CN105242390A - 一种多环带形mems共焦针孔探测器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法，属于高分辨共焦扫描光学显微成像及测量技术领域。本发明所述的一种多环带形MEMS共焦针孔探测器为多环带形结构，每个环带可实现独立电极输出，利用不同环带信号的运算组合，编程选择滤波器信号输出模式以实现多种功能共焦探测输出，分别实现可变直径圆形针孔滤波、可变内外直径环形针孔滤波、差分和微分滤波共焦探测输出等，并应用实现高分辨率共焦层析成像及精密测量。以本发明为基础研制分辨率可调制共焦扫描光学显微镜，用于微纳结构表面形貌的精密测量或生物样品内部三维结构高分辨成像等。

Description

一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法

技术领域：

本发明属于高分辨共焦扫描光学显微成像及测量技术领域，尤其涉及一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法。

背景技术：

光学显微镜在人类认识和理解微观科学世界的进程中起到了重要的推动作用，20世纪50年代中后期，美国哈佛大学博士后M.Minsky发明了一类全新的光学显微镜，即共焦显微镜(或共聚焦显微镜)，这是一类采用点照明和点探测、引入逐点扫描装置来实现样品内部三维结构立体成像。共焦显微镜具有高横向分辨率特性和独特的光学层析能力，对现代生物/医学成像、生命科学、工业/工程检测、材料科学、纳米技术等众多领域产生了广泛而深远的影响。共焦扫描光学显微镜的发明和应用，也开启了光学层析显微技术研究和应用的先河。

高分辨率共焦显微探测机理的突破，与超分辨光学显微成像技术的研究密切相关。突破阿贝衍射分辨率极限的物理约束，长期以来成为科学家关注和研究的热点和难点问题，这一研究在20世纪末至21世纪初的近二十年时间内，涌现出了多种解决方案。

常用的共焦探测器有针孔、狭缝、单模光纤、多模光纤，另外还有环形孔、方形孔、虚拟针孔等，尤其是通过CCD或CMOS芯片实现虚拟针孔探测是一种可以理论上实现任意针孔样式滤波。

采用固定针孔滤波共焦探测，如物理针孔、单模光纤、多模光纤，几何形状确定后系统成像分辨率和光学层析能力随之确定，因此必须通过精密针孔转盘电控等方法选择探测针孔尺寸，从而实现系统分辨率、层析特性与信噪比的折中；采用大小针孔滤波差分共焦探测可以实现横向超分辨成像，一方面针孔尺寸固定限制了分辨率的灵活调整，另一方面需要在光路上通过双路共焦探测实现。此外，共焦显微镜系统实现共焦点探测是利用点探测器与光电探测器的组合来实现的，仍没有独立、集成的共焦点探测器。

上述问题是目前共焦扫描光学显微镜所面临的实际问题，亟须寻找开发一种独立集成的、灵活可编程的专用共焦点探测器，本发明提出一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法，是对传统共焦点探测装置及探测方法的革新。

发明内容：

本发明的目的是为了克服针孔、单模光纤、多模光纤和虚拟针孔(CCD或CMOS芯片)等用于实现共焦点探测具有的固有缺陷，提供了一种结构简单、灵活实用、较低成本的多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法，以实现三维高分辨共焦扫描光学层析成像及精密测量等。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种多环带形MEMS共焦针孔探测器，包括自下而上设置的硅基底和底层电极，底层电极上通过绝缘层由内至外间隔绝缘形成圆形区域和若干环形区域，圆形区域和每个环形区域内自底层电极起自下而上依次为N型区、耗尽层和P型区，每个P型区的顶面沉积一个上层独立电极；其中，

共焦显微镜系统中由待测物体反射或散射发出的照明光投射在P型区表面，通过由圆形区域和若干环形区域内的上层独立电极、P型区、耗尽层、N型区和底层电极组成的环带形光探测单元探测上述光强度场后，以独立电极信号形式传递到后续电路处理单元。

本发明进一步的改进在于，还包括透光窗口，其设置在绝缘层和上层独立电极的上方，由待测物体反射或散射发出的照明光经过透光窗口后投射在P型区表面。

本发明进一步的改进在于，还包括引线焊盘，其沿底层电极的圆周方向焊接在底层电极上。

本发明进一步的改进在于，上层独立电极和绝缘层能够实现圆形区域和每个环形区域的独立光电转换传感输出。

上述一种多环带形MEMS共焦针孔探测器的测量方法，包括以下步骤：

由待测物体反射或散射发出的照明光投射在P型区表面，通过由圆形区域和若干环形区域内的上层独立电极、P型区、耗尽层、N型区和底层电极组成的光探测单元探测上述光强度场，并以独立电极信号形式传递至后续电路处理单元，进而利用圆形区域和若干环形区域内的独立电极信号进行数学运算，选择滤波器信号输出模式实现不同环带探测信号的求和、差分、微分共焦探测输出。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明所述的多环带形MEMS共焦针孔探测器，集成了针孔探测单元及光电探测器为一体，利用MEMS工艺实现结构轻巧、成本低廉、多种功能的共焦点探测器。

本发明所述的多环带形MEMS共焦针孔探测器测量方法，利用逻辑功能电路选择实现不同环带探测信号的求和、差分、微分等组合输出，并可以分别实现不同环带探测电极信号独立输出，利用不同环带信号的独立或运算组合实现多种功能共焦滤波探测输出，可应用实现横向或轴向高分辨共焦扫描光学成像及精密测量等。

具体来说，光探测单元中，圆形区域和每个环形区域能够实现独立电极输出，利用不同环带信号进行数学运算，编程选择滤波器信号输出模式实现多种功能共焦探测输出，最终分别实现可变直径圆形针孔滤波、可变内外直径环形针孔滤波、差分和微分滤波组合输出，用以实现横向或轴向超分辨共焦成像及精密工程测量。

附图说明：

图1为本发明多环带形MEMS共焦针孔探测器的剖面结构示意图(以五环带为例)。

其中：1—透光窗口、2—上层独立电极、3—P型区、4—耗尽层、5—N型区、6—引线焊盘、7—硅基底、8—底层电极、9—绝缘层。

图2为五环带形MEMS共焦针孔探测器原理示意图。

图3为五环带形MEMS共焦针孔探测器信号运算电路结构框图。

图4为共焦探测针孔大小对共焦横向IPSF的影响。

图5为共焦探测针孔大小对共焦光学层析能力的影响。

图6为多环带形MEMS共焦针孔探测器改善轴向光学层析响应特性计算曲线。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行进一步说明。

如图1所示，本发明一种多环带形MEMS共焦针孔探测器的剖面结构示意图，包括透光窗口1、上层独立电极2、P型区3、耗尽层4、N型区5、引线焊盘6、硅基底7、底层电极8和绝缘层9；硅基底7和底层电极8自下而上设置，底层电极8上通过绝缘层9由内至外形成圆形区域和若干环形区域，每个环形区域内自底层电极8起自下而上依次为N型区5、耗尽层4、P型区3和上层独立电极2；透光窗口1设置在绝缘层9和上层独立电极2的上方，由待测物体反射或散射发出的照明光经过透光窗口1后投射在P型区3表面；引线焊盘6焊接在底层电极8周向上。

其中，由待测物体反射或散射发出的照明光经过透光窗口1后投射在P型区3表面，通过由上层独立电极2、P型区3、耗尽层4、N型区5、引线焊盘6和底层电极8组成的环带形光探测单元探测上述光强度场后，以独立电极信号形式传递到后续电路处理单元，实现多种探测功能；所述的上层独立电极2和绝缘层9可分别实现每个环带的独立输出；所述的上层独立电极2、P型区3、耗尽层4、N型区5、引线焊盘6和底层电极8组成光探测单元；所述的硅基底7用于探测器的基底。

如图2所示，以五环带形MEMS共焦针孔探测器为例(即最大环带数量N＝5)。首先由共焦显微镜系统内待测物体反射或散射发出的照明光经过透光窗口后投射在P型区3表面，通过由上层独立电极2、P型区3、耗尽层4、N型区5、引线焊盘6和底层电极8组成的光探测单元探测上述反射或散射光强度场，并以独立电极信号形式传递到后续逻辑运算电路处理模块。本实施例中每个环带可实现独立电极输出，利用不同环带信号的运算组合，可编程选择滤波器信号输出模式以实现多种功能共焦探测输出，如可变直径圆形针孔滤波、可变内外直径环形针孔滤波、差分和微分滤波组合输出等，如图3所示，为五环带形MEMS共焦针孔探测器信号运算电路结构框图。

下面分别以圆形针孔探测和环形孔探测为例说明多环带形MEMS共焦针孔探测器具有的特性功能。其中，实施例一用以说明本发明具有的最基本功能特性；实施例二用以说明本发明可实现已有技术的基本功能(参见国家发明专利：一种双区域比例输出共焦探测方法与装置，专利号：201310229514，公开号：CN103292735A)。

(一)圆形针孔探测共焦显微成像特性。

设采用理想点照明、有限尺寸圆形针孔探测，共焦显微成像系统对应的强度点扩散函数(IPSF)为

$I(v,u)={\left|h(v,u)\right|}^2\[D\left(v\right)\⊗{\left|h(v,u)\right|}^2\]---\left(1\right)$

其中，v和u分别是横向和轴向归一化光学坐标；D(v)＝circ(v/v_p)，v_p＝2πr_psinα/(λM)；h是照明或探测系统的振幅点扩散函数。针孔归一化光学半径v_p是由针孔半径r_p、显微物镜数值孔径NA＝sinα和放大倍数M决定的综合参数，这一参数在理想点照明条件下，决定了共焦显微系统的基本成像性质。共焦探测针孔大小对共焦横向IPSF的影响为

$I(v,0)={\left|h(v,0)\right|}^2\[D\left(v\right)\⊗{\left|h(v,0)\right|}^2\]---\left(2\right)$

绘制I(v,0)半高半宽(Half-Width-at-Half-Maximum，HWHM)v_1/2随v_p的变化规律如图4所示，v_p增大时，横向IPSF逐渐展宽，当v_p≥3.83(爱里斑半径)时，横向主瓣宽度与普通光学成像一致，此时共焦显微成像的高横向分辨率特性丧失，因此为了获得高分辨成像特性，需要使探测针孔在物空间的投影半径小于显微物镜对应的爱里斑半径。

对理想均匀反射面轴向扫描成像，在有限尺度光源和探测器条件下，共焦扫描光学显微成像系统的轴向光学层析响应为

$I\left(u\right)={\∫}_0^{v_p}D\left(v\right){|S\left(v\right)\⊗h(v,2u)|}^{2}vdv---\left(3\right)$

特殊地，当S是理想点光源，则上式简化为

$I\left(u\right)={\∫}_0^{v_p}D\left(v\right){\left|h(v,2u)\right|}^{2}vdv---\left(4\right)$

式(3)给出了共焦照明针孔和探测针孔有限尺度对共焦轴向光学层析特性的影响，当采用理想点光源照明时，式(4)对应的结果如图5所示，利用轴向层析响应曲线的半高半宽(u_1/2)表示。随着探测针孔尺寸v_p增大，轴向光学层析能力下降，当v_p≤2.5时，u_1/2基本不变，而为了获得较大的探测光强(提高成像信噪比)，可依据v_p＝2.5(小于爱里斑半径3.83)选择针孔尺寸。图4和图5相比，横向分辨率对共焦探测针孔v_p变化更为敏感，由图5知，v_p增大时，可以获得不同程度的共焦轴向层析成像特性。

因此，共焦针孔滤波探测单元的尺度变化将直接改变共焦显微镜系统的空间分辨率、光学层析能力、信噪比等，本发明一种多环带形MEMS共焦针孔探测器可有目的地灵活改变共焦探测针孔大小以适用不同应用场合的具体需求。

(二)环形孔探测共焦成像特性。本实施例对应一大一小圆形针孔探测信号进行运算输出，以改善共焦显微成像系统的轴向分辨率及层析响应特性。将图1所示的多环带形MEMS共焦针孔探测器分为内外两个区域，内部区域(圆形)强度累加探测输出记为I_in，外部区域(环形)强度累加探测输出记为I_out，并将内外区域积分强度比值作为有效输出，此时有

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{in}=\underset{m=1}{\overset{n}{\Σ}}{I}_m\\ I_{out}=\underset{m=n+1}{\overset{N}{\Σ}}{I}_m\end{array}\right.---\left(5\right)$

且

I_eff＝I_in/I_out(6)

来看轴向光学层析特性，根据

$I_m\left(u\right)={\∫}_{v_{m-1}}^{v_m}{\left|h(v,2u)\right|}^{2}vdv---\left(7\right)$

其中，v_m是r_m对应的归一化光学半径；理论计算结果表明，当式(5)中n值增大时，轴向层析响应将发生显著变化，如图6所示(v_N＝10，同时参见哈尔滨工业大学硕士学位论文：尹可，基于微透镜阵列的多光束共焦成像系统若干问题的研究，2013)，轴向层析响应曲线先变窄，当超过临界点后，曲线发生展宽，但相比普通单圆形共焦针孔探测，轴向层析响应曲线的半高半宽(u_1/2)降低至原来的一半以下。

因此，利用多环带形MEMS共焦针孔探测器改善共焦显微镜的轴向光学层析响应特性。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多环带形MEMS共焦针孔探测器，其特征在于，包括自下而上设置的硅基底(7)和底层电极(8)，底层电极(8)上通过绝缘层(9)由内至外间隔绝缘形成圆形区域和若干环形区域，圆形区域和每个环形区域内自底层电极(8)起自下而上依次为N型区(5)、耗尽层(4)和P型区(3)，每个P型区(3)的顶面沉积一个上层独立电极(2)；其中，

共焦显微镜系统中由待测物体反射或散射发出的照明光投射在P型区(3)表面，通过由圆形区域和若干环形区域内的上层独立电极(2)、P型区(3)、耗尽层(4)、N型区(5)和底层电极(8)组成的环带形光探测单元探测上述光强度场后，以独立电极信号形式传递到后续电路处理单元。

2.根据权利要求1所述的一种多环带形MEMS共焦针孔探测器，其特征在于，还包括透光窗口(1)，其设置在绝缘层(9)和上层独立电极(2)的上方，由待测物体反射或散射发出的照明光经过透光窗口(1)后投射在P型区(3)表面。

3.根据权利要求1所述的一种多环带形MEMS共焦针孔探测器，其特征在于，还包括引线焊盘(6)，其沿底层电极(8)的圆周方向焊接在底层电极(8)上。

4.根据权利要求1所述的一种多环带形MEMS共焦针孔探测器，其特征在于，上层独立电极(2)和绝缘层(9)能够实现圆形区域和每个环形区域的独立光电转换传感输出。

5.权利要求1至4中任一项所述的一种多环带形MEMS共焦针孔探测器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

由待测物体反射或散射发出的照明光投射在P型区(3)表面，通过由圆形区域和若干环形区域内的上层独立电极(2)、P型区(3)、耗尽层(4)、N型区(5)和底层电极(8)组成的光探测单元探测上述光强度场，并以独立电极信号形式传递至后续电路处理单元，进而利用圆形区域和若干环形区域内的独立电极信号进行数学运算，选择滤波器信号输出模式实现不同环带探测信号的求和、差分、微分共焦探测输出。