CN117232430A - 基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于相位成像相关技术领域，并公开了一种基于定量相位显微成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法。该测量系统包括光源滤波模块、可切换待测模块、显微镜模块、马赫‑曾德尔干涉仪模块和成像模块，其中，光源滤波模块用于产生分布均匀的高斯光束，可切换待测模块中包括两条并联的光路，分别用于将光线照射在可透射或不可透射的待测样品表面；显微镜模块用于将待测样品透射或反射的光进行显微放大；马赫‑曾德尔干涉仪模块用于将来自显微镜模块的光束分束，然后两束光产生干涉后合束进入成像模块中成像，以此获得由待测样品表面三维形貌形成的干涉图像；通过本发明，解决三维形貌测量过程成像模式单一，光路复杂的问题。

Description

基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法

技术领域

本发明属于三维形貌检测相关技术领域，更具体地，涉及一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法。

背景技术

光栅、微透镜阵列和光波导等微光学元件已广泛应用于最先进的微系统和芯片器件上。在大多数情况下，微光学元件的几何轮廓和材料决定了器件的性能。因此，实现微光学元件制造过程的三维形貌在线测量具有重要意义。然而，传统的测量方法，如白光干涉仪和激光共焦显微镜，已经不能满足速度和精度的要求。现有的QPM系统采用的光学元件过于复杂，以致于光路调试困难，增加了实验难度，而且成像模式单一，通常仅能实现透明样品的三维形貌测量。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法，解决三维形貌测量过程成像模式单一，光路复杂的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，该纳米结构三维形貌测量系统包括光源滤波模块、可切换待测模块、显微镜模块、马赫-曾德尔干涉仪模块和成像模块，其中，

所述光源滤波模块用于产生分布均匀的高斯光束，可切换待测模块设置在光源滤波模块后方，该可切换待测模块中包括两条并联的光路，分别用于将光线照射在可透射或不可透射的待测样品表面；所述显微镜模块设置在所述可切换待测模块的后方，其包括显微物镜、薄膜分束器和管镜，用于将待测样品透射或反射的光进行显微放大；所述马赫-曾德尔干涉仪模块用于将来自所述显微镜模块的光束分束，然后两束光产生干涉后合束进入所述成像模块中成像，以此获得由待测样品表面三维形貌形成的干涉图像；

所述可切换待测模块的一条光路包括设置在所述光源滤波模块后方的可拆卸反射镜，该可拆卸反射镜用于可透射样品的测量中，来自所述光源滤波模块的高斯光束被改可拆卸反射镜反射后照射在待测样品表面并透射进入所述显微镜模块；另一条光路包括多个反射镜和准直透镜，所述高斯光束经过所述反射镜改变光路传播路径后进入所述准直透镜被准直汇聚，然后进入所述薄膜分束器被反射进入所述显微物镜中，从该显微物镜出射的光照射在所述待测样品表面被反射进入所述显微镜模块中。

进一步优选地，所述马赫-曾德尔干涉仪模块包括分束立方器、4f模块、中继光学模块和合束立方器，所述4f模块和中继光学模块并联且设置在所述分束立方器的后方，进入所述分束立方器的光线被分成两束，一束进入所述4f模块，一束进入所述中继光学模块，从所述4f模块和中光学模块中出射的光在所述合束立方器中发生干涉。

进一步优选地，所述立体分束器将光线的光强按照9：1进行分束，90％光强的光束进入所述4f模块中，10％光强的光束进入所述中继光学模块中。

进一步优选地，所述4f模块包括第一消色差双胶合透镜组和设置在该第一消色差双胶合透镜组中间的针孔，所述第一消色差双胶合透镜组用于对输入的图像进行傅里叶变换，所述针孔用于进行低通滤波。

进一步优选地，所述第一消色差双胶合透镜组中两个相对设置的消色差双胶合透镜之间的距离等于两个透镜的焦距之和，所述针孔设置在两个所述第一消色差双胶合透镜的焦平面上。

进一步优选地，所述中继模块包括第二消色差双胶合透镜组，该中继模块用于将像平面共轭。

进一步优选地，所述第二消色差双胶合透镜组中的相对设置的两个第二消色差双胶合透镜之间的距离为两个消色差双胶合透镜的焦距之和。

进一步优选地，所述显微镜模块中还包括反射镜，该反射镜设置在所述管镜后方，用于改变光路的传播方向，使得光线进入所述马赫-曾德尔干涉仪模块。

进一步优选地，的一种基于定量相位显微成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述光源滤波模块包括激光发射器、第三透镜组和空间滤波器，所述空间滤波器设置在所述第三透镜组中的两个透镜之间，用于过滤掉He-Ne激光束周围杂散光。

按照本发明的另一个方面，提供了一种纳米结构三维形貌特征获得的方法，该方法包括下列步骤：

S1利用上述所述的纳米结构三维形貌测量系统拍摄获得待测样品对应的干涉图像，然后将待测样品移除，采用所述纳米结构三维形貌测量系统拍摄背景图像，对所述背景图像和待测样品对应的干涉图像进行灰度变化以增强对比度；

S2将所述背景图像和干涉图像依次进行傅里叶变换和傅里叶频谱增强，然后用截断式滤波器滤掉0级频谱，提取+1级谱并把它移到频谱图的中心位置，对所述+1级谱进行汉宁窗滤波，以减轻边缘效应并抑制频谱泄漏；最后对经过滤波后的频域图像进行逆傅里叶变换，将频域图像变换回空间域；

S3对经过步骤S2处理后的所述干涉图像和背景图像进行相位相减，以此获得一张差值图像，对该差值图像进行相位解包裹，获得待测样品的相位分布，即获得待测样品的三维形貌信息。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：

1.本发明中采用可切换待测模式，其中包括两条并联的测量，分别适用于可透射和不可透射的样品，因此使得本发明中的纳米结构三维形貌测量系统既能实现透视样品的测量，也是实现不可透视样品的测量；

2.本发明中选用马赫-曾德尔干涉仪模块将光分成两路，然后在重新组合时检测相位差异，精确地测量光的相位变化，实现高分辨率的光学相位测量；

3.本发明中采用立体分束器将光线按照9：1进行分束，从而有效地调整光线的强度分配，在后续的光路发生干涉时，干涉条纹的对比度会更好，条纹更为清晰，从而实现更准确的相位测量和分析，确保合适的光线强度，从而提高干涉条纹的对比度；

4.本发明提供基于定量相位显微镜的无损、高分辨率、高速光学成像系统，构建一种基于非共路径马赫-曾德尔干涉仪的激光衍射相位显微镜，紧凑的非共路光学配置提高系统的长期稳定性，两束光线的光程差被保持恒定，有效地抵消外部振动对干涉条纹的影响，减少振动的影响，本定量相位成像系统可实现对透明和反射式样品的三维形貌测量。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的定量相位显微成像的纳米结构三维形貌测量系统的结构示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的定量相位显微成像的纳米结构三维形貌测量系统的实际图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的由定量相位成像系统采集到的PHASICS公司的透明标准样品的干涉图像；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的由定量相位成像系统采集到的未加入PHASICS公司的透明标准样品时所形成的背景图像；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的重建恢复出的PHASICS公司的透明标准样品的真实三维表面形貌图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的重建恢复出的PHASICS公司的透明标准样品的字母I结构区域和底部区域的高度直方图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

11-激光发射器、12-第三透镜组、13-空间滤波器、21-可拆卸反射镜、22-反射镜、31-准直透镜、32-薄膜分束器、33-显微物镜、34-待测样品、35-管镜、41-分束立方器、42-反射棱镜、43-合束立方器、51-第一消色差双胶合透镜、61-第二消色差双胶合透镜、62-针孔、7-成像模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1和2所示，一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，包括光源滤波模块，可切换待测模块，显微镜模块、马赫-曾德尔干涉仪模块和成像模块，其中，

光源滤波模块产生分布均匀的高斯光束；

可切换待测模块设置在光源滤波模块后方，该可切换待测模块中包括两条并联的光路，分别用于将光线照射在可透射或不可透射的待测样品表面；

可切换待测模块的一条光路包括设置在光源滤波模块后方的可拆卸反射镜21，该可拆卸反射镜21用于可透射样品的测量中，来自光源滤波模块的高斯光束被改可拆卸反射镜21反射后照射在待测样品表面并透射进入显微镜模块；另一条光路包括多个反射镜22和准直透镜31，高斯光束经过反射镜22改变光路传播路径后进入准直透镜31被准直汇聚，然后进入薄膜分束器32被反射进入显微物镜33中，从该显微物镜33出射的光照射在待测样品34表面被反射进入显微镜模块中依次经过显微物镜33，薄膜分束器32和管镜35。

显微镜模块包括显微物镜33、管镜35、薄膜分束器32及反射镜22，该显微镜模块可实现透射模式和反射模式两种路径下的样品放大成像。

显微物镜33被设置成接收来自薄膜分束器32的反射光束，并且接收由待测样品34反射的光束；显微物镜33被设置成接收从光源滤波模块透射穿过待测样品34的光束，管镜35被设置成接收来自显微物镜的含待测样品信息的光束；

马赫-曾德尔干涉仪模块被设置成接受来自显微镜模块的携带样品信息的光束，马赫-曾德尔干涉仪模块包括立方体分束镜被设置在中间像平面中，被配置为生成光强比为90：10的两光束；

4f模块，接受来自立方体分束镜的光强占比为90％的光束；其包括第二消色差双胶合透镜组和设置在该第二消色差双胶合透镜组中间的针孔62，针孔62被设置在4f模块的傅立叶平面中，被配置为低通滤波器，将光强占比为90％的光束转化为不携带样品信息的参考光束；

中继光学模块包括第一消色差双胶合透镜组，用于接收来自立方体分束镜的光强占比为10％的物光光束并将图像平面共轭到成像模块上成像；

合束立方器43被设置成接收物光光束和参考光束，经过合束立方器43后两光束相互干涉，两光束在像面形成的干涉图案被成像模块采集。

待测样品34放置在可移动载物台上，可移动载物台位于光源滤波模块与显微镜模块之间，可移动载物台具有X、Y、Z轴三个方向的位移，用于待测样品34的正确对焦。

进一步地，光源滤波模块包括激光发射器11、第三透镜组12和空间滤波器13，空间滤波器13用于过滤掉He-Ne激光束周围杂散光后的激光束分布均匀。在本实施例中，激光发射器11采用632nm氦氖激光器。

进一步地，可拆卸反射镜21被设置在样品和光源滤波模块之间。

进一步地，可拆卸反射镜21被配置为：当要成像的待测样品34是透明样品时，高斯光束经过可拆卸反射镜21后透射穿过透明样品。

进一步地，针孔62具有约20μm的直径，针孔62放置在4f模块的焦平面上，针孔62具有X、Y、Z三个方向的位移。

进一步地，合束立方器43安装在可旋转底座上，可绕Z轴自由旋转。

进一步地，成像模块是USB相机，被设置在合束立方器43后方的成像场中，以采集物光光束和参考光束形成的干涉图。

进一步地，马赫-曾德尔干涉仪模块中设置有多个反射棱镜42，用于改变光路传播方向。

本发明的测量系统的测量原理如下：

(1)对于可透视的待测样品

分布均匀的高斯光束经由可拆卸反射镜21反射后垂直透射穿过待测样品，光束携带的样品相位信息被显微物镜33收集并放大，经由管镜35作为成像透镜，用于形成无限远光学矫正系统，在成像场中包含样品的三维形貌信息。分束立方器41将携带样品相位信息的激光束分成光强比为90：10的两光束，光强占比为90％的光束作参考光，进入低通滤波系统6，第二消色差双胶合透镜61对光强占比为90％的光束进行傅里叶变换，生成傅里叶平面，针孔62被放置在傅里叶平面上，允许完整的0级光从正中心通过，阻挡其他级次的光，再经由第二消色差双胶合透镜61进行傅里叶逆变换，参考光束变成均匀的平面波；另一束光强占比为10％的物光光束进入中继光学模块，中继光学模块将图像平面共轭到相机靶面上成像。经过合束立方器43后参考光束和物光光束相互干涉，两光束在像面形成的干涉图案被成像模块7采集。借助于Matlab软件对干涉图进行处理，得到物体最终的相位。

(2)对于不可透视的待测样品：

多个反射镜22和准直透镜31，其被设置成接收从照明光路1出射的分布均匀的高斯光束，经过薄膜分束器32后进入显微物镜33，显微物镜33被设置成接收来自薄膜分束器32的反射光束，并且接收由样品反射的光束。

利用本发明的测量系统获取待测样品的三维形貌的方法如下：

S1在同一个光路系统中，用USB相机拍摄一张背景图和一张样品图，背景图即在光路系统中没有放置样品的情况下采集的干涉图；样品图即在光路系统中放置了样品的情况下采集的干涉图；

借助于Matlab的图像处理功能分别对两幅干涉图进行灰度变换以增强对比度，使得图像变得更加清晰；

S2将处理后的干涉图进行傅里叶变换，然后进行傅里叶频谱增强，用截断式滤波器滤掉0级频谱，提取+1级谱并把它移到频谱图的中心位置，对移频后的+1级谱进行汉宁窗滤波，以减轻边缘效应并抑制频谱泄漏，对经过滤波后的频域图像进行逆傅里叶变换的操作，将频域图像变换回空间域；

S3对干涉图像和背景图像进行以上相同的操作步骤后对两张图像进行相位相减操作，得到一张差值图像,然后对差值图像进行相位解包裹操作，得到样品的相位分布，以此获得样品的三维形貌信息。

下面将结合具体的实施例进一步说明本发明。

实施例：以PHASICS公司的透明标准样品作为被测物体进行实际测试；照明源11为波长约为632nm的氦氖激光器；第三透镜组12采用麓邦公司生产的MAD406-A消色差双胶合透镜；空间滤波器13为直径为150um的针孔62，显微物镜33采用Nikon20X无穷远校正物镜；管镜35采用Thorlabs公司生产的焦距为200mm管镜35；薄膜分束器32的分光比为55:45；分束立方器41的分光比为90：10；中继成像模块采用Thorlabs公司生产的AC254-100-A第一消色差双胶合透镜51；合束立方器43的分光比为50:50；针孔62的直径为20um；成像模块7采用从Allied Vision公司购买的直角USB 3.1单色相机，相机传感器类型为CMOS传感器，像素尺寸为3.45*3.45um。实际测量中，由成像模块7记录得到的透明样品干涉图如图3所示，背景图如图4所示。最后，借助于Matlab软件对干涉图进行处理，重建恢复出的PHASICS公司的透明标准样品的真实三维表面形貌图如图5所示，重建恢复出的透明标准样品的字母I结构区域和底部区域的高度直方图如图6所示。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，该纳米结构三维形貌测量系统包括光源滤波模块、可切换待测模块、显微镜模块、马赫-曾德尔干涉仪模块和成像模块(7)，其中，

所述光源滤波模块用于产生分布均匀的高斯光束，可切换待测模块设置在光源滤波模块后方，该可切换待测模块中包括两条并联的光路，分别用于将光线照射在可透射或不可透射的待测样品表面；所述显微镜模块设置在所述可切换待测模块的后方，其包括显微物镜(33)、薄膜分束器(32)和管镜(35)，用于将待测样品透射或反射的光进行显微放大；所述马赫-曾德尔干涉仪模块用于将来自所述显微镜模块的光束分束，然后两束光产生干涉后合束进入所述成像模块(7)中成像，以此获得由待测样品表面三维形貌形成的干涉图像；

所述可切换待测模块的一条光路包括设置在所述光源滤波模块后方的可拆卸反射镜(21)，该可拆卸反射镜(21)用于可透射样品的测量中，来自所述光源滤波模块的高斯光束被改可拆卸反射镜(21)反射后照射在待测样品表面并透射进入所述显微镜模块；另一条光路包括多个反射镜(22)和准直透镜(31)，所述高斯光束经过所述反射镜(22)改变光路传播路径后进入所述准直透镜(31)被准直汇聚，然后进入所述薄膜分束器(32)被反射进入所述显微物镜(33)中，从该显微物镜(33)出射的光照射在所述待测样品表面被反射进入所述显微镜模块中。

2.如权利要求1所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述马赫-曾德尔干涉仪模块包括分束立方器(41)、4f模块、中继光学模块和合束立方器(43)，所述4f模块和中继光学模块并联且设置在所述分束立方器(41)的后方，进入所述分束立方器(41)的光线被分成两束，一束进入所述4f模块，一束进入所述中继光学模块，从所述4f模块和中光学模块中出射的光在所述合束立方器(43)中发生干涉。

3.如权利要求2所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述立体分束器将光线的光强按照9：1进行分束，90％光强的光束进入所述4f模块中，10％光强的光束进入所述中继光学模块中。

4.如权利要求2或3所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述4f模块包括第一消色差双胶合透镜组和设置在该第一消色差双胶合透镜组中间的针孔(62)，所述第一消色差双胶合透镜组用于对输入的图像进行傅里叶变换，所述针孔(62)用于进行低通滤波。

5.如权利要求4所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述第一消色差双胶合透镜组中两个相对设置的消色差双胶合透镜(51)之间的距离等于两个透镜的焦距之和，所述针孔(62)设置在两个所述第一消色差双胶合透镜(51)的焦平面上。

6.如权利要求2所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述中继模块包括第二消色差双胶合透镜组，该中继模块用于将像平面共轭。

7.如权利要求6所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述第二消色差双胶合透镜组中的相对设置的两个第二消色差双胶合透镜(61)之间的距离为两个第二消色差双胶合透镜(61)的焦距之和。

8.如权利要求1或2所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述显微镜模块中还包括反射镜(22)，该反射镜(22)设置在所述管镜(35)后方，用于改变光路的传播方向，使得光线进入所述马赫-曾德尔干涉仪模块。

9.如权利要求1或2所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述光源滤波模块包括激光发射器(11)、第三透镜组(12)和空间滤波器(13)，所述空间滤波器(13)设置在所述第三透镜组(12)中的两个透镜之间，用于过滤掉He-Ne激光束周围杂散光。

10.一种纳米结构三维形貌特征获得的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

S1利用权利要求1-9任一项所述的纳米结构三维形貌测量系统拍摄获得待测样品对应的干涉图像，然后将待测样品移除，采用所述纳米结构三维形貌测量系统拍摄背景图像，对所述背景图像和待测样品对应的干涉图像进行灰度变化以增强对比度；

S2将所述背景图像和干涉图像依次进行傅里叶变换和傅里叶频谱增强，然后用截断式滤波器滤掉0级频谱，提取+1级谱并把它移到频谱图的中心位置，对所述+1级谱进行汉宁窗滤波，以减轻边缘效应并抑制频谱泄漏；最后对经过滤波后的频域图像进行逆傅里叶变换，将频域图像变换回空间域；

S3对经过步骤S2处理后的所述干涉图像和背景图像进行相位相减，以此获得一张差值图像，对该差值图像进行相位解包裹，获得待测样品的相位分布，即获得待测样品的三维形貌信息。