大数值孔径光学系统小光斑光电检测系统

2009年05月 19日 星期二

章 节：

第九章 大数值孔径光学系统小光斑光电检测系统（九）

第一节 研究背景介绍 第二节 光电检测方法描述 第三节 监测性能 第四节 技术结论与展望

教学任务：

1. 使学生加深对光电检测系统理解； 2. 掌握扫描探针式光电检测系统原理； 3. 掌握主要器件使用方法。

重点及难点：

1. 系统设计时因素考虑和权衡； 2. 器件使用方法；

3. 光电检测系统中噪声抑制方法。

教学内容提要：

1、 系统介绍大数值孔径光学系统小光斑光电检测系统构成； 2、 光电检测系统中常用器件使用。

复习思考题、作业：

查阅光电检测方法文献资料。

参考书：

《光电检测技术与应用》，郭培源，付杨编著，北京航空航天大学出版社，2006年

《光电检测技术》，曾光宇，张志伟，张存林主编，清华大学出版社，2005年 徐文东研究员授权专利及发表论文。

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目 录

第九章 大数值孔径光学系统小光斑光电检测系统 .............................. 3

§9-1 第一节 研究背景介绍 ......................................................... 3 §9-2 第二节 光电检测方法描述 ................................................. 5 §9-3 第三节 检测性能.................................................................. 7 §9-4 第四节 技术总结与展望 ................................................... 11

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第九章 大数值孔径光学系统小光斑光电检测系统

介绍了一种小孔扫描测量大数值孔径光学系统小光斑的方法。利用近场光学显微镜的光纤探针采样技术和压电陶瓷扫描技术，可对光学系统小光斑的光强分布进行高空间分辨的测量。由于光纤探针采样范围的大小为几十纳米或更小，压电陶瓷扫描位移的间距为几纳米或更小，因此该方法特别适合大数值孔径光学系统小光斑的测量，因为那时的小光斑更小，结构更精细。实验证明，采用该方法，测量的空间分辨率可达50nm100nm左右。 §9-1 第一节 研究背景介绍

目前，随着科学技术的发展，大数值孔径光学系统的应用越来越广、越来越深入，例如大容量高密度光盘驱动器与母盘刻录机的物镜、高倍显微镜的物镜等，对它们的光学质量的测试与评价也显得越来越重要。对于光盘驱动器与母盘刻录机物镜，小光斑指的就是读写或刻录光斑的光强分布；对于显微镜物镜，当用非相干光照射时，小光斑指的就是星点像，当用相干光照射时，小光斑指的就是点扩散函数。 过去，对于光盘驱动器与母盘刻录机物镜的读写或刻录光斑的光强分布的测试，是采用在记录或刻录材料上打点，并通过非光学方法测量点的形貌而判断的，或者测量出瞳处波阵面和光强分布经计算而得到的。前者与记录或刻录材料性质以及记录或刻录条件有关；后者装置复杂，操作繁琐，对环境条件和人员水平要求高。对于显微镜物镜，星点像靠更高数值孔径的显微镜放大后判断，而点扩散函数通常用狭缝和刀口扫描后经计算机处理后得到，或先用光栅扫描测得光学

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传递函数后经傅里叶变换得到。当显微镜物镜的数值孔径本身就很大时，上述方法都有问题。如何对更小的星点像进行放大呢？而且星点像的判断原则上就不够客观。对具有更高空间频率的点扩散函数的测量，首先极细的狭缝和边界清晰的刀口或高频的光栅制作困难，其次是如何接收经过上述元件后的光，由于强烈衍射，衍射角接近90，必须采用积分球才有可能正确测量，而这使光路布置变得复杂起来。

本章介绍了一种小孔扫描测量大数值孔径光学系统小光斑的方法。对小光斑的光强直接用很小的小孔（小于波长的几分之一）进行局部采样，对通过小孔的光进行探测，并驱动小孔扫描，而得到小光斑两维的光强分布。近场光学显微镜的光纤探针就带有这样的很小的小孔，它的小孔直径远小于波长，目前近场光学显微镜光纤探针的小孔直径已达十几纳米，它是被特别制作来采集近场光信息的，用来采集小光斑这种远场光信息是完全没有问题的。与采用薄膜上随机得到的小孔不同，近场光学显微镜光纤探针的小孔不仅尺寸容易重复（参见它的制作工艺），它的定位也容易（每个光纤探针基本上只有一个小孔，且位于光纤尖端），它后面的光纤主体还将光场通过小孔而产生的不可传播的光转换为可传播的光，收集起来并传送到另一端的光电探测器中，因此使用起来特别方便。作为近场光学显微镜的消耗件，它的价格也迅速降下来了。同时，近场光学显微镜所采用的压电陶瓷扫描技术也正是小孔精密扫描所需要的技术，其最小位移间距达几纳米或更小，远超过小光斑测试的使用要求，而且作为所有扫描探针显微镜的共有技术，已非常简单和成熟。这两个技术的结合，使该方法

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能测量的细节远小于目前所有其它方法可达到的程度。 §9-2 第二节 光电检测方法描述 以测量大数值孔径显微镜物镜的点扩散函数为例，其测量装置的原理图如图１所示。 图1 测量大数值孔径光学系统小光斑的系统 由半导体激光器发出的光经非球面透镜准直和扩束后入射到大数值孔径显微镜物镜上，在被测物镜焦面上形成一小光斑（点扩散函数）。前端有一个小孔的镀金属膜锥形光纤探针置于小光斑处，对光场采集，并由光纤主体将光传输至另一端的光电倍增管上进行光电转换；电信号经放大和模数转换后由计算机处理。计算机通过数模转换控制高压放大器的输出，从而控制管状压电陶瓷管的横向两维扫描和纵向位移（用于调焦）。压电陶瓷管带动光纤探针扫描，计算机从而可给出小光斑的两维光强分布图，即点扩散函数，如需要的话，由快速傅里叶变换给出物镜的光学传递函数来。

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实际装置中我们对光源进行了直接光强调制，放大器后加了一级锁相放大，以减小外界光及电路噪声的影响。

由经典波动光学知道，处于光场中的介质，由于受迫振动而发出次波，激发光无论是近场光还是远场光，都有同样的效果，这就是光纤探针同样可以用到远场的原因。当光纤探针位于远场光场中时，光纤探针小孔内的介质各点（在空气介质界面上）都发出这种次波。由近场光学知道，远场光中无小于波长数倍的细节，很小的小孔内的介质各点受到的激发光应是近似相同的。由于各点空间位置如此接近，各次波的叠加应是十分简单的，叠加后的光仍可以看成一点发出的，强度是各次波的和。如果光的偏振方向垂直于光纤探针的轴线，光不是很强的话（没有非线性效应产生），那么，探针就可以准确地采样到光的强度、波长和偏振状态等信息。对于光的偏振方向不垂直于光纤探针轴线的情况，问题就比较复杂。注意远场光是横波，光的偏振方向在波阵面内，理想光学系统焦平面上的光的波阵面是平面，那么光的偏振方向肯定垂直于光纤探针轴线（假设光纤探针轴线与光轴重合），离焦的情况下以及有像差的情况下，就不是这样，尽管角度很小。这当然在一定程度上影响光纤探针对光强和偏振状态的传递了，实验上可以研究一下光斜入射到针尖上的情况，以此来评价光的偏振方向不垂直于光纤探针轴线时的影响，这项工作目前正在进行中，需对原装置进行改动。

实际装置的具体参数为：半导体激光器波长650nm，调制频率50kHz，光纤探针小孔直径50nm，压电陶瓷管的横向两维扫描范围

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8m左右，在国产原子力显微镜电子学机箱（包含对压电陶瓷扫描的控制电路，D/A转换器位数为16位；信号采集电路，A/D转换器位数为12位）和软件支持下进行。 §9-3 第三节 检测性能

利用上述装置，上海光机所徐文东研究组对金相显微镜物镜进行了测量。

测量结果如图2、图3。图2为数值孔径为0.65的40平场消色差金相显微镜物镜（共轭距非无限远）的小光斑测试结果。图3为数值孔径为0.80的40平场消色差金相显微镜物镜（共轭距无限远）的小光斑测试结果。可以看出由于没有整形，光斑形状是长形的，对应于激光器的长形的发光面。图1由于扩束倍率不够（4），激光器发光面的大小对最终光斑大小的影响是显著的，光斑大小（短边方向）为1.2m左右（半高宽），比理论值稍大；而图2具有较大的扩束倍率（50），激光器发光面的大小对最终光斑大小的影响不显著，光斑大小（短边方向）为0.5m（半高宽）左右，虽比理论值仍大一些，但那是消色差物镜所无法避免的（波相差达不到小于/4）。总的信噪比较好，图像中无背景花纹。

影响光斑形状的因素很多，除像差外，园偏振光和线偏振光的光斑是不同的，如果小孔边缘有漏光，形状也会有变化。各种测试条件对测试结果的影响还有待进一步的实验研究。

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图2 显微镜物镜（40倍，数值孔径0.65）的测试结果

图3 显微镜物镜（40倍，数值孔径0.85）的测试结果 用于定量测试时，需要对装置进行标定。光强的测量是相对值，可以进行归一化，准确程度与光和电的噪声有关，由于电路采用了STM现成电路（信噪比在40dB以上），在光不是非常弱的情况下，电路的噪声可以忽略，光的1%左右的噪声就决定的光强测量的精度。扫描的横坐标由很多因素决定，其一是压电陶瓷管的性能，它的结构

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尺寸决定了最大线性扫描区域，其次是加在压电陶瓷管上的电压，电压越大扫描区域越大，最后是光纤探针的固定方式，光纤伸出越长，扫描区域就越大。为适应不同的测量，压电陶瓷管和光纤探针是需要更换的，光纤探针损坏时也需要更换，这时扫描范围都可能变化。为此我们采用了两个措施：一是提供标准小光斑，二是提供软件修改坐标的方法。标准小光斑由一个标准点光源加一个像差矫正得很好的40显微镜物镜（Nikon平场物镜）组成，之所以采用像差矫正得很好的显微镜物镜，是由于小光斑的光强分布可以由衍射理论精确计算出来，以后提供给用户的可以是一般的显微镜物镜，然后给出光斑的测试图。标准点光源由半导体激光器的会聚光加小孔得到，较小的小孔（例如直径0.05mm圆孔）可以保证小孔内光强的均匀性，以避免激光模式的变化产生的影响。实验证明，在采用加速老化后的压电陶瓷管后，对标准小光斑的测试的重复误差可以小于2%。另外还有非线性问题，压电陶瓷管的非线性是主要的原因，在STM模式下，对标准光栅（美国DI公司提供）的测试表明，在8m扫描范围内，非线性度小于3%，在任何3m扫描范围内，非线性度小于1.5%，在中心区域的3m扫描范围内，非线性度小于1%。也就是说，测量应在扫描的中心区域进行。

采用管状压电陶瓷，是由于可以非常简单和方便地实现三维扫描，Z电压不加时，XY方向的扫描不是在一个平面内进行的，是通过压电陶瓷管的扭摆产生的，由于几微米的扫描范围相对数厘米的机构尺寸非常小，对平面的偏离就不是很大，没必要通过计算机施加Z电压

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进行矫正。

另外光纤探针应采用收集模式的探针，也就是说，光纤锥体的表面都应镀上铝膜，以避免不需要的光进入光纤内。

利用上述装置，对数值孔径0.65和0.85的物镜进行了测量。图4-a是对数值孔径0.65物镜进行测量的的结果，入射光为线偏振光，左侧是灰度图，右侧是x方向剖面线，半高宽为320nm；图4-b是对数值孔径0.85物镜进行测量的的结果，入射光为线偏振光，半高宽为273nm；图4-c是对数值孔径0.85物镜进行测量的的结果，入射光为园偏振光，半高宽仍为273nm。

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图 4 小光斑检测二维和所对应一维光强分布图。

§9-4 第四节 技术总结与展望

通过更换激光器和调制方式（测母盘刻录机物镜时），该装置可以直接用于测量光盘驱动器与母盘刻录机物镜的读写或刻录光斑的小光斑。实际上，所有大数值孔径光学系统的小光斑都可以用类似方法测量。根据被测光学系统的不同，光源既可以是单色激光器也可以是白光加小孔光阑（小孔光阑不够小时可随后增加一个倒置的显微镜光路）；光路布置既可以是共轭距无穷远的，也可以是有限远的。根据小光斑的大小，光纤探针小孔既可以很小也可以是很大的（十几微米），既可以采用压电陶瓷管的扫描（几微米到一百微米左右），也可以采用其他扫描机构扫描（扫描范围更大），也就是说，对于小数值孔径的光学系统的小光斑它也可以测量。

不仅如此，本章介绍的方法还可给出小光斑的三维光强分布（通过自动离焦）。不仅可以测量小光斑的光强分布，还可以对小光斑进行光谱成像和偏振态成像。因此该方法具有很大的灵活性。

采用本方法的测试装置原理简单，性能稳定，扫描头部体积小，使用方便，具有非常大的应用潜力。有关实验数据的研究（包括光纤探针输出光强与光束入射方位的关系）和其他应用方面的研究（它可以用在所有需要进行远场光场分布超高空间分辨测量的领域）还在进行当中。

此处补充一点徐文东项目组基于本章讲述的小光斑检测系统开发出来的检测光盘物镜小光斑的装置，结构图如图5所示，充分发挥

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了近场光学检测优势，详细技术细节可参见相关发明专利。

图 5检测光盘物镜小光斑的装置

根据现有技术发展情况，我课题组也提出了一种光学焦点区域三维光强分布检测装置方案。本方案的目的在于针对上述在先技术的不足，具有三维光强分布检测功能，装置定位扫描难度小，调节使用便利，光强分布测量精度高，结构要求和器件要求低，装置实现难度低，应用范围广泛等特点。

本方案的基本构思是：光源经过光束整形器整形后通过物镜聚焦形成被测焦点，一维移动平台带动物镜实现轴向移动进行测试粗定位，三维移动平台带动光纤探针进行在焦点区域进行三维扫描实现三维光强分布检测，由监视光源、分光镜和图像采集器构成的监视光路

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通过光谱分光镜耦合到被测光路中对装置调节和测试过程进行监视，分析控制单元对整个测试过程和结果进行分析控制协调。

12 7 10 2 11 6 1 3 4 5 9 8 图 6 光学焦点区域三维光强分布检测装置方案图 光学焦点区域三维光强分布检测装置，包括系统光源1、光束整形器2、光谱分光镜3、物镜4、光纤探针5、光电传感器6、分析控制单元7、一维移动平台8、三维移动平台9、监视光源10、普通分光镜11和图像采集器12。光束整形器2、光谱分光镜3、物镜4依次设置在系统光源1出射光束的光路上，光纤探针5的针尖设置在物镜4光束出射方向一侧，光纤探针5的光能出射一端与光电传感器6相连接。一维移动平台8与物镜4相连接，三维移动平台9与光纤探针5的针尖一端相连接。监视光源10出射方向上设置有普通分光镜11，被普通分光镜11反射的光束射向光谱分光镜3与系统光源1出射光束相交区域，光谱分光镜3反射面设置在普通分光镜11反射光束方向和系统光源1出射光束方向的角平分线上，光谱分光镜3对系统光源1射出光束高透过率，对监视光源10出射光束高反射率；图像采集器12设置在普通分光镜11反射光束的反向延长线上。分析控制单元7与一维移动平台8、三维移动平台9、光电传感器6、图像

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采集器12相连接。

工作过程为系统光源1发射出光束，经过光束整形器2进行扩束和整形后射向光谱分光镜3，光谱分光镜3对于系统光源1射出光束高透过率，光谱分光镜3的透射光束经过物镜4聚会形成被测焦点区域。光纤探针5的针尖设置在物镜4光束出射方向一侧，光纤探针5的光能出射一端与光电传感器6相连接，光纤探针5将针尖处光能收集传输到光电传感器6，实现光电转化，形成与光纤探针5针尖处光强对应的电信号，并且传给分析控制单元7；一维移动平台8与物镜4和分析控制单元7相连接，分析控制单元7控制一维移动平台8带动物镜4在物镜4入射光方向上移动，三维移动平台9与分析控制单元7和光纤探针5的针尖一端相连接，分析控制单元7控制三维移动平台9带动光纤探针针5尖实现三维移动，测试时一维移动平台8首先带动物镜4移动，当光纤探针5的针尖在物镜4焦点区域附近时，一维移动平台8停止移动，由三维移动平台9带动光纤探针5针尖实现三维移动扫描，每个光纤探针5针尖位置上都检测到一个与光纤探针5针尖处光强信号，并传给分析控制单元7，分析控制单元7对光纤探针5三维扫描的各点光强信号进行重构处理，得到物镜4光学焦点区域三维光强分布。在测量过程中，监视光源10发射光束经过普通分光镜11反射后再被光谱分光镜3反射，经过物镜4聚焦照射到焦点区域，焦点区域反射光束依次经过物镜4、光谱分光镜反射3、普通分光镜11透射后被图像采集器12接收，将焦点区域情况成像并传输给分析控制单元7，对测量过程进行实时监控，便于装置使用。

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