摘 要：為了滿(mǎn)足納米級(jí)表面形貌樣板的高精度非接觸測(cè)量需求，研制了一種高分辨力光學(xué)顯微測(cè)頭。以激光全息單元為光源和信號(hào)拾取器件，利用差動(dòng)光斑尺寸變化探測(cè)原理，建立了微位移測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)合光學(xué)顯微成像系統(tǒng)，形成了高分辨力光學(xué)顯微測(cè)頭。將該測(cè)頭應(yīng)用于納米三維測(cè)量機(jī)，對(duì)臺(tái)階高度樣板和一維線(xiàn)間隔樣板進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：該光學(xué)顯微測(cè)頭結(jié)合納米三維測(cè)量機(jī)可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)表面形貌樣板的可溯源測(cè)量，具有掃描速度快、測(cè)量分辨力高、結(jié)構(gòu)緊湊和非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決納米級(jí)表面形貌測(cè)量難題具有重要實(shí)用價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：納米測(cè)量；激光全息單元；位移；光學(xué)顯微測(cè)頭；納米級(jí)表面形貌

引言

　　隨著超精密加工技術(shù)的發(fā)展和各種微納結(jié)構(gòu)的廣泛應(yīng)用，納米三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密測(cè)量?jī)x器受到了重點(diǎn)關(guān)注。國(guó)內(nèi)外一些研究機(jī)構(gòu)研究開(kāi)發(fā)了納米測(cè)量機(jī)，并開(kāi)展微納結(jié)構(gòu)測(cè)量［1-4］。作為一個(gè)高精度開(kāi)放型測(cè)量平臺(tái)，納米測(cè)量機(jī)可以兼容各種不同原理的接觸式測(cè)頭和非接觸式測(cè)頭［5-6］。測(cè)頭作為納米測(cè)量機(jī)的核心部件之一，在實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的高精度測(cè)量中發(fā)揮著重要作用。原子力顯微鏡等高分辨力測(cè)頭的出現(xiàn)，使得納米測(cè)量機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜微納結(jié)構(gòu)的高精度測(cè)量［7-8］，但由于其測(cè)量速度較慢，對(duì)測(cè)量環(huán)境要求很高，不適用于大范圍快速測(cè)量。而光學(xué)測(cè)頭從原理上可以提高掃描測(cè)量速度，同時(shí)作為一種非接觸式測(cè)頭，還可以避免損傷樣品表面，因此，在微納米表面形貌測(cè)量中有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。在光學(xué)測(cè)頭研制中，激光聚焦法受到國(guó)內(nèi)外研究者的青睞，德國(guó)SIOS公司生產(chǎn)的納米測(cè)量機(jī)就包含一種基于光學(xué)像散原理的激光聚焦式光學(xué)測(cè)頭，國(guó)內(nèi)也有一些大學(xué)和研究機(jī)構(gòu)開(kāi)展了此方面的研究［9-11］。這些測(cè)頭主要基于像散和差動(dòng)光斑尺寸變化檢測(cè)原理進(jìn)行離焦檢測(cè)［12-13］。在CD和DVD播放器系統(tǒng)中常用的激光全息單元已應(yīng)用于微位移測(cè)量［14-15］，其在納米測(cè)量機(jī)光學(xué)測(cè)頭的研制中也具有較好的實(shí)用價(jià)值。針對(duì)納米級(jí)表面形貌的測(cè)量需求，本文研制了一種基于激光全息單元的高分辨力光學(xué)顯微測(cè)頭，應(yīng)用于自主研制的納米三維測(cè)量機(jī)，可實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品的快速瞄準(zhǔn)和測(cè)量。

1、激光全息單元的工作原理

　　激光全息單元是由半導(dǎo)體激光器（LD）、全息光學(xué)元件（HOE）、光電探測(cè)器（PD）和信號(hào)處理電路集成的一個(gè)元件，最早應(yīng)用于CD和DVD播放器系統(tǒng)中，用來(lái)讀取光盤(pán)信息并實(shí)時(shí)檢測(cè)光盤(pán)的焦點(diǎn)誤差，其工作原理如圖1所示。LD發(fā)出激光束，在出射光窗口處有一個(gè)透明塑料部件，其內(nèi)表面為直線(xiàn)條紋光柵，外表面為曲線(xiàn)條紋全息光柵，兩組光柵相互交叉，外表面光柵用于產(chǎn)生焦點(diǎn)誤差信號(hào)。LD發(fā)出的激光束在光盤(pán)表面反射回來(lái)后，經(jīng)全息光柵產(chǎn)生的±1級(jí)衍射光，分別回到兩組光電探測(cè)器P1~P5和P2~P10上。當(dāng)光盤(pán)上下移動(dòng)時(shí)，左右兩組光電探測(cè)器上光斑面積變化相反，根據(jù)這種現(xiàn)象產(chǎn)生焦點(diǎn)誤差信號(hào)。這種測(cè)量方式稱(chēng)為差動(dòng)光斑尺寸變化探測(cè)，焦點(diǎn)誤差信號(hào)可以表示為

　　根據(jù)焦點(diǎn)誤差信號(hào)，即可判斷光盤(pán)離焦量。

圖1　激光全息單元

　　根據(jù)上述原理，本文設(shè)計(jì)了高分辨力光學(xué)顯微測(cè)頭的激光全息測(cè)量系統(tǒng)。

2、光學(xué)顯微測(cè)頭設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　光學(xué)顯微測(cè)頭由激光全息測(cè)量系統(tǒng)和光學(xué)顯微成像系統(tǒng)兩部分組成，前者用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品微小位移的測(cè)量，后者用于對(duì)測(cè)量過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以實(shí)現(xiàn)被測(cè)樣品表面結(jié)構(gòu)的非接觸瞄準(zhǔn)與測(cè)量。

　　2.1　激光全息測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　光學(xué)顯微測(cè)頭的光學(xué)系統(tǒng)如圖2所示，其中，激光全息測(cè)量系統(tǒng)由激光全息單元、透鏡1、分光鏡1和顯微物鏡組成。測(cè)量時(shí)，由激光全息單元中的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)透鏡1變?yōu)槠叫泄馐摴馐环止忡R1反射后，通過(guò)顯微物鏡匯聚在被測(cè)件表面。從被測(cè)件表面反射回來(lái)的光束反向通過(guò)顯微物鏡，一小部分光透過(guò)分光鏡1用于觀(guān)察，大部分光被分光鏡1反射，通過(guò)透鏡1，匯聚到激光全息單元上，被全息單元內(nèi)部集成的光電探測(cè)器接收。這樣，就將被測(cè)樣品表面瞄準(zhǔn)點(diǎn)的位置信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。在光學(xué)顯微測(cè)頭設(shè)計(jì)中選用的激光全息單元為松下HUL7001，激光波長(zhǎng)為790 nm。

圖2　光學(xué)顯微測(cè)頭光學(xué)系統(tǒng)示意圖

　　當(dāng)被測(cè)樣品表面位于光學(xué)顯微測(cè)頭的聚焦面時(shí)，反射光沿原路返回激光全息單元，全息單元內(nèi)兩組光電探測(cè)器接收到的光斑尺寸相等，焦點(diǎn)誤差信號(hào)為零。當(dāng)樣品表面偏離顯微物鏡聚焦面時(shí)，由樣品表面反射回來(lái)的光束傳播路徑會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)入激光全息單元的反射光在兩組光電探測(cè)器上的分布隨之發(fā)生變化，引起激光全息單元焦點(diǎn)誤差信號(hào)的變化。當(dāng)被測(cè)樣品在顯微物鏡焦點(diǎn)以?xún)?nèi)時(shí)，焦點(diǎn)誤差信號(hào)小于零，而當(dāng)被測(cè)樣品在顯微物鏡焦點(diǎn)以外時(shí)，焦點(diǎn)誤差信號(hào)大于零。因此，利用在聚焦面附近激光全息單元輸出電壓與樣品位移量的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量激光全息單元的輸出電壓，即可求得樣品的位移量。

　　2.2　顯微物鏡參數(shù)的選擇

　　在激光全息測(cè)量系統(tǒng)中，顯微物鏡是一個(gè)重要的光學(xué)元件，其光學(xué)參數(shù)直接關(guān)系著光學(xué)顯微測(cè)頭的分辨力。首先，顯微物鏡的焦距直接影響測(cè)頭縱向分辨力，在激光全息單元、透鏡1和顯微物鏡之間的位置關(guān)系保持不變的情況下，對(duì)于同樣的樣品位移量，顯微物鏡的焦距越小，樣品上被測(cè)點(diǎn)經(jīng)過(guò)顯微物鏡和透鏡1所成像的位移越大，所引起激光全息單元中光電探測(cè)器的輸出信號(hào)變化量也越大，即測(cè)量系統(tǒng)縱向分辨力越高。另外，顯微物鏡的數(shù)值孔徑對(duì)測(cè)頭的分辨力也有影響，在光波長(zhǎng)一定的情況下，顯微物鏡的數(shù)值孔徑越大，其景深越小，測(cè)頭縱向分辨力越高。同時(shí)，顯微物鏡數(shù)值孔徑越大，激光束會(huì)聚的光斑越小，系統(tǒng)橫向分辨力也越高。綜合考慮測(cè)頭分辨力和工作距離等因素，在光學(xué)顯微測(cè)頭設(shè)計(jì)中選用大恒光電GCO-2133長(zhǎng)工作距物鏡，其放大倍數(shù)為40，數(shù)值孔徑為0.6，工作距離為3.33 mm。

　　2.3　定焦顯微測(cè)頭的實(shí)現(xiàn)

　　除激光全息測(cè)量系統(tǒng)外，光學(xué)顯微測(cè)頭還包括一個(gè)光學(xué)顯微成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由光源、顯微物鏡、透鏡2、透鏡3、分光鏡1、分光鏡2和CCD相機(jī)組成。光源將被測(cè)樣品表面均勻照明，被測(cè)樣品通過(guò)顯微物鏡、分光鏡1、透鏡2和分光鏡2，成像在CCD相機(jī)接收面上。為了避免光源發(fā)熱對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，采用光纖傳輸光束將照明光引入顯微成像系統(tǒng)。通過(guò)CCD相機(jī)不僅可以觀(guān)察到被測(cè)樣品表面的形貌，而且也可以觀(guān)察到來(lái)自激光全息單元的光束在樣品表面的聚焦情況。

　　根據(jù)圖2所示原理，通過(guò)光學(xué)元件選購(gòu)、機(jī)械加工和信號(hào)放大電路設(shè)計(jì)，制作了光學(xué)顯微測(cè)頭，如圖3所示。從結(jié)構(gòu)上看，該測(cè)頭具有體積小、集成度高的優(yōu)點(diǎn)。將該測(cè)頭安裝在納米測(cè)量機(jī)上，編制相應(yīng)的測(cè)量軟件，可用于被測(cè)樣品的快速瞄準(zhǔn)和高分辨力非接觸測(cè)量。

圖3　光學(xué)顯微測(cè)頭結(jié)構(gòu)

3、測(cè)量實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

　　為了檢驗(yàn)光學(xué)顯微測(cè)頭的功能，將該測(cè)頭安裝在納米三維測(cè)量機(jī)上，使顯微物鏡的光軸沿測(cè)量機(jī)的Z軸方向，對(duì)其輸出信號(hào)的電壓與被測(cè)樣品的離焦量之間的關(guān)系進(jìn)行了標(biāo)定，并用其對(duì)臺(tái)階高度樣板和一維線(xiàn)間隔樣板進(jìn)行了測(cè)量［16］。所用納米三維測(cè)量機(jī)在25 mm×25 mm×5 mm的測(cè)量范圍內(nèi)，空間分辨力可達(dá)0.1 nm。實(shí)驗(yàn)在（20±0.5）℃的控溫實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行。

　　3.1　測(cè)頭輸出電壓與位移關(guān)系的建立

　　為了獲得光學(xué)顯微測(cè)頭的輸出電壓與被測(cè)表面位移（離焦量）的關(guān)系，將被測(cè)樣板放置在納米三維測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，用精密位移臺(tái)帶動(dòng)被測(cè)樣板沿測(cè)量光軸方向移動(dòng)，通過(guò)納米測(cè)量機(jī)采集位移數(shù)據(jù)，同時(shí)記錄測(cè)頭輸出電壓信號(hào)。圖4所示為被測(cè)樣板在測(cè)頭聚焦面附近由遠(yuǎn)及近朝測(cè)頭方向移動(dòng)時(shí)測(cè)頭輸出電壓與樣品位移的關(guān)系。

圖4　測(cè)頭電壓與位移的關(guān)系

　　由圖4可以看出，光學(xué)顯微測(cè)頭的輸出電壓與被測(cè)樣品位移的關(guān)系呈S形曲線(xiàn)，與第1節(jié)中所述的通過(guò)差動(dòng)光斑尺寸變化測(cè)量離焦量的原理相吻合。當(dāng)被測(cè)樣板遠(yuǎn)離光學(xué)顯微測(cè)頭的聚焦面時(shí)，電壓信號(hào)近似常數(shù)。當(dāng)被測(cè)樣板接近測(cè)頭的聚焦面時(shí)，電壓開(kāi)始增大，到達(dá)最大值后逐漸減小；當(dāng)樣板經(jīng)過(guò)測(cè)頭聚焦面時(shí)，電壓經(jīng)過(guò)初始電壓值，可認(rèn)為是測(cè)量的零點(diǎn)；當(dāng)樣品繼續(xù)移動(dòng)離開(kāi)聚焦面時(shí)，電壓繼續(xù)減小，到達(dá)最小值時(shí)，電壓又逐漸增大，回到穩(wěn)定值。在電壓的峰谷值之間，曲線(xiàn)上有一段線(xiàn)性較好的區(qū)域，在測(cè)量中選擇這段區(qū)域作為測(cè)頭的工作區(qū)，對(duì)這段曲線(xiàn)進(jìn)行擬合，可以得到測(cè)頭電壓與樣板位移的關(guān)系。在圖4中所示的3 μm工作區(qū)內(nèi)，電壓與位移的關(guān)系為

　　式中：U為激光全息單元輸出電壓；?d為偏離聚焦面的距離。

　　3.2　臺(tái)階高度測(cè)量試驗(yàn)

　　在對(duì)光學(xué)顯微測(cè)頭的電壓-位移關(guān)系進(jìn)行標(biāo)定后，用安裝光學(xué)顯微測(cè)頭的納米三維測(cè)量機(jī)對(duì)臺(tái)階高度樣板進(jìn)行了測(cè)量。

　　在測(cè)量過(guò)程中，將一塊硅基SHS-1 μm臺(tái)階高度樣板放置在納米三維測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，首先調(diào)整樣板位置，通過(guò)CCD圖像觀(guān)察樣板，使被測(cè)臺(tái)階的邊緣垂直于工作臺(tái)的X軸移動(dòng)方向，樣板表面位于光學(xué)顯微測(cè)頭的聚焦面，此時(shí)測(cè)量光束匯聚在被測(cè)樣板表面，如圖5所示。然后，用工作臺(tái)帶動(dòng)樣板沿X方向移動(dòng)，使測(cè)量光束掃過(guò)樣板上的臺(tái)階，同時(shí)記錄光學(xué)顯微測(cè)頭的輸出信號(hào)。最后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算臺(tái)階高度。

圖5　被測(cè)樣板表面圖像

　　臺(tái)階高度樣板的測(cè)量結(jié)果如圖6所示，根據(jù)檢定規(guī)程［17］對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，得到被測(cè)樣板的臺(tái)階高度為1.005 μm。與此樣板的校準(zhǔn)結(jié)果1.012 μm相比，測(cè)量結(jié)果符合性較好，其微小偏差反映了由測(cè)量時(shí)溫度變化、干涉儀非線(xiàn)性和樣板不均勻等因素引入的測(cè)量誤差。

圖6　臺(tái)階樣板測(cè)量結(jié)果

　　3.3　一維線(xiàn)間隔測(cè)量試驗(yàn)

　　在測(cè)量一維線(xiàn)間隔樣板的過(guò)程中，將一塊硅基LPS-2 μm一維線(xiàn)間隔樣板放置在納米測(cè)量機(jī)的工作臺(tái)上，使測(cè)量線(xiàn)沿X軸方向，樣板表面位于光學(xué)顯微測(cè)頭的聚焦面。然后，用工作臺(tái)帶動(dòng)樣板沿X方向移動(dòng)，使測(cè)量光束掃過(guò)線(xiàn)間隔樣板上的刻線(xiàn)，同時(shí)記錄納米測(cè)量機(jī)的位移測(cè)量結(jié)果和光學(xué)顯微測(cè)頭的輸出信號(hào)。最后，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，測(cè)量結(jié)果如圖7所示。

　　根據(jù)檢定規(guī)程［17］對(duì)一維線(xiàn)間隔測(cè)量結(jié)果進(jìn)行處理，得到被測(cè)樣板的刻線(xiàn)間距為2.004 μm，與此樣板的校準(zhǔn)結(jié)果2.002 μm相比，一致性較好。

　　3.4　分析與討論

　　由光學(xué)顯微測(cè)頭輸出電壓與被測(cè)表面位移關(guān)系標(biāo)定實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出：利用在測(cè)頭聚焦面附近測(cè)頭輸出電壓與樣品位移量的單調(diào)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)測(cè)量測(cè)頭的輸出電壓變化，即可求得樣品的位移量。在圖4所示曲線(xiàn)中，取電壓-位移曲線(xiàn)上測(cè)頭聚焦面附近的3 μm位移范圍作為工作區(qū)，對(duì)應(yīng)的電壓變化范圍約為0.628 V。根據(jù)對(duì)電壓測(cè)量分辨力和噪聲影響的分析，在有效量程內(nèi)測(cè)頭的分辨力可以達(dá)到納米量級(jí)。

　　臺(tái)階高度樣板和一維線(xiàn)間隔樣板測(cè)量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明：光學(xué)顯微測(cè)頭可以應(yīng)用于納米三維測(cè)量機(jī)，實(shí)現(xiàn)微納米表面形貌樣板的快速定位和微小位移測(cè)量。通過(guò)用納米測(cè)量機(jī)的激光干涉儀對(duì)光學(xué)顯微測(cè)頭的位移進(jìn)行校準(zhǔn)，可將測(cè)頭的位移測(cè)量結(jié)果溯源到穩(wěn)頻激光的波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程也證明：光學(xué)顯微測(cè)頭具有掃描速度快、測(cè)量分辨力高和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于納米表面形貌的非接觸測(cè)量。

4、結(jié)論

　　本文介紹了一種用于納米級(jí)表面形貌測(cè)量的高分辨力光學(xué)顯微測(cè)頭。在測(cè)頭設(shè)計(jì)中，采用激光全息單元作為位移測(cè)量系統(tǒng)的主要元件，根據(jù)差動(dòng)光斑尺寸變化原理實(shí)現(xiàn)微位移測(cè)量，結(jié)合光學(xué)顯微系統(tǒng)，形成了結(jié)構(gòu)緊湊、集測(cè)量和觀(guān)察功能于一體的高分辨力光學(xué)顯微測(cè)頭。將該測(cè)頭安裝在納米三維測(cè)量機(jī)上，對(duì)臺(tái)階高度樣板和一維線(xiàn)間隔樣板進(jìn)行了測(cè)量實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：該光學(xué)顯微測(cè)頭可實(shí)現(xiàn)預(yù)期的測(cè)量功能，位移測(cè)量分辨力可達(dá)到納米量級(jí)。下一步將通過(guò)多種微納米樣板測(cè)量實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步考察和完善測(cè)頭的結(jié)構(gòu)和性能，使其更好地適合納米三維測(cè)量機(jī)，應(yīng)用于微納結(jié)構(gòu)幾何參數(shù)的非接觸測(cè)量。