种基于离焦扫描的微纳结构特征参数的测量装置，所述装置包括：上位机1、控制器2、电源模块3、测量模块4、电动聚焦平移台5、待测样品6、电动扫描平移台7。

所述测量模块4结构请参阅图2，包括激光子模块41、半透半反棱镜42、成像探测器3、显微物镜44。

所述激光子模块41结构请参阅图3，包括半导体激光器411、锥透镜412、45°分光镜413、激光光强探测器414。

实施例中，所述半导体激光器411产生激光，波长为可见光或近红外波段，通过所述锥透镜412成为Bessel光束，入射至45°分光镜413，部分光束反射至激光光强探测器414，转换成电压信号，连接至控制器2，另一部分光束透射至半透半反棱镜42，反射进入显微物镜44被聚焦至待测样品6表面，聚焦Bessel光反射后包含了微纳结构的信息，由显微物镜44收集，经过半透半反棱镜22后被成像探测器测量。

样品表面反射光包含了微纳结构参数信息，由于Bessel光束截面光强分布在一段传播距离内保持不变，样品表面位置不影响光束被微纳结构的散射情况，相比传统高斯光束具有更好的效果。

实施例中，所述测量模块4安装于所述电动聚焦平移台5，可在垂直z轴方向移动，使得激光光点从离焦到聚焦到离焦发生连续变化，移动中实时采集成像探测器拍摄图像，形成图像栈，与预先制作的图像栈数据库进行对比确定微纳结构特征参数。

实施例中，所述上位机1使用Windows操作装置，自行开发设备控制软件，软件使用C#语言编写，包括：用于与控制器进行串口通信的通信模块、用于获取成像探测器图像的图像采集模块、用于提取光强分布及与数据库对比的图像处理模块、用于保存数据及配置参数的文件模块，图像处理模块通过调用Matlab提高定制开发效率。

实施例中，所述上位机1存储了不同微纳结构特征参数所对应的三维图像栈分布数据库。该数据库可通过有限元法、时域有限差分法数值模拟生成，亦可实际测量已知特征参数的微纳结构获得。

实施例中，所述控制器2包括微处理器、激光恒流驱动模块、电流模数转换模块、步进电机驱动器。

实施例中，所述微处理器使用STM32单片机，与所述上位机之间通过串口进行连接，提供脉冲及方向信号给所述步进电机驱动器，用于控制电动聚焦平移台及电动扫描平移台，对激光光强探测器的光电流进行放大及模数转换处理。

实施例中，所述激光恒流驱动模块用于控制半导体激光器。

实施例中，所述步进电机驱动器为闭环控制，接收方向与脉冲信号及位置编码器信号。

实施例中，所述电源模块3使用开关电源，输入220V交流电，输出24V与5V两路电源，其中24V电压用于电机驱动模块及刹车信号，5V电压用于微处理器、步进电机驱动器及激光恒流驱动模块，输入交流信号可根据不同国家及地区标准进行更改。

实施例中，所述测量模块4包括半导体激光器411、锥透镜412、45°分光镜413、激光光强探测器414、半透半反棱镜42、成像探测器43、显微物镜44。

实施例中，所述半导体激光器411使用小功率激光二极管，波长为可见光。

实施例中，所述锥透镜412使用二向色性材料制成，可将激光器出射光束转换为Bessel光，波长范围为400-700nm可见光范围。

实施例中，所述45°分光镜413透射反射比约为1:1。

实施例中，所述激光光强探测器414使用光电池作为探测元件。

实施例中，所述半透半反棱镜42的透射率与反射率之比为50:50，对偏振态不敏感。

实施例中，所述成像探测器43使用CMOS面阵探测器，一般使用USB、千兆网或CameraLink接口，上位机中需提供配套采集卡，使用千兆网时普通网卡即可，使用CameraLink接口时需提供对应CameraLink采集卡。

实施例中，所述显微物镜44聚焦激光光束并收集反射光束，具有高数值孔径，一般需大于0.6，工作距离小于4mm。

实施例中，所述电动聚焦平移台5与电动扫描平移台7均为丝杠导轨结构，使用闭环步进电机进行驱动，电动聚焦平移台步进电机加装刹车装置。两个平移台均安装限位及零位开关，使用所述控制器2进行控制。

实施例中，所述电动扫描平移台7行程为50mm以上。

实施例中，所述待测光学元件6是特征参数为亚波长级的微纳结构。

本发明的测量步骤为：

1)使用实验测量或有限元法、时域有限差分法数值模拟微纳结构不同特征参数时反射光的分布，模拟时连续改变聚焦光点与待测样品表面之间的距离，通过成像探测器实时拍摄待测样品表面图像，分析图像形成图像栈，构建不同微纳结构特征参数所对应的三维图像栈分布数据库；

2)电源模块供电，上位机发送命令至控制器，控制电动扫描平移台及电动聚焦平移台至指定位置；

3)测量模块中半导体激光器产生光束，激光光强探测器测量激光器出射光束亮度，实时传输给上位机；

4)电动聚焦平移台移动测量模块，从上往下寻找聚焦位置，找到后向下方多移动10微米；

5)从下往上移动测量模块的成像探测器，每隔2微米拍摄一副图像；

6)上位机在预先制作的数据库中查找与拍摄的光场分布最一致的微纳结构特征参数，在屏幕上显示测量结果并保存数据；

7)上位机控制电动扫描平移台将待测样品移动至不同位置，重复2)-7)测量步骤，获得不同采样点处的微纳结构特征参数，确定加工质量是否满足精度需求。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。