CN103983206A - 基于可编程照明的干涉显微镜系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及干涉显微镜。基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块；还包括一数字微镜装置，数字微镜装置包含有数字微镜阵列，每个数字微镜设有n°和-n°两个偏转角状态。光线通过TIR棱镜的折反射以2n°入射角度入射到数字微镜装置，接着控制各微反射镜的“开”或者“关”的状态，使光线得到相应的空间调制，然后从数字微镜装置垂直出射；之后通过分光棱镜的反射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。

Description

基于可编程照明的干涉显微镜系统

技术领域

本发明涉及精密测量技术领域，具体涉及干涉显微镜。

背景技术

随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，对微结构表面形貌测量系统的需求越发迫切。由于微表面结构由于是由微观结构单元组成的三维复杂结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。同时与平滑表面的测量不同，微结构表面的测量不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。

在1968年美国Williamson首次研制了三维表面针式轮廓仪。1970年，Takasaki和Meadows首次报道了一种基于光学条纹图分析原理的测量技术——三维表面轮廓成像技术。他们提出利用莫尔条纹阴影等高线图形显示物体的三维像，将莫尔条纹作为空间编码，从受物体表面形貌调制变形的莫尔条纹图中提取相位信息并转换为物体三维轮廓。于是利用光学成像测量原理测量物体表面形貌的技术引起了各方面的重视，并使这门技术开始实用化。莫尔轮廓术的出现，奠定了光学成像法测量物体表面轮廓的基础，使得通过图象的测量可获得所需的物体三维信息。1976年美国R.S.Sayles又研制出第一台由计算机控制的三维表面粗糙度轮廓仪。

干涉显微法是光学干涉法与显微系统相结合的产物，通过在干涉仪上增加显微放大视觉系统，提高了干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面形貌测量。随着计算机技术、现代控制技术以及图像处理技术的发展，干涉显微法出现了测量精度达到纳米级别的相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)。与其它表面形貌测量方法相比，干涉显微法具有快速、非接触的优点，而且可以与环境加载系统配合完成真空、压力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电系统以及微光机电系统的结构表面形貌测量上得到了广泛应用。

相移干涉法(PSI)是基于单色光干涉的一种相位测量方法，通过测量分析干涉图的干涉相位Ф来提取样品表面的高度信息。PSI法可以通过精确移动测量平面M，一般使用微位移器诸如压电陶瓷(PZT)等，产生干涉图相位Ф的移动，利用三幅以上的相移干涉图光强值来求取物体高度值。单色光干涉条纹存在着周期性，如果相邻两个点的高度超过1/4波长，即干涉相位值超过π，那么某一个干涉图光强值就可能对应着不同的光程差值。因此，PSI法不能测量高度超过1/4波长的台阶结构。

VSI法是基于白光干涉的一种垂直扫描测量方法，通过测量分析干涉图零光程差位置来提取样品表面高度信息。由于白光是宽带光源，因此白光干涉图是不同波长光干涉的叠加。由于白光相干距离短，干涉图在零光程差位置时某些特征参数如光强、对比度会达到最大值，因此VSI法通过精确移动测量平面M，扫描被测表面得到一系列不同高度值的干涉图，然后应用白光干涉处理算法提取被测表面各点的垂向零光程差位置，进而还原被测表面的三维形貌。与PSI法相比，VSI法克服了台阶高度测量受限的缺点，但是目前在精度上比PSI法低。

对于干涉显微镜系统中，通过相移来计算干涉相位，进而计算出三维表面面型。主要会受到的误差来自几个方面：(1)相移过程中，由于微位移器的位移误差造成的相移误差对各干涉图像的影响；(2)在干涉图像采集过程中，由于图像传感器CCD的量化误差造成的干涉场强度信号误差造成的影响；(3)由于CCD对于光强信号的非线性响应造成的误差；(4)对一些非漫射表面物体进行测量时,由于表面局部的镜面反射往往会导致图像局部饱和,从而引起相位误差。

以上描述干涉显微镜普遍采用科勒式照明，得到一个均匀的照明场。但是由于被测物体的多样性，不同区域对于入射光的反射率可能存在巨大的差异。采用均匀照明结构时，表面不同区域的光学特性的差异，将导致最终的干涉图的失真，产生上述的各种误差因素，最终影响干涉显微镜测量精度。所以需要一种对照明光场的空间调制来平衡反射率的差异带来的误差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可编程照明的干涉显微镜系统，以解决上述问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块，所述照明光源通过所述照明模块得到准直均匀的光线；其特征在于，还包括一数字微镜装置作为照明光调制器，所述数字微镜装置包含有数字微镜阵列，所述每个数字微镜设有n°和-n°两个偏转角状态；所得到的准直均匀的光线通过TIR棱镜的折反射将以2n°入射到数字微镜装置，接着控制各所述微反射镜的“开”或者“关”的状态，使光线得到相应的空间调制，然后从数字微镜装置垂直出射；

之后通过分光棱镜的反射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构。至少两个微反射镜在数字微镜装置的半导体芯片上成矩阵排布，每一个微反射镜控制投影画面中的一个像素。微反射镜是指微型的反射镜；

通过计算机控制各微反射镜的“开”或者“关”的状态，从而控制显微镜样品的照明；处于投影状态的微反射镜被示为“开”，并随数字信号而倾斜+n°；如果微反射镜处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-n°；与此同时，“开”状态下被反射出去的入射光通过干涉物镜照射到对应的待测样品表面上；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。

基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块，所述照明光源通过所述照明模块得到准直均匀的光线；其特征在于，还包括一硅基液晶作为照明光调制器，所得到的准直均匀的光线经过偏振分光棱镜反射到硅基液晶中；

控制每个像素下的液晶，调制进入的光线，使光线得到相应的空间调制并通过底部的硅芯片反射出去，透过偏振分光棱镜；之后通过分光棱镜的反射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构。可以利用计算机通过外部信号来控制液晶；

硅基液晶以光调制来控制显微镜样品的照明；液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，经偏振分光棱镜透射后，可以通过干涉物镜照射到对应的待测样品表面；处于显示暗电平时，就不能照射到待测样品表面。

基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块，所述照明光源通过所述照明模块得到准直均匀的光线；其特征在于，还包括一透射式液晶屏作为照明光调制器，所得到的准直均匀的光线经过液晶屏后透射；

控制每个像素下的液晶，调制进入的光线，使光线得到相应的空间调制；之后通过分光棱镜的折射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构。可以利用计算机通过外部信号来控制液晶；

液晶屏中的每个像素由以下几个部分构成：悬浮于两个透明电极间的一列液晶分子层，两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片；当液晶对光线没有偏振旋转效应时，光通过其中一个偏振过滤片其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直，因此被完全阻挡了；当光线偏振方向被液晶旋转时，通过一个偏振过滤片的光可以通过第二个偏振过滤片；每个像素的液晶对光线偏振方向的旋转效应通过电场控制，从而实现对光的控制。透明电极可以是氧化铟锡电极；基于可编程照明的干涉显微镜系统，通过分析得到的干涉光场图像，应用相应相位计算算法，就可以得到被测面的微结构高度。

相应的相位算法为：

根据探测器探测到的初始样品图像的灰度分布，对照明光调制器进行编程，调制照明光场的亮度分布，使得整幅样品图像亮度基本均匀；

在此基础上，探测器上每一个像素得到的光强数值可以表示为公式：

I(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+θ]   (1)

式中，各变量的含义为：A是背景光强，B是调制度，φ(x,y)是干涉系统中参考光和物光的相位差,也就是干涉光的相位值,与被测面形有关；θ是参考面通过移相器运动对应的相移值；

通过移相器进行N步相移(N≥3),探测器得到如公式(1)描述的N幅图像，可以求解最终的相位值，可写为：

通过公式(1)和(2)，我们可以看出最终相位的计算是和探测器得到的光强数据息息相关的，而且在计算相位的过程中，更是会受到很多其他方面的误差影响。诸如：

对于探测器非线性响应误差，假设探测器相应存在3阶非线性项，则探测器对输入光强I_n的响应可以表示为：

$I^{\′}=e_3{I}_n^3+e_2{I}_n^2+e_1{I}_n+e_0$

其中e₃、e₂、e₁和e₀分别是探测器三阶、二阶、一阶和0阶的响应系数。可见如果能够调制被测物的干涉光强，可以有效限制探测器非线性响应的误差。

在条纹图像摄取过程中,由于物体的局部反射率过大或镜面反射效果会造成局部图像光强饱和,这种光强值的失真会在相位计算时引入较大的误差。常见图像量化阶数n＝8，表明探测器能够识别的灰度为从0～255。当接收到的光强值大于255时，则只能显示为255，如果由于被测物表面的特殊性质导致出现本来不因出现的饱和像点，即饱和系数超出某一个范围，则会使相位计算出现不因出现的误差。

有益效果：本发明通过上述类型的空间光调制器的特性，通过数字光处理技术、液晶技术等来调制用于干涉显微镜的入射光，这样就可以抑制由于被测物表面不同区域的不同反射率，导致在探测器接收的光强数值的饱和或者非线性误差。保证了最后相位计算的精度，可以更好的还原被测物的三维形貌。

附图说明

图1为采用数字微镜装置时的光路图；

图2为硅基液晶时的光路图；

图3为液晶显示器时的光路图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。

下面结合附图来说明本发明提出的一种基于可编程照明的干涉显微镜系统的具体实施方法。

本发明实例1的结构如图1所示，具体步骤为：

首先照明光源1通过照明模块就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线通过TIR棱镜6的折射将以24°入射到数字微镜装置(DMD)5中，这是因为DMD芯片上微反射镜的偏转角为12°；然后通过计算机人为的控制每一个微反射镜的“开”或者“关”的状态，这样光线就会得到相应的空间调制，然后从数字微镜装置(DMD)5垂直出射；之后通过分光棱镜10的反射使光路进入Mirau干涉物镜8，在Mirau干涉物镜8中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物7的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜10，经过筒镜11后被探测器12接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，抑制由于被侧物不同部分光学特性的不同导致的误差。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构。

本发明实例2的结构如图2所示，具体步骤为：

首先照明光源1通过照明模块就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线经过分光棱镜6折射到硅基液晶(LCOS)5中，我们通过计算机人为的控制每个像素下的液晶，通过外部信号来控制液晶从而调制进入的光线，使光线得到相应的空间调制并通过底部的硅芯片反射出去；之后通过分光棱镜10的折射使光路进入Mirau干涉物镜8，在Mirau干涉物镜8中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物7的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜10，经过筒镜11后被探测器12接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，抑制由于被侧物不同部分光学特性的不同导致的误差。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构。

本发明实例3的结构如图3所示，具体步骤为：

首先照明光源1通过照明模块就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线会经过液晶显示器(LCD)5的透射，我们通过计算机人为的控制每个像素下的液晶，通过外部信号来控制液晶从而调制进入的光线，使光线得到相应的空间调制；之后通过分光棱镜10的折射使光路进入Mirau干涉物镜8，在Mirau干涉物镜8中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物7的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜10，经过筒镜11后被探测器12接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，抑制由于被侧物不同部分光学特性的不同导致的误差。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块，所述照明光源通过所述照明模块得到准直均匀的光线；其特征在于，还包括一数字微镜装置作为照明光调制器，所述数字微镜装置包含有数字微镜阵列，所述每个数字微镜设有n°和-n°两个偏转角状态； 

所得到的准直均匀的光线通过TIR棱镜的折反射将以2n°入射到数字微镜装置，接着控制各所述微反射镜的“开”或者“关”的状态，使光线得到相应的空间调制，然后从数字微镜装置垂直出射； 

之后通过分光棱镜的反射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。 

2.根据权利要求1所述的基于可编程照明的干涉显微镜系统，其特征在于，通过计算机控制各微反射镜的“开”或者“关”的状态，从而控制显微镜样品的照明； 

处于投影状态的微反射镜被示为“开”，并随数字信号而倾斜+n°；如果微反射镜处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-n°； 

与此同时，“开”状态下被反射出去的入射光通过干涉物镜照射到对应的待测样品表面上；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。 

3.基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块，所述照明光源通过所述照明模块得到准直均匀的光线；其特征在于，还包括一硅基液晶作为照明光调制器，所得到的准直均匀的光线经过偏振分光棱镜反射到硅基液晶中； 

控制每个像素下的液晶，调制进入的光线，使光线得到相应的空间调制并通过底部的硅芯片反射出去，透过偏振分光棱镜； 

之后通过分光棱镜的反射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中 返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。 

4.根据权利要求3所述的基于可编程照明的干涉显微镜系统，其特征在于，硅基液晶以光调制来控制显微镜样品的照明； 

液晶经外部信号调制，处于显示亮态时，经偏振分光棱镜透射后，可以通过干涉物镜照射到对应的待测样品表面； 

处于显示暗电平时，就不能照射到待测样品表面。 

5.基于可编程照明的干涉显微镜系统，包括一照明光源、一照明模块，所述照明光源通过所述照明模块得到准直均匀的光线；其特征在于，还包括一透射式液晶屏作为照明光调制器，所得到的准直均匀的光线经过液晶屏后透射； 

控制每个像素下的液晶，调制进入的光线，使光线得到相应的空间调制； 

之后通过分光棱镜的折射使光路进入Mirau干涉物镜，在Mirau干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，得到干涉显微镜的干涉图像。 

6.根据权利要求5所述的基于可编程照明的干涉显微镜系统，其特征在于，液晶屏中的每个像素由以下几个部分构成：悬浮于两个透明电极间的一列液晶分子层，两边外侧有两个偏振方向互相垂直的偏振过滤片； 

当液晶对光线没有偏振旋转效应时，光通过其中一个偏振过滤片其偏振方向将和第二个偏振片完全垂直，因此被完全阻挡了； 

当光线偏振方向被液晶旋转时，通过一个偏振过滤片的光可以通过第二个偏振过滤片； 

每个像素的液晶对光线偏振方向的旋转效应通过电场控制，从而实现对光的控制。 

7.根据权利要求1-6中任意一项所述的基于可编程照明的干涉显微镜系统，其特征在于，通过分析得到的干涉光场图像，应用相应相位计算算法，就可以得到被测面的微结构高度； 

相应的相位算法为： 

根据探测器探测到的初始样品图像的灰度分布，对照明光调制器进行编程，调制照明光场的亮度分布，使得整幅样品图像亮度基本均匀； 

在此基础上，探测器上每一个像素得到的光强数值可以表示为公式： 

I(x,y)＝A(x,y)+B(x,y)cos[φ(x,y)+θ]   (1) 

式中，各变量的含义为：A是背景光强，B是调制度，φ(x,y)是干涉系统中参考光和物光的相位差,也就是干涉光的相位值,与被测面形有关；θ是参考面通过移相器运动对应的相移值； 

通过移相器进行N步相移(N≥3),探测器得到如公式(1)描述的N幅图像，可以求解最终的相位值，可写为： 

。