摘 要:为解决纳米级大范围的非接触测量问题,提出了基于差动式共焦显微技术的光聚焦探测系统。介绍了系统的工作原理和结构装置,对系统中的关键技术进行了优化设计,通过对共焦光路的差动设计,可以有效地抑制光源的噪声和漂移对测量结果的影响。初步实验结果表明,该系统的轴向分辨率可达2 nm。
1 引 言
纳米级探测系统是构成纳米计量仪器的三大基本要素之一,目前应用最广泛的纳米级探测技术应首推扫描探针显微镜(ScanNIng Probe Microscope)[1],但是由于其存在测量范围小、操作复杂及对环境要求苛刻等不足,因此人们纷纷把目光投向具有非接触、分辨率高、探测范围大及对操作环境要求低等优点的光聚焦探测技术。
近年来,作为一种光聚焦探测技术,共焦显微镜已经引起众多国内外专家学者的普遍关注[2-4]。利用了共焦显微镜独特的轴向响应特性,已开发出多种共焦探测技术。最简单的一种方法是被测表面沿光轴作扫描运动使其通过焦平面,并记录最大光强信号时的扫描位置[2],该方法简单易行,但测量的轴向分辨率只在微米量级,且光源的噪声和漂移直接影响测量结果;另一种方法是扩展聚焦法[3],该方法不是检测最大光强信号,而是对扫描位置的轴向响应进行积分,它虽然可以使焦深增大,但分辨率和对比度都要低于前一种方法。为克服上述光聚焦探测方法中存在的不足,本文提出了一种基于差动式共焦显微原理具有纳米分辨率和大测量范围的光聚焦探测技术。
2 差动共焦探测系统的工作原理
在普通共焦显微光路中,光源、物点和点探测器三点处于彼此对应的共轭位置,当物体位于焦平面时,反射光被精确地聚焦在点探测器上,焦点以外的光将全被针孔屏蔽,此时探测器接收到的光能量最大;当物体偏离焦平面时,反射光被聚焦于点探测器的前面或后面的某个位置上,此时探测器仅仅能接受到一小部分光能量,这样就可以通过探测光强信号的强弱变化来获得轴向位移信息。其轴向响应特性可由下式表示[4]
式中I0为几何焦点处的光强信号;k为波数(k= 2π/λ);λ为光波波长;z为物体偏离焦平面的位移;sinα为透镜的数值孔径。差动共焦式光聚焦探测技术,探测器针孔的位置分别对称地位于像焦平面之前和之后,通过对两探测信号求差与求和,给出光聚焦信号,其工作原理如图1所示。当物体位于焦平面时,两针孔的位置相对于像焦平面对称,两探测器的差值为零;当物体偏离焦平面一个微小位移时,像点一方面趋近一个针孔,另一方面远离另一个针孔,使探测到的光功率一个增大,一个减小,因而产生的差动信号可以较好地反映出物体位移的大小和方向。
如果两针孔轴向偏移像焦平面的位移分别是+zD和-zD,则光聚焦信号为[2,4]
当针孔偏离像焦平面一个恰当的位移时,式(2)和式(3)给出的即为该情况下的检测到的光聚焦信号,分别为两光强信号的差与和,其仿真曲线如图2所示。经相应处理后,作为探测触发信号。由于采用共光路设计思想,光源的噪声和漂移同时作用于两探测器,差动后的光聚焦探测信号可以有效地抑制光源产生的影响。
3 差动共焦式光聚焦探测系统装置
在激光器前面放置一个针孔,使之成为点光源,经扩束器扩束后变成平行光进入偏振分光镜,透射过分光镜的光经过λ/4波片和显微物镜后汇聚到被测工件表面上,反射光经偏振分光镜反射后的光束由普通分光镜再次分别经过聚光镜聚焦,并探测透过针孔1和针孔2的光强信号,如图3所示。物体在PZT的驱动下做轴向扫描运动,当经过焦平面时,探测到的差动光强信号经过零值,同时探测到的求和光强信号经过其极大值,将两信号进行相与处理作探测触发信号,此时位移传感器(HP5529A)测得的信号即为物体轴向的位移。
4 系统优化设计与分析
4.1 针孔尺寸的确定
针孔的尺寸越小越能接近理想的点光源和点探测器状态,然而实际中光源和探测器都是具有有限尺寸的,一方面是为了能探测到足够的光能量,以保证探测信号有较大的信噪比;另一方面针孔尺寸受目前加工工艺所限,很难做得足够小。
针孔的归一化半径νD为[2]
式中rD为实际的针孔半径;M为集光镜的放大倍率;λ为光波波长;sinα为集光镜的数值孔径。如图4所示,当νD< 2.5时,光强信号随针孔尺寸的增加而迅速增加;当νD≥2.5时,信号增长趋于缓慢而轴向分辨率迅速下降。因此一般优化选择νD= 2.5作为针孔的归一化尺寸。
4.2 探测器和光源的选择
由于光学元件及共焦针孔的衰减作用,因此在差动共焦探测系统中需要高灵敏度、低噪声的探测器。尽管光电倍增管具有灵敏度高、响应速度快和噪声小等特点,但是其结构复杂、工作电压,高且管子易烧毁,因此不适于工程应用。CCD体积小,功耗小,工作电压低,但由于光子噪声、肥零噪声及输出电路噪声的存在,影响了其灵敏度的提高,且响应速度较慢,因此不适于在差动共焦探测系统中应用。PIN光电二极管由于体积小、灵敏度高、响应速度快、工作电压低且价格便宜,因而选PIN光电二极管作探测器。差动共焦探测系统的轴向分辨率最终取决于光波波长,因此选用亮度高、方向性好、单色性好及相干性好的He-Ne激光器作为光源。
4.3 物镜对分辨率的影响
差动共焦式探测系统的轴向和横向分辨率取决于物镜的数值孔径、放大倍率及像差等光学特性。这里对物镜的数值孔径和放大倍率对共焦系统分辨率的影响进行了实验研究,当激光光源的波长为632.8 nm时,对( 40×, 0.65 )和(100×,0.95)的平场消色差显微物镜,横向分辨率分别为0.43μm和0.29μm,轴向分辨率则分别由图5中的轴向响应特性的实验曲线给出。
5 实验结果与分析
对本文提出的差动式共焦探测系统进行了初步实验,光学元件的具体参数见表1。
压电陶瓷(PZT)以一定频率驱动缩小比为5∶1的柔性工作台作扫描振动,每个驱动脉冲可以获得1 nm的轴向进给。把反射率为99.5%平面全反射镜作为被测物体固定在工作台上,位移信号通过HP5529A双频激光干涉仪监测,图6给出了光聚焦探测信号的实验曲线。曲线表明在聚焦检测信号过零处的灵敏度为2 V/μm ,对应的轴向分辨率可达2 nm,测量范围则主要取决于位移传感器的线性范围。比较图2和图6的曲线,表明实验得到的光聚焦信号曲线与理论得到的曲线基本一致。
6 结 论
综上所述,本文提出的差动共焦式光聚焦探测系统充分利用共焦显微镜所特有的轴向响应特性,并用其进行光聚焦探测瞄准,而不是直接用其进行位移测量,因此它既拥有了非接触测量的优点,又兼备了高分辨率、大测量范围的特点:
(1)测量分辨率由光聚焦探测瞄准和位移传感器共同给出,可达2 nm。
(2)测量范围由位移传感器的线性范围给出,可以实现高精度、大范围和非接触测量。
(3)差动检测方式的应用可以有效地消除光源的噪声和漂移的影响。
参考文献:
[1]赵克功,高思田,徐毅.计量型原子力显微镜.计量学报[J].1998,19 (1):1—8
[2] Wilson T. Confocal Microscopy [M]. London: Academic Press.1990.
[3] Sheppard C J R,Matthews H J. The extend-focus, auto-focus andsurface-profiling techniques of confocal microscopy [J]. J. ofMod. Opt., 1988,35(1):145—154
[4] Jordan H J. Wegner M, Tiziani H J. Highly accurate non-contactcharacterization of engineering surfaces using confocal microscopy[J]. Meas. Sci. Tech., 1998, 9:1142—1151
基金项目:总装备部九五预研项目(18.6.1.4/976000-05)
作者简介:王富生(1970-),男,山东人,哈尔滨工业大学博士研究生,从事超精密三维激光测量技术、共焦显微技术和高精度电容位移传感器等的研究。
