远场纳米级超分辨全场光学计量系统和方法技术方案

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。

Far field nanometer super resolution full field optical metrology system and method

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】远场纳米级超分辨全场光学计量系统和方法
本专利技术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。
技术介绍
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。该技术称为白光干涉法或相干扫描干涉法(CSI)。它不仅能够用于表面重建(形貌术)，还能够用于体积重建(断层成像)。光源相干性函数的半峰宽称为相干长度，并且是轴向分辨率标准。光谱宽度越大，轴向分辨率越好。该方法使得能够获得每一采样步进小于约100纳米的轴向灵敏度。根据表面粗糙度，包络插值方法将灵敏度提高到约10纳米(通过使用数学插值)至几纳米(通过使用相位插值)。然而，光学轮廓仪的横向分辨率受到主要来自显微镜物镜的衍射的限制。根据阿贝标准，非相干成像分辨率的理论值为·/(2nsin·)，其中·为波长，·为光学系统检测锥的半角，n为介质的折射率。由于sin·的值小于1，因此分辨率大于·/(2n)。最近，新的实验方法通过使用受激发射原理或具有负折射率的透镜，能够超越该光学极限。2010年，Z.Wang等人(NatureCommunications2，218(2011))提出了一种非相干成像方法，其允许通过在样品上放置玻璃微球来获取全场图像。这在样品表面下投射物体的放大虚拟图像。然后通过显微镜物镜收集虚拟图像。在光源波长范围内透明的微球收集渐逝波并将它们转换成传播波。因此，它能够由玻璃、二氧化硅、聚苯乙烯、三聚氰胺甲醛、钛酸钡(在浸入的情况下)等制成。此外，根据其直径(3μm至150μm)和折射率对比度(1.2至20)，表现有所不同。折射率对比度定义为微球的折射率与周围介质折射率之比。(NatureCommunications2，218(2011))已示出了50nm的横向分辨率。从那时起，横向超分辨率现象就成为2D成像的众多研究工作和科学出版物的主题。这种现象适用于横向分辨率，即2D成像。通过在Linnik干涉仪的物体臂中放置微球，已经示出了以高轴向分辨率和横向分辨率重建3D三维物体的可能性。尤其值得一提的是，F.Wang等人的关于应用于白光或相干扫描干涉术(CSI)的超分辨率的刊物(ScientificReports6，24703(2016))。在这个刊物中，使用相干函数以便得到物体的深度信息。因此，必须使用具有低的时间相干性的光源，通常由术语“白光源”表示。对于在纳米级超分辨计量中微球的应用，可以参考文献CN103823353“基于微球体的亚波长超分辨率数字全息成像系统”、WO2013043818“Microspheresuperlensbasedsuperresolutionimagingplatform(基于微球超透镜的超分辨率成像平台)”或CN102735878“基于微悬臂与微球组合探针的超分辨显微成像方法及系统”。本专利技术的目的是提出一种具有相干或部分相干照射的远场超分辨全场光学轮廓测定法系统，该系统在轴向分辨率和测量灵敏度方面具有比上述现有方法更好的性能。使用相移干涉法以得到样品的光程分布。
技术实现思路
该目的是通过用于在远场纳米级上传递样品或物体的表面形貌信息的超分辨率全场光学计量系统来实现的，该系统包括：光源，其相干或部分相干；干涉仪，其包括物体臂和参考臂，该物体臂包含紧邻物体的表面放置的透明微球，参考臂包含镜子；接收装置，其用于捕获干涉图；以及用于处理所述干涉图以产生所述表面形貌信息的装置，所述干涉仪和用于处理干涉图的所述装置布置成通过相移干涉法重建物体的形貌。根据本专利技术的轮廓测定法系统中使用的微球促进了消逝波现象，从而有助于实现现有技术的扫描轮廓测定法系统不允许的超分辨率全场图像。应当了解，根据本专利技术的轮廓测定法系统中使用的微球能够是球形、椭圆形、半球形，并且通常是凸形。时间相干或准相干光源能够具有红外线、可见光或近紫外线的波长。...

【技术保护点】
1.一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，所述系统包括：光源(2)，其相干或部分相干；干涉仪(1a、1b、1c、1d)，其包括物体臂和参考臂，所述物体臂包含透明微球(7)并紧邻物体(6)的表面设置，所述参考臂包括镜子(10)；接收装置(5)，用于捕获干涉图；以及用于处理所述干涉图以生成所述表面形貌信息的装置(8)，/n所述干涉仪(1a、1b、1c、1d)和用于处理干涉图的所述装置(8)设置成通过相移干涉法重建所述物体(6)的形貌。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170411 EP 17166026.91.一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，所述系统包括：光源(2)，其相干或部分相干；干涉仪(1a、1b、1c、1d)，其包括物体臂和参考臂，所述物体臂包含透明微球(7)并紧邻物体(6)的表面设置，所述参考臂包括镜子(10)；接收装置(5)，用于捕获干涉图；以及用于处理所述干涉图以生成所述表面形貌信息的装置(8)，
所述干涉仪(1a、1b、1c、1d)和用于处理干涉图的所述装置(8)设置成通过相移干涉法重建所述物体(6)的形貌。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源(2)是时间相干或准相干的，其波长在可见光内。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源(2)是时间相干或准相干的，其波长在红外线内。


4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光源(2)是时间相干或准相干的，其波长在紫外线内。


5.根据前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述干涉仪布置成实现反射结构中的测量。


6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述干涉仪是选自Michelson(1a)、Twyman-Green(1b)、Mirau(1c)和Mach-Zehnder(1d)干涉仪的类型。


7.根据权利要求1至4中任一项所述的系统，其特征在于，所述干涉仪布置成实现透射结构中的测量。


8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述干涉仪是Mach-Zehnder(1d)型干涉仪。


9.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述参考臂还包括类似于所述物体臂的微球(7)的微球(9)，所述参考臂的微球(9)设置成补偿色散，并且紧邻镜子(10)的表面设置。


10.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述系统在所述物体臂和所述参考臂中包括以可平移的微球矩阵形式布置的多个微球(26)。


11.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述一个或多个微球(7、9、26)为球形、椭圆形、半球形或凸形。


12.根据前述权利要求中任一项所述的系统，其特征在于，所述一个或多个微球(7、9、26)设置成与所述物体(6)的表面(22)或参考镜子(10)的表面接触。


13.根据权利要求1至11中任一项所述的系统，其特征在于，所述一个或多个微球(26)保持不与所述物体(6)的表面(22)或参考镜子(10)的...

【专利技术属性】
技术研发人员：保罗·蒙哥马利，西尔万·勒克莱，斯蒂芬妮·佩兰，奥黛丽·梁荷伊，
申请(专利权)人：斯特拉斯堡大学，法国国家科学研究中心，
类型：发明
国别省市：法国;FR