CN103411559B - 基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法 - Google Patents

Abstract

基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域；该装置设计有角谱扫描照明光路，从LED阵列发出的光束依次经过成像透镜、分光棱镜、显微物镜后，平行照射到被测微结构样品表面，LED阵列中的不同LED对应不同的角谱照明；该方法首先获得所有像素在不同角谱扫描照明下的层析图像，然后利用共焦三维测量原理，判断每个像素的轴向坐标，最后拟合出被测微结构样品的三维形貌；这种设计使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。

Description

基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法

技术领域

基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域。

背景技术

微结构的加工应用主要体现在微电子技术、微***技术和微光学技术三个方面，如计算机芯片、生物芯片和微透镜阵列等典型应用。上述技术其共同特征是具有三维结构、功能结构尺寸在微米、亚微米或纳米量级，这种结构的微纳米化不仅仅带来能源与原材料的节省，更推动了现代科技的进步，直接带动了相关产业的发展。随着微加工技术的飞速发展，能够对该类样品进行快速无损三维检测的仪器将拥有巨大的应用前景。

美国专利US3013467，第一次公开了一种共焦成像技术，该发明通过引入点光源、点照明和点探测三点光学共轭的共焦成像技术，获得了对样品轮廓的轴向探测能力，配合水平方向载物台的移动进而实现三维测量。中国专利CN1395127A，公开了一种共焦显微测量***。该发明利用共焦技术，通过在共焦光路中引入干涉光路，获得高灵敏度的干涉测量信号，实现对样品轴向的高精度测量。美国专利US6282020B1，公开了一种基于扫描振镜的共焦显微***。该发明利用共焦原理，通过引入振镜扫描技术，获得了汇聚照明光斑在样品表面高速移动的能力，实现了快速共焦探测，提高了测量速度。但是上述三种方法都是将平行光束通过显微物镜汇聚到样品表面进行照明，当进行三维样品测量时，由于样品自身表面轮廓的高低起伏，对汇聚照明光束进行遮挡，会导致某些区域无法照明或者发生复杂反射，进而造成探测信号强度的衰减和背景噪声的增强，使得测量精度降低，甚至无法测量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置与方法，使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。

本发明的目的是这样实现的：

基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置，包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路；

所述的角谱扫描照明光路包括：LED阵列、成像透镜、分光棱镜、第一光阑和显微物镜；从LED阵列发出的光束依次经过成像透镜、分光棱镜、显微物镜后，平行照射到随载物台轴向移动的被测微结构样品表面；

所述的准共焦测量光路包括：载物台、显微物镜、第一光阑、分光棱镜、管镜、第二光阑、扫描透镜、二维扫描振镜、聚焦透镜、针孔和探测器；随载物台轴向移动的被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜、第一光阑、分光棱镜、管镜、第二光阑、扫描透镜、二维扫描振镜、聚焦透镜，成像到针孔位置，并由探测器成像；所述的二维扫描振镜在其所在平面或与其平行平面内，以相互垂直的两个方向为转轴，进行二维转动；

所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜、第一光阑和显微物镜；

所述的LED阵列位于成像透镜的物平面，成像透镜的像平面与显微物镜的后焦平面重合于第一光阑所在平面；管镜的前焦平面与扫描透镜的后焦平面重合于第二光阑所在平面；针孔位于聚焦透镜的前焦平面，与探测器紧贴。

上述基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置，所述的LED阵列为水平竖直方向排布或与水平方向成45°和135°两个方向排布。

所述的LED阵列为等间距排布或不等间距排布。

上述基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置，在二维扫描振镜背离光束传播的方向，设置有十字轴或球笼式万向节。

基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法，包括以下步骤：

步骤a、将被测微结构样品的厚度分为N层；

步骤b、设定二维扫描振镜共有P个空间位置；

所述的步骤a、步骤b的顺序可调换；

步骤c、根据LED阵列中的LED数量M，被测微结构样品的厚度分层N，二维扫描振镜的空间位置P，形成M×N张角谱照明图像，每张角谱照明图像像素个数为P；

步骤d、定义相同角谱下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同空间位置在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sinc函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断P个空间位置点的轴向坐标；

步骤e、根据P个空间位置点及其轴向坐标，拟合出被测微结构样品的三维形貌。

上述基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法，所述的步骤c具体为：

步骤c1：通过载物台调整被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜的前焦平面；

步骤c2：通过依次点亮LED阵列中的M个LED形成对被测微结构样品的M个角谱照明；

步骤c3：通过调整二维扫描振镜的P个空间位置，实现探测器对照明图像的采集；

所述步骤c1、步骤c2、步骤c3形成三重循环，从外到内的循环顺序依次为以下顺序中的一个：

步骤c1、步骤c2、步骤c3；

步骤c1、步骤c3、步骤c2；

步骤c2、步骤c1、步骤c3；

步骤c2、步骤c3、步骤c1；

步骤c3、步骤c1、步骤c2；

步骤c3、步骤c2、步骤c1；

最终形成M×N张角谱照明图像，每张角谱照明图像像素个数为P。

由于本发明设计有照明光路，使照明光束平行入射到被测微结构样品表面，并且通过点亮LED阵列中的不同LED来改变照明光束的照射角度，并利用共焦三维测量原理，拟合出被测微结构样品的三维形貌；这种设计使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。

附图说明

图1是本发明基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置结构示意图。

图2是本发明基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置角谱扫描照明光路图。

图3是本发明基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置准共焦测量光路图。

图4是本发明基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法流程图。

图中：1LED阵列、2成像透镜、3分光棱镜、4第一光阑、5显微物镜、6载物台、7管镜、8第二光阑、9扫描透镜、10二维扫描振镜、11聚焦透镜、12针孔、13探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

所谓角谱扫描照明，是以平行光束照明被测微结构样品表面并且通过扫描机构或其它技术手段实现连续改变或离散改变平行光的入射角度，该种照明方式在频域中的描述即为角谱扫描照明。

共焦测量方法是：利用点照明、点物和点探测三点光学共轭的方法实现光轴方向的测量能力，进而完成三维测量。本专利中提到的准共焦测量方法是：利用角谱扫描照明代替点照明，同时保留点物和点探测两点光学共轭的方法。该方法既保留了共焦测量的三维测量能力，同时引入角谱扫描照明，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。

具体实施例一：

本实施例的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置结构示意图如图1所示，角谱扫描照明光路图如图2所示，准共焦测量光路图如图3所示。

该测量装置包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路；

所述的角谱扫描照明光路包括：LED阵列1、成像透镜2、分光棱镜3、第一光阑4和显微物镜5；从LED阵列1发出的光束依次经过成像透镜2、分光棱镜3、显微物镜5后，平行照射到随载物台6轴向移动的被测微结构样品表面；

所述的准共焦测量光路包括：载物台6、显微物镜5、第一光阑4、分光棱镜3、管镜7、第二光阑8、扫描透镜9、二维扫描振镜10、聚焦透镜11、针孔12和探测器13；随载物台6轴向移动的被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜5、第一光阑4、分光棱镜3、管镜7、第二光阑8、扫描透镜9、二维扫描振镜10、聚焦透镜11，成像到针孔12位置，并由探测器13成像；所述的二维扫描振镜10在其所在平面或与其平行平面内，以相互垂直的两个方向为转轴，进行二维转动；

所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜3、第一光阑4和显微物镜5；

所述的LED阵列1为水平竖直方向等间距排布，且位于成像透镜2的物平面，图1中的LED阵列1的上方绘制了LED阵列1的左视图；成像透镜2的像平面与显微物镜5的后焦平面重合于第一光阑4所在平面；管镜7的前焦平面与扫描透镜9的后焦平面重合于第二光阑8所在平面；针孔12位于聚焦透镜11的前焦平面，与探测器13紧贴。

上述基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置，在二维扫描振镜10背离光束传播的方向，设置有电动十字轴，实现对二维扫描振镜10空间位置的控制。

本实施例的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法流程图如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤a、将被测微结构样品的厚度分为N层；

步骤b、设定二维扫描振镜10共有P个空间位置；

步骤c、根据LED阵列1中的LED数量M，被测微结构样品的厚度分层N，二维扫描振镜10的空间位置P，形成M×N张角谱照明图像，每张角谱照明图像像素个数为P；

步骤d、定义相同角谱下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同空间位置在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sinc函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断该空间位置点的轴向坐标；

步骤e、根据P个空间位置点及其轴向坐标，拟合出被测微结构样品的三维形貌。

其中步骤c具体为：

步骤c1：通过载物台6调整被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜5的前焦平面；

步骤c2：通过依次点亮LED阵列1中的M个LED形成对被测微结构样品的M个角谱照明；

步骤c3：通过调整二维扫描振镜10的P个空间位置，实现探测器13对照明图像的采集；

所述步骤c1、步骤c2、步骤c3形成三重循环，从外到内的循环顺序依次为：步骤c1、步骤c3、步骤c2。

具体实施例二：

本实施例与具体实施例一不同在于，所述的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置中，LED阵列1为水平竖直方向不等间距排布，其有益效果在于可以在该方向对某个照明角谱范围内更精确调整。

具体实施例三：

本实施例与具体实施例一不同在于，所述的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置中，LED阵列1为与水平方向成45°和135°两个方向等间距排布，其有益效果在于可以在该方向对角谱均匀调整。

具体实施例四：

本实施例与具体实施例一不同在于，所述的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量装置中，LED阵列1为与水平方向成45°和135°两个方向不等间距排布，其有益效果在于可以在该方向对某个照明角谱范围内更精确调整。

具体实施例五：

本实施例与具体实施例一不同在于，所述的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法中，步骤c优选三重循环的顺序为步骤c3、步骤c1、步骤c2；使执行速度最快的步骤c2放置在最内层，执行速度最慢的步骤c3放置在最外层，可以减小角谱照明图像的用时，提高被测微结构样品的三维形貌重构效率。

Claims (2)

1.基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法，所使用的装置包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路；

所述的角谱扫描照明光路包括：LED阵列(1)、成像透镜(2)、分光棱镜(3)、第一光阑(4)和显微物镜(5)；从LED阵列(1)发出的光束依次经过成像透镜(2)、分光棱镜(3)、显微物镜(5)后，平行照射到随载物台(6)轴向移动的被测微结构样品表面；

所述的准共焦测量光路包括：载物台(6)、显微物镜(5)、第一光阑(4)、分光棱镜(3)、管镜(7)、第二光阑(8)、扫描透镜(9)、二维扫描振镜(10)、聚焦透镜(11)、针孔(12)和探测器(13)；随载物台(6)轴向移动的被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜(5)、第一光阑(4)、分光棱镜(3)、管镜(7)、第二光阑(8)、扫描透镜(9)、二维扫描振镜(10)、聚焦透镜(11)，成像到针孔(12)位置，并由探测器(13)成像；所述的二维扫描振镜(10)在其所在平面或与其平行平面内，以相互垂直的两个方向为转轴，进行二维转动；

所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜(3)、第一光阑(4)和显微物镜(5)；

所述的LED阵列(1)位于成像透镜(2)的物平面，成像透镜(2)的像平面与显微物镜(5)的后焦平面重合于第一光阑(4)所在平面；管镜(7)的前焦平面与扫描透镜(9)的后焦平面重合于第二光阑(8)所在平面；针孔(12)位于聚焦透镜(11)的前焦平面，与探测器(13)紧贴；

所述的LED阵列(1)为水平竖直方向排布或与水平方向成45°和135°两个方向排布；

所述的LED阵列(1)为等间距排布或不等间距排布；

在二维扫描振镜(10)背离光束传播的方向，设置有十字轴或球笼式万向节；

其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤a、将被测微结构样品的厚度分为N层；

步骤b、设定二维扫描振镜(10)共有P个空间位置；

所述的步骤a、步骤b的顺序可调换；

步骤c、根据LED阵列(1)中的LED数量M，被测微结构样品的厚度分层N，二维扫描振镜(10)的空间位置P，形成M×N张角谱照明图像，每张角谱照明图像像素个数为P；

步骤d、定义相同角谱下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同空间位置在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sinc函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断P个空间位置点的轴向坐标；

步骤e、根据P个空间位置点及其轴向坐标，拟合出被测微结构样品的三维形貌。

2.根据权利要求1所述的基于阵列照明的角谱扫描准共焦微结构测量方法，其特征在于：所述的步骤c具体为：

步骤c1：通过载物台(6)调整被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜(5)的前焦平面；

步骤c2：通过依次点亮LED阵列(1)中的M个LED形成对被测微结构样品的M个角谱照明；

步骤c3：通过调整二维扫描振镜(10)的P个空间位置，实现探测器(13)对照明图像的采集；

所述步骤c1、步骤c2、步骤c3形成三重循环，从外到内的循环顺序依次为以下顺序中的一个：

步骤c1、步骤c2、步骤c3；

步骤c1、步骤c3、步骤c2；

步骤c2、步骤c1、步骤c3；

步骤c2、步骤c3、步骤c1；

步骤c3、步骤c1、步骤c2；

步骤c3、步骤c2、步骤c1；

最终形成M×N张角谱照明图像，每张角谱照明图像像素个数为P。