螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置的製作方法

2023-07-15 03:38:41

專利名稱：螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於光學顯微測量技術，主要涉及一種用於微結構光學兀件、微結構機械元件、集成電路元件中三維微細結構、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀測量的超精密非接觸測量裝置。
背景技術：
共焦點掃描測量是微光學、微機械、微電子領域中測量三維微細結構、微臺階、微溝槽線寬、深度及表面形狀的重要技術手段之一，其基本思想是通過引入針孔探測器抑制雜散光，並產生了軸向層析能力，但傳統共焦技術一直受到傳統透鏡成像數值孔徑小於I的原理局限。雙通照明共焦測量由C. J. R. Sheppard和T. Wilson於1980年提出(Sheppard,C. J. R. and Wilson, T. (1980)1 Multiple Traversing of the Object in the ScanningMicroscope' , Journal of Modem Optics, 27 :5,611-624),其基本思想是利用球面或平面反射鏡將透射樣品的透射照明光反射回去，對樣品進行二次照明，使雙通照明響應函數具有更高的解析度。分析表明相對於傳統共焦測量，傳統雙通照明共焦測量軸向分辨力能提高2 4倍，光斑旁斑也得到更好的抑制。傳統雙通照明共焦測量方法存在的主要不足在於一次照明光和二次照明光的幹涉擾動，降低信噪比，不利於軸向解析度的提高。而傳統雙通照明共焦測量方法與Minsky提出的共焦測量方法的共性不足還在於，系統解析度與收集物鏡數值孔徑大小密切相關，數值孔徑越大，軸向分辨力越高，而由於受到傳統透鏡成像數值孔徑小於I的原理局限，二者都難以通過提高數值孔徑來進一步提高軸向解析度。

發明內容
本發明的目的就是針對上述傳統共焦測量和雙通照明共焦測量軸向解析度受物鏡數值孔徑限制和雙通照明共焦測量存在的幹涉擾動的不足，提供了一種螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置，利用螢光反射鏡的螢光特性使照明光產生頻移，避免了雙通照明中一次照明光和二次照明光發生光波混疊而產生幹涉；同時採用單色濾光技術能有效濾除一次照明光幹擾，提高信噪比；採用橢球共軛雙通照明，使響應函數具有更高的軸向解析度，同時橢球反射鏡可實現數值孔徑為I的收集與探測，通過提高數值孔徑來進一步提高軸向解析度。本發明的目的是這樣實現的螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置包括雷射器、準直擴束器、分光鏡、聚焦物鏡、三維微位移載物臺、窄帶濾波片、收集物鏡、傳導光纖、光電探測器；其中，在雷射器直射光路上依次配置準直擴束器和分光鏡，聚焦物鏡和三維微位移載物臺配置在分光鏡反射光路上，窄帶濾波片和收集物鏡配置在分光鏡透射光路上，傳導光纖將收集物鏡會聚光傳導到光電探測器，在分光鏡反射光路上還配置橢球反射鏡，所述的橢球反射鏡的近焦點位於放置在三維微位移載物臺上的樣品表面上，在橢球反射鏡遠焦點位置處配置螢光反射鏡。所述裝置具有螢光反射鏡，其作用是使入射光線產生頻移，對樣品進行二次照明，同時與一次照明光束分離，與單色濾光技術相結合，避免一次照明反射光與二次照明反射光的幹涉擾動。螢光反射鏡為具有表面螢光塗層或螢光液的反射鏡，其製作方法與現有螢光染色技術相同，視為已知技術，該反射鏡在超短雷射照射下，能產生單光子或多光子激發，是照明光產生頻移。本發明的良好效果在於I)採用螢光反射鏡與窄帶濾波片，將雙通照明一次照明光和二次照明光通過頻率進行分離，抑制雜散光，克服幹涉擾動，提高信噪比。
2)克服了傳統共焦測量技術和傳統雙通照明共焦技術軸向解析度受物鏡數值孔徑的限制的不足，螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置可以實現數值孔徑為I的二次照明與探測，通過提高數值孔徑提高解析度。3)建立了不同於傳統共焦和傳統雙通照明共焦系統的高階響應函數，有利於提高點掃描解析度。


圖I是螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置結構示意圖。圖2是螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置橢球反射鏡點擴散函數分析坐標定義圖。圖3是螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置單光子激發軸向響應曲線。圖4是螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置單光子激發橫向響應曲線。圖5是螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置雙光子激發軸向響應曲線。圖6是螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置雙光子激發橫向響應曲線。圖中件號說明1、雷射器、2、準直擴束器、3、分光鏡、4、聚焦物鏡、5、三維微位移載物臺、6、橢球反射鏡、7、螢光反射鏡、8、窄帶濾波片、9、收集物鏡、10、傳導光纖、11、光電探測器。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明實施例進行詳細說明。螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置包括雷射器I、準直擴束器2、分光鏡3、聚焦物鏡4、三維微位移載物臺5、窄帶濾波片8、收集物鏡9、傳導光纖10、光電探測器11 ；其中，在雷射器I直射光路上依次配置準直擴束器2和分光鏡3，聚焦物鏡4和三維微位移載物臺5配置在分光鏡3反射光路上，窄帶濾波片8和收集物鏡9配置在分光鏡3透射光路上，傳導光纖10將收集物鏡9會聚光傳導到光電探測器11，在分光鏡3反射光路上還配置橢球反射鏡6，所述的橢球反射鏡6的近焦點位於放置在三維微位移載物臺5上的樣品表面上，在橢球反射鏡6遠焦點位置處配置螢光反射鏡7。測量使用時第一、雷射器I發出波長為\ x的線偏振光束，經過準直擴束器2後成為近似理想平面波；經過分光鏡3分光後，反射光經過聚焦物鏡4會聚在被測反射樣品表面；第二、反射光線再經過橢球反射鏡6，會聚於其遠焦點處的螢光反射鏡7 ;經過螢光反射鏡7，出射波長為入2的光線，經過橢球反射鏡6會聚，對樣品實現二次照明；其中所述橢球反射鏡6不同於傳統透鏡模型，則需要從光學衍射理論進行理論推導，如圖2所示，對於橢球反射鏡6，其幾何表達式為z2/a2+y2/b2+x2/b2 = I時響應函數為其中，0表示坐標原點；P1表示螢光反射鏡I所在的橢球遠焦點，坐標為(X1, Y1, Z1)；
P2表示被測樣品所在的橢球近焦點,坐標為(x2, y2, Z2)；M表示P1到P2光線軌跡在橢球反射鏡上的反射點；n表示M點處的橢球面單位法向量；rP1M表示P1點到M點的距離；rW2表示M點到P2點的距離；Up2表示P2點處的光波函數；Um表示M點處的光波函數；S0表不橢球反射鏡6所在的橢球；S表不橢球反射鏡6 ；考慮一般情況，hpl_p2表示pi到p2點得點擴展函數，化簡得到
;A 、bf C+C°' Qw\_~MrPXM + rMPl)] (^PxMpI L j _
\i-P2(0,0,0,x2,y2 =0』z2)= J J ----cos x-- dxdz (2)
-I31Ia CrPlMrMPlV 2 y其中所述螢光反射鏡7為具有表面螢光塗層或螢光液的反射鏡，其製作方法與現有螢光染色技術相同，視為已知技術，該反射鏡在超短雷射照射下，能產生單光子或多光子激發，是照明光產生頻移。第三、再經過聚焦物鏡4由分光鏡3分光，透射光經過窄帶濾波片8，包括雜散光的入工波長光被吸收，只包含測量信息的、2波長光透過，經收集物鏡9會聚，經傳導光纖10傳輸由光電探測器11接收。第四、如圖3所示，最後通過雙通照明響應函數表達式為Id(xs, zs) = |hL(xs，zs，X1) hp2_pl (xs，zs，X ) |2*(|hL(xs，zs，A2) |2 hpl_p2(0,0 ；
xs，zs，A2)|2) ⑶其中，Id表示探測面上的光強分布；hpl_p2表示P1點到P2點的點擴展函數；hL表示聚焦物鏡4的點擴展函數；A1為一次照明光波長；
A 2為二次照明光波長。如式(3)可見，構建了不同於傳統共焦和雙通照明共焦系 統的高階響應函數，有利於提高點掃描解析度。圖3、圖4、圖5、圖6為其軸向和橫向響應曲線，分別取聚焦物鏡4數值孔徑為0. I和0. 65。
權利要求
1.一種螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置，包括雷射器(I)、準直擴束器(2)、分光鏡(3)、聚焦物鏡(4)、三維微位移載物臺(5)、窄帶濾波片(8)、收集物鏡(9)、傳導光纖(10)、光電探測器(11);其中，在雷射器(I)直射光路上依次配置準直擴束器(2)和分光鏡(3)，聚焦物鏡(4)和三維微位移載物臺(5)配置在分光鏡(3)反射光路上，窄帶濾波片(8)和收集物鏡(9)配置在分光鏡(3)透射光路上，傳導光纖(10)將收集物鏡(9)會聚光傳導到光電探測器(11)，其特徵在於在分光鏡(3)反射光路上還配置橢球反射鏡出)，所述的橢球反射鏡出)的近焦點位於放置在三維微位移載物臺(5)上的樣品表面上，在橢球反射鏡(6)遠焦點位置處配置螢光反射鏡(7)。
全文摘要
螢光反射鏡共軛雙通照明共焦顯微裝置屬於光學顯微測量技術；在雷射器直射光路上依次配置準直擴束器和分光鏡，聚焦物鏡和三維微位移載物臺配置在分光鏡反射光路上，窄帶濾波片和收集物鏡配置在分光鏡透射光路上，傳導光纖將收集物鏡會聚光傳導到光電探測器，在分光鏡反射光路上還配置橢球反射鏡，橢球反射鏡的近焦點位於放置在三維微位移載物臺上樣品表面上，在橢球反射鏡遠焦點位置處配置螢光反射鏡；本裝置避免了雙通照明中一次照明與二次照明光發生光波混疊而產生的幹涉，信噪比和軸向解析度高。
文檔編號G01B11/02GK102759331SQ201210244838
公開日2012年10月31日 申請日期2012年7月5日 優先權日2012年7月5日
發明者劉儉, 譚久彬 申請人:哈爾濱工業大學