專利名稱：三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及表面三維微細(xì)結(jié)構(gòu)測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)方法及裝置。
背景技術(shù)：
共焦顯微鏡以其非接觸、高分辨率、三維數(shù)字化成像等顯著優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、生物、光刻、材料等領(lǐng)域，影響共焦顯微系統(tǒng)發(fā)展的關(guān)鍵因素是測(cè)量范圍、測(cè)量速度及其三維分辨力。微光學(xué)與微電子學(xué)的蓬勃發(fā)展，促進(jìn)了二元光學(xué)元件制作和加工技術(shù)逐漸走向成熟，使得傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)朝著小型化、陣列化、集成化方向發(fā)展。因此，將二元光學(xué)元件引入傳統(tǒng)共焦顯微系統(tǒng)中使二者有機(jī)的結(jié)合，是解決其三維測(cè)量速度、測(cè)量分辨率和測(cè)量范圍三者相矛盾的有效途徑。
目前，采用微透鏡陣列改進(jìn)共焦掃描性能的方法主要有兩種形式，一種是以微透鏡陣列代替?zhèn)鹘y(tǒng)共焦顯微鏡的物鏡，一種是利用微透鏡陣列形成點(diǎn)陣列照明光源，代替單點(diǎn)照明光源。前者因微透鏡陣列的焦距較短，雖精度較高但測(cè)量范圍相對(duì)較小；而后者由于采用陣列光束點(diǎn)照明，每束光偏離軸線的位置不同，對(duì)應(yīng)采樣點(diǎn)不僅產(chǎn)生一定的像散，而且還會(huì)偏離理想像點(diǎn)，因而降低了系統(tǒng)的測(cè)量精度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，將一種二元微光學(xué)元件引入共焦顯微技術(shù)中，提出一種新型的光學(xué)列陣共焦超分辨顯微三維探測(cè)方法及裝置，并通過(guò)二元光瞳濾波器，提高列陣照明情況下系統(tǒng)三維測(cè)量精度，解決測(cè)量速度、測(cè)量范圍和測(cè)量精度三者之間的矛盾。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種光學(xué)陣列共焦超分辨顯微三維探測(cè)裝置，所述裝置包括位于光學(xué)系統(tǒng)的中心光軸上依次排列的點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡，微透鏡陣列及針孔陣列，擴(kuò)束透鏡、偏振分光鏡，1/4波片，二元光瞳濾波器，物鏡，載物臺(tái)，收集透鏡，探測(cè)針孔陣列及面陣CCD；點(diǎn)光源通過(guò)準(zhǔn)直透鏡形成平行光入射到微透鏡陣列上，再經(jīng)針孔陣列在擴(kuò)束透鏡焦平面上形成點(diǎn)光源陣列，經(jīng)偏振分光鏡及1/4波片，形成偏振光，再經(jīng)二元光瞳濾波器和物鏡照射到被測(cè)物表面，經(jīng)被測(cè)物表面反射，按原光路返回，反射光經(jīng)偏振分光鏡后，被全部反射到收集透鏡上，經(jīng)針孔陣列最后到達(dá)面陣CCD上，由面陣CCD對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。
本發(fā)明還提供一種使用一個(gè)探測(cè)器探測(cè)和測(cè)量三維表面和三維結(jié)構(gòu)的方法，，所述探測(cè)器包括光學(xué)探頭、載物臺(tái)、面陣CCD和計(jì)算機(jī)，光學(xué)測(cè)頭包括點(diǎn)光源裝置，準(zhǔn)直透鏡，微透鏡陣列及針孔陣列，擴(kuò)束透鏡、偏振分光鏡，1/4波片，二元光瞳濾波器，物鏡，收集透鏡，探測(cè)針孔陣列；所述方法包括下列步驟利用微透鏡陣列產(chǎn)生探測(cè)光束陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的多光束并行探測(cè)和測(cè)量；通過(guò)偏振分光鏡將探測(cè)光束轉(zhuǎn)換為偏振光；
利用二元光瞳濾波器對(duì)光束陣列各路光束進(jìn)行調(diào)制，改變探測(cè)空間的光強(qiáng)分布特性，以實(shí)現(xiàn)三維超分辨測(cè)量；在光軸方向上對(duì)被測(cè)物進(jìn)行軸向掃描探測(cè)；反射光經(jīng)物鏡、二元光瞳濾波器到達(dá)1/4波片，偏振方向改變90°，經(jīng)偏振分光鏡反射到集光透鏡，最后到達(dá)面陣CCD表面；在計(jì)算機(jī)中依據(jù)軸向光強(qiáng)分布曲線和各橫向探測(cè)位置，得出被測(cè)樣品三維表面形貌測(cè)量結(jié)果。
進(jìn)一步的，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化二元光瞳濾波器參數(shù)，提高共焦陣列顯微鏡的三維分辨能力。
進(jìn)一步的，所述的掃描方式是光學(xué)測(cè)頭進(jìn)行主光軸方向掃描，載物工作臺(tái)作橫向二維微位移移動(dòng)。
進(jìn)一步的，所述的掃描方式是載物工作臺(tái)作三維微位移移動(dòng)，光學(xué)測(cè)頭不動(dòng)。
本發(fā)明利用微光學(xué)元件陣列實(shí)現(xiàn)多光路同步測(cè)量，有效提高共焦顯微測(cè)量速度；引入新型二元光瞳濾波器，有效提高各光路的三維分辨能力，保證了測(cè)量精度，彌補(bǔ)了由點(diǎn)光源離軸照明引起的精度損失；又由于加入了二元光瞳濾波器，可極大地銳化探測(cè)空間像點(diǎn)的光強(qiáng)響應(yīng)曲線，從而縮小共焦陣列的間距，有效提高了光學(xué)系統(tǒng)的探測(cè)效率；且該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各光路共用同一顯微物鏡和同一光瞳濾波器，其制作成本相對(duì)較低。
本發(fā)明提供的三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)方法及裝置，可實(shí)現(xiàn)多光束并行共焦探測(cè)，且具有很高的三維超分辨能力。利用微透鏡陣列及針孔陣列以實(shí)現(xiàn)多路并行快速掃描測(cè)量，共用同一顯微物鏡，并加入二元光瞳濾波器，使各光路均具有三維超分辨探測(cè)能力。本發(fā)明是將陣列共焦技術(shù)與光學(xué)超分辨技術(shù)有機(jī)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)共焦陣列超近間距密集探測(cè)，可有效提高其三維測(cè)量的效率，特別適用于大規(guī)模集成電路的線寬、臺(tái)階測(cè)量，以及微結(jié)構(gòu)光學(xué)元件的三維表面和微機(jī)械三維結(jié)構(gòu)的探測(cè)和測(cè)量，本發(fā)明具有大范圍、高精度、快速三維測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)方法及裝置的特點(diǎn)及原理將在其具體實(shí)施方式
中結(jié)合附圖作詳細(xì)說(shuō)明。


圖1光學(xué)列陣共焦超分辨三維測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2三維超分辨光瞳濾波器。
圖3三維超分辨光瞳濾波器響應(yīng)特性曲線。
圖4未使用超分辨光瞳濾波器時(shí)各路軸向光強(qiáng)分布特性曲線。
圖5未使用超分辨光瞳濾波器時(shí)各路徑向光強(qiáng)分布特性曲線。
圖6光學(xué)列陣任一路在不同光瞳參數(shù)下的徑向光強(qiáng)分布響應(yīng)曲線。
圖7光學(xué)列陣任一路在不同光瞳參數(shù)下的軸向光強(qiáng)分布響應(yīng)曲線。
具體實(shí)施例方式
本實(shí)施例三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該裝置包括激光器1、準(zhǔn)直透鏡2、微透鏡及針孔陣列3、透鏡4、偏振分光鏡5、1/4波片6、二元光瞳濾波器7、顯微物鏡8、被測(cè)物9、微位移工作臺(tái)10、聚光鏡11、探測(cè)針孔陣列12、面陣CCD13、微位移驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)14、計(jì)算機(jī)15和微位移電感傳感器16。
本實(shí)施例三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)方法及裝置的主要器件型號(hào)及參數(shù)如下本實(shí)施例中測(cè)量物鏡8選用40×0.65和60×0.85的平場(chǎng)消色差顯微物鏡。微透鏡陣列為40×40單元，單元間距為150um，焦距為4mm，量化臺(tái)階數(shù)為8。CCD面陣12為丹麥JAI公司的CV-Al攝像頭，面陣單元1392×1040個(gè)單元，單元尺寸4.65um2。
微位移工作臺(tái)17的驅(qū)動(dòng)器采用美國(guó)NEWFOCUS公司生產(chǎn)的大范圍、高穩(wěn)定性Picomotor(微位移驅(qū)動(dòng)器)驅(qū)動(dòng)器，配以縮小比例5∶1的柔性鉸鏈工作臺(tái)組成的納米級(jí)的微位移進(jìn)給裝置。Z向定位工作臺(tái)的位移測(cè)量由高精度微位移電感傳感器16完成，從而實(shí)現(xiàn)2nm高精度定位。
二元光瞳濾波器7采用振幅型可變環(huán)形濾波器，見(jiàn)附圖2、3。
本發(fā)明工作原理如下所述來(lái)自激光器1的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2變成為平行光束照射到微透鏡及針孔陣列3，微透鏡焦點(diǎn)位置處于透鏡4焦平面上，不同位置點(diǎn)光源經(jīng)透鏡4形成不同傾角的傾斜平行光，經(jīng)所述光瞳濾波器7和顯微物鏡8，到達(dá)被測(cè)物表面。計(jì)算機(jī)15與微位移驅(qū)動(dòng)控制裝置14、高精度微位移電感傳感器16組成閉環(huán)數(shù)字控制系統(tǒng)，精確控制微位移工作臺(tái)進(jìn)行Z向掃描移動(dòng)。當(dāng)被探測(cè)物9表面在物鏡焦平面時(shí)，面陣CCD13接受的光強(qiáng)最大，當(dāng)離焦時(shí)光強(qiáng)減小，通過(guò)光強(qiáng)特性曲線(即軸向光強(qiáng)與離焦量的關(guān)系曲線)線性區(qū)段可獲得被測(cè)表面的離焦距離，與微位移傳感器16測(cè)量值相結(jié)合，由此通過(guò)Z向掃描，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理，可將面陣CCD13獲得的被測(cè)面三維光學(xué)信息轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息，從而獲得被測(cè)面的三維尺寸。
本發(fā)明測(cè)量原理是基于共焦顯微成像原理，是利用物鏡和聚光透鏡共焦點(diǎn)，點(diǎn)光源和點(diǎn)探測(cè)器處于彼此共軛位置。實(shí)際上反射式共焦系統(tǒng)的物鏡和聚光透鏡是同一透鏡，因而在探測(cè)空間上，其光強(qiáng)分布可表示為I(u，v)＝|h1(u，v)|2[|h2(u，v)|23D(v)]，式中D(v)是探測(cè)器的強(qiáng)度靈敏度，若取常值，則I(u,v)=|h(u,v)|4=|2∫01P(ρ)eju2ρ2J0(ρv)ρdρ|4----(1)]]>與普通顯微鏡對(duì)比可知，它的橫向分辨率是相同孔焦比的普通顯微鏡的1.4倍，并同時(shí)具有軸向分辨能力。
進(jìn)一步，本發(fā)明利用微透鏡陣列及針孔陣列，將原有的單一點(diǎn)光源拓展為點(diǎn)光源陣列，可形成多光束并行同步采樣。其成像空間的光場(chǎng)分布特性與單點(diǎn)共焦系統(tǒng)有所不同，其軸向、徑向光場(chǎng)分布分別為U3(u,0)=-Md12λ2∫01P(ρ)exp[-iuρ2/2-ika2ρ2sin2θ2d2]2πJ0(ka2ρ2sin2θ/4d2)ρdρ----(2)]]>U3(0,v)=Md12λ2∫01P(ρ)exp[-ika2ρ2sin2θ2d2]2πJ0(vρ)ρdρ----(3)]]>可得探測(cè)空間軸向、徑向的光強(qiáng)分布I(u,0)=|2∫01Peffu(ρ)exp[-iuρ2/2]ρdρ|4----(4)]]>I(0,v)=|2∫01Peffv(ρ)J0(vρ)ρdρ|4----(5)]]>
式中引入等效光瞳函數(shù)Peff(ρ)，該函數(shù)與點(diǎn)光源距光軸距離有關(guān)，同時(shí)與超分辨二元光瞳濾波器的特性有關(guān)。
對(duì)于振幅型二元光瞳濾波器，就是通過(guò)改變?yōu)V波器的通光帶的位置和尺寸，以改變探測(cè)空間的積分區(qū)域，見(jiàn)(2)、(3)式，從而改變探測(cè)空間的光強(qiáng)分布。如附圖2，振幅二元光瞳濾波器其可變參數(shù)ε、ω為環(huán)半徑可調(diào)系數(shù)，0.5＜ε＜1，0＜ω＜1，c為中心區(qū)漏光系數(shù)，本具體實(shí)施例中二元光瞳濾波器可用如下函數(shù)表示q(ξ)=rect(ξ)-rect[ξ+(ϵ-0.5)ωω]0≤ξ≤0.5c{rect(ξ)-rect[ξ+(ϵ-0.5)ωω]}0>ξ≥-0.5----(6)]]>根據(jù)超分辨理論，1)半極值寬(HWHM)比G；2)焦點(diǎn)強(qiáng)度Strehl比S∶3)主瓣強(qiáng)度與旁瓣強(qiáng)度比M[7][8][9]。據(jù)此利用軸向和徑向兩個(gè)超分辨因子GT、GA建立目標(biāo)函數(shù)G3D＝GA2GT。由此經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算，通過(guò)改變光瞳濾波器可調(diào)參數(shù)，計(jì)算各光路目標(biāo)函數(shù)G3D，并根據(jù)仿真曲線獲得光瞳濾波器的優(yōu)化參數(shù)，具體實(shí)施例中選取光瞳濾波器參數(shù)選取ω＝0.56，c＝0.6，ε＝0.82。其超分辨效果見(jiàn)附圖6、附圖7。
盡管采用共焦陣列方法提高了測(cè)量的速度，但由于離軸點(diǎn)光源照明的影響，使得系統(tǒng)的三維分辨力有所下降，為此在系統(tǒng)中引入二元光瞳濾波器，并根據(jù)超分辨評(píng)價(jià)函數(shù)，對(duì)光瞳濾波器的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，有效地壓縮軸向和徑向兩個(gè)方向的半高半寬比(HWMH)，同時(shí)由共焦特性的作用，可有效的抑制旁瓣，提高系統(tǒng)的三維分辨能力。
在探測(cè)空間依據(jù)其強(qiáng)度分布曲線，在其線性段內(nèi)，可測(cè)量出被測(cè)樣品的表面形貌和三維微觀尺寸。
以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和測(cè)試效果作了說(shuō)明，但這些說(shuō)明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書(shū)限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)裝置，包括在中心光軸上依次排列的點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡，微透鏡陣列及針孔陣列，擴(kuò)束透鏡、偏振分光鏡，1/4波片，顯微物鏡，收集透鏡，探測(cè)針孔陣列及面陣CCD，點(diǎn)光源通過(guò)準(zhǔn)直透鏡形成平行光入射到微透鏡陣列上，再經(jīng)針孔陣列在擴(kuò)束透鏡焦平面上形成點(diǎn)光源陣列，經(jīng)偏振分光鏡及1/4波片，形成偏振光，再經(jīng)顯微物鏡照射到被測(cè)物表面；入射光經(jīng)被測(cè)物表面反射，按原光路返回，反射光經(jīng)偏振分光鏡后，被全部反射到收集透鏡上，經(jīng)探測(cè)針孔陣列最后到達(dá)面陣CCD上，由面陣CCD對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集；其特征在于還包括一個(gè)二元光瞳濾波器，所述二元光瞳濾波器放置于1/4波片與顯微物鏡之間；所述偏振光經(jīng)所述二元光瞳濾波器后被調(diào)制，調(diào)制后的光再經(jīng)顯微物鏡照射到被測(cè)物表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)裝置，其特征在于所述的二元光瞳濾波器可以為振幅型、位相型或混合型二元光學(xué)器件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的三維超分辨共焦陣列掃描顯微探測(cè)裝置，其特征在于所述的微透鏡陣列是連續(xù)浮雕或多臺(tái)階微透鏡陣列。
4.一種使用一個(gè)探測(cè)器探測(cè)和測(cè)量三維表面和三維結(jié)構(gòu)的方法，所述探測(cè)器包括光學(xué)探頭、載物臺(tái)、面陣CCD和計(jì)算機(jī)，光學(xué)測(cè)頭包括點(diǎn)光源裝置，準(zhǔn)直透鏡，微透鏡陣列及針孔陣列，擴(kuò)束透鏡、偏振分光鏡，1/4波片，二元光瞳濾波器，物鏡，收集透鏡，探測(cè)針孔陣列；所述方法包括下列步驟利用微透鏡陣列產(chǎn)生探測(cè)光束陣列，以實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)樣品的多光束并行探測(cè)和測(cè)量；通過(guò)偏振分光鏡將探測(cè)光束轉(zhuǎn)換為偏振光；利用二元光瞳濾波器對(duì)光束陣列各路光束進(jìn)行調(diào)制，改變探測(cè)空間的光強(qiáng)分布特性，以實(shí)現(xiàn)三維超分辨測(cè)量；在光軸方向上對(duì)被測(cè)物進(jìn)行軸向掃描探測(cè)；反射光經(jīng)物鏡、二元光瞳濾波器到達(dá)1/4波片，偏振方向改變90°，經(jīng)偏振分光鏡反射到集光透鏡，最后到達(dá)面陣CCD表面；在計(jì)算機(jī)中依據(jù)軸向光強(qiáng)分布曲線和各橫向探測(cè)位置，得出被測(cè)樣品三維表面形貌的測(cè)量結(jié)果。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得出優(yōu)化的二元光瞳濾波器參數(shù)，提高共焦陣列顯微鏡的三維分辨能力。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述的掃描方式是由光學(xué)測(cè)頭進(jìn)行主光軸方向掃描，載物工作臺(tái)作二維微位移移動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述的掃描方式是由載物工作臺(tái)作三維微位移移動(dòng)，光學(xué)測(cè)頭不動(dòng)。
全文摘要
一種光學(xué)陣列共焦超分辨顯微三維探測(cè)裝置，所述裝置包括位于光學(xué)系統(tǒng)的中心光軸上依次排列的點(diǎn)光源，準(zhǔn)直透鏡，微透鏡陣列及針孔陣列，擴(kuò)束透鏡、偏振分光鏡，1/4波片，二元光瞳濾波器，物鏡，載物臺(tái)，收集透鏡，探測(cè)針孔陣列及面陣CCD。點(diǎn)光源通過(guò)準(zhǔn)直透鏡形成平行光入射到微透鏡陣列上，再經(jīng)針孔陣列在擴(kuò)束透鏡焦平面上形成點(diǎn)光源陣列，經(jīng)偏振分光鏡及1/4波片，形成偏振光，再經(jīng)二元光瞳濾波器和物鏡照射到被測(cè)物表面。經(jīng)被測(cè)物表面反射，按原光路返回，反射光經(jīng)偏振分光鏡后，被全部反射到收集透鏡上，經(jīng)針孔陣列最后到達(dá)面陣CCD上，由面陣CCD對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集。本發(fā)明還包含一種使用一個(gè)探測(cè)器探測(cè)和測(cè)量三維表面和三維結(jié)構(gòu)的方法。
文檔編號(hào)G01B11/02GK1632448SQ200510007218
公開(kāi)日2005年6月29日 申請(qǐng)日期2005年2月4日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月4日
發(fā)明者譚久彬, 黃向東 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)