CN103411561A - 基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法 - Google Patents

基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法 Download PDF

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Abstract

基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法属于微结构表面形貌成像领域；该装置从激光器发出的光束经过二维扫描振镜反射后，依次经过扫描透镜、第一光阑、成像透镜、分光镜、第二光阑、显微物镜照射到被测微结构样品表面，由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，经管镜聚焦到CCD相机成像；该方法将二维扫描振镜置于不同空间位置，得到多张被测微结构样品图像，并重构被测微结构样品图像；这种设计使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。

Description

基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法
技术领域
 基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法属于微结构表面形貌成像领域，具体涉及一种基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法。
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观察检测的仪器将拥有巨大的应用前景。
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。但是上述两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。
发明内容
为了解决上述问题，本发明公开了一种基于角谱扫描照明的微结构成像装置与方法，使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。
本发明的目的是这样实现的：
基于角谱扫描照明的微结构成像装置，沿光线传输方向依次配置激光器、二维扫描振镜、扫描透镜、第一光阑、成像透镜、分光镜、第二光阑、显微物镜、载物台、管镜和CCD相机；从激光器发出的光束经过二维扫描振镜反射后，依次经过扫描透镜、第一光阑、成像透镜、分光镜、第二光阑、显微物镜照射到随载物台轴向运动的被测微结构样品表面，由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，经管镜聚焦到CCD相机成像；二维扫描振镜在其所在平面或与其平行平面内，以相互垂直的两个方向为转轴，进行二维转动；两个转轴的交点位于扫描透镜的后焦平面位置；扫描透镜的前焦平面与成像透镜的物平面重合于第一光阑所在平面，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。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像装置，在二维扫描振镜背离光束传播的方向，设置有十字轴或球笼式万向节。
基于角谱扫描照明的微结构成像方法，所述方法包括以下步骤：
步骤a、将被测微结构样品置于显微物镜前焦平面，设定二维扫描振镜两个转动方向的步进转动次数分别为Nx和Ny；
步骤b、根据步骤a设定的两个转动方向的步进转动次数Nx和Ny，将二维扫描振镜置于Nx×Ny个不同空间位置，在每个空间位置对被测微结构样品成像，得到Nx×Ny张被测微结构样品图像；
步骤c、对比Nx×Ny张被测微结构样品图像中坐标相同的像素灰度值大小，挑选出灰度值极大值，按之前的坐标位置重构被测微结构样品图像。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像方法，二维扫描振镜在相同步进转动方向的相邻两个步进转动位置夹角相同。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像方法，二维扫描振镜在相同步进转动方向的相邻两个步进转动位置夹角不同。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像方法，所述的步骤b将二维扫描振镜所处的Nx×Ny个不同空间位置用Nx行Ny列或Nx列Ny行矩阵表示，二维扫描振镜的步进转动顺序为：
方式一：第一行从左至右、行数增加的方式；
方式二：第一行从右至左、行数增加的方式；
方式三：最后一行从左至右、行数减少的方式；
方式四：最后一行从右至左、行数减少的方式。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像方法，所述的步骤b将二维扫描振镜所处的Nx×Ny个不同空间位置用Nx行Ny列或Nx列Ny行矩阵表示，二维扫描振镜的步进转动顺序为：
方式一：第一行从左至右、行数增加，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式二：第一行从右至左、行数增加，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式三：最后一行从左至右、行数减少，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式四：最后一行从右至左、行数减少，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式。
由于本发明设置有照明光路，使照明光束平行入射到被测微结构样品表面，并且通过转动二维扫描振镜来改变照明光束的照射角度，这种设计使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。
附图说明
图1是本发明基于角谱扫描照明的微结构成像装置总光路图。
图2是本发明基于角谱扫描照明的微结构成像装置照明光路图。
图3是本发明基于角谱扫描照明的微结构成像装置成像光路图。
图4是本发明基于角谱扫描照明的微结构成像方法流程图。
图中：1激光器、2二维扫描振镜、3扫描透镜、4第一光阑、5成像透镜、6分光镜、7第二光阑、8显微物镜、9载物台、10管镜、11CCD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。
所谓角谱扫描照明，是以平行光束照明被测微结构样品表面并且通过扫描机构或其它技术手段实现连续改变或离散改变平行光的入射角度，该种照明方式在频域中的描述即为角谱扫描照明。
具体实施例一
本实施例的基于角谱扫描照明的微结构成像装置总光路图如图1所示，该成像装置沿光线传输方向依次配置激光器1、二维扫描振镜2、扫描透镜3、第一光阑4、成像透镜5、分光镜6、第二光阑7、显微物镜8、载物台9、管镜10和CCD相机11；从激光器1发出的光束经过二维扫描振镜2反射后，依次经过扫描透镜3、第一光阑4、成像透镜5、分光镜6、第二光阑7、显微物镜8照射到随载物台9轴向运动的被测微结构样品表面，由被测微结构样品表面漫反射的光束再次经过显微物镜8、第二光阑7，并由分光镜6反射，经管镜10聚焦到CCD相机11成像。
其中，本实施例的照明光路图如图2所示，实现表示垂直照明，虚线表示调整二维扫描振镜2后形成的非垂直照明，成像光路图如图3所示。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像装置，所述的二维扫描振镜2背离光束传播的方向，设置有十字轴，使二维扫描振镜2在其所在平面内，以相互垂直的两个方向为转轴，进行二维转动；两个转轴的交点位于扫描透镜3的后焦平面位置；扫描透镜3的前焦平面与成像透镜5的物平面重合于第一光阑4所在平面，成像透镜5的像平面与显微物镜8的后焦平面重合于第二光阑7所在平面。
本实施例的基于角谱扫描照明的微结构成像方法流程图如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤a、将被测微结构样品置于显微物镜8前焦平面，设定二维扫描振镜2两个转动方向的步进转动次数分别为Nx和Ny；
步骤b、根据步骤a设定的两个转动方向的步进转动次数Nx和Ny，将二维扫描振镜2置于Nx×Ny个不同空间位置，在每个空间位置对被测微结构样品成像，得到Nx×Ny张被测微结构样品图像；
步骤c、对比Nx×Ny张被测微结构样品图像中坐标相同的像素灰度值大小，挑选出灰度值极大值，按之前的坐标位置重构被测微结构样品图像。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像方法，二维扫描振镜2在相同步进转动方向的相邻两个步进转动位置夹角相同，其有益效果在于可以实现照明角度均匀变化。
上述基于角谱扫描照明的微结构成像方法，所述的步骤b将二维扫描振镜2所处的Nx×Ny个不同空间位置用Nx行Ny列或Nx列Ny行矩阵表示，二维扫描振镜2的步进转动顺序为以下逐行扫描方式中的任一种：
方式一：第一行从左至右、行数增加的方式；
方式二：第一行从右至左、行数增加的方式；
方式三：最后一行从左至右、行数减少的方式；
方式四：最后一行从右至左、行数减少的方式。
这种扫描方式的有益效果在于便于二维扫描振镜2的设置。
具体实施例二
本实施例与具体实施例一的不同在于，成像装置中的二维扫描振镜2背离光束传播的方向，设置有球笼式万向节。
具体实施例三
本实施例与具体实施例一的不同在于，成像方法中的二维扫描振镜2在相同步进转动方向的相邻两个步进转动位置夹角不同，其有益效果在于可以实现在最佳照明角度附近精确调整。
具体实施例四
本实施例与具体实施例一的不同在于，成像方法中的步骤b，将二维扫描振镜2所处的Nx×Ny个不同空间位置用Nx行Ny列或Nx列Ny行矩阵表示，二维扫描振镜2的步进转动顺序为以下“S”形扫描方式中的任一种：
方式一：第一行从左至右、行数增加，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式二：第一行从右至左、行数增加，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式三：最后一行从左至右、行数减少，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式四：最后一行从右至左、行数减少，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式。
这种扫描方式的有益效果在于二维扫描振镜2的扫描速度更快。

Claims (7)

1.基于角谱扫描照明的微结构成像装置，沿光线传输方向依次配置激光器（1）、二维扫描振镜（2）、扫描透镜（3）、第一光阑（4）、成像透镜（5）、分光镜（6）、第二光阑（7）、显微物镜（8）、载物台（9）、管镜（10）和CCD相机（11）；从激光器（1）发出的光束经过二维扫描振镜（2）反射后，依次经过扫描透镜（3）、第一光阑（4）、成像透镜（5）、分光镜（6）、第二光阑（7）、显微物镜（8）照射到随载物台（9）轴向运动的被测微结构样品表面，由被测微结构样品表面漫反射的光束再次经过显微物镜（8）、第二光阑（7），并由分光镜（6）反射，经管镜（10）聚焦到CCD相机（11）成像；其特征在于：二维扫描振镜（2）在其所在平面或与其平行平面内，以相互垂直的两个方向为转轴，进行二维转动；两个转轴的交点位于扫描透镜（3）的后焦平面位置；扫描透镜（3）的前焦平面与成像透镜（5）的物平面重合于第一光阑（4）所在平面，成像透镜（5）的像平面与显微物镜（8）的后焦平面重合于第二光阑（7）所在平面。
2.根据权利要求1所述的基于角谱扫描照明的微结构成像装置，其特征在于：在二维扫描振镜（2）背离光束传播的方向，设置有十字轴或球笼式万向节。
3.基于角谱扫描照明的微结构成像方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：
步骤a、将被测微结构样品置于显微物镜（8）前焦平面，设定二维扫描振镜（2）两个转动方向的步进转动次数分别为Nx和Ny；
步骤b、根据步骤a设定的两个转动方向的步进转动次数Nx和Ny，将二维扫描振镜（2）置于Nx×Ny个不同空间位置，在每个空间位置对被测微结构样品成像，得到Nx×Ny张被测微结构样品图像；
步骤c、对比Nx×Ny张被测微结构样品图像中坐标相同的像素灰度值大小，挑选出灰度值极大值，按之前的坐标位置重构被测微结构样品图像。
4.根据权利要求3所述的基于角谱扫描照明的微结构成像方法，其特征在于：二维扫描振镜（2）在相同步进转动方向的相邻两个步进转动位置夹角相同。
5.根据权利要求3所述的基于角谱扫描照明的微结构成像方法，其特征在于：二维扫描振镜（2）在相同步进转动方向的相邻两个步进转动位置夹角不同。
6.根据权利要求3所述的基于角谱扫描照明的微结构成像方法，其特征在于：所述的步骤b将二维扫描振镜（2）所处的Nx×Ny个不同空间位置用Nx行Ny列或Nx列Ny行矩阵表示，二维扫描振镜（2）的步进转动顺序为：
方式一：第一行从左至右、行数增加的方式；
方式二：第一行从右至左、行数增加的方式；
方式三：最后一行从左至右、行数减少的方式；
方式四：最后一行从右至左、行数减少的方式。
7.根据权利要求3所述的基于角谱扫描照明的微结构成像方法，其特征在于：所述的步骤b将二维扫描振镜（2）所处的Nx×Ny个不同空间位置用Nx行Ny列或Nx列Ny行矩阵表示，二维扫描振镜（2）的步进转动顺序为：
方式一：第一行从左至右、行数增加，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式二：第一行从右至左、行数增加，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式三：最后一行从左至右、行数减少，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式；
方式四：最后一行从右至左、行数减少，且相邻两行的行扫面顺序相反的方式。
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