CN103411554A - 基于量子点效应的量子随动针孔微结构角谱扫描测量装置 - Google Patents
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Abstract
基于量子点效应的量子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，主要涉及一种基于量子点效应的量子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量子随动针孔探测光路，并采用量子点物质膜；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量子针孔存在，从而使得量子随动针孔与CCD相机像素之间无需进行精密装调，同时避免照明光束与量子光束的光谱重叠，有利于量子光谱信号的检测。
Description
技术领域
基于量子点效应的量子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，主要涉及一种基于量子点效应的量子随动针孔微结构角谱扫描测量装置。
背景技术
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。
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。
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
为了解决上述问题，本发明设计了一种基于量子点效应的量子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量子针孔存在，从而使得量子随动针孔与CCD相机像素之间无需进行精密装调，同时将透明薄基底材料均匀镀有量子点物质，使得入射光束被量子物质吸收后，发出比入射光束波长更长的光束，避免照明光束与量子光束的光谱重叠，有利于量子光谱信号的检测。
本发明的目的是这样实现的：
基于量子点效应的量子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、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、量子随动针孔、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，经管镜会聚到量子随动针孔，利用量子点的量子限域效应产生荧光，并被第二成像透镜和窄带滤光片成像到CCD相机，构成量子随动针孔探测光路；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量子随动针孔所在平面。CCD相机位于第二成像透镜像平面，滤光片放置于量子随动针孔和CCD相机之间；所述的量子随动针孔为均有镀有量子点物质的透明薄基底材料。
上述基于量子点效应的量子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。
本发明通过引入角谱扫描照明光路，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。
本发明还引入量子随动针孔探测光路，利用量子点物质膜实现阵列针孔点探测，从而大幅度提高测量速度；同时利用量子随动针孔中具有量子点物质密度大的特点，实现每个CCD相机像素前均有对应的量子针孔存在，从而使得量子随动针孔与CCD相机像素之间无需进行精密装调。
本发明将透明薄基底材料均匀镀有量子点物质，而量子点的荧光强度比常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍；它的稳定性是“罗丹明6G”的100倍以上；同时具有较大的斯托克斯位移，使得入射光束被量子物质吸收后，发出比入射光束波长更长的光束，避免照明光束与量子光束的光谱重叠，有利于量子光谱信号的检测。
附图说明
图1是本发明基于量子点效应的量子随动针孔微结构角谱扫描测量装置结构示意图。
图2是本发明基于量子点效应的量子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。
图3是本发明基于量子点效应的量子随动针孔微结构角谱扫描测量装置量子随动针孔探测光路图。
图4是光束入射量子随动针孔示意图。
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量子随动针孔、13第二成像透镜、14窄带滤光片、15CCD相机。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。
本实施例的基于量子点效应的量子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、量子随动针孔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镜9、第二光阑8，并由分光镜7反射，经管镜11会聚到量子随动针孔12，利用量子点的量子限域效应产生荧光，并被第二成像透镜13和窄带滤光片14成像到CCD相机15，构成量子随动针孔探测光路，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的物平面重合于量子随动针孔12所在平面。CCD相机15位于第二成像透镜13像平面，滤光片14放置于量子随动针孔12和CCD相机15之间；所述的量子随动针孔12为均有镀有量子点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。
光束入射量子随动针孔12的示意图如图4所示。其中，圆圈表示量子点物质，直径一般不超过一百纳米，量子点物质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，远大于量子点物质直径。对应的黑色量子点物质为有效随动针孔；白色长方形为无效成像区域，对应的白色量子点物质为无效随动针孔。因此使得有效成像区域发生微小位移时，依然有对应的量子随动针孔12与之匹配。
本发明采用量子点作为点探测物质具有以下优点：量子点的荧光强度比常用的有机荧光材料“罗丹明6G”高20倍；它的稳定性是“罗丹明6G”的100倍以上；同时具有较大的斯托克斯位移，使得入射光束被量子物质吸收后，发出比入射光束波长更长的光束，避免照明光束与量子光束的光谱重叠，有利于量子光谱信号的检测。
利用本发明基于量子点效应的量子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的步进转动位置以及第二扫描振镜3的步进转动位置排列组合，得到Nx×Ny×Nz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，进而在量子随动针孔12表面形成Nx×Ny×Nz个像；
步骤c利用量子随动针孔12和CCD相机15构成的M个量子点探测器阵列，对被测微结构的Nx×Ny×Nz个像进行探测，进而得到Nx×Ny×Nz×M个光强数据；
步骤d、利用计算机处理步骤c得到的Nx×Ny×Nz×M个光强数据，得到被测微结构样品上M个点、Nx×Ny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。
Claims (2)
1.基于量子点效应的量子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）、显微物镜（9）、扫描载物台（10）、管镜（11）、量子随动针孔（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（7）反射，经管镜（11）会聚到量子随动针孔（12），利用量子点的量子限域效应产生荧光，并被第二成像透镜（13）和窄带滤光片（14）成像到CCD相机（15），构成量子随动针孔探测光路；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）的物平面重合于量子随动针孔（12）所在平面。CCD相机（15）位于第二成像透镜（13）像平面，滤光片（14）放置于量子随动针孔（12）和CCD相机（15）之间；所述的量子随动针孔（12）为均有镀有量子点物质的透明薄基底材料。
2.根据权利要求1所述的基于量子点效应的量子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。
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