微分相衬干涉显微镜定量测量表面形貌

　　1　引　　言

　　微分相衬干涉显微镜也称Nomarski显微镜,1955年由法国的Nomarski提出,近年来已成为国内外普遍使用的一种观察表面的高灵敏度光学仪器。微分干涉显微镜不仅具有nm级的分辨率,可看到一般光学显微镜难以观察到的微细结构,而且还能使被观察样品的像具有很强的立体感和鲜艳的色彩。这种显微镜在金相、晶体、集成电路、光学、陶瓷工艺,以至生物和医学等众多的领域发挥了重大的作用。

　　为实现定量测量,本文进一步完善了微分干涉显微测量系统,通过测量旋转检偏器在不同位置时的视场光强,计算出被测样品的表面形貌。该方法不需要参考反射镜,操作简便,易于推广。

　　2　测量原理

　　2.1　干涉光路

　　本文采用微分相衬干涉显微镜,作为测量系统的光机主体,其光路如图1所示。

　　光源发出的光经聚光镜和起偏器后变成线偏振光,经半透半反镜入射在Nomarski偏振分光棱镜上,棱镜将其分成两束具有微小夹角且振动方向相互垂直的线偏振光,通过显微物镜后,产生剪切量为ΔX的平行光入射到被测件表面。从被测表面反射回的两束正交偏振光再经原路返回,由Nomarski棱镜重新复合共线,然后通过1/4波片和检偏器后发生干涉,被CCD摄像机接收或通过目镜观察。

　　由于两束相干光的横向剪切量ΔX小于显微物镜的分辨率极限,使样品表面微观起伏的高度变化在相干背景上以强烈的光强和颜色变化表现出来,使之具有明显的阴影效果,具有很强的立体感和鲜艳的彩色感,直观形象地反映出样品表面微观轮廓,可以观察到表面微小的凹凸细节[1]。在微分干涉显微镜中,共光路使两路相干光经过相同的光路,故外界环境干扰如机械振动、空气扰动等对它们的影响相同,不会引起附加的光程差,因此外界环境的变化对测量结果无影响,而且不需要标准参考反射镜,可以对超精加工表面轮廓进行精确测量。

　　2.2　光路相位计算方法

　　设Nomarski棱镜剪切方向为x轴,I1和I2分别为直流背景光强和交流背景光强,θ为检偏器方位角与x轴的夹角,φ(x,y)为被测相位分布,β是由Nomarski棱镜引起的相位差,则干涉场中的光强分布公式为:

　　系统采用相移干涉术进行相位提取。通过旋转检偏器,实现相位调制。当检偏器转角θ=0、π/4、π/2、3π/4,得到一组光强方程式,解该方程组,得到相位分布为[2]:

　　在求出相位分布φ(x,y)后,表面形貌沿x方向的偏微分便可由下式给出:

　　式中:λ为光波波长,Δx为两束正交线偏振光间的横向剪切量。

　　利用同样方法求出表面形貌沿y方向的偏微分后,对全微分进行积分,便可以获得表面形貌