[發明專利]雙波長光纖線陣列色散共焦顯微探測方法與裝置

在審

• 申請號: 202111264608.1
• 申請日: 2021-10-28
• 公開（公告）號: CN113959368A
• 公開（公告）日: 2022-01-21
• 發明（設計）人: 陳成;楊佳苗;沈陽
• 申請（專利權）人: 紹興鉅光光電科技有限公司
• 主分類號: G01B11/25
• 分類號: G01B11/25;G02B21/00;G02B21/06;G02B21/08
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雙波長光纖線陣列色散共焦顯微探測方法與裝置。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。本發明結合光纖線陣列共焦和物鏡的軸向色散，通過公共光纖端線陣列作為狹縫提供狹縫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，得到雙照明波長下光纖線陣列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。采用公共端光纖線陣列當作照明狹縫和探測狹縫，降低共焦光路調整難度；利用線色散共焦曲線斜率較大線性區域來替代傳統線色散共焦中斜率為零頂點區域，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光纖線陣列色散共焦顯微測量方法，可應用于IC芯片、MEMS、功能化結構微納器件、車銑刨磨等機加工表面、噴丸磨砂表面、拉絲表面等各類樣品表面形貌的快速測量，屬于光學成像與檢測技術領域。

背景技術

線共焦顯微鏡由蘇聯人G. M. Svishchev于20世紀60年代后期提出，其基本架構是：使用一對共軛狹縫進行照明和探測，通過精確控制機械運動裝置如高精度電機或壓電陶瓷研顯微物鏡光軸方向移動，從而能獲取被測樣品沿光軸方向的位移信息。相比于傳統的點掃描式共焦顯微鏡，線共焦顯微鏡在機械裝置的軸向掃描過程能獲取一條直線上點沿光軸方向的位移信息，即其形貌測量效率遠遠優于傳統的點掃描式共焦顯微鏡。但是，線共焦顯微鏡在獲取位移信息的過程中，需要復雜的機械裝置精確進行沿光軸方向的掃描，而機械掃描效率低、精度低，上述因素限制了線共焦顯微鏡獲取被測樣品三維形貌的速度和精度。

為了提高傳統線共焦顯微鏡的測量速度，發表在《Optics Letters》上的《Locallyadaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文獻中：提出了采用一種變閾值的峰值提取算法，能滿足大采樣間隔時探測得到的線共焦響應強度信號的高精度處理，顯著地提高線共焦顯微測量速度和精度。但是，上述方法仍需要機械裝置掃描，限制了線共焦顯微測量速度的進一步提高。發表在《Optics Letters》上的《Simpledifferential digital confocal aperture to improve axial response of line-scanning confocal microendoscopes》文獻中：通過使用兩個狹縫探測器，其中一個狹縫探測器放置在與狹縫照明光源共軛位置前一個微小間隔處，另一個探測器放置于與狹縫照明光源共軛位置后相等的微小間隔處，通過對兩個狹縫探測器采集的共焦響應強度值做差分操作，快速獲取被測樣品表面上一條直線上點的位移信息。但是，上述方法在裝置構建過程中存在如下缺陷：其一、狹縫探測共軛光路的調整極其復雜，上述方法中采用雙探測狹縫探測器的設計將進一步使得光路調整復雜；其二、兩個的狹縫探測器沿光束光軸方向上的位移偏置需要控制在微米量級，對機械零件的加工速度提出了極高的要求。

另一方面，傳統線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，結合線共焦探測技術，通過處理面光譜成像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，線色散共焦技術對光譜成像探測設備光譜分辨能力提出了較高要求，且采集頻率受面陣探測器的性能限制通常只能達到kHz至10 kHz左右。

發明內容