CN104501739A - 多模式的干涉共焦显微*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多模式的干涉共焦显微***，其特征在于，包括：三个光源，分别为红光光源、绿光光源以及蓝光光源；分色合光器，将光源发出的光组合为一束；准直匀光器，将分色合光器发出的光折射为准直均匀的光线；全反射棱镜，使光线朝预定的方向射出；空间光调制器，对光线进行特定的照明光场调制；控制器，分别控制各个光源和空间光调制器；分光棱镜，使光线朝垂直的方向射出；物镜，将光线照射在被测物表面并收集被测物表面的反射光；筒镜，通过折射使光汇聚于筒镜的焦点；成像探测器，将筒镜汇聚的光形成被测物的表面图像；以及移相器，与物镜相连，用于移动物镜的位置，其中，物镜是Mirau干涉物镜和明场显微物镜中的任意一种。

Description

多模式的干涉共焦显微***

技术领域

本发明涉及精密三维测量领域，具体涉及一种可实现多模式切换、具有良好测量适应性的干涉共焦显微***。

背景技术

随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，使得测量微结构表面形貌的需求越发迫切。微结构表面是由微观结构单元组成的复杂三维结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，而且要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。同时，与测量平滑表面不同，测量微结构表面不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。

干涉显微法是光学干涉法与显微***相结合的产物，通过在干涉仪上增加显微放大视觉***，提高了干涉图的横向分辨率，使之能够实现微结构的三维表面形貌测量。随着计算机技术、现代控制技术以及图像处理技术的发展，干涉显微法出现了测量精度达到纳米级别的单色光相移干涉法(PSI)和白光垂直扫描干涉法(VSI)。与其它表面形貌测量方法相比，干涉显微法具有快速、非接触的优点，而且可以与环境加载***配合完成真空、压力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电***以及微光机电***的结构表面形貌测量上得到了广泛应用。

单色光相移干涉法(PSI)是基于单色光干涉的一种相位测量方法，通过测量分析干涉图的干涉相位Ф来提取样品表面的高度信息。PSI法一般使用微位移器诸如压电陶瓷(PZT)等，产生干涉图相位Ф的移动，利用三幅以上的相移干涉图的光强值来求取样品表面的高度值。单色光干涉条纹存在着周期性，如果相邻两个点的高度超过1/4波长，即干涉相位值超过π，那么某一个干涉图光强值就可能对应着不同的光程差值。因此，PSI法不能测量高度超过该单色光1/4波长的台阶结构。

白光垂直扫描干涉法(VSI)是基于白光干涉的一种垂直扫描测量方法，通过测量分析干涉图零光程差位置来提取样品表面高度信息。由于白光是宽带光源，因此白光干涉图是不同波长光干涉的叠加。由于白光相干距离短，干涉图在零光程差位置时某些特征参数如光强、对比度会达到最大值，因此VSI法通过精确移动测量平面M，扫描被测表面得到一系列不同高度值的干涉图，然后应用白光干涉处理算法提取被测表面各点的垂向零光程差位置，进而还原被测表面的三维形貌。与PSI法相比，VSI法克服了台阶高度测量受限的缺点，但是目前其测量精度比PSI法低。

共焦显微镜技术是通过获取样品表面不同高度处的切片图像，然后计算各幅切片图像光强峰值的位置，得到被测物的表面三维形貌。在共焦显微***中，点光源、被测物表面以及探测器前的小孔三者之间是互相共轭的。通过扫描机构使得共焦显微镜可以将整个被测物表面上的点全部成像，再经过图像融合处理得到整个平面的图像；或者可以使用结构光来达到面成像，精度比点成像稍差，但是速度快很多。三维共焦图像不但具有比普通显微镜更高的横向分辨率，而且更突出的优点是它具有很强的物体轴向细节的分辨能力，尤其比较适合粗糙样品表面的测量。

但是由于被测物体表面的多样性，不同表面粗糙度水平或者台阶高度的样品所需要应用的算法不同，当下并没有任何一种算法可以适应任何情况。所以需要可以同时存在多种测量方式的三维显微测量***，这样的话，不论被测物的特性如何都可以应用适合的算法得到表面形貌。

发明内容

本发明是针对上述问题进行的，目的在于提供一种多模式的干涉共焦显微***，可以根据被测物的测量需要切换适合的测量模式来对被测物的表面进行测量。

本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案：

本发明提供一种多模式的干涉共焦显微***，其特征在于，包括：三个光源，分别为红光光源、绿光光源以及蓝光光源；分色合光器，将光源发出的光组合为一束，由相互交叉设置的一个透红光反绿光的反光镜和一个透红光反蓝光的反光镜构成；准直匀光器，将分色合光器发出的光折射为准直均匀的光线；全反射棱镜，通过折射和反射使光线朝预定的方向射出；空间光调制器，接收全反射棱镜发出的光线并对光线进行特定的照明光场调制，经过照明光场调制的光线穿过全反射棱镜后射出；控制器，分别控制各个光源的开启，并控制空间光调制器选择特定的照明光场调制；分光棱镜，接收穿过全反射棱镜后射出的光线，使光线朝垂直的方向射出；物镜，接收从分光棱镜射出的光线并将该光线照射在被测物表面，收集被测物表面的反射光，使反射光反向射出，穿过分光棱镜；筒镜，接收穿过分光棱镜的光，并通过折射使光汇聚于筒镜的焦点；成像探测器，位于筒镜的焦点处，将筒镜汇聚的光形成被测物的表面图像；以及移相器，与物镜相连，用于移动物镜的位置，其中，物镜是Mirau干涉物镜和明场显微物镜中的任意一种，

在使用单色光工作模式时，控制器控制红光光源、绿光光源以及蓝光光源中任一一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制器将空间光调制器设置为全开状态作为反射镜，物镜是Mirau干涉物镜；

在使用白光扫描干涉工作模式时，控制器控制三个光源同时发光，经过分色合光器后输出白光，同时将空间光调制器设置为全开状态作为反射镜，物镜是Mirau干涉物镜；

在使用单色光共焦测量工作模式时，控制器控制红光光源、绿光光源以及蓝光光源中任意一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制空间光调制器的像素状态为黑白间隔的方波和正弦条纹中的任意一种，使得射入空间光调制器的光线被调制成结构光，物镜是明场显微物镜。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的多模式的干涉共焦显微***，因为通过控制器控制单一光源发光，并控制空间光调制器为全开状态，作为反射镜，并采用Mirau干涉物镜作为物镜，即可使探测器接收干涉光，得到被测物在单色光照射下的干涉图像；通过控制器控制三个光源同时发光，通过分色合光器后输出白光，并控制空间光调制器为全开状态，作为反射镜，并采用Mirau干涉物镜作为物镜，即可使探测器接收干涉光，得到被测物在白光照射下的干涉图像；通过控制器控制单个光源发光，并控制空间光调制器为黑白间隔的方波或正弦条纹并产生所需的相移量，并采用明场显微物镜作为物镜，得到被测物在物镜焦面处的切片图，然后采用移相器控制明场显微物镜的焦面位置，通过被测物不同高度处的切片图得到被测物的表面形貌，因此该多模式的干涉共焦显微***能够在多种测量模式之间切换，根据被测物表面的特征和测量需要，选择适合的测量模式和算法，从而具有良好的测量适应性。

附图说明

图1是实施例中多模式的干涉共焦显微***的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的多模式的干涉共焦显微***作详细阐述。

图1是实施例中多模式的干涉共焦显微***的结构示意图。

如图1所示，多模式的干涉共焦显微***10包括光源11、光源12、光源13、分色合光器14、准直匀光器15、全反射棱镜16、空间光调制器17、控制器18、分光棱镜19、物镜20、筒镜21、成像探测器22以及移相器23。

光源11、光源12和光源13分别是红光光源11、绿光光源12和蓝光光源13，可以分别发出单色光。

分色合光器14由一个透红光反绿光的反光镜和一个透红光反蓝光的反光镜相互交叉设置而形成，能够将三个光源发出的光合成为一束。

准直匀光器15用于将分色合光器14发出的光折射为准直均匀的光线。

全反射棱镜16通过折射和反射使光线朝预定的方向射出。

空间光调制器17接收全反射棱镜16发出的光线，对光线进行特定的照明光场调制，调制后的光线垂直穿过全反射棱镜16后射出。

控制器18分别与光源11、光源12和光源13以及空间光调制器17相连，用于分别控制三个光源的开启，并控制空间光调制器17进行特定的照明光场调制。

分光棱镜19接收空间光调制器17调制后从全反射棱镜16射出的光线，使该光线沿垂直的方向射出。

物镜20接收从分光棱镜19射出的光线并将该光线照射在被测物24(图中未示出)表面，收集被测物24表面的反射光，使反射光反向射出，穿过分光棱镜19。物镜20可以在Mirau干涉物镜和明场显微物镜之间切换。

筒镜21接收穿过分光棱镜19的光，使光线汇聚于筒镜21的焦点处。

成像探测器22位于筒镜21的焦点处，接收筒镜21汇聚的光并形成被测物24的表面图像。

移相器23与物镜20相连，用于控制物镜20的移动。

当使用单色光工作模式时，控制器18控制红光光源11、绿光光源12以及蓝光光源13中任一一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制器18将空间光调制器17设置为全开状态作为反射镜，物镜20是Mirau干涉物镜20。Mirau干涉物镜20将接收到的单色光分成两束光，分别照射到Mirau干涉物镜20的参考平面(图中未示出)和被测物24的表面，被参考平面和被测物24反射的光发生干涉，然后被Mirau干涉物镜20收集，穿过分光棱镜19，被筒镜21折射后被探测器22接收，得到单色光的干涉图像。

在探测器22上每一个像素得到的光强数值可以表示为以下公式：

I(x,y)＝A+Bcos[φ(x,y)+θ]           (1)

式中A是背景光强，B是调制度，(x,y)是干涉***中参考平面的反射光和被测物24表面的反射光的相位差，θ是参考平面在微位移器的控制下进行的相移值。

可见公式(1)中有三个未知数，至少要三个方程才能求解。N步干涉相移算法求解的最终的相位值都和各帧干涉光强度有关。表示为：φ＝f(I₁,I₂,...,I_n)             (2)

通过公式(1)和公式(2)，可以求出干涉图像每个点的被包裹的相位值，其范围在[-π,π]，然后使用街包裹算法求得所有像素点连续的相位值，这些相位值就对应了被测物24表面的相对高度。

在使用白光扫描干涉工作模式时，控制器18控制红光光源11、绿光光源12和蓝光光源13同时发光，经过分色合光器14后输出白光，同时将空间光调制器17设置为全开状态作为反射镜，物镜20是Mirau干涉物镜20。Mirau干涉物镜20将接收到的白光分成两束光，分别照射到Mirau干涉物镜20的参考平面(图中未示出)和被测物24的表面，被参考平面和被测物24反射的光发生干涉，然后被Mirau干涉物镜20收集，穿过分光棱镜19，被筒镜21折射后被探测器22接收，得到白光干涉图像。

在探测器22上每一个像素得到的光强数值就是公式(1)在一定波长范围内的叠加，表示为：

$I_z=I_0+\underset{{\mathrm{\λ}}_c-{\mathrm{\λ}}_b}{\overset{{\mathrm{\λ}}_c+{\mathrm{\λ}}_b}{\∫}}\mathrm{\ψ}\left(\mathrm{\λ}\right)\cos \frac{4\mathrm{\π}(z-z_p)}{\mathrm{\λ}}\mathrm{d\λ}---\left(3\right)$

式中λ_c是白光的中心波长，2λ_b是白光的波长带宽，ψ(λ)是入射光在探测器22上关于波长λ的能量分布。

由于白光干涉相干距离短，干涉图在零光程差位置时光强对比度达到最大。通过微位移器在z轴方向的精确移动，得到一系列不同z值的干涉图。应用白光干涉算法提取被测物24表面各点的垂直方向零光程差位置，进而还原被测物24的表面形貌。

在使用单色光共焦测量工作模式时，控制器18控制红光光源11、绿光光源12以及蓝光光源13中任意一个光源发光，其他两个光源不发光，同时控制空间光调制器17的像素状态为黑白间隔的方波或正弦条纹，使得射入空间光调制器17的光线被调制成结构光。物镜20是明场显微物镜20。

明场显微物镜20将结构光照射到被测物24的表面，再收集被测物24的表面反射的光，该光穿过分光棱镜19，被筒镜21折射后被探测器22接收，得到被测物24的表面图像。

在样品表面，照明广场分布为：

S(x₀,y₀)＝1+mcos(νx₀+θ₀)           (4)

式中，m是调制度，θ₀是任意空间相位，ν为归一化空间频率，ν与实际条纹图像的空间频率有关。经过空间光调制器17的调制，探测器22上可以得到的光强公式为：

I(x,y)＝I₀+I_ccosθ₀+I_ssinθ₀          (5)

式中，I₀是均匀照明情况下的光场成像，I_c和I_s是条纹图案附加的光强幅值。

通过控制器18使空间光调制器17的像素状态产生一个的相移量，探测器22接收被测物24表面的反射光后得到第二幅被测物图像，再通过控制器18使空间光调制器17的像素状态产生第二个的相移量，得到第三幅被测物图像。从而得到和时对应的三幅图像I₁、I₂和I₃。进而由公式(3)、公式(4)和公式(5)得到被测物24位于明场显微物镜20焦面处的光学层析图像：

$I_p={[{(I_1-I_2)}^2+{(I_1-I_3)}^2+{(I_2-I_3)}^2]}^{\frac{1}{2}}---\left(6\right)$

然后采用移相器23对明场显微物镜20进行升降，对被测物24进行纵向扫描，得到被测物不同高度处的切片图，从而得到被测物24的表面三维形貌。

实施例的作用与效果

根据本实施例的多模式的干涉共焦显微***，因为通过控制器控制单一光源发光，并控制空间光调制器为全开状态，作为反射镜，并采用Mirau干涉物镜作为物镜，即可使探测器接收干涉光，得到被测物在单色光照射下的干涉图像；通过控制器控制三个光源同时发光，通过分色合光器后输出白光，并控制空间光调制器为全开状态，作为反射镜，并采用Mirau干涉物镜作为物镜，即可使探测器接收干涉光，得到被测物在白光照射下的干涉图像；通过控制器控制单个光源发光，并控制空间光调制器为黑白间隔的方波或正弦条纹并产生所需的相移量，并采用明场显微物镜作为物镜，得到被测物在物镜焦面处的切片图，然后采用移相器控制明场显微物镜的焦面位置，通过被测物不同高度处的切片图得到被测物的表面形貌，因此该多模式的干涉共焦显微***能够在多种测量模式之间切换，根据被测物表面的特征和测量需要，选择适合的测量模式和算法，从而具有良好的测量适应性。

当然，本发明所涉及的多模式的干涉共焦显微***并不仅仅限定于以上实施例中所述的结构。以上仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种多模式的干涉共焦显微***，其特征在于，包括：

三个光源，分别为红光光源、绿光光源以及蓝光光源；

分色合光器，将所述光源发出的光组合为一束，由相互交叉设置的一个透红光反绿光的反光镜和一个透红光反蓝光的反光镜构成；

准直匀光器，将所述分色合光器发出的光折射为准直均匀的光线；

全反射棱镜，通过折射和反射使所述光线朝预定的方向射出；

空间光调制器，接收所述全反射棱镜发出的光线并对所述光线进行特定的照明光场调制，经过照明光场调制的光线穿过所述全反射棱镜后射出；

控制器，分别控制各个所述光源的开启，并控制所述空间光调制器选择所述特定的照明光场调制；

分光棱镜，接收穿过所述全反射棱镜后射出的光线，使所述光线朝垂直的方向射出；

物镜，接收从所述分光棱镜射出的光线并将该光线照射在被测物表面，收集所述被测物表面的反射光，使所述反射光反向射出，穿过所述分光棱镜；

筒镜，接收穿过所述分光棱镜的光，并通过折射使所述光汇聚于所述筒镜的焦点；

成像探测器，位于所述筒镜的所述焦点处，将所述筒镜汇聚的光形成所述被测物的表面图像；以及

移相器，与所述物镜相连，用于移动所述物镜的位置，

其中，所述物镜是Mirau干涉物镜和明场显微物镜中的任意一种，

在使用单色光工作模式时，所述控制器控制所述红光光源、所述绿光光源以及所述蓝光光源中任一一个所述光源发光，其他两个所述光源不发光，同时所述控制器将所述空间光调制器设置为全开状态作为反射镜，所述物镜是Mirau干涉物镜；

在使用白光扫描干涉工作模式时，所述控制器控制三个所述光源同时发光，经过所述分色合光器后输出白光，同时将所述空间光调制器设置为全开状态作为反射镜，所述物镜是Mirau干涉物镜；

在使用单色光共焦测量工作模式时，所述控制器控制所述红光光源、所述绿光光源以及所述蓝光光源中任意一个所述光源发光，其他两个所述光源不发光，同时控制所述空间光调制器的像素状态为黑白间隔的方波和正弦条纹中的任意一种，使得射入所述空间光调制器的光线被调制成结构光，所述物镜是明场显微物镜。