[發(fā)明專利]超分辨三維測量顯微鏡

有效

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• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103968779A
• 公開（公告）日: 2014-08-06
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 萬新軍;朱偉超;楊波
• 申請（專利權(quán)）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01B11/24
• 分類號: G01B11/24
• 代理公司: 上海三和萬國知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(普通合伙) 31230
• 代理人: 陳偉勇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及干涉顯微鏡。

背景技術(shù)

隨著微細加工技術(shù)的發(fā)展逐步豐富和精細，微電路、微光學元件、微機械以及其它各種微結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，對微結(jié)構(gòu)表面形貌測量系統(tǒng)的需求越發(fā)迫切。由于微表面結(jié)構(gòu)由于是由微觀結(jié)構(gòu)單元組成的三維復雜結(jié)構(gòu)，其測量一般都需要借助直接的或間接的顯微放大，要求有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。同時與平滑表面的測量不同，微結(jié)構(gòu)表面的測量不僅要測量表面的粗糙度或瑕疵，還要測量表面的輪廓、形狀偏差和位置偏差。

干涉顯微法是光學干涉法與顯微系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過在干涉儀上增加顯微放大視覺系統(tǒng)，提高了干涉圖的橫向分辨率，使之能夠完成微納結(jié)構(gòu)的三維表面形貌測量。隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，干涉顯微法出現(xiàn)了測量精度達到納米級別的相移干涉法(PSI)和垂直掃描干涉法(VSI)。與其它表面形貌測量方法相比，干涉顯微法具有快速、非接觸的優(yōu)點，而且可以與環(huán)境加載系統(tǒng)配合完成真空、壓力、加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)表面形貌測量，因而在微電子、微機電系統(tǒng)以及微光機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表面形貌測量上得到了廣泛應用。

在19世紀末20世紀初德國科學家阿貝(Abbe，1840-1905)和英國科學家瑞利(Rayleigh，1842-1905)從光的波動理論證明，在成像光學系統(tǒng)中，由于光的衍射效應，理想物點經(jīng)過系統(tǒng)所成的像不再是理想的幾何點像，而是有一定大小的光斑(即艾里斑)，當兩個物點過于靠近以至于其像斑重疊在一起時，就不能分辨出是兩個物點的像，即光學系統(tǒng)中存在著一個衍射分辨極限。在顯微系統(tǒng)中，此光學分辨極限決定于顯微物鏡的數(shù)值孔徑。由于顯微物鏡數(shù)值孔徑存在一個上限，在可見光范圍內(nèi)顯微鏡的分辨極限大約為200nm，這樣更細微的結(jié)構(gòu)就無法分辨。

對于干涉顯微鏡系統(tǒng)中，通過相移來計算干涉相位，進而計算出三維表面面型的高度數(shù)據(jù)。但是橫向分辨率由于受到衍射極限的限制，對于某些精細度較高的表面輪廓，計算出的就只是一個橫向區(qū)域的均值，而不是一個精確值。這樣還原出來的表面輪廓就是模糊不清的，具體的細節(jié)就不能還原出來，這就是被分辨率限制的結(jié)果。由于加工裝配工藝能力限制，常用的Mirau型干涉顯微物鏡的數(shù)值孔徑往往不能做大，因此，干涉顯微鏡的橫向分辨率受限制問題更為突出。

從光學信息處理的角度看，分辨率是基于把物體看作是發(fā)光點的集合，并以一點成像時的能量集中程度來表征光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量的。而利用光學傳遞函數(shù)來評價光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，是基于把物體看作是由各種頻率的譜組成，也就是把物體的光場分布函數(shù)展開成傅立葉級數(shù)(物函數(shù)為周期函數(shù))或傅立葉積分(物函數(shù)為非周期函數(shù))的形式。若把光學系統(tǒng)看成是線性不變的系統(tǒng)，那么物體經(jīng)光學系統(tǒng)成像，可視為物體經(jīng)光學系統(tǒng)傳遞后，其傳遞效果是頻率不變，但對比度下降，相位要發(fā)生推移，并在某一頻率處截止，即對比度為零。這種對比度的降低和相位推移是隨頻率的不同而不同的，其函數(shù)關(guān)系被稱為光學傳遞函數(shù)。它反映了物體不同頻率成分在光學系統(tǒng)中的傳遞能力。一般來說，高頻部分反映物體的細節(jié)傳遞情況，中頻部分則反映物體的層次情況，而低頻部分則反映物體的輪廓情況。在干涉顯微鏡中，由于干涉顯微物鏡光學系統(tǒng)光學傳遞函數(shù)對于高頻的限制，導致物體的細節(jié)部分丟失。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于，提供超分辨三維測量顯微鏡，以解決至少一個上述技術(shù)問題。

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn)：

超分辨三維測量顯微鏡，包括一干涉顯微鏡本體，其特征在于，所述干涉顯微鏡本體包括一生成準直均勻光線的照明模塊，所述照明模塊的出射光朝向一生成不同相位初值的正弦結(jié)構(gòu)光的結(jié)構(gòu)光生成器，所述結(jié)構(gòu)光生成器的出射光朝向一分光棱鏡，所述分光棱鏡的反射光朝向一干涉物鏡；

所述干涉物鏡使由分光棱鏡反射的光束在光軸的方向上會聚而照射于被測物，并且使從被測物反射得到的測量光束與干涉物鏡內(nèi)部產(chǎn)生的的參照光束相干涉；

被測物的干涉光從所述干涉物鏡中返回后，依次途徑所述分光棱鏡、一筒鏡、一探測器，所述干涉光經(jīng)過筒鏡后被探測器接收。