差动共焦式纳米级光聚焦探测系统的研究

　　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。