CN106767431B - 一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法，在共焦显微镜光路***中，采用波长可调谐激光器照明，使用菲涅尔波带片进行聚焦点照明，根据菲涅尔波带片的轴向色差焦移特性，通过波长扫描实现聚焦光斑的轴向扫描，利用共焦针孔光电探测单元探测共焦轴向光学层析响应输出，针对离散波长λ_n＝λ_min+(n‑1)δλ,n＝1,2,...,11分别得到轴向光学层析位移——强度响应，其中λ_min为波长下限，波长上限为λ_max＝λ_min+10δλ，δλ为波长步进间隔，由每一条光学层析响应曲线的峰值位置构成照明波长与轴向位移的线性校准关系查找表，对待测样品各特征点分别执行一次精细波长扫描，由各响应曲线的峰值和查找表推算出各点的实际位移量，从而完成微位移或相对高度的测量，该方法适用微小位移、薄膜厚度和纳米台阶等的精密测量。

Description

一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法

技术领域

本发明属于精密测量技术领域，特别涉及一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法。

背景技术

共焦显微技术(Confocal Microscopy)是实现光学层析显微技术的最典型方法，最早的共焦显微成像装置于20世纪50年代中后期由美国哈佛大学初级研究员M.Minsky提出，并研制了共焦显微成像装置的原始样机，于1961年获得美国发明专利权。共焦显微镜具有两大主要优点，即高成像分辨率特性和轴向光学层析能力。共焦显微技术的出现革新了传统宽场光学成像的基本原理，通过三点共轭聚集扫描成像实现非接触无损伤光学层析，特别是激光扫描共焦显微技术和荧光共焦显微技术的出现与发展对现代生物及医学、物理、化学、材料科学、纳米技术、精密测量等领域产生了深远影响。

利用共焦显微镜轴向光学层析曲线的单峰值响应特性可以实现微结构表面形貌、微位移和膜厚等的精密测量，现有技术一般通过两类典型方法实现轴向扫描：第一类是基本形式，称为台式扫描，通过载物台的轴向位移带动微结构样品实现轴向扫描；第二类方法是载物台不动，而将显微物镜安装在一个精密位移机构上，一般是压电陶瓷纳米位移器或精密伺服电机位移器，此时显微物镜沿轴向移动实现对聚焦光斑的沿轴扫描，称为物镜扫描。以上两类方法均依靠精密机械运动来实现扫描，因此共焦显微镜成像及测量速度受到很大限制，大行程精密位移器成本高，这两类方法均无法实现沿轴平面内的快速精密扫描。

上述技术问题是目前共焦显微镜轴向扫描面临的主要困难，急需一种不依赖于机械扫描的快速扫描方法。

发明内容

为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种波长扫描共焦微位移测量装置及方法，基于二元振幅型或相位型大数值孔径菲涅尔波带片聚焦点照明，采用波长可调谐激光器照明，通过波长和位移在一定量程范围内的线性校准关系曲线实现微小位移的精密测量，在完成线性曲线的校准后的整个测量过程中，样品和物镜均不需要进行轴向位移扫描。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种波长扫描共焦微位移测量装置，包括：

波长可调谐激光器1，作为光源，输出平行光束；

二元结构菲涅尔波带片6，进行光束会聚形成点照明；

共焦针孔光电探测单元，实现共焦信号探测。

所述波长可调谐激光器1，其波长连续可调，波长下限和上限分别为λ_min和λ_max，下限波长能够扩展至紫外波段，上限波长能够延伸至近红外波段。

所述二元结构菲涅尔波带片6为振幅型或相位型，且环带半径序列由决定，其中为照明中心波长，f是对应的焦距，N是环带数，取偶数。

所述二元结构菲涅尔波带片6置于空气介质中，且其数值孔径满足NA>0.7。

所述波长可调谐激光器1发出激光光束依次经会聚透镜2、照明针孔3和准直透镜4后形成准直平行光束，接着经分光镜5反射，反射光束由二元结构菲涅尔波带片6进行会聚提供点照明，平面反射镜或待测样品7设置在二元结构菲涅尔波带片6的焦平面附近，经平面反射镜或待测样品7反射回的光束经分光镜5透射，依次经收集物镜8和共焦探测针孔9，最后由光电探测器10进行接收。

本发明还提供了一种波长扫描共焦微位移测量方法，包括如下步骤：

步骤一，将波长下限λ_min至上限λ_max等间隔离散为λ_n＝λ_min+(n-1)δλ,n＝1,2,...,11，δλ是波长步进间隔；

步骤二，针对每一个波长λ_n，利用一维轴向压电陶瓷纳米位移器驱动平面反射镜得到共焦轴向光学层析响应输出，记录峰值响应位置对应的轴向坐标Z_n，获得波长——峰值坐标对应关系表；

步骤三，利用自变量λ_n和因变量Z_n根据最小二乘拟合获得一条波长——峰值坐标的线性关系曲线，作为测量校准曲线查找表；

步骤四，更换待测真实样品，对准不同待测特征点分别执行一次精细波长扫描，记录相应的共焦轴向光学层析响应曲线，根据峰值点对应的扫描波长由步骤三所得查找表推算出各点所对应的峰值点位置轴向坐标，从而完成各点微位移量或相对高度的精密测量。

与现有技术相比，本发明采用波长扫描代替机械扫描，避免了样品与物镜的机械运动或扰动，为精密或超精密测量提供了硬件保障；仅利用单一平面微结构环带片代替常规大数值孔径显微物镜实现聚焦点照明，结构轻巧，设计灵活；利用现有成熟的微加工工艺即可实现菲涅尔波带片的批量制造，成本低廉；波长选取灵活，从紫外至近红外激光波长均可以覆盖等。

附图说明

图1为本发明中的波长扫描共焦微位移测量装置，图中1是波长可调谐激光器，2是会聚透镜，3是照明针孔，4是准直透镜，5是分光镜，6是二元振幅型菲涅尔波带片单元，7是平面反射镜或待测样品，8是收集物镜，9是探测针孔，10是光电探测器。

图2为本发明菲涅尔波带片M₁对应的径向透过率函数图。

图3为本发明菲涅尔波带片M₂对应的径向透过率函数图。

图4为本发明菲涅尔波带片M₁对应波长为532nm时的轴向归一化聚焦强度曲线图。

图5为本发明菲涅尔波带片M₂对应波长为633nm时的轴向归一化聚焦强度曲线图。

图6为本发明菲涅尔波带片M₁对应的波长偏差——焦距线性关系图。

图7为本发明菲涅尔波带片M₂对应的波长偏差——焦距线性关系图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。

如图1所示，本发明一种波长扫描共焦微位移测量装置，其光路***工作原理为：波长可调谐激光器1发出激光光束，经会聚透镜2聚焦，再由照明针孔3滤波，之后由准直透镜4准直形成平行光束，接着经分光镜5反射，反射光束由二元结构菲涅尔波带片6进行会聚提供点照明，平面反射镜或待测样品7设置在二元结构菲涅尔波带片6的焦平面附近，经平面反射镜或待测样品7反射回的光束经分光镜5透射，再经收集物镜8会聚，之后由共焦探测针孔9滤波，最后由光电探测器10进行接收并输出有效信号。

图1装置内的菲涅尔波带片(Fresnel Zone Plate，FZP)直接聚焦准直均匀激光光束，在距离环带片后表面任意垂轴距离内的光场，由矢量角谱(Vectorial AngularSpectrum，VAS)理论进行分析计算。

(1)菲涅尔波带片

设照明激光光束的波长为λ₀，菲涅尔波带片所在工作介质的折射率为η，则介质中光波波长为λ＝λ₀/η，可得菲涅尔波带片的环带半径为

式中，n是环带半径序数，f是主焦距。

当取照明中心波长时，其中此时f是对应的焦距。

对于大数值孔径FZP，有效数值孔径可以按照最大会聚半角α定义，即NA＝ηsinα，满足tanα＝r_N/f；数值孔径定义之后，利用式(1)可以推导得到以下关系式

由此，焦距f和数值孔径NA、介质折射率η、波长λ、最大环带数N建立了关联。给定f，根据式(2)，可以计算满足设计NA前提下的环带数N，进而得到FZP直径

设N为偶数，用t(r)表示FZP的振幅透过率函数，对于二元振幅型FZP，透过率函数描述为

式中，m＝0,1,...,N/2-1；上式假设最内环是透光情形。

激光光束照明大数值孔径微结构环带片时，必须考虑电磁波的矢量偏振特性，因此采用矢量衍射理论进行完整阐述，同时为了加速计算过程，选取一种快速汉克尔变换算法快速、精确计算光场分布。

(2)矢量角谱理论光场计算

假设沿X轴方向振动的线偏振光(LPB)沿Z轴正向传播，垂直照明微结构，经微结构环带片衍射后，根据矢量角谱理论，在z>0的垂轴平面内任意一点位置处电场E的直角分量为

式中，E_x(r,z)表示x向分量，E_y(r,z)表示y向分量，表示z向分量，q(l)＝(1/λ²-l²)^1/2，l表示径向空间频率分量；J₀和J₁分别是第一类零阶和一阶贝塞尔函数，j是虚数单位；空间角谱A₀(l)表示为

式中，t(r)表示任意圆对称微结构对应的振幅透过率函数；g(r)表示照明光束在微结构环带片平面内的光场振幅，这里假设均匀平面波照明，对应g(r)＝1。由式(4)得到微结构环带片后光强分布为

对于圆偏振光和径向偏振光照明情形，强度分布满足旋转对称性，区别于线偏振光情形。

(3)快速汉克尔变换算法

在式(4)和式(5)的计算过程中，需要多次执行零阶和一阶汉克尔变换，因此汉克尔变换的计算效率及精度是设计方法的关键，为了加速运算，编程实现一种快速汉克尔变换算法(参见文献A.E.Siegman.Quasi Fast Hankel Transform.Optics Letters,1977,1:13-15)，该算法具有计算速度快、精度高、极低计算机存储要求等显著优点，基本原理是在标准汉克尔变换积分表达式中，利用非线性指数函数变量替换，将标准单边汉克尔变换表示为双边互相关积分，经过这样的变换后可以利用傅里叶变换计算互相关。

(4)具体实施例

采用532nm线偏振激光光束照明，空气介质(η＝1)，设计了包含100个环带，直径为D＝116.06μm的典型微结构，特性参数见表1，具体环带半径坐标见表2，对应的径向透过率函数如图2所示，对应的轴向归一化强度响应如图4所示。

采用633nm线偏振激光光束照明，空气介质(η＝1)，设计了包含80个环带，直径为D＝87.34μm的典型微结构，特性参数见表1，具体半径坐标见表3，对应的径向透过率函数如图3所示，对应的轴向归一化强度响应如图5所示。

利用FWHM(半极值全宽)来表示照明波长为中心波长时焦平面(z＝f)内的光斑尺度和轴向聚焦光斑尺度大小，轴向用焦深DOF表示。Δλ表示当前照明波长与中心波长的偏差，NA是FZP的数值孔径(z＝f)，Δf是波长偏差为上下限时的最大轴向焦移量，表4和表5分别是根据VAS理论计算得到的焦距与波长偏差的对应关系表，结果显示具有良好的线性关系，分别如图6和7所示。

表1微结构参数及聚焦特性

表2 M₁结构参数(单位：μm)

表3 M₂结构参数(单位：μm)

利用相关系数：

表示波长偏差与焦距的关系，根据VAS理论，计算结果见表4和表5，对表4数据，r_c＝-0.9993，对表5数据，r_c＝-0.9998，均说明波长偏差与焦距成完全负相关，即FZP在一定波长范围内具有显著的线性负色差特性。

表4 M₁结构参数(单位：μm)

Δλ(nm)	-40	-35	-30	-25	-20	-15	-10	-5	0
										f	56.1	55.29	54.5	53.72	52.95	52.19	51.45	50.72	50
Δλ(nm)	5	10	15	20	25	30	35	40	-
										f	49.3	48.6	47.92	47.25	46.59	45.93	45.3	44.67	-

表5 M₂结构参数(单位：μm)

Δλ(nm)	-25	-20	-15	-10	-5	0	5	10	15	20	25
												f	27.01	26.6	26.19	25.79	25.4	25.01	24.62	24.25	23.87	23.5	23.14

根据表4和表5结果，结合图6和图7线性关系曲线，共焦微位移测量方法步骤如下：

步骤一，将波长等间隔离散为λ_n＝λ_min+(n-1)δλ,n＝1,2,...,11，δλ是波长步进间隔，λ_min是波长下限；

步骤二，针对每一个波长λ_n，利用一维轴向压电陶瓷纳米位移器驱动一平面反射镜得到共焦轴向光学层析响应输出，记录峰值响应位置对应的轴向坐标Z_n，获得波长偏差——位移对应关系表；

步骤三，利用自变量λ_n和因变量Z_n利用最小二乘拟合获得一条波长偏差——位移的线性关系曲线，作为测量校准曲线查找表；

步骤四，更换待测真实样品，对准不同待测特征点分别执行一次精细波长扫描，记录相应的共焦轴向光学层析响应曲线，根据峰值点对应的扫描波长由步骤三查找表推算出各点所对应的峰值点位置轴向坐标，从而完成各点位移量或相对高度的精密测量。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种波长扫描共焦微位移测量装置，包括：

波长可调谐激光器(1)，作为光源，输出平行光束；

二元结构菲涅尔波带片(6)，进行光束会聚形成点照明；

共焦针孔光电探测单元，实现共焦信号探测；

其特征在于，所述波长可调谐激光器(1)发出激光光束依次经会聚透镜(2)、照明针孔(3)和准直透镜(4)后形成准直平行光束，接着经分光镜(5)反射，反射光束由二元结构菲涅尔波带片(6)进行会聚提供点照明，平面反射镜或待测样品(7)设置在二元结构菲涅尔波带片(6)的焦平面附近，经平面反射镜或待测样品(7)反射回的光束经分光镜(5)透射，依次经收集物镜(8)和共焦探测针孔(9)，最后由光电探测器(10)进行接收。

2.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述波长可调谐激光器(1)，其波长连续可调，波长下限和上限分别为λ_min和λ_max，下限波长能够扩展至紫外波段，上限波长能够延伸至近红外波段。

3.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述二元结构菲涅尔波带片(6)为振幅型或相位型，且环带半径序列由决定，其中为照明中心波长，f是对应的焦距，N是环带数，取偶数。

4.根据权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置，其特征在于，所述二元结构菲涅尔波带片(6)置于空气介质中，且其数值孔径满足NA＞0.7。

5.一种利用权利要求1所述波长扫描共焦微位移测量装置的波长扫描共焦微位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一，将波长可调谐激光器(1)的波长下限λ_min至上限λ_max等间隔离散为λ_n＝λ_min+(n-1)δλ,n＝1,2,...,11，δλ是波长步进间隔；

步骤二，针对每一个波长λ_n，利用一维轴向压电陶瓷纳米位移器驱动平面反射镜得到共焦轴向光学层析响应输出，记录峰值响应位置对应的轴向坐标Z_n，获得波长——峰值坐标对应关系表；

步骤三，利用自变量λ_n和因变量Z_n根据最小二乘拟合获得一条波长——峰值坐标的线性关系曲线，作为测量校准曲线查找表；

步骤四，将平面反射镜更换为待测样品(7)，对准不同待测特征点分别执行一次精细波长扫描，记录相应的共焦轴向光学层析响应曲线，根据峰值点对应的扫描波长由步骤三所得查找表推算出各点所对应的峰值点位置轴向坐标，从而完成各点微位移量或相对高度的精密测量。