一種并行光學(xué)線層析顯微測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】：
[0001] 本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像及精密測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種并行光學(xué)線層析顯 微測量方法。
【背景技術(shù)】：
[0002] 光學(xué)顯微測量裝置在人類認(rèn)識和理解微觀科學(xué)世界的進(jìn)程中起到了重要的推動 作用，20世紀(jì)50年代中后期，美國哈佛大學(xué)博士后M.Minsky發(fā)明了一種全新的光學(xué)顯微裝 置，即共焦顯微鏡，其采用了點(diǎn)照明和點(diǎn)探測、并引入逐點(diǎn)掃描結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)樣品內(nèi)部三維結(jié) 構(gòu)立體成像。1997年，英國牛津大學(xué)M. A. A. Ne i 1和T. Wi 1 son等在共焦顯微技術(shù)領(lǐng)域長期研 究探索的基礎(chǔ)上，提出了結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)（參見文獻(xiàn)1.以11，1?.幾81^^^， T.Wilson.Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope .Optics Letters，1997，22(24): 1905-1907)，這是一種在普 通光學(xué)顯微鏡系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行很小改動便可實(shí)現(xiàn)的并行光學(xué)層析顯微技術(shù)，包括普通白光 光源照明、無(共焦)物理針孔、非逐點(diǎn)掃描等，通過光學(xué)條紋調(diào)制、解調(diào)等步驟實(shí)現(xiàn)光學(xué)層 析成像，并證明其軸向光學(xué)層析特性與普通單點(diǎn)掃描共焦顯微鏡類似。
[0003] 目前的結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)一般通過微位移工作臺驅(qū)動一維物理光柵產(chǎn)生機(jī)械 步進(jìn)掃描移相，將余弦強(qiáng)度條紋投影至待測樣品空間，利用不同初始相位的光柵條紋對樣 品表面形貌或內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)制;利用CCD分別探測攜帶有物體結(jié)構(gòu)信息的調(diào)制光場，一般 采集3幅圖像后，通過數(shù)學(xué)運(yùn)算處理，從探測光場中解調(diào)分離出普通寬場像和光學(xué)層析像。
[0004] 綜上，現(xiàn)有顯微測量技術(shù)一般使用機(jī)械步進(jìn)掃描，不但降低了測量效率，還影響測 量精度，上述問題限制了結(jié)構(gòu)光照明顯微技術(shù)的應(yīng)用范圍。本發(fā)明利用結(jié)構(gòu)光照明顯微顯 微技術(shù)基本裝置實(shí)現(xiàn)單次掃描線層析測量。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0005] 本發(fā)明的目的是為了克服待測樣品的機(jī)械步進(jìn)掃描過程，最終實(shí)現(xiàn)非接觸、非掃 描、寬場并行光學(xué)立體層析顯微成像及測量，提供了 一種并行光學(xué)線層析顯微測量方法，單 次掃描便可實(shí)現(xiàn)一定軸向量程范圍內(nèi)樣品表面形貌的立體層析檢測。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：
[0007] -種并行光學(xué)線層析顯微測量方法，包括以下步驟：
[0008] 1)選取標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡為標(biāo)準(zhǔn)測量樣品；
[0009] 2)利用一維Z向壓電陶瓷精密位移臺沿軸步進(jìn)掃描平面反射鏡，在每一軸向位置， 執(zhí)行步驟3)和4);
[0010] 3)沿X軸方向利用精密步進(jìn)電機(jī)移動一維透射光柵，分別采集1^12和13三幅結(jié)構(gòu) 光調(diào)制像場，三幅結(jié)構(gòu)光調(diào)制像場分別對應(yīng)并行光學(xué)線層析顯微測量裝置中結(jié)構(gòu)光移相〇、 2π/3和4π/3后的像場；
[0011] 4)基于步驟3)得到的三幅像場，由表達(dá)式
計(jì)算得到顯微層析像場Isect;
[0012] 5)每執(zhí)行步驟3)-次，采用步驟4)所述的表達(dá)式Isect計(jì)算顯微層析像場，并繪制 上述像場內(nèi)中心點(diǎn)對應(yīng)的軸向?qū)游鲰憫?yīng)強(qiáng)度曲線；
[0013] 6)截取步驟5)所述曲線的單側(cè)線性區(qū)間，建立強(qiáng)度場與樣品表面高度的理論關(guān)聯(lián) 模型，得到測量校準(zhǔn)線性曲線，形成高度一一強(qiáng)度查找表；
[0014] 7)更換標(biāo)準(zhǔn)平面反射鏡為實(shí)際待測樣品，重復(fù)步驟2)和3)，根據(jù)步驟6)所得高 度一一強(qiáng)度查找表，得到像場內(nèi)所有點(diǎn)的表面高度值，實(shí)現(xiàn)單次掃描便可完成軸向量程范 圍內(nèi)樣品表面形貌立體層析結(jié)構(gòu)的檢測。
[0015] 本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明提供的一種并行光學(xué)線層析顯微測量方法，基于衍 射光學(xué)和傅里葉光學(xué)理論建立的寬場線層析理論測量模型，實(shí)現(xiàn)了無軸向機(jī)械掃描、并行、 立體層析快速檢測，克服了待測樣品的軸向機(jī)械步進(jìn)掃描問題，最佳軸向分辨率可達(dá)到數(shù) 納米量級(對應(yīng)大數(shù)值孔徑顯微物鏡情形）。本發(fā)明可用于無軸向機(jī)械掃描、并行、立體層析 快速檢測，在微機(jī)械、微電子、微光學(xué)等微納器件三維表面形貌的非接觸、高分辨率、快速層 析成像及測量方面提供一個全新有效的測量方法。
[0016]本發(fā)明與現(xiàn)有的非干涉差分共焦測量技術(shù)（參見文獻(xiàn)Chau-Hwang Lee，Jyhpyng Wang.Noninterferometric differential confocal microscopy with 2_nm depth resolution.Optics Communications，1997，135:233-237)存在明顯區(qū)別，本發(fā)明米用結(jié)構(gòu) 光照明條紋調(diào)制解調(diào)技術(shù)，是一種并行式層析方法，而現(xiàn)有技術(shù)采用普通共焦掃描測量裝 置，是一種點(diǎn)掃描式層析方法，因而必須進(jìn)行橫向二維機(jī)械掃描。
【附圖說明】：
[0017] 圖1為結(jié)構(gòu)光照明并行光學(xué)線層析顯微測量裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 其中：1一非相干光照明光源，2-窄帶濾光片，3-步進(jìn)電機(jī)，4一一維透射光柵， 5-第一管鏡，6-分光鏡，7-顯微物鏡，8-待測物體，9一PZT，10-第二管鏡，11一(XD。
[0019] 圖2為結(jié)構(gòu)光照明顯微成像系統(tǒng)軸向?qū)游鲰憫?yīng)理論計(jì)算曲線。
【具體實(shí)施方式】：
[0020] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的說明。
[0021] 如圖1所示，并行光學(xué)線層析顯微測量裝置，包括非相干光照明光源1、窄帶濾光片 2、步進(jìn)電機(jī)3、一維透射光柵4、第一管鏡5、分光鏡6、顯微物鏡7、一維PZT9、第二管鏡10和 (XD 11;其中，由非相干光照明光源1發(fā)出的光依次經(jīng)過窄帶濾光片2、一維透射光柵4、第一 管鏡5后，由分光鏡6反射，經(jīng)過顯微物鏡7聚焦于置于一維PZT9上的待測物體8表面，形成結(jié) 構(gòu)光照明；待測物體8將照明光束反射，依次經(jīng)過顯微物鏡7、分光鏡6、第二管鏡10后，照明 光束聚焦于CCD11的焦平面處;所述步進(jìn)電機(jī)3用于控制一維透射光柵4橫向移動，以完成一 維透射光柵4的三步相移，分別為0、2V3和牡/3，由(XD11相應(yīng)采集I!、1 2和13三幅像場;所述 一維PZT9用于控制待測物體8在豎直方向移動。
[0022] 本發(fā)明一種并行光學(xué)線層析顯微測量方法