[發明專利]雙波長單光纖色散共焦顯微探測方法與裝置

在審

• 申請號: 202111264039.0
• 申請日: 2021-10-28
• 公開（公告）號: CN113900244A
• 公開（公告）日: 2022-01-07
• 發明（設計）人: 曲元;楊佳苗;陳成
• 申請（專利權）人: 紹興鉅光光電科技有限公司
• 主分類號: G02B21/00
• 分類號: G02B21/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明屬于光學成像與檢測領域，可用于微納精密樣品表面形貌的快速測量。本發明利用色散共焦和雙波長照明，通過公共端光纖提供點光源照明并過濾經樣品反射的測量光束，使用波長分光裝置分離測量光束中不同波長的光，得到兩個照明波長下單光纖色散共焦響應強度值，進而獲取樣品表面沿測量光束光軸方向的位移信息。采用公共端光纖同時當作照明針孔和探測針孔，無需復雜的共焦光路調整，實現光學系統的自對齊共焦；同時在信號處理過程中利用斜率較大的線性區域來替代傳統色散共焦中斜率為零的頂點區域，顯著提升探測靈敏度和精度。因此，本發明為微納樣品表面輪廓、形貌等高速高精度測量提供了一種可行途徑，將在芯片制造等領域具有重要應用前景。

技術領域

本發明涉及一種高速高精度色散共焦顯微測量方法，可用于集成電路、MEMS器件、微鏡陣列、微流體器件等各類微納精密樣品的表面形貌高速高精度測量，屬于光學成像與檢測技術領域。

背景技術

共焦顯微鏡由美國人Marvin Minsky于1957年發明，其基本原理是將點光源、物體、點探測器置于彼此共軛的位置，上述共軛設計使得共焦顯微鏡具有軸向層析能力，能滿足各類微納結構的表面形貌測量。但是，傳統共焦顯微鏡在實現軸向層析測量的過程中，需要控制運動裝置如電機或壓電陶瓷沿著物鏡光軸方向精確移動顯微物鏡或被測樣品，由探測器采集運動裝置處于不同位移處時的共焦響應強度，即得到共焦顯微鏡的共焦響應強度曲線，通過對采集的共焦響應強度曲線數據進行峰值提取等操作處理獲取被測樣品表面的形貌信息。但是，機械裝置的軸向掃描速度和精度都較低，導致共焦顯微鏡的測量速度慢、測量精度受限。

為了提高傳統共焦顯微鏡的測量速度和測量精度，發明專利CN 109307481 A《高速傳感共焦顯微測量方法》中精確控制運動裝置以較大的采樣間隔移動，由探測器得到運動裝置處于不同位移處的共焦響應強度，通過對最大強度兩側的強度值做差分處理，快速高精度地獲取被測樣品的表面形貌。雖然，上述方法能顯著降低運動裝置的軸向掃描次數，但是仍然需要數次軸向掃描，限制了測量速度和測量精度的進一步提高。發表在《OpticsLetters》上的文獻《Locally adaptive thresholding centroid localization inconfocal microscopy》中提出了一種變閾值的峰值提取算法，能對大采樣間隔下共焦響應強度曲線數據進行高精度處理，顯著地提高了共焦顯微測量速度和精度。但是，上述方法與專利 CN 109307481 A的問題類似，即仍需要精密的運轉裝置掃描，無法進一步提高共焦顯微測量速度和精度。發表在《Optics Express》上的文獻《Real-time laser differentialconfocal microscopy without sample reflectivity effects》通過使用兩個點探測器，其中一個點探測器放置在與點光源共軛位置前一個微小間隔處，另一個點探測器放置于與點光源共軛位置后相等的微小間隔處，通過對兩個點探測器采集的共焦響應曲線強度值做差分操作，快速高精度地得到被測樣品的表面形貌。但是，在構建共焦顯微測量系統時，上述方法存在如下不足：其一、單一點探測器與點光源共軛的光路調整過程較為復雜，而上述方法中的雙點探測器設計將使得光路調整更加復雜；其二、兩個的點探測器沿測量光束光軸方向的位移偏置需要控制在微米量級，對機械裝配件的加工精度提出了極高的要求。

另一方面，色散共焦顯微測量方法采用寬帶光源照明，利用色散物鏡的軸向色散，結合共焦探測技術，通過處理光譜探測設備采集的光譜信息，實現無需機械軸向掃描的高速位移信息測量。但是，常用的光譜探測設備的光譜采集頻率通常只能達到100 kHz左右，無法進一步提高其測量效率。

發明內容