CN102768015B - 荧光响应随动针孔显微共焦测量装置 - Google Patents

Abstract

荧光响应随动针孔显微共焦测量装置属于光学显微测量技术；在脉冲激光器直射光路配置准直扩束器和第一、第二分光镜，光功率计配置在第一分光镜反射光路上，在第二分光镜反射光路上配置聚焦物镜和三维微位移载物台，长焦双胶合透镜和二向色镜配置在第二分光镜透射光路上，在二向色镜透射光路上配置双光子荧光激发反射镜，在二向色镜反射光路上配置窄带滤波片、收集物镜和高增益光电探测器；本装置具有针孔自适应调节自由度，克服了测量过程中针孔漂移、扫描光斑漂移问题，兼具杂散光抑制能力强、响应灵敏准确度高的特点。

Description

荧光响应随动针孔显微共焦测量装置

技术领域

本发明属于光学显微测量技术，主要涉及一种用于微结构光学元件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触测量装置。

背景技术

共焦点扫描测量是微光学、微机械、微电子领域中测量三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的重要技术手段之一。其概念首先由M.Minsky于1957年提出，并于1961年申请了专利。M.Minsky的设计初衷是利用点照明和在探测器前加针孔以抑制普通光学显微镜在探测样品时产生的杂散光。70年代末，T.Wilson和C.J.R.Sheppard等人在理论上详细分析了共焦显微成像机理及特性，进一步阐明共焦显微镜的横向分辨率是普通显微镜的1.4倍，同时指出共焦显微镜具有独特的轴向层析特性，正是这一发现使共焦显微成像技术迅速发展起来，共焦显微术的三维成像能力得到了广泛的认可。随后T.Wilson、C.J.R.Sheppard和M.Gu等人对共焦显微镜的成像机理及影响分辨力的各种因素(如针孔尺寸、针孔位置、像差和光瞳函数等)进行了详细分析，进一步完善了共焦显微成像理论。

共焦显微成像技术的基本思想是通过引入物理针孔来抑制杂散光，并产生了轴向层析能力。但物理针孔的引入在抑制了杂散光、提高了分辨力、获得了独特的层析特性的同时，也带来了视场范围不足、光能损失、系统调节困难等问题，针对上述问题学者们对共焦显微成像技术中的接收模式进行了相应改进。其中，T.Dabbs和M.Glass提出了利用单模光纤代替传统共焦针孔的思想，降低了光学系统准直的难度，同时也避免了针孔受灰尘堵塞的弊端，从而使整个系统结构变得更加紧凑。实现共焦层析的方法并不是唯一的借助于物理针孔来实现，而所有方法的本质是对离焦信号的抑制，遵从这一本质，已有技术中有采用CCD探测取代物理针孔实现共焦层析的虚拟针孔探测技术。

但是光纤共焦扫描测量方法与Minsky提出的共焦测量方法的共性不足在于，随着物理针孔的引入，点扫描测量中，随着被测样品表面起伏，针孔漂移的问题较为突出，同时扫描过程中存在着聚焦光斑漂移问题，影响系统响应灵敏度，同时也给系统调节带来困难。而CCD虚拟针孔探测技术受到CCD探测器本身存在的光照面积计算不准确，填充系数不为1的问题的影响，在光强计算中存在较大误差，而且杂散光抑制能力有限。

发明内容

本发明的目的就是针对光纤共焦测量与传统共焦测量技术中存在的针孔的引入导致测量过程中针孔漂移、扫描聚焦光斑漂移以及虚拟针孔探测技术中光照面积计算不准确、杂散光抑制能力有限的不足，并进一步降低系统针孔装调难度，提供了一种荧光响应随动针孔显微共焦测量装置，利用荧光板双光子荧光响应随动针孔效应的非线性光学特性在共焦显微术中实现虚拟针孔的作用，使共焦显微技术针孔具有自适应调整功能，克服传统共焦中针孔漂移、扫描过程中的聚焦光斑漂移的不足，同时用荧光板代替实际针孔或单模光纤，引入针孔调整自由度，避免调整上的困难，且兼具杂散光抑制能力强的特点。

本发明的目的是这样实现的：

荧光响应随动针孔显微共焦测量装置包括脉冲激光器、准直扩束器、第一分光镜、光功率计、第二分光镜、聚焦物镜、三维微位移载物台、长焦双胶合透镜和二向色镜；其中，在脉冲激光器直射光路上依次配置准直扩束器、第一分光镜和第二分光镜，光功率计配置在第一分光镜反射光路上，在第二分光镜反射光路上依次配置聚焦物镜和三维微位移载物台，长焦双胶合透镜和二向色镜依次配置在第二分光镜透射光路上，在二向色镜透射光路上配置双光子荧光激发反射镜，在二向色镜反射光路上依次配置窄带滤波片、收集物镜和高增益光电探测器。

所述装置具有双光子荧光激发反射镜，利用其双光子荧光响应随动针孔效应的非线性光学特性，其辐射光强正比于脉冲激光光强的平方，且辐射波长近似为激励波长的一半，使得荧光辐射的区域限制在很小的立体区域内，对探测光光斑产生切趾效应，实现了虚拟针孔的作用，使共焦显微技术针孔具有自适应调整功能，克服了传统共焦中针孔漂移的问题。同时用荧光板代替实际针孔或单模光纤，避免了调整上的困难，且具有针孔调整自由度，杂散光抑制能力强。

本发明的良好效果在于：

1)利用双光子荧光响应随动针孔效应实现虚拟针孔，具有针孔自适应调整自由度，克服测量过程中针孔漂移、扫描光斑漂移的问题，同时兼具杂散光抑制能力强的特点。

2)引入光功率调整自由度，可通过光功率控制得到最佳荧光激发光功率。

3)探测器前采用单色光滤波技术的窄带滤波片，能有效滤除杂散光。

4)探测器采用高增益光电探测器，相比传统CCD探测器具有响应灵敏，准确度高的优点。

附图说明

附图是荧光响应随动针孔显微共焦测量装置结构示意图。

图中件号说明：1、脉冲激光器、2、准直扩束器、3、第一分光镜、4、光功率计、5、第二分光镜、6、聚焦物镜、7、三维微位移载物台、8、长焦双胶合透镜、9、二向色镜、10、双光子荧光激发反射镜、11、窄带滤波片、12、收集物镜、13、高增益光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。

荧光响应随动针孔显微共焦测量装置包括脉冲激光器1、准直扩束器2、第一分光镜3、光功率计4、第二分光镜5、聚焦物镜6、三维微位移载物台7、长焦双胶合透镜8和二向色镜9；其中，在脉冲激光器1直射光路上依次配置准直扩束器2、第一分光镜3和第二分光镜5，光功率计4配置在第一分光镜3反射光路上，在第二分光镜5反射光路上依次配置聚焦物镜6和三维微位移载物台7，长焦双胶合透镜8和二向色镜9依次配置在第二分光镜5透射光路上，在二向色镜9透射光路上配置双光子荧光激发反射镜10，在二向色镜9反射光路上依次配置窄带滤波片11、收集物镜12和高增益光电探测器13。

测量使用时：

第一步，引入入射光光功率调整自由度，得到最佳荧光激发光功率。

如图1所示，脉冲激光器1发出脉冲光束，经过准直扩束器2后成为近似理想平面波；经过第一分光镜3分为等光强的两束光，一束光由光功率计4接收，引入光功率调整自由度，用于调整光源脉冲强度，对后面探测端荧光板激发光功率进行初步调整。

第二步，共焦成像。

由第一分光镜3透射光经过第二分光镜5，反射光束由聚焦物镜6会聚于放置在三维微位移载物台7上的被测样品表面发生发射；光束再次经过聚焦物镜6、第二分光镜5，透射光由长焦双胶合透镜8收集。

第三步，荧光响应随动针孔滤除杂散光。

长焦双胶合透镜8会聚的光透过二向色镜9，会聚于双光子荧光激发反射镜10，发生双光子激发效应。不同于单光子荧光激发效应，双光子荧光随动针孔技术利用荧光板非线性光学效应，荧光分子同时吸收2个相同的低能光子的概率正比于激励光强的平方，因此辐射光强也正比于激光光强的平方，使得荧光辐射的区域限制在很小的立体区域内，从而起到对光斑的切趾作用，形成虚拟针孔，同时辐射波长近似为激励波长的一半，也有利于提高探测分辨力。而单光子激发模式不具有针孔效应，所以本装置采用双光子荧光激发。

此时调整入射光强度，可进一步调整虚拟针孔尺寸，最终确定本次扫描探测的虚拟针孔的大小，光功率直接反映在光功率计4的探测结果上，调整得到最佳荧光激发光功率。

第四步，滤波、探测。

激发光束经二向色镜9反射，经过窄带滤波片11滤除照明光、收集物镜12由高增益光电探测器13探测，其中探测器采用高增益光电探测器，如PMT等，相对于传统共焦测量的CCD探测器具有较高的响应灵敏度，计算光响应更准确的优点。

Claims (1)

1.一种荧光响应随动针孔显微共焦测量装置，所述的随动针孔是指根据入射光强度，可以进一步调整针孔尺寸大小，从而得到最佳荧光激发光功率；所述装置包括脉冲激光器(1)、准直扩束器(2)、第一分光镜(3)、光功率计(4)、第二分光镜(5)、聚焦物镜(6)、三维微位移载物台(7)、长焦双胶合透镜(8)和二向色镜(9)；其中，在脉冲激光器(1)直射光路上依次配置准直扩束器(2)、第一分光镜(3)和第二分光镜(5)，光功率计(4)配置在第一分光镜(3)反射光路上，在第二分光镜(5)反射光路上依次配置聚焦物镜(6)和三维微位移载物台(7)，长焦双胶合透镜(8)和二向色镜(9)依次配置在第二分光镜(5)透射光路上，其特征在于，在二向色镜(9)透射光路上配置双光子荧光激发反射镜(10)，在二向色镜(9)反射光路上依次配置窄带滤波片(11)、收集物镜(12)和高增益光电探测器(13)。