CN110793942A - 基于彩色相机的二维材料形貌快速表征系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于彩色相机的二维材料形貌快速表征系统及方法，包括三色光源模块、分束器、测量光路、彩色成像模块与数据处理模块，其中：三色光源模块，用于整个系统的照明；分束器，用于将三色光源模块产生的照明光束分成两路光束，分别为测量光束与参考光束；彩色成像模块，分时控制光路通断，使用彩色相机分别对待测样品和标准样品进行成像；将两次成像时的光强图像按照感光面元上红、绿、蓝三个通道分别读出，获得样品三色光下的显微光强图像；数据处理模块，使用差分反射的计算方法，得到对应于红光、绿光、蓝光下被测样品的显微差分反射信号；利用模型反演与数据拟合的方法，获得各像素被测二维材料的厚度，结合像素排布，完成对二维材料形貌的表征。

Description

基于彩色相机的二维材料形貌快速表征系统和方法

技术领域

本发明涉及二维材料的光学原位快速表征技术领域及纳米结构测试技术领域，尤其涉及一种基于彩色相机的二维材料形貌快速表征的测量方法。

背景技术

二维材料是时下的热点研究方向，对其表征手段的研究是其他一切研究的基础。二维材料表现在仅在两个方向上为非纳米尺寸，而在厚度上为纳米尺寸。其性质独特，具有许多优异的性质，对其的研究具有重要的意义。为了更好的研究二维材料，首先就需要完善好表征手段。

目前，表征二维材料形貌的方法主要为AFM(原子力显微镜)，这种方法成本较高、速度较慢，同时还是一种接触式的测量方法。包括AFM在内的传统表征方法很难实现对二维材料形貌的快速表征，而二维材料的形貌(尤其是厚度)对其性质有着最直接的影响。对于一些结构不够稳定的二维材料来说，对形貌的快速表征具有非常重要的实际意义。

当前使用的显微差分反射光谱入射光一般为单色光，需要通过一系列的扫描光谱操作完成整个差分反射光谱线的测量，速度较慢。同时使用的为单色相机，不具备区分不同波长的能力。另一方面，如果单纯使用反射光谱的测量方法，则不能实现对二维材料的横向分辨，且难以对纳米级的厚度进行精确表征。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法。技术方案如下：

一种基于彩色相机的二维材料形貌快速表征系统，采用复色光的显微差分反射光谱测量方式，包括三色光源模块、分束器、测量光路、彩色成像模块与数据处理模块，其中：

三色光源模块，用于整个系统的照明；

分束器，用于将三色光源模块产生的照明光束分成两路光束，分别为测量光束与参考光束；

测量光路，用于将测量光束汇聚至待测样品表面构成临界照明，并将经由待测样品反射的反射光束返回，经分束器进入所述的彩色成像模块；

参考光路，用于将参考光束汇聚至标准样品表面构成临界照明，并将经由标准样品反射的反射光束返回，经分束器进入所述的彩色成像模块；

彩色成像模块，分时控制光路通断，使用彩色相机分别对待测样品和标准样品进行成像；将两次成像时的光强图像按照感光面元上红、绿、蓝(R、G、B)三个通道分别读出，获得样品三色光下的显微光强图像；

数据处理模块，使用差分反射的计算方法，得到对应于红光、绿光、蓝光下被测样品的显微差分反射信号；利用模型反演与数据拟合的方法，获得各像素被测二维材料的厚度，结合像素排布，完成对二维材料形貌的表征。

所述的三色光源模块可以为滤光片组合型：复色光源产生的复色光经由三路光线分别经过中心波长分别对应红光、绿光、蓝光的滤光片，再经由光纤耦合器耦合到一根光纤中，经准直器准直为平行光束作为照明光束。所述的三色光源模块可以为三色激光型：将三个分别产生红光、绿光、蓝光的激光器输出的激光经过光路的耦合，输出成一路照明光束。

本发明同时提供利用所述的系统实现的二维材料形貌快速表征方法，包括以下步骤：

步骤A：产生一路仅包含三色光，即是红光、绿光、蓝光的照明光束；

步骤B：分别控制测量光路快门与参考光路快门的通断，获得分时测量下二维材料样品与标准样品在彩色相机上的显微图像，输出每幅图像对应R、G、B三个通道的单色图像；

步骤C：结合标准样品的单色图像，分别计算单色图像下每个像素点对应的差分反射信号即DR信号，获得分别对应三个波长的待测二维材料的显微差分反射信号图像；

步骤D：由三个波长下显微差分反射信号图像每个像素对应的DR信号，结合模型反演与数据拟合，计算出对应像素的二维材料厚度；待所有像素计算完厚度，按原位置排列，构成测量所得的二维材料厚度分布图像，即完成对其的形貌表征。

从上述技术方案可以看出，本发明提出的一种基于彩色照相机的二维材料形貌快速表征方法与系统至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：

(1)利用三色光源模块与彩色相机的联合应用使得一次测量即得到了对应材料的三个波长下的差分反射信号，大大提高了测量效率。

(2)一次测量即可完成二维材料的横向分辨与厚度评定，即完成对其形貌的表征。

(3)能够实现对二维材料表面光学反射率的测量。

(4)光路结构简单，扩展性好，器件互换性好，物镜可据需要更换。

附图说明

图1为本发明实施例基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法与系统中滤光片组合型的三色光源模块；

图2为本发明实施例基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法与系统中三色激光型的三色光源模块；

图3为本发明实施例基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法与系统的结构图

图4为本发明实施例基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法与系统的流程框图。

上述附图中，附图标记含义如下：

1-白光光源； 2-滤光片(中心波长红光)；

3-滤光片(中心波长蓝光)； 4-滤光片(中心波长蓝光)；

5-光纤； 6-光纤耦合器；

7-准直镜； 8-激光器(红光)；

9-激光器(绿光)； 10-激光器(蓝光)；

11-分束器； 12-三色光源模块；

13-分束器； 14-测量光路快门；

15-测量光路物镜； 16-待测样品；

17-参考光路快门； 18-参考光路物镜；

19-标准样品； 20-筒镜；

21-彩色相机。

具体实施方式

本发明的具体实现为一种使用复色光的显微差分反射光谱测量系统，在实现光谱测量的同时，利用显微实现对二维材料的横向分辨，其中包括了三色光源模块、分束器、测量光路、彩色成像模块与数据处理模块，其中：

三色光源模块用于整个测量系统的照明；同时作为本发明的核心部分之一，对后续的数据处理意义极大。三色光源模块有如下两种实现形式：

1)滤光片组合型：复色光源(一般为氙灯)产生的复色光经由三路光线分别经过中心波长分别对应红光、绿光、蓝光的滤光片，再经由光纤耦合器耦合到一根光纤中，经准直器准直为平行光束作为照明光束；

2)三色激光型：将三个分别产生红光、绿光、蓝光的激光器输出的激光经过光路的耦合，输出成一路照明光束。

分束器，用于将三色光源模块产生的照明光束分成两路光束，分别为测量光束与参考光束；

测量光路，用于将测量光束汇聚至待测样品表面构成临界照明，并将经由待测样品反射的反射光束返回，该光束经分束器进入前文所述的彩色成像模块；

参考光路，用于将参考光束汇聚至标准样品表面构成临界照明，并将经由标准样品反射的反射光束返回，该光束经分束器进入前文所述的彩色成像模块；

彩色成像模块，分时控制光路通断，使用彩色相机分别对待测样品和标准样品进行成像；将两次成像时的光强图像按照感光面元上红、绿、蓝(R、G、B)三个通道分别读出，获得样品三色光下的显微光强图像。

数据处理模块，使用差分反射的计算方法，得到对应于红光、绿光、蓝光下被测样品的显微差分反射信号；利用模型反演与数据拟合的方法，获得各像素被测二维材料的厚度，结合像素排布，可以完成对二维材料形貌的表征。

根据本发明的另一个方面，提供了一种利用如上所述的基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法，包括以下步骤：

步骤A：产生一路仅包含三色光(红光、绿光、蓝光)的照明光束；

步骤B：分别控制测量光路快门与参考光路快门的通断，获得分时测量下二维材料样品与标准样品在彩色相机上的显微图像，输出每幅图像对应R、G、B三个通道的单色图像；

步骤C：结合标准样品的单色图像，分别计算单色图像下每个像素点对应的差分反射信号(DR信号)，获得对应三个波长(分别对应红光、绿光、蓝光)的待测二维材料的显微差分反射信号图像；

步骤D：由三个波长下显微差分反射信号图像每个像素对应的DR信号，结合模型反演与数据拟合，计算出对应像素的二维材料厚度；待所有像素计算完厚度，按原位置排列，构成测量所得的二维材料厚度分布图像，即完成对其的形貌表征。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。本发明的基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法与系统，可对待测的二维材料样品的进行基于差分反射信号的显微光谱测量，包括三色光源模块、分束器、测量光路、参考光路、彩色成像模块和数据处理模块；其中，三色光源模块输出非偏振的由单色红光、绿光、蓝光合成的复色平行光束；分束器将该光束经分束器分为两束照明光束，其中一束照明光束作为测量光束进入测量光路，另一束作为参考光束进入参考光路；测量光路将测量光束汇聚入射至待测样品上形成光斑，实现临界照明，并使待测样品反射的反射光返回至分束器后进入彩色成像模块；参考光路将参考光束汇聚入射至标准样品上形成光斑以实现临界照明，并使被标准样品反射的反射光返回至分束器后进入彩色成像模块；彩色成像模块，分别对被待测样品反射的反射光以及被标准样品反射的反射光进行光强图像采集，得到分别对应被测样品与标准样品的显微图像，将两次成像时的显微图像按照感光面元上红、绿、蓝(R、G、B)三个通道分别对应的像素点的光强读出得到单色图像；数据处理模块，，使用差分反射的计算方法，得到对应于红光、绿光、蓝光下被测样品的显微差分反射信号，利用模型反演与数据拟合的方法，获得二维材料的厚度，可以完成对于二维材料的形貌表征。本发明基于差分光学测量方法，能够有效抑制共模误差。

图3为本发明实施例基于彩色照相机的显微式差分反射光学测量系统的示意图。三色光源模块12如图1和图2所示，图1为滤光片组合型三色光源模块，包括：白光光源1、中心波长为红光的滤光片2、中心波长为绿光的滤光片3、中心波长为蓝光的滤光片4、光纤5、光纤耦合器6和准直镜7。这里白光光源1可选用氙灯，但并不局限于此。光纤5可选用纤芯直径为450微米以上的多模光纤。光纤耦合器6可以选用多模光纤耦合器。准直镜7可以选用反射式准直镜。图2为三色激光型三色光源模块，包括：红光激光器9，绿光激光器10，蓝光激光器10，两个分束器11，分束器11可选用1：1非偏振分光镜。图3中分束器13可选用1:1非偏振分光镜。

测量光路包括测量光路快门14和测量光路物镜15，参考光路包括参考光路快门17和参考光路物镜18；其中：测量光路快门14和参考光路快门17可选用电动快门；测量光路物镜15和参考光路物镜18可选用同批次的10倍复消色差显微物镜。

彩色成像模块包括筒镜20和彩色相机21，其中：；筒镜20可以选用与测量光路物镜匹配的筒镜；彩色相机21可选用低噪声科研级彩色CMOS相机。

容易理解，三色光源模块12可以产生三色的复合平行光书，此平行光束入射分束器13后，由分束器13产生的反射光束通过测量光路快门14后由测量光路物镜15汇聚入射到待测样品16表面；待测样品16表面反射的光束经过测量光路物镜15后过分束器13后的透射光束经过筒镜20后，汇聚成像于彩色相机21；三色光源模块12出射的平行光束由分束器13产生的透射光束通过参考光路快门116后由参考光路物镜18汇聚入射到标准样品19表面；标准样品19表面反射的光束经过参考光路物镜18后由分束器13反射的反射光束经过筒镜20后，汇聚成像于彩色相机21。容易理解，参考光路和测量光路在图3中的位置可以互换。

数据处理模块可以包括各种形式的计算设备，例如通用计算机、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等，具体可以通过加载存储于存储装置中的程序、代码段等，来按如上所述的各种方法流程工作，以实现二维材料的差分反射显微光谱测量。

本发明的光谱测量范围包括三个波段，分别对应于红光、绿光、蓝光，三个波段中的任意波长均可以满足需求，样品测试区域直径为0.5～1mm，横向光学分辨力优于2微米。

本发明还提供了利用如上所述的基于彩色相机的二维材料形貌快速表征方法与系统的具体实施步骤，图4为对应的流程框图。如图4所示，该方法包括以下步骤：

步骤A：产生一路仅包含三色光(红光、绿光、蓝光)的照明光束；

步骤B：分别控制测量光路快门与参考光路快门的通断，获得分时测量下二维材料样品与标准样品的显微图像，输出每幅图像对应R、G、B三个通道的单色图像；

步骤C：结合标准样品的单色图像，分别计算单色图像下每个像素点对应的差分反射信号(DR信号)，获得对应三个波长(分别对应红光、绿光、蓝光)的待测二维材料的显微差分反射信号图像；

具体包括：子步骤C1：分别取被测样品与标准样品对应于R通道(波长对应红光波段)的显微光强信号，根据如下的公式可以计算出当前波长的每个像素下的DR信号：

式中：DR为被测样品相对于标准样品在该像素下的反射率的相对变化量；ΔR表示被测样品与标准样品光强的差异；羈_T表示该像素下被测样品的光强值；羈_s表示该像素下标准样品的光强值；子步骤C2：将每一个像素的DR值按照像素位置的排布关系排列获得当前波长下的显微差分反射图像；子步骤C3：将子步骤C1中的R通道更换为G通道与B通道，重复子步骤C1与子步骤C2。

步骤D：由三个波长下显微差分反射信号图像每个像素对应的DR信号，结合模型反演与数据拟合，计算出对应像素的二维材料厚度；待所有像素计算完厚度，按原位置排列，构成测量所得的二维材料厚度分布图像，即完成对其的形貌表征。

具体包括：子步骤D1：建立标准样品的光学多相模型，利用膜层特性矩阵获得标准样品反射率的仿真值；子步骤D2：建立被测二维材料样品的光学多相模型，将厚度值作为未知量，利用膜层特性矩阵可以获得不同厚度二维材料样品反射率的仿真值；子步骤D3：结合子步骤D1中标准样品反射率仿真值与子步骤D2不同厚度二维材料样品反射率的仿真值，利用子步骤C中DR信号的获得公式可获得各不同厚度下二维材料样品在红光、绿光、蓝光对应波长下DR信号的仿真值；子步骤D4：按照像素排列取出子步骤C中各像素点在红光、绿光、蓝光对应波长下DR信号的实测值，以厚度为变量做最小二乘拟合可获得对应像素点二维材料的厚度，获得二维材料厚度分布图像。

本步骤采用现有技术中利用差分反射光谱获取纳米薄膜厚度的方法，具体来说，可通过建立仿真模型，在纳米薄膜折射率已知的情况下，通过待测样品的差分反射显微光谱测量值，反演出纳米薄膜的厚度，由于不涉及本发明的创新点，在此不作赘述。

至此，已经结合附图对本发明进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明能够实现对二维材料形貌的快速表征。本发明中参考光路的设置实现对光强漂移的实时测量，有效降低测量信号的误差。通过分束器的设置，将测量(参考)光路中的入射光与出射光重合，便于调整实际工作距离，以及应用不同倍率的显微物镜，实现差分反射信号的显微式光谱测量。

本发明提出的非接触的光学测量方法，能够大大提高对其厚度的表征速度，相对于AFM，还可以实现非接触的测量，这都对二维材料的表征具有重要意义。

Claims (4)

1.一种基于彩色相机的二维材料形貌快速表征系统，采用复色光的显微差分反射光谱测量方式，包括三色光源模块、分束器、测量光路、彩色成像模块与数据处理模块。其中：

三色光源模块，用于整个系统的照明；

分束器，用于将三色光源模块产生的照明光束分成两路光束，分别为测量光束与参考光束；

测量光路，用于将测量光束汇聚至待测样品表面构成临界照明，并将经由待测样品反射的反射光束返回，经分束器进入所述的彩色成像模块；

参考光路，用于将参考光束汇聚至标准样品表面构成临界照明，并将经由标准样品反射的反射光束返回，经分束器进入所述的彩色成像模块；

彩色成像模块，分时控制光路通断，使用彩色相机分别对待测样品和标准样品进行成像；将两次成像时的光强图像按照感光面元上红、绿、蓝(R、G、B)三个通道分别读出，获得样品三色光下的显微光强图像；

数据处理模块，使用差分反射的计算方法，得到对应于红光、绿光、蓝光下被测样品的显微差分反射信号；利用模型反演与数据拟合的方法，获得各像素被测二维材料的厚度，结合像素排布，完成对二维材料形貌的表征。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的三色光源模块为滤光片组合型：复色光源产生的复色光经由三路光线分别经过中心波长分别对应红光、绿光、蓝光的滤光片，再经由光纤耦合器耦合到一根光纤中，经准直器准直为平行光束作为照明光束。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述的三色光源模块为三色激光型：将三个分别产生红光、绿光、蓝光的激光器输出的激光经过光路的耦合，输出成一路照明光束。

4.利用权利要求1所述的系统实现的二维材料形貌快速表征方法，包括以下步骤：

步骤A：产生一路仅包含三色光，即是红光、绿光、蓝光的照明光束；

步骤B：分别控制测量光路快门与参考光路快门的通断，获得分时测量下二维材料样品与标准样品在彩色相机上的显微图像，输出每幅图像对应R、G、B三个通道的单色图像；

步骤C：结合标准样品的单色图像，分别计算单色图像下每个像素点对应的差分反射信号即DR信号，获得分别对应三个波长的待测二维材料的显微差分反射信号图像；

步骤D：由三个波长下显微差分反射信号图像每个像素对应的DR信号，结合模型反演与数据拟合，计算出对应像素的二维材料厚度；待所有像素计算完厚度，按原位置排列，构成测量所得的二维材料厚度分布图像，即完成对其的形貌表征。

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