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1、(10)申请公布号 CN 103411938 A (43)申请公布日 2013.11.27 CN 103411938 A *CN103411938A* (21)申请号 201310354510.4 (22)申请日 2013.08.15 G01N 21/64(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 地址 150001 黑龙江省哈尔滨市南岗区西大 直街 92 号 (72)发明人 刘俭 谭久彬 王宇航 (74)专利代理机构 哈尔滨市伟晨专利代理事务 所 ( 普通合伙 ) 23209 代理人 张伟 (54) 发明名称 反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫 描测量装置 (57) 摘要 反斯托。
2、克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫 描测量装置属于超精密三维微细结构表面形貌 测量领域， 主要涉及一种反斯托克司性质荧光随 动针孔微结构角谱扫描测量装置 ； 该装置设置有 角谱扫描照明光路和荧光随动针孔探测光路， 并 采用反斯托克司性质荧光物质 ； 这种设计， 不仅 可以避免现有会聚光束照明技术导致的某些区域 无法照明或复杂反射的问题， 有效解决探测信号 强度衰减和背景噪声增强， 造成的测量精度降低， 甚至无法测量的问题， 而且可以实现每个 CCD 相 机像素前均有对应的荧光针孔存在， 从而使得荧 光随动针孔与 CCD 相机像素之间无需进行精密装 调， 同时可以采用具有一定穿透能力的近红外激 光。
3、器， 并使得 CCD 相机具有更广泛的选择。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 (10)申请公布号 CN 103411938 A CN 103411938 A *CN103411938A* 1/1 页 2 1. 反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置， 其特征在于 ： 包括激光器 （1） 、 第一扫描振镜 （2） 、 第二扫描振镜 （3） 、 扫描透镜 （4） 、 第一光阑 （5） 、 第一成像透镜 （6） 、 分光镜 （7） 、 第二光阑 （8）。
4、 、 显微物镜 （9） 、 扫描载物台 （10） 、 管镜 （11） 、 荧光随动针孔 （12） 、 第二成像透镜 （13） 、 窄带滤光片 （14） 和CCD相机 （15） ； 从激光器 （1） 发出的光束经过第一扫 描振镜 （2） 和第二扫描振镜 （3） 反射后， 依次经过扫描透镜 （4） 、 第一光阑 （5） 、 第一成像透 镜 （6） 、 分光镜 （7） 、 第二光阑 （8） 、 显微物镜 （9） 照射到随扫描载物台 （10） 轴向运动的被测 微结构样品表面， 构成角谱扫描照明光路 ； 从被测微结构样品表面漫反射的光束再次经过 显微物镜 （9） 、 第二光阑 （8） ， 并由分光镜 （。
5、7） 反射， 经管镜 （11） 会聚到荧光随动针孔 （12） ， 激发出的荧光被第二成像透镜 （13） 和窄带滤光片 （14） 成像到 CCD 相机 （15） ， 构成荧光随 动针孔探测光路 ； 第一扫描振镜 （2） 和第二扫描振镜 （3） 的转轴相互垂直， 扫描透镜 （4） 的 后焦平面与第一成像透镜 （6） 的物平面重合于第一光阑 （5） 所在平面 ； 第一成像透镜 （6） 的 像平面与显微物镜 （9） 的后焦平面重合于第二光阑 （8） 所在平面 ； 管镜 （11） 的前焦平面与 第二成像透镜 （13） 的物平面重合于荧光随动针孔 （12） 所在平面。CCD 相机 （15） 位于第二 成像。
6、透镜 （13） 像平面， 滤光片 （14） 放置于荧光随动针孔 （12） 和 CCD 相机 （15） 之间 ； 所述 的荧光随动针孔 （12） 为均匀镀有具有反斯托克司性质的荧光物质的透明薄基底材料。 2. 根据权利要求 1 所述的反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置， 其 特征在于 ： 所述的透明薄基底材料为厚度不超过 0.17mm 的玻璃， 上下表面平行且进行剖光 处理。 权 利 要 求 书 CN 103411938 A 2 1/4 页 3 反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置 技术领域 0001 反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置属于超精密三维微细结。
7、 构表面形貌测量领域， 主要涉及一种反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装 置。 背景技术 0002 微结构的加工应用主要体现在微电子技术、 微系统技术和微光学技术三个方面， 如计算机芯片、 生物芯片和微透镜阵列等典型应用。 上述技术其共同特征是具有三维结构、 功能结构尺寸在微米、 亚微米或纳米量级， 这种结构的微纳米化不仅仅带来能源与原材料 的节省， 更推动了现代科技的进步， 直接带动了相关产业的发展。 随着微加工技术的飞速发 展， 能够对该类样品进行快速无损三维检测的仪器将拥有巨大的应用前景。 0003 美国专利 US3013467， 第一次公开了一种共焦成像技术， 该发明通过引入。
8、点光源、 点照明和点探测三点光学共轭的共焦成像技术， 获得了对样品轮廓的轴向探测能力， 配合 水平方向载物台的移动进而实现三维测量。中国专利 CN1395127A， 公开了一种共焦显微测 量系统。 该发明利用共焦技术， 通过在共焦光路中引入干涉光路， 获得高灵敏度的干涉测量 信号， 实现对样品轴向的高精度测量。美国专利 US6282020B1， 公开了一种基于扫描振镜的 共焦显微系统。 该发明利用共焦原理， 通过引入振镜扫描技术， 获得了汇聚照明光斑在样品 表面高速移动的能力， 实现了快速共焦探测， 提高了测量速度。 但是上述三种方法都是将平 行光束通过显微物镜汇聚到样品表面进行照明， 当进行。
9、三维样品测量时， 由于样品自身表 面轮廓的高低起伏， 对汇聚照明光束进行遮挡， 会导致某些区域无法照明或者发生复杂反 射， 进而造成探测信号强度的衰减和背景噪声的增强， 使得测量精度降低， 甚至无法测量。 0004 中国专利公开号 CN1971333A， 发明名称为采用虚拟针孔的共焦显微成像系统， 公 开了一种基于虚拟针孔技术的共焦显微成像系统， 该发明利用在 CCD 采集到的二维数字图 像上的相应位置设置虚拟针孔， 通过计算机处理得到虚拟针孔内的光强信息， 从而实现无 实物针孔的共焦显微成像系统， 从而具有针孔位置和大小可控， 校准方便的特点。 但是该发 明基于基本的共焦点对点成像原理， 一。
10、次探测只能对样品上一点进行成像， 如想对被测样 品的一定区域进行成像， 需要外加机械三维扫描机构， 从而导致测量速度难以提高。 中国专 利 CN1632448A， 发明名称为三维超分辨共焦阵列扫描显微探测方法及装置， 公开了一种阵 列针孔技术， 通过在 CCD 前引入针孔阵列， 实现并行共焦测量。但是该方法需要阵列针孔位 置与 CCD 像素位置精密对准， 从而导致装调困难。 发明内容 0005 为了解决上述问题， 本发明设计了一种反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱 扫描测量装置 ； 该装置不仅可以避免现有会聚光束照明技术导致的某些区域无法照明或复 杂反射的问题， 有效解决探测信号强度衰减和背。
11、景噪声增强， 造成的测量精度降低， 甚至无 法测量的问题， 而且可以实现每个 CCD 相机像素前均有对应的荧光针孔存在， 从而使得荧 说 明 书 CN 103411938 A 3 2/4 页 4 光随动针孔与 CCD 相机像素之间无需进行精密装调， 同时使入射光束被荧光物质吸收后， 发出比入射光束波长更短的光束， 进而可以使用具有一定穿透能力的近红外激光器， 近红 外光被荧光物质吸收后， 发出可见光， 采用可见光波段的 CCD 相机， 使得 CCD 相机具有更广 泛的选择。 0006 本发明的目的是这样实现的 ： 反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置， 包括激光器、 第一扫描振镜、。
12、 第二扫描振镜、 扫描透镜、 第一光阑、 第一成像透镜、 分光镜、 第二光阑、 显微物镜、 扫描载物 台、 管镜、 荧光随动针孔、 第二成像透镜、 窄带滤光片和 CCD 相机 ； 从激光器发出的光束经过 第一扫描振镜和第二扫描振镜反射后， 依次经过扫描透镜、 第一光阑、 第一成像透镜、 分光 镜、 第二光阑、 显微物镜照射到随扫描载物台轴向运动的被测微结构样品表面， 构成角谱扫 描照明光路 ； 从被测微结构样品表面漫反射的光束再次经过显微物镜、 第二光阑， 并由分光 镜反射， 经管镜会聚到荧光随动针孔， 激发出的荧光被第二成像透镜和窄带滤光片成像到 CCD 相机， 构成荧光随动针孔探测光路 ；。
13、 第一扫描振镜和第二扫描振镜的转轴相互垂直， 扫 描透镜的后焦平面与第一成像透镜的物平面重合于第一光阑所在平面 ； 第一成像透镜的像 平面与显微物镜的后焦平面重合于第二光阑所在平面 ； 管镜的前焦平面与第二成像透镜的 物平面重合于荧光随动针孔所在平面。 CCD相机位于第二成像透镜像平面， 滤光片放置于荧 光随动针孔和 CCD 相机之间 ； 所述的荧光随动针孔为均匀镀有具有反斯托克司性质的荧光 物质的透明薄基底材料。 0007 上述反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置， 所述的透明薄基底 材料为厚度不超过 0.17mm 的玻璃， 上下表面平行且进行剖光处理。 0008 本发明通过引入。
14、角谱扫描照明光路， 实现平行光束以不同入射角度照明被测微结 构样品， 进而使被测微结构样品的每一点都能找到对应的最佳照明角度， 避免现有会聚光 束照明技术导致的某些区域无法照明或复杂反射的问题， 有效解决探测信号强度衰减和背 景噪声增强， 造成的测量精度降低， 甚至无法测量的问题。 0009 本发明还引入荧光随动针孔探测光路， 利用具有反斯托克司性质的荧光物质膜实 现阵列针孔点探测， 从而大幅度提高测量速度 ； 同时利用荧光随动针孔中具有反斯托克司 性质的荧光物质密度大的特点， 实现每个 CCD 相机像素前均有对应的荧光针孔存在， 从而 使得荧光随动针孔与 CCD 相机像素之间无需进行精密装调。
15、。 0010 本发明将透明薄基底材料均匀镀有具有反斯托克司性质的荧光物质， 使入射光 束被荧光物质吸收后， 发出比入射光束波长更短的光束， 其有益效果在于可以使用具有一 定穿透能力的近红外激光器， 近红外光被荧光物质吸收后， 发出可见光， 采用可见光波段的 CCD 相机， 使得 CCD 相机具有更广泛的选择。 附图说明 0011 图 1 是本发明反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置结构示意 图。 0012 图 2 是本发明反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置中角谱扫 描照明光路图。 0013 图 3 是本发明反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置荧光随动 说 。
16、明 书 CN 103411938 A 4 3/4 页 5 针孔探测光路图。 0014 图 4 是光束入射荧光随动针孔示意图。 0015 图中 ： 1 激光器、 2 第一扫描振镜、 3 第二扫描振镜、 4 扫描透镜、 5 第一光阑、 6 第一 成像透镜、 7 分光镜、 8 第二光阑、 9 显微物镜、 10 扫描载物台、 11 管镜、 12 荧光随动针孔、 13 第二成像透镜、 14 窄带滤光片、 15CCD 相机。 具体实施方式 0016 下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。 0017 本实施例的反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置结构示意图 如图 1 所示， 该装置包。
17、括激光器 1、 第一扫描振镜 2、 第二扫描振镜 3、 扫描透镜 4、 第一光阑 5、 第一成像透镜 6、 分光镜 7、 第二光阑 8、 显微物镜 9、 扫描载物台 10、 管镜 11、 荧光随动针 孔 12、 第二成像透镜 13、 窄带滤光片 14 和 CCD 相机 15 ； 从激光器 1 发出的光束经过第一扫 描振镜2和第二扫描振镜3反射后， 依次经过扫描透镜4、 第一光阑5、 第一成像透镜6、 分光 镜 7、 第二光阑 8、 显微物镜 9 照射到随扫描载物台 10 轴向运动的被测微结构样品表面， 构 成角谱扫描照明光路， 如图 2 所示 ； 从被测微结构样品表面漫反射的光束再次经过显微物。
18、 镜 9、 第二光阑 8， 并由分光镜 7 反射， 经管镜 11 会聚到荧光随动针孔 12， 激发出的荧光被 第二成像透镜 13 和窄带滤光片 14 成像到 CCD 相机 15， 构成荧光随动针孔探测光路， 如图 3 所示 ； 第一扫描振镜2和第二扫描振镜3的转轴相互垂直， 扫描透镜4的后焦平面与第一成 像透镜 6 的物平面重合于第一光阑 5 所在平面 ； 第一成像透镜 6 的像平面与显微物镜 9 的 后焦平面重合于第二光阑 8 所在平面 ； 管镜 11 的前焦平面与第二成像透镜 13 的物平面重 合于荧光随动针孔 12 所在平面。CCD 相机 15 位于第二成像透镜 13 像平面， 滤光片 。
19、14 放置 于荧光随动针孔 12 和 CCD 相机 15 之间 ； 所述的荧光随动针孔 12 为均匀镀有具有反斯托克 司性质的荧光物质的透明薄基底材料。所述的透明薄基底材料为厚度不超过 0.17mm 的玻 璃， 上下表面平行且进行剖光处理。选择不超过 0.17mm 的玻璃， 不仅可以减小像差， 而且可 以直接采用盖玻片作为透明薄基底材料的原料， 节约成本。 0018 光束入射荧光随动针孔 12 的示意图如图 4 所示。其中， 圆圈表示荧光分子， 直径 一般在几十到几百纳米， 荧光分子下方的长方形为透明薄基底材料， 最下方的黑色长方形 为有效成像区域， 其直径一般在五微米左右， 远大于荧光分子直。
20、径。 对应的黑色荧光分子为 有效随动针孔 ； 白色长方形为无效成像区域， 对应的白色荧光分子为无效随动针孔。 因此使 得有效成像区域发生微小位移时， 依然有对应的荧光随动针孔与之匹配。 0019 本实施例中的反斯托克司性质指的入射光束被荧光物质吸收后， 发出比入射光束 波长更短的光束。 这种方式可以使用具有一定穿透能力的近红外激光器1， 近红外光被荧光 物质吸收后， 发出可见光， 采用可见光波段的CCD相机15， 使得CCD相机15具有更广泛的选 择。 0020 利用本发明反斯托克司性质荧光随动针孔微结构角谱扫描测量装置进行被测微 结构样品表面测量的方法为 ： 步骤 a、 设定第一扫描振镜 2。
21、 的步进转动次数为 Nx、 第二扫描振镜 3 的步进转动次数为 Ny、 扫描载物台 10 沿光轴方向的步进移动次数为 Nz， CCD 相机 15 中的像素个数为 M ； 步骤b、 将步骤a设定的扫描载物台10的步进移动位置、 第一扫描振镜2的步进转动位 说 明 书 CN 103411938 A 5 4/4 页 6 置以及第二扫描振镜 3 的步进转动位置排列组合， 得到 NxNyNz个不同空间位置， 在每个 空间位置对被测微结构样品进行角谱照明， 进而在荧光随动针孔 12 表面形成 NxNyNz个 像 ； 步骤 c 利用荧光随动针孔 12 和 CCD 相机 15 构成的 M 个荧光点探测器阵列，。
22、 对被测微 结构的 NxNyNz个像进行探测， 进而得到 NxNyNzM 个光强数据 ； 步骤d、 利用计算机处理步骤c得到的NxNyNzM个光强数据， 得到被测微结构样品 上 M 个点、 NxNy个角谱照明角度下的轴向响应曲线， 根据共焦原理首先判断每一点与理论 sinc 函数平方曲线最匹配的轴向响应曲线， 即最佳角谱照明角度， 进而计算得到每一点的 轴向坐标 ； 步骤 e、 根据每一点的平面位置和步骤 d 得到对应的轴向坐标， 重构出被测微结构样品 的三维结构。 说 明 书 CN 103411938 A 6 1/2 页 7 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 103411938 A 7 2/2 页 8 图 3 图 4 说 明 书 附 图 CN 103411938 A 8 。