專利名稱：一種并行掃描共焦成像裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種并行掃描共焦成像裝置，特別涉及并行掃描成像系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)和光路封裝過程，屬于微納米檢測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體(IC)行業(yè)發(fā)展迅猛，共焦顯微系統(tǒng)可以很容易地觀察到焊接開裂和腐蝕表面的細(xì)節(jié)或相互關(guān)系，還可以作為顯微操作平臺，可接配納米機(jī)械手、微機(jī)械探針、接配離子槍等裝置，進(jìn)行離子切割加工，納米操作，微區(qū)尺度物理化學(xué)性質(zhì)測量。由于共焦顯微系統(tǒng)可以觀察一個(gè)樣品的表面，也可以觀察一個(gè)切開的面，或是一個(gè)斷面，因此，除了在 MEMS檢測應(yīng)用外，也廣泛地被使用在觀測生物樣品、紡織業(yè)和造紙業(yè)中，或是被用來觀測制備過的木頭的細(xì)微結(jié)構(gòu)質(zhì)量檢測等。正是由于共焦顯微系統(tǒng)的三維成像能力，使它廣泛地應(yīng)用于生物、醫(yī)學(xué)、工業(yè)探測及計(jì)量學(xué)等領(lǐng)域。因此，設(shè)計(jì)出高精度、高掃描速度和低成本的共焦系統(tǒng)意義重大。然而，目前三維檢測系統(tǒng)都存在著各種問題。絕大多數(shù)傳統(tǒng)的SFM采用電壓作為壓電傳動(dòng)裝置(PZT)的位置信號。但是PZT存在一些缺陷，比如老化、蠕變、磁滯和非線性等，德國的TU-Ilmenau已制造出了一臺精密定位范圍為25mmX25mmX5mm的納米定位儀 (NanoPositioning Machine, NPM)。然而，由于NPM的動(dòng)態(tài)性能不甚理想，這種測量的速度非常慢(要想有好的掃描檢測效果，掃描速度必須<5m/s)。為了提高掃描速度，可在基于 NPM的掃描臺之外，另加入動(dòng)態(tài)性能較好的PZT工作臺以控制ζ軸方向的運(yùn)動(dòng)，這樣就能夠?qū)FM應(yīng)用于大范圍檢測，這一裝置已成功地將掃描速度提高到了 40m/s。然而當(dāng)被測樣品面積達(dá)到平方毫米時(shí)，該系統(tǒng)仍不是合適的測量工具。因此，近20年來，人們都致力于設(shè)計(jì)分辨率高、掃描速度快的三維檢測系統(tǒng)，于是并行掃描共焦顯微系統(tǒng)便運(yùn)用而生。采用此系統(tǒng)不僅可以快速、穩(wěn)定、精確的還原微納米結(jié)構(gòu)，而且還克服了傳統(tǒng)的顯微系統(tǒng)的缺點(diǎn)。然而設(shè)計(jì)共焦檢測系統(tǒng)，對光路要求較高，傳統(tǒng)的共焦光路因?yàn)榉止饫忡R的內(nèi)表面反射光成像與攝像機(jī)，由于內(nèi)表面反射光光強(qiáng)較弱，將會(huì)形成較暗的影子，成像重影現(xiàn)象很嚴(yán)重，這顯然不符合微納米檢測的要求。同時(shí)傳統(tǒng)的光路不僅不便于攜帶、調(diào)節(jié)，更容易受到外界雜散光的干擾，這將嚴(yán)重影響成像質(zhì)量和后期的三維重建效果。因此，為了使成像完全符合微納米檢測的要求，同時(shí)便于維護(hù)和調(diào)節(jié)，改進(jìn)光路結(jié)構(gòu)并進(jìn)行合理的封裝，成為設(shè)計(jì)共焦系統(tǒng)中不可或缺的一部分。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種符合微納米檢測要求的光路結(jié)構(gòu)和便于維護(hù)和調(diào)節(jié)的共焦成像裝置，將各個(gè)部件合理匹配布局，保證其具有良好的抗干擾性和便攜性。本實(shí)用新型并行掃描共焦成像裝置包括光路結(jié)構(gòu)和光路封裝裝置，所述光路結(jié)構(gòu)包括LED光源，所述LED光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡入射到數(shù)字微鏡器件上，所述數(shù)字微鏡器件反射的光經(jīng)分光棱鏡入射到無限遠(yuǎn)物鏡，然后聚焦到被測物體上，所述被測物體反射回來的光束經(jīng)所述無限物鏡再經(jīng)過所述分光棱鏡，最后成像到電荷耦合元件上；所述光路封裝裝置包括聚光鏡，在所述分光棱鏡旁設(shè)有平行夾板，第一連接件與所述數(shù)字微鏡器件連接， 所述第一連接件中間開有第一通孔，光源固定臺發(fā)出的光經(jīng)所述聚光鏡，通過所述通孔后入射到所述數(shù)字微鏡器件上，第二連接件與所述電荷耦合元件連接，所述第二連接件中間開有第二通孔使所述被測物體反射回來的光束經(jīng)所述無限遠(yuǎn)物鏡，再經(jīng)過所述分光棱鏡， 并通過所述第二通孔后，成像到所述電荷耦合元件上，第三連接件與柔性測量平臺連接，所述第三連接件中間開有第三通孔，使所述數(shù)字微鏡器件反射的光線經(jīng)所述分光棱鏡入射到所述無限遠(yuǎn)物鏡，通過所述第三通孔后聚焦到所述被測物體上。進(jìn)一步地，所述的光路封裝裝置將所述LED光源、所述聚光鏡、所述分光棱鏡、所述無限遠(yuǎn)物鏡封裝在鋁制匣子里，并與所述數(shù)字微鏡器件、所述電荷耦合元件、所述柔性測量平臺連接為一體，組成整個(gè)微納米測量系統(tǒng)。本實(shí)用新型提出的一種并行掃描共焦成像裝置，包括光路結(jié)構(gòu)和光路封裝裝置； 光路結(jié)構(gòu)中加入分光棱鏡，并且使用數(shù)字微鏡器件(DMD)取代傳統(tǒng)意義上的照明針孔，對入射光進(jìn)行調(diào)制，形成虛擬針孔陣列，此光路結(jié)構(gòu)中，內(nèi)表面反射的光線到達(dá)攝像機(jī)表面時(shí)會(huì)形成均勻的背景光。此時(shí)一個(gè)數(shù)字微鏡器件(DMD)產(chǎn)生的針孔在攝像機(jī)上便形成一個(gè)清晰的像。上述裝置中，設(shè)有側(cè)面蓋板，所述側(cè)面蓋板開有平行夾縫，棱鏡夾板可以沿所述平行夾縫移動(dòng)，進(jìn)而調(diào)整光路。所述側(cè)面蓋板可以拆卸以方便調(diào)整光路而不影響整個(gè)裝置，在需要調(diào)整光路的時(shí)候所述側(cè)面蓋板可以打開，然后調(diào)整所述棱鏡夾板，直到成像滿意為止。由于采用了上述技術(shù)方案，本實(shí)用新型提出的一種并行掃描共焦成像裝置的優(yōu)點(diǎn)在于1、本實(shí)用新型將傳統(tǒng)光路進(jìn)行改進(jìn)，加入分光棱鏡，并且用數(shù)字微鏡器件(DMD) 取代傳統(tǒng)意義上的照明針孔，對入射光進(jìn)行調(diào)制，形成虛擬針孔陣列，這樣內(nèi)表面反射的光線到達(dá)攝像機(jī)表面時(shí)會(huì)形成均勻的背景光，數(shù)字微鏡器件(DMD)產(chǎn)生的針孔在攝像機(jī)上便形成一個(gè)清晰的像，這樣便完全符合微納米檢測的要求。2、本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的光路封裝裝置將并行共焦顯微鏡光路所必須的光學(xué)零器件合理的布局到一起，方便系統(tǒng)工作的時(shí)候調(diào)節(jié)光路，以期達(dá)到良好的成像效果。3、本實(shí)用新型將數(shù)字微鏡器件(DMD)、電荷耦合元件(CCD)、柔性測量平臺 (PIFOC)有機(jī)的連接到一起，組成共焦檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，可以和不同的納米臺連接，具有很好的可移植性，也可以隨時(shí)拆卸維護(hù)，不僅節(jié)約企業(yè)成本，也使日常維護(hù)變得簡單易行。4、本實(shí)用新型將光路封裝，有效的隔離了外界雜散光的干擾，同時(shí)為了避免鋁制匣子自身表面的雜散光干擾，對其進(jìn)行了氧化發(fā)黑處理，大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性，提高了成像質(zhì)量，為三維重建微結(jié)構(gòu)奠定了良好的基礎(chǔ)。5、本實(shí)用新型提出的并行掃描共焦成像裝置制作工藝簡單，能夠被設(shè)計(jì)者掌握并應(yīng)用到實(shí)際工作中。

圖1為本實(shí)用新型一種并行掃描共焦成像裝置的光路示意圖；[0018]圖2為本實(shí)用新型一種并行掃描共焦成像裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型一種并行掃描共焦成像裝置中光路裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為使用普通顯微鏡測得的SHMOO樣品圖；圖5為使用本實(shí)用新型一種并行掃描共焦成像裝置測得的SHMOO樣品圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對本實(shí)用新型的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步的說明，但不應(yīng)以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。如圖1所示光路結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行共焦成像時(shí)，LED光源1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2入射到數(shù)字微鏡器件3 (DMD)上，數(shù)字微鏡器件3 (DMD)反射的光線經(jīng)分光棱鏡5入射到無限遠(yuǎn)物鏡6，然后聚焦到被測物體7上被測物體7反射回來的光束經(jīng)無限遠(yuǎn)物鏡6，再經(jīng)過分光棱鏡5，最后成像到電荷耦合元件4(CXD)上。如圖3所示光路封裝裝置，聚光鏡2可以沿著斜狹縫移動(dòng)，方便調(diào)整光路。為了進(jìn)一步強(qiáng)化抗干擾性，在分光棱鏡5旁邊放置平行夾板9，以防外界雜散光的進(jìn)入。為了與外部件數(shù)字微鏡器件3 (DMD)、電荷耦合元件4 (CCD)、測量部件8 (PI公司的PIF0C)這三個(gè)裝置連接，特別設(shè)計(jì)了第一連接件10與數(shù)字微鏡器件3(DMD)連接，并在第一連接件10中間開第一通孔，使光源1發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡2，通過此第一通孔后入射到數(shù)字微鏡器件3 (DMD) 上。同時(shí)特別設(shè)計(jì)了第二連接件11與電荷耦合元件4((XD)連接，并在第二連接件11中間開有第二通孔，使物體反射回來的光束經(jīng)無限遠(yuǎn)物鏡6，再經(jīng)過分光棱鏡5，并通過此第二通孔后，成像到電荷耦合元件4 (CXD)上。另外，特別設(shè)計(jì)了第三連接件12與測量部件8(PI 公司的PIF0C)連接，并在第三連接件12中間開有第三通孔，使數(shù)字微鏡器件3 (DMD)反射的光線經(jīng)分光棱鏡5入射到無限遠(yuǎn)物鏡6，通過此第三通孔后聚焦到被測物體上。其結(jié)構(gòu)如圖2所示，為本實(shí)用新型一種并行掃描共焦成像裝置中光路裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。將圖1光路通過圖3所示封裝裝置完全封裝完成以后，便形成本實(shí)用新型一種并行掃描共焦成像裝置，再將其與數(shù)字微鏡器件3 (DMD)、電荷耦合元件4 (CCD)、測量部件8 (PI 公司的PIF0C)、柔性測量平臺連接，其中柔性測量平臺包括圖2中的支架17、樣品載物臺 16、平面坐標(biāo)位移平臺Y方向14、平面坐標(biāo)位移平臺X方向15、垂直坐標(biāo)位移平臺Z方向13。 至此，整個(gè)微納米測量平臺搭建完成。此后打開光源電源、數(shù)字微鏡器件(DMD)電源，并進(jìn)一步調(diào)節(jié)光強(qiáng)，適中即可，打開電荷耦合元件(CCD)電源、電腦和相應(yīng)的軟件，如果此時(shí)顯示的微納米結(jié)構(gòu)不夠清晰，可以調(diào)節(jié)共焦成像裝置的光路，即調(diào)節(jié)圖3所示的聚光鏡2，沿著斜狹縫方向平行滑動(dòng)，直到成像清晰為止，如圖5為本實(shí)用新型實(shí)驗(yàn)所得的SHMOO樣品圖，我們將此和圖4中普通顯微鏡測得的SHMOO樣品圖進(jìn)行對比如下所示從圖4和圖5中可以看到，采用此共焦成像裝置系統(tǒng)采集到的樣品圖分辨率明顯高于普通顯微鏡，普通顯微鏡只能觀測到被測樣品的大概輪廓，而采用此共焦成像裝置系統(tǒng)可以測到更多的樣品細(xì)節(jié)。此外，普通顯微鏡(即使采用了共焦光路)也是不具備三維成像和定量測量能力的；而采用此共焦成像裝置系統(tǒng)采集到的樣品有明顯的層次感，完全具備三維成像和定量測量能力。以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施方式而已，并非用來限定本實(shí)用新型的實(shí)施范圍。任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中具有通常知識者，在不脫離本實(shí)用新型的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動(dòng)與潤飾，因此本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求書所界定范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1.一種并行掃描共焦成像裝置，包括光路結(jié)構(gòu)和光路封裝裝置，其特征在于所述光路結(jié)構(gòu)包括LED光源，所述LED光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡入射到數(shù)字微鏡器件上， 所述數(shù)字微鏡器件反射的光經(jīng)分光棱鏡入射到無限遠(yuǎn)物鏡，然后聚焦到被測物體上，所述被測物體反射回來的光束經(jīng)所述無限物鏡再經(jīng)過所述分光棱鏡，最后成像到電荷耦合元件上；所述光路封裝裝置包括聚光鏡，在所述分光棱鏡旁設(shè)有平行夾板，第一連接件與所述數(shù)字微鏡器件連接，所述第一連接件中間開有第一通孔，光源固定臺發(fā)出的光經(jīng)所述聚光鏡，通過所述通孔后入射到所述數(shù)字微鏡器件上，第二連接件與所述電荷耦合元件連接，所述第二連接件中間開有第二通孔使所述被測物體反射回來的光束經(jīng)所述無限遠(yuǎn)物鏡，再經(jīng)過所述分光棱鏡，并通過所述第二通孔后，成像到所述電荷耦合元件上，第三連接件與柔性測量平臺連接，所述第三連接件中間開有第三通孔，使所述數(shù)字微鏡器件反射的光線經(jīng)所述分光棱鏡入射到所述無限遠(yuǎn)物鏡，通過所述第三通孔后聚焦到所述被測物體上。
2.如權(quán)利要求1所述的并行掃描共焦成像裝置，其特性在于，所述的光路封裝裝置將所述LED光源、所述聚光鏡、所述分光棱鏡、所述無限遠(yuǎn)物鏡封裝在鋁制匣子里，并與所述數(shù)字微鏡器件、所述電荷耦合元件、所述柔性測量平臺連接為一體。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種并行掃描共焦成像裝置，特別涉及并行掃描成像系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)和光路封裝過程，屬于微納米檢測領(lǐng)域。本實(shí)用新型提出的一種并行掃描共焦成像裝置，包括光路結(jié)構(gòu)和光路封裝裝置；光路結(jié)構(gòu)中加入分光棱鏡，并且使用數(shù)字微鏡器件取代傳統(tǒng)意義上的照明針孔，對入射光進(jìn)行調(diào)制，形成虛擬針孔陣列，此光路結(jié)構(gòu)中，內(nèi)表面反射的光線到達(dá)攝像機(jī)表面時(shí)會(huì)形成均勻的背景光。此時(shí)一個(gè)數(shù)字微鏡器件產(chǎn)生的針孔在攝像機(jī)上便形成一個(gè)清晰的像，這樣便完全符合微納米檢測的要求。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)集成，可以和不同的納米臺連接，具有很好的可移植性，也可以隨時(shí)拆卸維護(hù)，不僅節(jié)約企業(yè)成本，也使日常維護(hù)變得簡單易行。
文檔編號G02B27/10GK202304765SQ20112038739
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月12日
發(fā)明者官志超, 楊召雷, 段松傳 申請人:上海理工大學(xué)