具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜.pdf

本发明属于光学显微成像及微观测量技术领域，涉及一种具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜。该显微镜采用共焦干涉显微成像技术来改善共焦显微镜的轴向分辨力，采用超分辨光瞳滤波技术来改善共焦显微镜的横向分辨力，继而达到改善共焦显微镜的空间分辨成像能力。该显微镜包括光源部分(1)，依次放在光源发射端的扩束准直镜(2)、光瞳滤波器(3)、分光镜(4)、放置在分光镜(4)反射光束传播路径上的物镜(5)，包括用于反射分光镜(4)透射光束的参考反射镜(6)，还包括汇聚测量光束和参考光束的聚光镜(7)和放置在聚光镜(7)焦点上的探测器(8)。该共焦干涉显微镜可用于测量样品的三维表面形貌、三维微细结构、微台阶、微沟槽和集成电路线宽等。

1.  一种具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征在于该显微镜包括光源(1)，依次放在光源发射端的扩束准直镜(2)、光瞳滤波器(3)、分光镜(4)、放置在分光镜(4)反射光束传播路径上的物镜(5)，包括反射分光镜(4)透射光束的参考反射镜(6)，还包括汇聚测量光束和参考光束的聚光镜(7)和放置在聚光镜(7)焦点上的探测器(8)。

2.  根据权利要求1所述的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征是所述光源(1)由相干光源(13)、聚光镜(14)、光阑(10)构成，相干光源(13)经聚光镜(14)聚焦到光阑(10)上形成高亮度相干点光源。

3.  根据权利要求1所述的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征是所述光源(1)由相干光源(13)、聚焦镜(14)和单模光纤(21)构成，单模光纤(21)的出射端A形成高亮度的相干点光源。

4.  根据权利要求1所述的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征是所述探测器(8)由单模光纤(21)和光电接收器(12)构成，单模光纤(21)B端的出射光被光电接收器(12)全部接收，单模光纤(21)的入射端B位于聚光镜(7)的焦点上。

5.  根据权利要求1所述的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征是所述探测器(8)由针孔(11)和光电接收器(12)构成，光电接收器(12)紧贴针孔(11)后面。

6.  根据权利要求1所述的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征是光瞳滤波器(3)位于扩束准直镜(2)与分光镜(4)之间、或放置在聚光镜(7)与分光镜(4)之间、或放置分光镜(4)与物镜(5)之间，还可以放置在聚光镜(7)与探测器(8)之间。

7.  根据权利要求1所述的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其特征是光瞳滤波器(3)是位相型滤波器、或振幅型滤波器、或振幅位相混合型滤波器、或环形光整形器件。

8.  根据权利要求7所述的环形光整形器件，其特征是所述的环形光整形器件是圆环形位相分布的二元光学器件。

具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜
技术领域
本发明属于光学显微成像及微观测量技术领域，涉及一种具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜，其可用于测量样品的三维表面形貌、三维微细结构、微台阶、微构槽、集成电路线宽等。
背景技术
共焦显微镜的思想最早由美国学者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年获得美国专利，专利号为US3013467。共焦显微镜将点光源、点物和点探测器三者置于彼此对应的共轭位置，构成光学显微成像中独具层析能力的点照明和点探测显微成像系统。一般共焦显微镜的基本原理如图1所示，光源1发出的光经光阑10、物镜5在被测物体表面9聚焦成光斑后被被测物体9反射，反射光被分光镜4反射，将来自物体的信号光导入放置于光电探测器12前面的针孔11内，在光电探测器12处形成点检测，光电探测器12主要接收来自物镜焦点处的信号光，焦点以外的反回光被针孔11遮挡。当物体位于焦平面A时，光电探测器12接收到的光能最大，当物体偏离焦平面A时，反射光被聚焦于针孔前或后的某一位置，此时光电探测器12仅接收一小部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的信号要比在焦平面时弱，这样就可以通过光电探测器12检测光强信号的强弱变化来反映物体相对于焦平面的位置。当物体沿垂直于光轴方向的x-y平面内作扫描运动时，共焦显微镜依据光轴z向离焦信号、x向和y向的位移大小，即可构建出被测物体的三维轮廓。在光学显微镜成像中，共焦显微镜因其具有独特的层析成像能力，这就使其广泛应用于生物工程、医学检测、信息存储、微电子、半导体材料及表面轮廓测量等领域。
共焦显微镜因其具有三维层析成像能力而被广泛应用于微电子学、材料、工业精密检测、生物医学、生命科学等领域中进行成像测量，但由于受衍射现象的限制，制约了其成像分辨能力的进一步提高。尽管其成像分辨能力可以通过增大物镜数值孔径值NA和减小光波波长等传统的方法来改善，但其改善程度仍受衍射极限的限制。为从根本上突破衍射极限，改善共焦显微镜的成像分辨能力，近来已有众多非传统的共焦显微成像原理和超分辨方法被提出。
在共焦显微镜的研究方面，出现了共焦干涉显微镜、4PI共焦显微镜、θ共焦显微镜，基于光学非线性行为的双光子和多光子共焦显微镜等。其中，在共焦干涉显微镜的研究方面，M.顾报道了将干涉技术和共焦显微技术相融合的基本思想(详见“共焦显微术的三维成像原理”，M.顾著，王桂英等译，新时代出版社，2000年1月出版)，其原理如图2所示，光源1发出的点光源经扩束准直镜2准直为平行光束，该平行光束被分光镜4分为测量光束和参考光束，测量光束经物镜5聚焦在被测物9表面后被反射到聚光镜7，参考光束经参考反射镜6反射后到达聚光镜7，聚光镜7将测量光束和参考光束会聚并产生干涉，探测器8位于聚光镜7的焦点用于探测共焦干涉信号，其大小对应被测物相对于物镜5焦点处的相对位移。该共焦干涉显微镜在保留共焦显微镜横向分辨特性高的前提下，可通过干涉技术来提高共焦显微镜的轴向分辨力。
在超分辨成像技术方面，已研究的方法和技术可归纳为以下几类，一类是减小由瑞利判据决定的爱里斑，但不增大光学系统的空间截止频率，常用的技术包括：光瞳滤波技术、移相掩模技术、基于光学性质非线性变化的超分辨技术等；第二类是通过增大光学系统空间截止频率，增加高频光线所占比例，来减小光学系统的爱里斑主瓣；第三类是通过改变光学系统入射光束空间频率分布，来达到减小光学系统爱里斑的主瓣，一般可通过离轴照明技术、变形照明技术、正交偏振光照明技术、环形光照明技术和干涉光束空间频移法等光源照明技术来实现。
总体上看，上述新型共焦显微镜和超分辨方法与技术，改善了共焦显微镜的成像分辨特性，解决了众多共焦显微镜超分辨显微成像测量的需求，但在共焦显微镜的三维超分辨成像方面不尽如意。尽管现有的三维超分辨光瞳滤波器可用于改善共焦显微镜的三维超分辨成像能力，但它们却存在既要进行横向超分辨又要兼顾轴向超分辨，三维超分辨效果通常不是特别显著的缺点，使共焦显微镜的空间分辨成像能力未有显著改善。
发明内容
本发明的目的是为克服上述已有技术的不足，提供一种横向光学超分辨、轴向共焦干涉高分辨力的具有高空间分辨成像能力(即轴向分辨力和横向分辨力都高)的共焦干涉显微镜，以期实现对微电子学、材料、工业精密检测、生物医学、生命科学等领域中进行高空间分辨力显微成像检测。
本发明的思想是将提高轴向分辨力的共焦干涉显微技术和提高横向分辨力的超分辨光瞳滤波共焦显微技术相融合，构成光瞳滤波式的具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜。其采用特定设计的光瞳滤波器对共焦干涉显微镜的光瞳函数进行掩膜修正，进而达到改变波前，锐化爱里斑主瓣，达到提高共焦干涉显微镜的横向超分辨力。共焦显微镜轴向分辨力的提高可通过共焦干涉显微成像技术来实现。这样，便可以达到提高共焦显微镜高空间分辨力的目的。
本发明的技术原理是将分光镜4分束的两束光中的一束作为测量光束，通过共焦显微系统的物镜5聚焦到被测物9表面后又反射到聚光镜7，构成共焦显微测量光路系统；将分光镜4分束的另一光束作为参考光束，该参考光由参考反射镜6和分光镜4反射后，到达聚光镜7，聚光镜7将测量光束和参考光束聚焦在探测器8上产生干涉条纹并由探测器8接收，来达到改善共焦干涉显微系统的轴向分辨特性。由于采用光瞳滤波器3，锐化了共焦干涉显微镜的爱里斑主辨，提高了共焦显微系统的横向分辨成像能力，从而改善了共焦干涉显微镜高空间分辨成像的能力。
本发明具有高空间分辨成像能力地共焦干涉显微镜包括光源1，依次放在光源发射端的扩束准直镜2、光瞳滤波器3、分光镜4、放置在分光镜4反射光束传播路径上的物镜5，包括反射分光镜4透射光束的参考反射镜6，还包括汇聚测量光束和参考光束的聚光镜7和放置在聚光镜7焦点上的探测器8。
本发明优先选用光源1由相干光源13、聚焦镜14和单模光纤21构成，单模光纤21的出射端A形成高亮度的相干点光源。光源1还可以由相干光源13、聚光镜14、光阑10构成，相干光源13经聚光镜14聚焦到光阑10上形成高亮度相干点光源。
本发明优先选用探测器8由单模光纤21和光电接收器12构成，单模光纤21 B端的出射光被光电接收器12全部接收，单模光纤21的入射端B位于聚光镜7的焦点上，使单模光纤21入射端B起到共焦显微镜针孔11的作用。探测器8还可以由针孔11和光电接收器12构成，光电接收器12紧贴针孔11后面。
光瞳滤波器3可以位于扩束准直镜2与分光镜4之间、也可放置在聚光镜7与分光镜4之间，分光镜4与物镜5之间，还可以位于聚光镜7与探测器8之间。光瞳滤波器3可以是位相型滤波器、振幅型滤波器、振幅位相混合型滤波器和环形光整形器件23，环形光整形器件23可以是圆环形位相分布的二元光学器件。
本发明中，可以在物镜5前面设置一个z向显微物镜微定位器18，用于扩展显微镜z向跟踪扫描范围。
本发明光瞳滤波器3优先选用环形光整形器件23，通过特定设计的环形光整形器件23，将共焦显微镜的入射激光光束整形为横向超分辨所需的特定结构的环形光，从而达到改善共焦显微镜的横向分辨力，同时，通过采用共焦干涉的光路布置，提高共焦显微镜的轴向分辨力。进而避免了已有的三维超分辨光瞳滤波器用于改善共焦显微镜时，既要提高横向分辨力，又要提高轴向分辨力，从而降低了光瞳滤波器3三维超分辨的综合性能。
本发明具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜具有如下优点：
1)改善共焦干涉显微镜的三维超分辨能力；
2)在提高横向分辨能力的同时，扩展共焦干涉显微系统的轴向量程范围；
3)可改善共焦干涉显微系统的离焦特性。
附图说明
图1为现有的共焦显微镜的示意图；
图2为现有共焦干涉显微镜的示意图；
图3为本发明具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜的示意图；
图4为本发明优选实施例一的示意图；
图5为本发明优选实施例二的示意图；
图6为本发明优选实施例一在不同ε下的横向归一化响应仿真曲线；
图7为本发明优选实施例一在ε＝0.5情况下的轴向归一化响应仿真曲线。
其中，1光源，2扩束准直镜，3光瞳滤波器，4分光镜，5物镜，6参考反射镜，7聚光镜，8探测器，9被测物体，10光阑，11针孔，12光电探测器，13相干光源，14聚焦镜，15λ/4波片，16探测信号放大处理系统，17计算机测量控制系统，18z向显微物镜微定位器，19可调光阑，20x-y二维工作台，21单模光纤，22偏振分光镜，23环形光整形器件，24ε＝0时实施例一的横向归一化响应仿真曲线，25ε＝0.25时实施例一的横向归一化响应仿真曲线，26ε＝0.50时实施例一的横向归一化响应仿真曲线，27ε＝0.75时实施例一的横向归一化响应仿真曲线，28ε＝0.50时实施例一的轴向归一化响应仿真曲线。
下面参照附图和优选实施例对本发明进行进一步的描述，说明本发明的技术方案、特征和优点。
具体实施方式
本发明具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜的结构及工作原理结合实施例及附图说明如下：
本发明优选实施例一的结构如图4所示，其包括激光器13，依次放在激光器13发射端的聚焦镜14、光阑10、扩束准直镜2、整形入射光为环形光的环形光整形器件23、调整环形光内外环归一化半径的可调光阑19、偏振分光镜22、放置在偏振分光镜22反射的测量光束传播路径上的λ/4波片15、z向显微物镜微定位器18、物镜5和x-y二维工作台20；包括放置在经偏振分光镜22透射的参考光束传播路径上的λ/4波片15和参考反射镜6；包括汇聚测量光束和参考光束的聚光镜7、放置在聚光镜7焦点上的针孔11、紧贴针孔11后的光电探测器12、与光电探测器12相连的一个探测信号放大处理系统16、一个计算机测量控制系统17和x-y二维工作台20，整个测量过程由计算机测量控制系统17控制和处理。
由于采用了整形环形光照射，增加了激光束照射系统高频光线所占的比例，使共焦干涉显微系统爱里斑的主瓣变小，从而达到提高共焦显微系统的横向分辨成像能力，同时通过共焦干涉减小了轴向响应特性的主瓣半高宽，改善了共焦干涉系统的轴向分辨特性，从而达到改善共焦干涉显微镜高空间分辨成像的能力。
本发明优选实施例一的环形光整形器件3可以位于扩束准直镜2与偏振分光镜22之间，也可放置在聚光镜7与偏振分光镜22之间，还可以放在偏振分光镜22与物镜5之间。环形光整形器件可以是圆环形位相分布的二元光学器件。
本发明另一个优选实施例二的结构如图5所示，与实施例一不同的是光源1为由激光器13、依次放在激光器发射端的聚焦镜14，单模光纤21构成的相干点光源系统，光束经单模光纤出射端B形成高亮度相干点光源。探测器8还可以是由单模光纤21和光电接收器12构成的点探测系统，单模光纤21的入射端B功能上等价为共焦显微系统的针孔11，用于满足共焦干涉显微镜所需的点探测要求。
下面对本发明实施例一的轴向和横向响应特性进行仿真，来进一步说明其高空间成像能力。
本发明实施例一中测量物镜8选用40×0.65普通平场消色差显微物镜，针孔11直径选用10μm。
ε为环形光内环半径与外环半径之比，图6给出了ε＝0、0.25、0.50和0.75时的本发明实施例一的横向归一化响应仿真曲线24、25、26和27。由图6可见，随着ε的增加，本发明共焦干涉显微镜的横向分辨力增大。
图7给出了ε＝0.50时，本发明实施例一的横向归一化响应仿真曲线28。由图7可见，本发明实施例一的轴向响应中心曲线的半高宽明显小于共焦干涉显微镜轴向响应轮廓曲线的半高宽，即干涉技术的引入改善了共焦显微镜的轴向分辨力。
可见，本发明实施例一的空间分辨成像能力得到改善。
以上结合附图对本发明的具体优选实施方式和仿真效果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。