具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡的製作方法
2023-09-22 22:14:10 2
專利名稱：具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學顯微成像及微觀測量技術領域，涉及一種具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其可用於測量樣品的三維表面形貌、三維微細結構、微臺階、微構槽、集成電路線寬等。
背景技術：
共焦顯微鏡的思想最早由美國學者M.Minsky於1957年首次提出，並於1961年獲得美國專利，專利號為US3013467。共焦顯微鏡將點光源、點物和點探測器三者置於彼此對應的共軛位置，構成光學顯微成像中獨具層析能力的點照明和點探測顯微成像系統。一般共焦顯微鏡的基本原理如圖1所示，光源1發出的光經光闌10、物鏡5在被測物體表面9聚焦成光斑後被被測物體9反射，反射光被分光鏡4反射，將來自物體的信號光導入放置於光電探測器12前面的針孔11內，在光電探測器12處形成點檢測，光電探測器12主要接收來自物鏡焦點處的信號光，焦點以外的反回光被針孔11遮擋。當物體位於焦平面A時，光電探測器12接收到的光能最大，當物體偏離焦平面A時，反射光被聚焦於針孔前或後的某一位置，此時光電探測器12僅接收一小部分光能量，也就是說物體在離焦時探測到的信號要比在焦平面時弱，這樣就可以通過光電探測器12檢測光強信號的強弱變化來反映物體相對於焦平面的位置。當物體沿垂直於光軸方向的x-y平面內作掃描運動時，共焦顯微鏡依據光軸z向離焦信號、x向和y向的位移大小，即可構建出被測物體的三維輪廓。在光學顯微鏡成像中，共焦顯微鏡因其具有獨特的層析成像能力，這就使其廣泛應用於生物工程、醫學檢測、信息存儲、微電子、半導體材料及表面輪廓測量等領域。
共焦顯微鏡因其具有三維層析成像能力而被廣泛應用於微電子學、材料、工業精密檢測、生物醫學、生命科學等領域中進行成像測量，但由於受衍射現象的限制，制約了其成像分辨能力的進一步提高。儘管其成像分辨能力可以通過增大物鏡數值孔徑值NA和減小光波波長等傳統的方法來改善，但其改善程度仍受衍射極限的限制。為從根本上突破衍射極限，改善共焦顯微鏡的成像分辨能力，近來已有眾多非傳統的共焦顯微成像原理和超分辨方法被提出。
在共焦顯微鏡的研究方面，出現了共焦幹涉顯微鏡、4PI共焦顯微鏡、θ共焦顯微鏡，基於光學非線性行為的雙光子和多光子共焦顯微鏡等。其中，在共焦幹涉顯微鏡的研究方面，M.顧報導了將幹涉技術和共焦顯微技術相融合的基本思想(詳見「共焦顯微術的三維成像原理」，M.顧著，王桂英等譯，新時代出版社，2000年1月出版)，其原理如圖2所示，光源1發出的點光源經擴束準直鏡2準直為平行光束，該平行光束被分光鏡4分為測量光束和參考光束，測量光束經物鏡5聚焦在被測物9表面後被反射到聚光鏡7，參考光束經參考反射鏡6反射後到達聚光鏡7，聚光鏡7將測量光束和參考光束會聚並產生幹涉，探測器8位於聚光鏡7的焦點用於探測共焦幹涉信號，其大小對應被測物相對於物鏡5焦點處的相對位移。該共焦幹涉顯微鏡在保留共焦顯微鏡橫向分辨特性高的前提下，可通過幹涉技術來提高共焦顯微鏡的軸向分辨力。
在超分辨成像技術方面，已研究的方法和技術可歸納為以下幾類，一類是減小由瑞利判據決定的愛裡斑，但不增大光學系統的空間截止頻率，常用的技術包括光瞳濾波技術、移相掩模技術、基於光學性質非線性變化的超分辨技術等；第二類是通過增大光學系統空間截止頻率，增加高頻光線所佔比例，來減小光學系統的愛裡斑主瓣；第三類是通過改變光學系統入射光束空間頻率分布，來達到減小光學系統愛裡斑的主瓣，一般可通過離軸照明技術、變形照明技術、正交偏振光照明技術、環形光照明技術和幹涉光束空間頻移法等光源照明技術來實現。
總體上看，上述新型共焦顯微鏡和超分辨方法與技術，改善了共焦顯微鏡的成像分辨特性，解決了眾多共焦顯微鏡超分辨顯微成像測量的需求，但在共焦顯微鏡的三維超分辨成像方面不盡如意。儘管現有的三維超分辨光瞳濾波器可用於改善共焦顯微鏡的三維超分辨成像能力，但它們卻存在既要進行橫向超分辨又要兼顧軸向超分辨，三維超分辨效果通常不是特別顯著的缺點，使共焦顯微鏡的空間分辨成像能力未有顯著改善。
發明內容
本發明的目的是為克服上述已有技術的不足，提供一種橫向光學超分辨、軸向共焦幹涉高分辨力的具有高空間分辨成像能力(即軸向分辨力和橫向分辨力都高)的共焦幹涉顯微鏡，以期實現對微電子學、材料、工業精密檢測、生物醫學、生命科學等領域中進行高空間分辨力顯微成像檢測。
本發明的思想是將提高軸向分辨力的共焦幹涉顯微技術和提高橫向分辨力的超分辨光瞳濾波共焦顯微技術相融合，構成光瞳濾波式的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡。其採用特定設計的光瞳濾波器對共焦幹涉顯微鏡的光瞳函數進行掩膜修正，進而達到改變波前，銳化愛裡斑主瓣，達到提高共焦幹涉顯微鏡的橫向超分辨力。共焦顯微鏡軸向分辨力的提高可通過共焦幹涉顯微成像技術來實現。這樣，便可以達到提高共焦顯微鏡高空間分辨力的目的。
本發明的技術原理是將分光鏡4分束的兩束光中的一束作為測量光束，通過共焦顯微系統的物鏡5聚焦到被測物9表面後又反射到聚光鏡7，構成共焦顯微測量光路系統；將分光鏡4分束的另一光束作為參考光束，該參考光由參考反射鏡6和分光鏡4反射後，到達聚光鏡7，聚光鏡7將測量光束和參考光束聚焦在探測器8上產生幹涉條紋並由探測器8接收，來達到改善共焦幹涉顯微系統的軸向分辨特性。由於採用光瞳濾波器3，銳化了共焦幹涉顯微鏡的愛裡斑主辨，提高了共焦顯微系統的橫向分辨成像能力，從而改善了共焦幹涉顯微鏡高空間分辨成像的能力。
本發明具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡包括光源1，依次放在光源發射端的擴束準直鏡2、光瞳濾波器3、分光鏡4、放置在分光鏡4反射光束傳播路徑上的物鏡5，包括反射分光鏡4透射光束的參考反射鏡6，還包括匯聚測量光束和參考光束的聚光鏡7和放置在聚光鏡7焦點上的探測器8。
本發明優先選用光源1由相干光源13、聚焦鏡14和單模光纖21構成，單模光纖21的出射端A形成高亮度的相干點光源。光源1還可以由相干光源13、聚光鏡14、光闌10構成，相干光源13經聚光鏡14聚焦到光闌10上形成高亮度相干點光源。
本發明優先選用探測器8由單模光纖21和光電接收器12構成，單模光纖21 B端的出射光被光電接收器12全部接收，單模光纖21的入射端B位於聚光鏡7的焦點上，使單模光纖21入射端B起到共焦顯微鏡針孔11的作用。探測器8還可以由針孔11和光電接收器12構成，光電接收器12緊貼針孔11後面。
光瞳濾波器3可以位於擴束準直鏡2與分光鏡4之間、也可放置在聚光鏡7與分光鏡4之間，分光鏡4與物鏡5之間，還可以位於聚光鏡7與探測器8之間。光瞳濾波器3可以是位相型濾波器、振幅型濾波器、振幅位相混合型濾波器和環形光整形器件23，環形光整形器件23可以是圓環形位相分布的二元光學器件。
本發明中，可以在物鏡5前面設置一個z向顯微物鏡微定位器18，用於擴展顯微鏡z向跟蹤掃描範圍。
本發明光瞳濾波器3優先選用環形光整形器件23，通過特定設計的環形光整形器件23，將共焦顯微鏡的入射雷射光束整形為橫向超分辨所需的特定結構的環形光，從而達到改善共焦顯微鏡的橫向分辨力，同時，通過採用共焦幹涉的光路布置，提高共焦顯微鏡的軸向分辨力。進而避免了已有的三維超分辨光瞳濾波器用於改善共焦顯微鏡時，既要提高橫向分辨力，又要提高軸向分辨力，從而降低了光瞳濾波器3三維超分辨的綜合性能。
本發明具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡具有如下優點1)改善共焦幹涉顯微鏡的三維超分辨能力；2)在提高橫向分辨能力的同時，擴展共焦幹涉顯微系統的軸向量程範圍；3)可改善共焦幹涉顯微系統的離焦特性。
圖1為現有的共焦顯微鏡的示意圖；圖2為現有共焦幹涉顯微鏡的示意圖；圖3為本發明具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡的示意圖；圖4為本發明優選實施例一的示意圖；圖5為本發明優選實施例二的示意圖；圖6為本發明優選實施例一在不同ε下的橫向歸一化響應仿真曲線；圖7為本發明優選實施例一在ε＝0.5情況下的軸向歸一化響應仿真曲線。
其中，1光源，2擴束準直鏡，3光瞳濾波器，4分光鏡，5物鏡，6參考反射鏡，7聚光鏡，8探測器，9被測物體，10光闌，11針孔，12光電探測器，13相干光源，14聚焦鏡，15λ/4波片，16探測信號放大處理系統，17計算機測量控制系統，18z向顯微物鏡微定位器，19可調光闌，20x-y二維工作檯，21單模光纖，22偏振分光鏡，23環形光整形器件，24ε＝0時實施例一的橫向歸一化響應仿真曲線，25ε＝0.25時實施例一的橫向歸一化響應仿真曲線，26ε＝0.50時實施例一的橫向歸一化響應仿真曲線，27ε＝0.75時實施例一的橫向歸一化響應仿真曲線，28ε＝0.50時實施例一的軸向歸一化響應仿真曲線。
下面參照附圖和優選實施例對本發明進行進一步的描述，說明本發明的技術方案、特徵和優點。
具體實施例方式
本發明具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡的結構及工作原理結合實施例及
如下本發明優選實施例一的結構如圖4所示，其包括雷射器13，依次放在雷射器13發射端的聚焦鏡14、光闌10、擴束準直鏡2、整形入射光為環形光的環形光整形器件23、調整環形光內外環歸一化半徑的可調光闌19、偏振分光鏡22、放置在偏振分光鏡22反射的測量光束傳播路徑上的λ/4波片15、z向顯微物鏡微定位器18、物鏡5和x-y二維工作檯20；包括放置在經偏振分光鏡22透射的參考光束傳播路徑上的λ/4波片15和參考反射鏡6；包括匯聚測量光束和參考光束的聚光鏡7、放置在聚光鏡7焦點上的針孔11、緊貼針孔11後的光電探測器12、與光電探測器12相連的一個探測信號放大處理系統16、一個計算機測量控制系統17和x-y二維工作檯20，整個測量過程由計算機測量控制系統17控制和處理。
由於採用了整形環形光照射，增加了雷射束照射系統高頻光線所佔的比例，使共焦幹涉顯微系統愛裡斑的主瓣變小，從而達到提高共焦顯微系統的橫向分辨成像能力，同時通過共焦幹涉減小了軸向響應特性的主瓣半高寬，改善了共焦幹涉系統的軸向分辨特性，從而達到改善共焦幹涉顯微鏡高空間分辨成像的能力。
本發明優選實施例一的環形光整形器件3可以位於擴束準直鏡2與偏振分光鏡22之間，也可放置在聚光鏡7與偏振分光鏡22之間，還可以放在偏振分光鏡22與物鏡5之間。環形光整形器件可以是圓環形位相分布的二元光學器件。
本發明另一個優選實施例二的結構如圖5所示，與實施例一不同的是光源1為由雷射器13、依次放在雷射器發射端的聚焦鏡14，單模光纖21構成的相干點光源系統，光束經單模光纖出射端B形成高亮度相干點光源。探測器8還可以是由單模光纖21和光電接收器12構成的點探測系統，單模光纖21的入射端B功能上等價為共焦顯微系統的針孔11，用於滿足共焦幹涉顯微鏡所需的點探測要求。
下面對本發明實施例一的軸向和橫向響應特性進行仿真，來進一步說明其高空間成像能力。
本發明實施例一中測量物鏡8選用40×0.65普通平場消色差顯微物鏡，針孔11直徑選用10μm。
ε為環形光內環半徑與外環半徑之比，圖6給出了ε＝0、0.25、0.50和0.75時的本發明實施例一的橫向歸一化響應仿真曲線24、25、26和27。由圖6可見，隨著ε的增加，本發明共焦幹涉顯微鏡的橫向分辨力增大。
圖7給出了ε＝0.50時，本發明實施例一的橫向歸一化響應仿真曲線28。由圖7可見，本發明實施例一的軸向響應中心曲線的半高寬明顯小於共焦幹涉顯微鏡軸向響應輪廓曲線的半高寬，即幹涉技術的引入改善了共焦顯微鏡的軸向分辨力。
可見，本發明實施例一的空間分辨成像能力得到改善。
以上結合附圖對本發明的具體優選實施方式和仿真效果作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發明的範圍，本發明的保護範圍由隨附的權利要求書限定，任何在本發明權利要求基礎上進行的改動都是本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵在於該顯微鏡包括光源(1)，依次放在光源發射端的擴束準直鏡(2)、光瞳濾波器(3)、分光鏡(4)、放置在分光鏡(4)反射光束傳播路徑上的物鏡(5)，包括反射分光鏡(4)透射光束的參考反射鏡(6)，還包括匯聚測量光束和參考光束的聚光鏡(7)和放置在聚光鏡(7)焦點上的探測器(8)。
2.根據權利要求1所述的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵是所述光源(1)由相干光源(13)、聚光鏡(14)、光闌(10)構成，相干光源(13)經聚光鏡(14)聚焦到光闌(10)上形成高亮度相干點光源。
3.根據權利要求1所述的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵是所述光源(1)由相干光源(13)、聚焦鏡(14)和單模光纖(21)構成，單模光纖(21)的出射端A形成高亮度的相干點光源。
4.根據權利要求1所述的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵是所述探測器(8)由單模光纖(21)和光電接收器(12)構成，單模光纖(21)B端的出射光被光電接收器(12)全部接收，單模光纖(21)的入射端B位於聚光鏡(7)的焦點上。
5.根據權利要求1所述的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵是所述探測器(8)由針孔(11)和光電接收器(12)構成，光電接收器(12)緊貼針孔(11)後面。
6.根據權利要求1所述的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵是光瞳濾波器(3)位於擴束準直鏡(2)與分光鏡(4)之間、或放置在聚光鏡(7)與分光鏡(4)之間、或放置分光鏡(4)與物鏡(5)之間，還可以放置在聚光鏡(7)與探測器(8)之間。
7.根據權利要求1所述的具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡，其特徵是光瞳濾波器(3)是位相型濾波器、或振幅型濾波器、或振幅位相混合型濾波器、或環形光整形器件。
8.根據權利要求7所述的環形光整形器件，其特徵是所述的環形光整形器件是圓環形位相分布的二元光學器件。
全文摘要
本發明屬於光學顯微成像及微觀測量技術領域，涉及一種具有高空間分辨成像能力的共焦幹涉顯微鏡。該顯微鏡採用共焦幹涉顯微成像技術來改善共焦顯微鏡的軸向分辨力，採用超分辨光瞳濾波技術來改善共焦顯微鏡的橫向分辨力，繼而達到改善共焦顯微鏡的空間分辨成像能力。該顯微鏡包括光源部分(1)，依次放在光源發射端的擴束準直鏡(2)、光瞳濾波器(3)、分光鏡(4)、放置在分光鏡(4)反射光束傳播路徑上的物鏡(5)，包括用於反射分光鏡(4)透射光束的參考反射鏡(6)，還包括匯聚測量光束和參考光束的聚光鏡(7)和放置在聚光鏡(7)焦點上的探測器(8)。該共焦幹涉顯微鏡可用於測量樣品的三維表面形貌、三維微細結構、微臺階、微溝槽和集成電路線寬等。
文檔編號G01N21/88GK1614457SQ200410096338
公開日2005年5月11日 申請日期2004年11月30日 優先權日2004年11月30日
發明者趙維廉, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學