CN1632448A - 三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种光学阵列共焦超分辨显微三维探测装置，所述装置包括位于光学***的中心光轴上依次排列的点光源，准直透镜，微透镜阵列及针孔阵列，扩束透镜、偏振分光镜，1/4波片，二元光瞳滤波器，物镜，载物台，收集透镜，探测针孔阵列及面阵CCD。点光源通过准直透镜形成平行光入射到微透镜阵列上，再经针孔阵列在扩束透镜焦平面上形成点光源阵列，经偏振分光镜及1/4波片，形成偏振光，再经二元光瞳滤波器和物镜照射到被测物表面。经被测物表面反射，按原光路返回，反射光经偏振分光镜后，被全部反射到收集透镜上，经针孔阵列最后到达面阵CCD上，由面阵CCD对信号进行采集。本发明还包含一种使用一个探测器探测和测量三维表面和三维结构的方法。

Description

三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置

技术领域

本发明涉及表面三维微细结构测量技术领域，特别涉及一种三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置。

背景技术

共焦显微镜以其非接触、高分辨率、三维数字化成像等显著优点，已广泛应用于医药、生物、光刻、材料等领域，影响共焦显微***发展的关键因素是测量范围、测量速度及其三维分辨力。微光学与微电子学的蓬勃发展，促进了二元光学元件制作和加工技术逐渐走向成熟，使得传统光学***朝着小型化、阵列化、集成化方向发展。因此，将二元光学元件引入传统共焦显微***中使二者有机的结合，是解决其三维测量速度、测量分辨率和测量范围三者相矛盾的有效途径。

目前，采用微透镜阵列改进共焦扫描性能的方法主要有两种形式，一种是以微透镜阵列代替传统共焦显微镜的物镜，一种是利用微透镜阵列形成点阵列照明光源，代替单点照明光源。前者因微透镜阵列的焦距较短，虽精度较高但测量范围相对较小；而后者由于采用阵列光束点照明，每束光偏离轴线的位置不同，对应采样点不仅产生一定的像散，而且还会偏离理想像点，因而降低了***的测量精度。

发明内容

本发明是针对上述现有技术中存在的问题，将一种二元微光学元件引入共焦显微技术中，提出一种新型的光学列阵共焦超分辨显微三维探测方法及装置，并通过二元光瞳滤波器，提高列阵照明情况下***三维测量精度，解决测量速度、测量范围和测量精度三者之间的矛盾。

为达到上述目的，本发明提供一种光学阵列共焦超分辨显微三维探测装置，所述装置包括位于光学***的中心光轴上依次排列的点光源，准直透镜，微透镜阵列及针孔阵列，扩束透镜、偏振分光镜，1/4波片，二元光瞳滤波器，物镜，载物台，收集透镜，探测针孔阵列及面阵CCD；点光源通过准直透镜形成平行光入射到微透镜阵列上，再经针孔阵列在扩束透镜焦平面上形成点光源阵列，经偏振分光镜及1/4波片，形成偏振光，再经二元光瞳滤波器和物镜照射到被测物表面，经被测物表面反射，按原光路返回，反射光经偏振分光镜后，被全部反射到收集透镜上，经针孔阵列最后到达面阵CCD上，由面阵CCD对信号进行采集。

本发明还提供一种使用一个探测器探测和测量三维表面和三维结构的方法，，所述探测器包括光学探头、载物台、面阵CCD和计算机，光学测头包括点光源装置，准直透镜，微透镜阵列及针孔阵列，扩束透镜、偏振分光镜，1/4波片，二元光瞳滤波器，物镜，收集透镜，探测针孔阵列；所述方法包括下列步骤：利用微透镜阵列产生探测光束阵列，以实现对被测样品的多光束并行探测和测量；

通过偏振分光镜将探测光束转换为偏振光；

利用二元光瞳滤波器对光束阵列各路光束进行调制，改变探测空间的光强分布特性，以实现三维超分辨测量；

在光轴方向上对被测物进行轴向扫描探测；反射光经物镜、二元光瞳滤波器到达1/4波片，偏振方向改变90°，经偏振分光镜反射到集光透镜，最后到达面阵CCD表面；

在计算机中依据轴向光强分布曲线和各横向探测位置，得出被测样品三维表面形貌测量结果。

进一步的，通过计算机仿真优化二元光瞳滤波器参数，提高共焦阵列显微镜的三维分辨能力。

进一步的，所述的扫描方式是光学测头进行主光轴方向扫描，载物工作台作横向二维微位移移动。

进一步的，所述的扫描方式是载物工作台作三维微位移移动，光学测头不动。

本发明利用微光学元件阵列实现多光路同步测量，有效提高共焦显微测量速度；引入新型二元光瞳滤波器，有效提高各光路的三维分辨能力，保证了测量精度，弥补了由点光源离轴照明引起的精度损失；又由于加入了二元光瞳滤波器，可极大地锐化探测空间像点的光强响应曲线，从而缩小共焦阵列的间距，有效提高了光学***的探测效率；且该装置结构简单，各光路共用同一显微物镜和同一光瞳滤波器，其制作成本相对较低。

本发明提供的三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置，可实现多光束并行共焦探测，且具有很高的三维超分辨能力。利用微透镜阵列及针孔阵列以实现多路并行快速扫描测量，共用同一显微物镜，并加入二元光瞳滤波器，使各光路均具有三维超分辨探测能力。本发明是将阵列共焦技术与光学超分辨技术有机的结合，可实现共焦阵列超近间距密集探测，可有效提高其三维测量的效率，特别适用于大规模集成电路的线宽、台阶测量，以及微结构光学元件的三维表面和微机械三维结构的探测和测量，本发明具有大范围、高精度、快速三维测量的优点。

本发明的三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置的特点及原理将在其具体实施方式中结合附图作详细说明。

附图说明

图1光学列阵共焦超分辨三维测量装置结构示意图。

图2三维超分辨光瞳滤波器。

图3三维超分辨光瞳滤波器响应特性曲线。

图4未使用超分辨光瞳滤波器时各路轴向光强分布特性曲线。

图5未使用超分辨光瞳滤波器时各路径向光强分布特性曲线。

图6光学列阵任一路在不同光瞳参数下的径向光强分布响应曲线。

图7光学列阵任一路在不同光瞳参数下的轴向光强分布响应曲线。

具体实施方式

本实施例三维超分辨共焦阵列扫描显微探测装置的结构如图1所示，该装置包括：激光器1、准直透镜2、微透镜及针孔阵列3、透镜4、偏振分光镜5、1/4波片6、二元光瞳滤波器7、显微物镜8、被测物9、微位移工作台10、聚光镜11、探测针孔阵列12、面阵CCD13、微位移驱动控制***14、计算机15和微位移电感传感器16。

本实施例三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置的主要器件型号及参数如下：

本实施例中测量物镜8选用40×0.65和60×0.85的平场消色差显微物镜。微透镜阵列为：40×40单元，单元间距为150um，焦距为4mm，量化台阶数为8。CCD面阵12为丹麦JAI公司的CV-Al摄像头，面阵单元1392×1040个单元，单元尺寸4.65um2。

微位移工作台17的驱动器采用美国NEWFOCUS公司生产的大范围、高稳定性Picomotor(微位移驱动器)驱动器，配以缩小比例5∶1的柔性铰链工作台组成的纳米级的微位移进给装置。Z向定位工作台的位移测量由高精度微位移电感传感器16完成，从而实现2nm高精度定位。

二元光瞳滤波器7采用振幅型可变环形滤波器，见附图2、3。

本发明工作原理如下所述：来自激光器1的光经准直透镜2变成为平行光束照射到微透镜及针孔阵列3，微透镜焦点位置处于透镜4焦平面上，不同位置点光源经透镜4形成不同倾角的倾斜平行光，经所述光瞳滤波器7和显微物镜8，到达被测物表面。计算机15与微位移驱动控制装置14、高精度微位移电感传感器16组成闭环数字控制***，精确控制微位移工作台进行Z向扫描移动。当被探测物9表面在物镜焦平面时，面阵CCD13接受的光强最大，当离焦时光强减小，通过光强特性曲线(即轴向光强与离焦量的关系曲线)线性区段可获得被测表面的离焦距离，与微位移传感器16测量值相结合，由此通过Z向扫描，并经过计算机的数据处理，可将面阵CCD13获得的被测面三维光学信息转换成数字信息，从而获得被测面的三维尺寸。

本发明测量原理是基于共焦显微成像原理，是利用物镜和聚光透镜共焦点，点光源和点探测器处于彼此共轭位置。实际上反射式共焦***的物镜和聚光透镜是同一透镜，因而在探测空间上，其光强分布可表示为

I(u，v)＝|h₁(u，v)|²[|h₂(u，v)|²₃D(v)]，

式中D(v)是探测器的强度灵敏度，若取常值，则：

$I(u,v)={\left|h(u,v)\right|}^4={\left|2{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)e^{\frac{j{u}^2\mathrm{\ρ}}{2}}{J}_0\left(\mathrm{\ρv}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\right|}^4----\left(1\right)$

与普通显微镜对比可知，它的横向分辨率是相同孔焦比的普通显微镜的1.4倍，并同时具有轴向分辨能力。

进一步，本发明利用微透镜阵列及针孔阵列，将原有的单一点光源拓展为点光源阵列，可形成多光束并行同步采样。其成像空间的光场分布特性与单点共焦***有所不同，其轴向、径向光场分布分别为：

$U_3(u,0)=-\frac{M}{d_1^2{\mathrm{\λ}}^2}{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)\exp [-{\mathrm{iu\ρ}}^2/2-\mathrm{ik}\frac{a^2{\mathrm{\ρ}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2d_2}]2\mathrm{\π}{J}_0(k{a}^2{\mathrm{\ρ}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}/4d_2)\mathrm{\ρd\ρ}----\left(2\right)$

$U_3(0,v)=\frac{M}{d_1^2{\mathrm{\λ}}^2}{\∫}_0^{1}P\left(\mathrm{\ρ}\right)\exp [-\mathrm{ik}\frac{a^2{\mathrm{\ρ}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}}{2d_2}]2\mathrm{\π}{J}_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}----\left(3\right)$

可得探测空间轴向、径向的光强分布：

$I(u,0)={\left|2{\∫}_0^1{P}_{\mathrm{effu}}\left(\mathrm{\ρ}\right)\exp \right[-\mathrm{iu}{\mathrm{\ρ}}^2/2\left]\mathrm{\ρd\ρ}\right|}^4----\left(4\right)$

$I(0,v)={\left|2{\∫}_0^1{P}_{\mathrm{effv}}\left(\mathrm{\ρ}\right)J_0\left(\mathrm{v\ρ}\right)\mathrm{\ρd\ρ}\right|}^4----\left(5\right)$

式中引入等效光瞳函数Peff(ρ)，该函数与点光源距光轴距离有关，同时与超分辨二元光瞳滤波器的特性有关。

对于振幅型二元光瞳滤波器，就是通过改变滤波器的通光带的位置和尺寸，以改变探测空间的积分区域，见(2)、(3)式，从而改变探测空间的光强分布。如附图2，振幅二元光瞳滤波器其可变参数：ε、ω为环半径可调系数，0.5＜ε＜1，0＜ω＜1，c为中心区漏光系数，本具体实施例中二元光瞳滤波器可用如下函数表示：

$q\left(\mathrm{\ξ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{rect}\left(\mathrm{\ξ}\right)-\mathrm{rect}\left[\frac{\mathrm{\ξ}+(\mathrm{\ϵ}-0.5)\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}}\right]& 0\≤\mathrm{\ξ}\≤0.5\\ c\{\mathrm{rect}\left(\mathrm{\ξ}\right)-\mathrm{rect}[\frac{\mathrm{\ξ}+(\mathrm{\ϵ}-0.5)\mathrm{\ω}}{\mathrm{\ω}}\left]\right\}& 0>\mathrm{\ξ}\≥-0.5\end{array}\right.----\left(6\right)$

根据超分辨理论，1)半极值宽(HWHM)比G；2)焦点强度Strehl比S∶3)主瓣强度与旁瓣强度比M[7][8][9]。据此利用轴向和径向两个超分辨因子GT、GA建立目标函数G3D＝GA2GT。由此经过计算机仿真计算，通过改变光瞳滤波器可调参数，计算各光路目标函数G3D，并根据仿真曲线获得光瞳滤波器的优化参数，具体实施例中选取光瞳滤波器参数选取ω＝0.56，c＝0.6，ε＝0.82。其超分辨效果见附图6、附图7。

尽管采用共焦阵列方法提高了测量的速度，但由于离轴点光源照明的影响，使得***的三维分辨力有所下降，为此在***中引入二元光瞳滤波器，并根据超分辨评价函数，对光瞳滤波器的参数进行了优化，有效地压缩轴向和径向两个方向的半高半宽比(HWMH)，同时由共焦特性的作用，可有效的抑制旁瓣，提高***的三维分辨能力。

在探测空间依据其强度分布曲线，在其线性段内，可测量出被测样品的表面形貌和三维微观尺寸。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和测试效果作了说明，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进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种三维超分辨共焦阵列扫描显微探测装置，包括在中心光轴上依次排列的点光源，准直透镜，微透镜阵列及针孔阵列，扩束透镜、偏振分光镜，1/4波片，显微物镜，收集透镜，探测针孔阵列及面阵CCD，点光源通过准直透镜形成平行光入射到微透镜阵列上，再经针孔阵列在扩束透镜焦平面上形成点光源阵列，经偏振分光镜及1/4波片，形成偏振光，再经显微物镜照射到被测物表面；入射光经被测物表面反射，按原光路返回，反射光经偏振分光镜后，被全部反射到收集透镜上，经探测针孔阵列最后到达面阵CCD上，由面阵CCD对信号进行采集；其特征在于：还包括一个二元光瞳滤波器，所述二元光瞳滤波器放置于1/4波片与显微物镜之间；所述偏振光经所述二元光瞳滤波器后被调制，调制后的光再经显微物镜照射到被测物表面。

2.根据权利要求1所述的三维超分辨共焦阵列扫描显微探测装置，其特征在于：所述的二元光瞳滤波器可以为振幅型、位相型或混合型二元光学器件。

3.根据权利要求1或2所述的三维超分辨共焦阵列扫描显微探测装置，其特征在于：所述的微透镜阵列是连续浮雕或多台阶微透镜阵列。

4.一种使用一个探测器探测和测量三维表面和三维结构的方法，所述探测器包括光学探头、载物台、面阵CCD和计算机，光学测头包括点光源装置，准直透镜，微透镜阵列及针孔阵列，扩束透镜、偏振分光镜，1/4波片，二元光瞳滤波器，物镜，收集透镜，探测针孔阵列；所述方法包括下列步骤：

利用微透镜阵列产生探测光束阵列，以实现对被测样品的多光束并行探测和测量；

通过偏振分光镜将探测光束转换为偏振光；

利用二元光瞳滤波器对光束阵列各路光束进行调制，改变探测空间的光强分布特性，以实现三维超分辨测量；

在光轴方向上对被测物进行轴向扫描探测；反射光经物镜、二元光瞳滤波器到达1/4波片，偏振方向改变90°，经偏振分光镜反射到集光透镜，最后到达面阵CCD表面；

在计算机中依据轴向光强分布曲线和各横向探测位置，得出被测样品三维表面形貌的测量结果。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，通过计算机仿真得出优化的二元光瞳滤波器参数，提高共焦阵列显微镜的三维分辨能力。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，所述的扫描方式是由光学测头进行主光轴方向扫描，载物工作台作二维微位移移动。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述的扫描方式是由载物工作台作三维微位移移动，光学测头不动。

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