基于斜轴线栅投影的高分辨率自动对焦技术

《Optics & Laser Technology》：High-resolution autofocus based on oblique-axis line reticle projection

高分辨率自动对焦技术基于斜轴线标尺投影方法，通过倾斜线标尺编码焦深偏移量，实现±3纳米分辨率。该方案仅需轻微改造传统柯勒照明结构，利用单帧CCD检测最清晰像点位置（SIP），结合压电陶瓷执行器实时校正焦距。实验表明，该方法对复杂表面图案（如二维码、几何结构）成功聚焦率达98.9%，兼容20×/50×/100×高NA物镜，动态响应满足工业应用需求，为半导体检测和材料计量提供低成本高精度解决方案。

　　

薛亚龙|高天宇|刘永军|徐晓中|魏静松

中国科学院大学高等跨学科科学学院，北京 101408，中国

摘要

高分辨率自动对焦是高数值孔径（NA）显微镜和光学检测系统中的关键技术，其中极浅的焦深（DOF）对分辨率和鲁棒性提出了严格要求。在这项工作中，我们提出了一种基于斜轴线栅投影的简单且易于集成的自动对焦解决方案。该方法只需对传统的K?hler照明架构进行最小限度的修改。通过投影倾斜的线栅，样本的离焦被编码为CCD上最清晰图像位置（SIP）的横向位移。这建立了SIP与离焦距离之间的直接且确定性的线性关系。采用闭环压电晶体管（PZT）执行器，基于单帧SIP检测进行实时焦点校正，几乎不需要额外的调整，从而实现非接触式自动对焦，无需连续轴向扫描。实验结果表明，使用100×、0.95NA物镜时，离焦分辨率可达±3纳米，满足高NA系统的焦深要求。此外，对具有复杂表面图案的样本（包括QR码、几何结构和标志）的测试中，对焦成功率为98.9%，证明了其对背景干扰的鲁棒性。该系统兼容常见的物镜（20×/0.75NA、50×/0.8NA、100×/0.95NA），并且具有可调节的分辨率测量范围，并表现出动态性能（上升时间<16.7毫秒，-3 dB带宽>28赫兹），适用于实际应用。所提出的方法为半导体检测和材料表面计量等应用提供了一种低成本、高分辨率且易于工程实现的自动对焦解决方案。

引言

随着半导体工业、纳米技术和生物医学科学的快速发展，材料制造技术也取得了显著进步。因此，对材料表面进行高分辨率光学检测的挑战也随之增加。

以半导体工业为例：在过去几十年中，由于互联网和计算机技术的推动，该行业经历了显著增长。半导体被大规模生产以满足数字时代的需求。然而，其制造过程非常复杂且耗时，即使是很小的缺陷也可能导致整个芯片的失效。因此，在每个制造阶段进行严格的质量控制至关重要。需要高分辨率和鲁棒的自动对焦显微镜技术来进行缺陷检测。同时，为了防止污染和机械损伤，更倾向于使用非接触式检测方法。这就需要使用高NA的干式物镜，因为它们能够提供更优质的成像效果，以便详细检测缺陷[1]、[2]、[3]。

已经为高NA物镜专门提出了一些自动对焦方法，这些方法在需要高分辨率的应用中至关重要，但存在焦深范围较浅的问题。高等人[4]提出了一种使用倾斜光栅投影的斜轴自动对焦方法，实现了20微米的离焦检测范围和40纳米的精度。然而，在背景干扰存在的情况下，其性能会下降。此外，该方法需要主动离焦，并依赖于倾斜的CCD和定制的投影图案，这增加了系统的复杂性和成本。杨等人[5]开发了一种改进的差分共聚焦显微镜方法，在双光子光刻系统中实现了5纳米的聚焦精度。白等人[6]采用双柱透镜像差策略，在18微米范围内实现了50纳米的精度。杜等人[7]通过集成差分像差方法进一步改进了这一设计，提高了抗噪能力并实现了30纳米的精度。尽管这些方法具有高精度，但通常需要复杂的光学架构和多个检测器。最近，罗等人[8]提出了一种基于深度学习的单次拍摄自动对焦方法，并使用0.95NA物镜展示了其性能，尽管其对图案化样本的通用性仍有限。此外，魏等人[9]在光刻系统中应用了十字线投影策略进行自动对焦。然而，该方法涉及迭代物镜扫描，这会增加响应时间和机械复杂性。激光三角测量是另一种广泛用于深度感知的方法，在工业应用中可以提供快速准确的测量[10]。然而，由于其空间分辨率和光斑尺寸的限制，它通常不适用于高NA显微系统，无法分辨亚微米级的表面变化。

在这项研究中，我们通过将斜轴线栅集成到K?hler照明系统中，提出了一种高分辨率的聚焦方法。与通常依赖复杂光学设置、迭代扫描或深度学习推理的现有方法不同，我们的方法建立了SIP与离焦距离之间的直接且确定性的线性关系。这使得无需参考模板即可实现实时焦点估计。采用PZT执行器根据SIP精确调整样本位置。实验表明，使用0.95NA干式物镜时，系统的离焦分辨率可达±3纳米，超过了高NA系统的传统聚焦精度要求。此外，在具有不同背景图案的多个样本中，系统的对焦成功率为98.9%，证明了其对背景干扰的鲁棒性。所提出的方法提供了一种简单、低成本和高分辨率的自动对焦解决方案，适用于半导体检测、生物成像和材料计量等领域。

本研究中使用的技术术语词汇表见补充材料。

部分摘录

光学原理

K?hler照明将线栅的图像投影到物镜的成像空间上，然后样本将图像反射到CCD传感器上。投影图像与CCD的交点标记了最大清晰度区域。因此，物镜与样本之间的距离决定了线栅图像在CCD上的SIP，这对应于线栅的焦距位置。通过分析SIP，可以确定精确的距离

光学系统

图1(a)简要概述了整个离焦检测和自动对焦系统。照明光路由绿色轮廓框出。为了实现均匀照明，我们使用针孔来过滤光源。针孔与物镜的入口光瞳相对共轭，形成了K?hler照明系统。照明源是一个525纳米的绿色LED点光源，具有可调的强度。透镜1和透镜2都是凸透镜

图像LPF的结果

图6分别显示了应用LPF前后CCD图像。

可以观察到，处理后线栅的SIP几乎保持不变，而背景图案明显模糊。为了验证应用LPF前后的差异，我们进行了计算并绘制了图7所示的清晰度值曲线。

如图7所示，对应于最大清晰度值的横向像素位置

结论

总之，我们提出了一种基于斜轴线栅投影的简单有效的自动对焦策略，可以轻松集成到现有光学系统中，只需进行最小的硬件修改。通过将倾斜的线栅集成到照明路径中，该系统实现了±3纳米的聚焦分辨率和6微米的线性测量范围，适用于100×0.95NA物镜成像系统。该方法允许在CCD上进行单帧离焦测量，几乎不需要额外的辅助设备

CRediT作者贡献声明

薛亚龙：撰写 – 审阅与编辑，撰写 – 原始草稿，可视化，验证，软件，资源，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。 高天宇：撰写 – 审阅与编辑，可视化，资源，形式分析。 刘永军：资源。 徐晓中：资源。 魏静松：撰写 – 审阅与编辑，监督，资源，项目管理。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。