[發明專利]基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量裝置與方法

有效

• 申請號: 201310354894.X
• 申請日: 2013-08-15
• 公開（公告）號: CN103411556A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 劉儉;譚久彬;王宇航
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 哈爾濱市偉晨專利代理事務所(普通合伙) 23209
• 代理人: 張偉

技術領域

?基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量裝置與方法屬于超精密三維微細結構表面形貌測量領域。

背景技術

微結構的加工應用主要體現在微電子技術、微系統技術和微光學技術三個方面，如計算機芯片、生物芯片和微透鏡陣列等典型應用。上述技術其共同特征是具有三維結構、功能結構尺寸在微米、亞微米或納米量級，這種結構的微納米化不僅僅帶來能源與原材料的節省，更推動了現代科技的進步，直接帶動了相關產業的發展。隨著微加工技術的飛速發展，能夠對該類樣品進行快速無損三維檢測的儀器將擁有巨大的應用前景。?

美國專利US3013467，第一次公開了一種共焦成像技術，該發明通過引入點光源、點照明和點探測三點光學共軛的共焦成像技術，獲得了對樣品輪廓的軸向探測能力，配合水平方向載物臺的移動進而實現三維測量。中國專利CN1395127A，公開了一種共焦顯微測量系統。該發明利用共焦技術，通過在共焦光路中引入干涉光路，獲得高靈敏度的干涉測量信號，實現對樣品軸向的高精度測量。美國專利US6282020B1，公開了一種基于掃描振鏡的共焦顯微系統。該發明利用共焦原理，通過引入振鏡掃描技術，獲得了匯聚照明光斑在樣品表面高速移動的能力，實現了快速共焦探測，提高了測量速度。但是上述三種方法都是將平行光束通過顯微物鏡匯聚到樣品表面進行照明，當進行三維樣品測量時，由于樣品自身表面輪廓的高低起伏，對匯聚照明光束進行遮擋，會導致某些區域無法照明或者發生復雜反射，進而造成探測信號強度的衰減和背景噪聲的增強，使得測量精度降低，甚至無法測量。

發明內容

為了解決上述問題，本發明公開了一種基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量裝置與方法，使圓對稱被測微結構樣品的每一部分都能找到對應的最佳照明角度，避免圓對稱被測微結構樣品自身表面輪廓的高低起伏導致的某些區域無法照明或者發生復雜反射，提高探測信號強度，降低背景噪聲，進而提高測量精度。

本發明的目的是這樣實現的：

基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量裝置，包括角譜掃描照明光路和準共焦測量光路；

所述的角譜掃描照明光路包括：線陣LED陣列、成像透鏡、分光棱鏡、第一光闌和顯微物鏡；從線陣LED陣列發出的光束依次經過成像透鏡、分光棱鏡、顯微物鏡后，平行照射到隨三自由度載物臺軸向移動的圓對稱被測微結構樣品表面；所述的三自由度載物臺沿笛卡爾坐標系的三個坐標軸移動，其中，z軸為光軸方向；

所述的準共焦測量光路包括：三自由度載物臺、顯微物鏡、第一光闌、分光棱鏡、管鏡、第二光闌、掃描透鏡、一維掃描振鏡、聚焦透鏡、針孔和探測器；隨三自由度載物臺軸向移動的圓對稱被測微結構樣品表面反射的光束依次經過顯微物鏡、第一光闌、分光棱鏡、管鏡、第二光闌、掃描透鏡、一維掃描振鏡、聚焦透鏡，成像到針孔位置，并由探測器成像；所述的一維掃描振鏡以與光軸所在平面垂直的方向為轉軸轉動；

所述的角譜掃描照明光路和準共焦測量光路共用分光棱鏡、第一光闌和顯微物鏡；

所述的線陣LED陣列位于成像透鏡的物平面，成像透鏡的像平面與顯微物鏡的后焦平面重合于第一光闌所在平面；管鏡的前焦平面與掃描透鏡的后焦平面重合于第二光闌所在平面；針孔位于聚焦透鏡的前焦平面，與探測器緊貼。

上述基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量裝置，所述的線陣LED陣列相鄰兩個LED之間的距離相同或不相同。

上述基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量裝置，在一維掃描振鏡背離光束傳播方向，設置有轉軸。

基于線陣角譜照明的準共焦環形微結構測量方法，所述方法包括以下步驟：

步驟a、將圓對稱被測微結構樣品的厚度分為N層；

步驟b、設定一維掃描振鏡共有P個空間位置；

步驟c、調整三自由度載物臺，使圓對稱被測微結構樣品中心位于光軸上；

所述的步驟a、步驟b、步驟c的順序可調換；

步驟d、根據線陣LED陣列中的LED數量M，圓對稱被測微結構樣品的厚度分層N，一維掃描振鏡的空間位置P，形成M×N張角譜照明圖像，每張角譜照明圖像像素個數為P；

步驟e、定義相同角譜照明下的不同層之間的角譜照明圖像為層析圖像，對比相同空間位置在M個角譜照明下的層析圖像之間的軸向包絡曲線，挑選出最接近sinc函數四次方的包絡曲線，根據共焦三維測量原理，判斷P個空間位置點的軸向坐標；

步驟f、根據P個空間位置點及其軸向坐標，采用圓規作圖方法擬合出圓對稱被測微結構樣品的三維形貌。