CN1176394C - 共焦显微镜 - Google Patents

Abstract

一种共焦显微镜包括：光源部分；分光镜，将入射光分为透射光和反射光；物镜；工作台，放置试样；共轭光阑，与物镜的聚焦点共轭；第一探测器，检测透过共轭光阑的光；光源部分产生相干光。还包括一反射镜；透射光和反射光之一经物镜照射在试样上，而另一路光投向反射镜；经试样反射的光经物镜透射后至分光镜，与被反射镜反射的光在分光镜处会合，形成干涉图像，一起向共轭光阑出射，由第一探测器检测干涉条纹数。

Description

共焦显微镜

技术领域

本发明涉及一种共焦显微镜，其可以测量试样的三维形貌。

背景技术

在光学仪器行业中有一类叫做显微镜的仪器，它可以测量物体的长度和宽度，但是在科研、生产中常常遇到一些要求测量每一X、Y坐标上的高度值的情况，例如被加工表面的粗糙度情况等。这样，在1957年就出现了一种新的可以测量三维形貌的光学仪器-共焦显微镜，其专利见Minisky M的1961年授权的美国专利US3013467，其发明名称为Microscopy apparatus，相关文章见Minisky M 1988年的Memoiron inventing the confocal scanningmicroscope scanning。

一般的共焦显微镜的原理示于图1，从针孔照明光源1发出的光经显微物镜2照在被观察试样上，然后从试样反射的光经显微物镜2，再经分光镜7反射向光阑4，透过光阑4的光由探测器6检测。光源1发出的光线聚焦在物镜聚焦面3上(第一聚焦面)，当一试样正好位于物镜聚焦面3的位置时，试样聚焦点上的光照度最大，该反射光经物镜2后，被分光镜7反射向光阑4，且聚焦在光阑4处，即物镜聚焦面3与光阑4共轭，就导致与物镜聚焦面3共轭的光阑4的光通量达到极大，而当试样不在物镜聚焦面3的位置时，例如在位置5时，由于位置5与光阑4不共轭，进入探测器6的光被4阻挡而迅速变小。

这样，再配合X-Y扫描工作台，就可以测出试样上哪些点正好在聚焦面上。采用这种方法，X-Y方向每扫完一幅图像后，在Z方向对试样或物镜作一微量高度调节，再重复X-Y方向的扫描动作，如此进行若干次高度调节后，通过计算机合成，就可以得到三维形貌，参见图2。三维形貌往往有多个比四周都要高的极高点，这许多极高点的高度不一定正好与某一次扫描的聚焦平面相重合，这时就需要根据进入光阑4的光通量大小来推测离焦量，而光通量大小并不只与离焦状况有关，与其相关的因素还有加工状况，材质甚至被测面的倾斜度等，从而导致测量精度的损失。另外，Z向分辨率与物8镜的数值孔径及放大倍率有关，但物镜放大倍率的增大对仪器的应用范围有很大影响，而数值孔径也很难做得很大。因此，目前一般的共焦显微镜其Z向的测量精度均为零点几微米，难以提高。

发明内容

本发明致力于对原共焦显微仪器进行改进，本发明的目的在于提供一种共焦显微镜，它保留共焦显微镜横向(X-Y向)分辨率比较高的优点，并明显提高Z向分辨率，使整个仪器的精度明显提高。

为实现本发明的目的，本发明提供一种共焦显微镜，其包括：光源部分；分光镜，所述光源发出的光经分光镜分为两部分，即透射光和反射光；物镜；工作台，用于放置被观察试样；共轭光阑，其与物镜的聚焦点共轭；探测器，用于检测透过共轭光阑的光。所述光源部分产生相干点光源；该显微镜还包括一反射镜组成的参考光臂；透射光和反射光之一经物镜照射在工作台的试样上，而透射光和反射光中的另一个投向反射镜；经试样反射的光经物镜透射后至分光镜，与被反射镜反射的光在分光镜处会合，形成干涉图像，一起向共轭光阑出射，以便被探测器检测。

优选所述光源部分包括相干光源、聚光镜，光阑，相干光源发出的光通过聚光镜，在光阑的针孔上形成一个高亮度的点状光源。

优选本发明的显微镜还包括一两维光学扫描器，设置在所述分光镜和物镜之间的光路上，作与光路垂直的平面扫描，而物镜和工作台之间可在光路方向上作相对移动。

本发明的共焦显微镜的优点在于，本发明的共焦显微镜采用相干光源，保留共焦显微镜横向分辨率比较高的优点，在高度方向改为以干涉干涉计数的方法测高度值，明显提高Z向分辨率，使整个仪器的精度明显提高。

附图说明

下面参照图对本发明的优选实施例的描述可进一步了解本发明的特征和优点。其中，

图1是现有技术的共焦显微镜的示意图；

图2是图示将被观察试样的显微观察结果经计算机合成的三维形貌示意图；

图3是本发明的共焦显微镜原理的示意图；

图4a、4b和4c分别为一般共焦显微镜的信号图，即在挡掉反射镜的0反射光的情况下经试样反射的光经过光路通过共轭光阑时的电压位移信号图、理想的干涉信号图、和探测器上得到的实际波形即经反射镜反射和试样反射后的光经过光路通过共轭光阑时的电压位移图；

图5是本发明的共焦显微镜的一个优选实施例的示意图；

图6a和6b分别是图5所示实施例的探测器208接收到的光源信号的示意波形图和探测器209接收的信号的示意波形图；

图7a-7d是本发明的另一优选实施例的各种变形。

具体实施方式

下面结合图描述本发明的共焦显微镜。

图3为本发明的共焦显微镜原理的示意图。本发明将共焦显微镜与干涉仪合为一体，使物体的高度不但可以象一般的共焦显微镜那样用通过共轭光阑的光通量来判断高度变化，而且还增加了一个可以用干涉术精确测量高度的本领，从而使测量仪器更加精密。

如图3所示，以相干光作光源100、通过聚光镜101，在光阑102的针孔上形成一个高亮度的点状光源，相干光源100、聚光镜101和光阑102构成了本发明的光源部分。点状光源发出的光经分光镜103分为两部分，其透射部分经物镜104汇聚、在聚焦点形成一个缩小了的光阑像105，如果在此像面上正好有一试样表面106，则反射光再通过物镜104汇聚和分光镜103反射，在共轭光阑107上聚焦，也就是说物镜104的聚焦点105与共轭光阑107共轭，以上部分与一般的共焦显微镜相同。

本发明中，将分光镜103分出的反射光也加以利用。在此反射光光路上装有一个透镜108，经透镜108汇聚，在汇聚点上也能形成一个光阑102的缩小像109，在该像109的像面上放上一反射镜110、使反射光再次通过透镜108、分光镜103，并使它也在共轭光阑107上聚焦，即该缩小像位置与共轭光阑107共轭，这时通过共轭光阑107的光有两个组成部分，一部分来自分光镜103的下方，一部分来自分光镜103的右方。这样在探测器111上就可以得到两种信号，其中一个决定于试样表面106对共轭点105的重合程度，重合则通过共轭光阑107的能量最大，不重合则信号变小，其电压位移图形如图4a所示，另一个信号是反射镜110对试样106的干涉信号，试样106在光轴方向每前进或后退半个光波波长，干涉信号的强度变化一个周期，此信号图如图4b所示，而探测器上得到的实际波形如图4c，它是图4a、4b的合成信号。

由图4a-4c可知，探测器111上所得的信号是由两种频率的波叠加而成，因此在探测器后面接上合适的选频电路(未示出)，在工作台移动时就可以取出所需信号，从而达到高度方向以干涉计数法测高的目的。

在以上本发明的原理基础上，还可以有许多变形。

例如，可以将物镜104、工作台的位置与透镜108和反射镜110的位置互换，以透过分光镜103的光作为干涉光的参考光；而以由分光镜103反射的光作为投向试样的测量光。

在分光镜和物镜之间可安装两维光学扫描器，作X、Y方向扫描，获得两维图像。

在上述简单的干涉共焦原理方案基础上，另外还可以进一步有以下两种可供选择的具体的优选实施方案：

a.双频干涉术方案；b.单频偏振干涉术(带位相细分)方案。

在每一种实施方案中，在具体几何光路方面又可以采用：无限筒长物镜光路，有限筒长物镜光路。为了更可靠地取得所需信号，在接收光路方面又可以将干涉信号与共焦信号分开接收与混合接收两种不同的结构形式等。现分别叙述如下。

1)双频干涉共焦显微镜

参见图5，以具有两个光频率或光波波长的双频激光201为光源，通过聚光镜202在光阑203的针孔上形成一个高亮度的点状光源，其光经准直透镜204后射入分光镜205，其反射光经偏振器206、汇聚透镜207，射入探测器208，取得光源的本振(交流)信号，其波形如图6a。透过分光镜205的光射入偏振分光棱镜209，经该分光棱镜209反射的S光分量经λ/4波片210转为圆偏振光、经物镜211后再被试样的表面反射，反射光再经物镜211和λ/4波片210，使光变成P光。而另一路透过该分光棱镜209的P光经λ/4波片212和透镜213后，经反射镜214反射、再经透镜213和λ/4波片212转变成S偏振光。此两支反射回来的光在偏振分光镜209上汇合、一齐向上出射，再经λ/2波片215使P偏振光和S偏振光振动矢量转一角度，经聚光镜216后射入偏振分光镜217，此时从该偏振分光镜217反射出来的光就既含有试样反射来的光、又含有反射镜214反射来的光，它们在光阑218上汇聚，通过光阑218的光由探测器219接收。该探测器219上得到的信号除了有与试样的高度有关的直流共轭光强信号以外，还含有其初始位相与干涉高差有关的高频信号，其波形如图6b。

以上本发明的一个优选实施例的显微镜可得到探测器208所得的本振信号与探测器219所得的交流干涉信号及直流共轭信号。对这些信号采用合适的信号处理装置和控制装置便可精确得到试样的三维形貌。该信号处理和控制装置可采用传统的装置实现，简述如下。

将探测器208所得的本振信号与探测器219所得的交流干涉信号送入双频激光的计数器与相位计，在计数器里就可以得到两列信号脉冲数之差，它们就是干涉级次差，而两信号的位相差送入相位计测量、其相位差即干涉级次的小数部分，它们合成位移信号，其中分出来的共轭情况信号即光强信号，它们作为控制信号，使物镜跟踪试样表面作上下运动。而透过偏振分光镜217的光经目镜220后即可用人眼观察。

在上述的实施例中使用了准直透镜204和聚光镜216，使得该显微镜成为无限筒长光路，也可取消准直透镜204和聚光镜216，从而形成有限筒长光路。

为了更可靠地取得所需信号，在接收光路方面又可以增加一分光镜，将干涉信号与共焦信号分开，使用不同的探测器接收。

2)单频偏振干涉共焦显微镜

参见图7a，其为干涉、共焦信号分开接收，干涉信号两接收器接收，无限筒长的情况。

此种共焦显微镜所用的光源是一般单一光频率的相干光源，它可能是钠光灯或是半导体激光、氦氖激光或其它相干光源。

相干光源301发出的单色光经λ/4波片302后，经聚光镜303在光阑304的针孔上形成一高亮度的点状光源，其光经透镜305准直后射入偏振分光镜306，被该分光镜306分为两部分光，其中被该分光镜306反射的光经λ/4波片307，物镜组308后在试样W表面形成光阑304的像，其反射光再经物镜组308，λ/4波片307后透过偏振分光镜306，射向分光镜306的上方。而从透镜305来的光中被分光镜306透射的部分经λ/4波片309和透镜310后，在反射镜311的表面聚焦并反射，再透过透镜310，λ/4波片309，在分光镜306上反射，也射向分光镜306的上方。两支向上射的光汇合后，经λ/2波片312、透镜313，射入普通分光镜314，被分光镜314分成两部分，反射光中经分光镜315透射的部分经检偏器319后射入探测器320，得到第一组干涉信号，而被分光镜315反射的部分光经反射镜316反射，经检偏器317后射入探测器318，得到第2组干涉信号，而透过分光镜314的光经检偏器321后射入λ/2波片322调节光矢量的振动方向后，经分光镜323分光，其反射光在光阑325上聚焦，由探测器326探测其共焦信号，其它透过分光镜323的光经目镜327可供人观察。

本发明上述实施方案的特点是使用了普通相干光源，本方案所用的将干涉信号与共焦信号分开接收办法，简化了仪器选频过程，增加了仪器的可靠性；本方案干涉信号使用了两个接收器接收，但也可以用一个，三个、四个……来接收，每一个接收器前采用选干涉相位差的机构选相位(如此处用一检偏器改变检偏器检偏方向来实现)使每个接收器之间均有一定的干涉位相差即可；本方案此处用了二个接收器318、320，它比只用一个接收器而言，能判别干涉级次的变化方向，也为干涉级次细分提供了技术基础；本方案为无限筒长方案，但也可以取消透镜305和透镜313使得该方案改成有限筒长的方案。以上特点也可以在双频干涉光路等其它场所使用。

上述实施方案可构成各种更细化的方案。现简述如下：

单频偏振干涉共焦显微镜的变形，其为干涉、共焦信号分开接收，干涉信号由两接收器接收、有限筒长。

参见图7a，如将图7a中的透镜305与透镜313去掉，改变透镜308与透镜310的轴向距离，使透镜308的焦点与光阑325共轭，则变成有限筒长方案，即成为图7b所示方案。

单频偏振干涉共焦显微镜的又一变形为干涉信号与共焦信号合起来接收，干涉信号由两接收器接收、有限筒长。

如在图7b基础上再去掉检偏器321、λ/2波片322、分光镜323、光阑325和探测器326，在探测器320或318之前加一小孔光阑，则该方案成为干涉信号与共焦信号合起来接收的方案，参见图7c。

单频偏振干涉共焦显微镜的再一方案为干涉信号与共焦信号合起来接收，干涉信号由一个接收器接收、有限筒长。

如在图7c基础上再去掉分光镜315、反射镜316，检偏器317和探测器318，仪器接收器只剩下一个，因此只能接收一路干涉信号，而且共焦信号也与干涉信号合在一起.此时方案比较简单，参见图7d。

在图7a-7d的实施例中，也可以以透过分光镜306的光作为投向试样的光；而以由分光镜306反射的光作为干涉光的参考光。

以上已经结合附图对本发明的各种优选实施例进行了举例描述，但是这些描述都是说明性的，而不是限定性的。本领域技术人员在本发明的精神基础上所作的各种变形都是本发明保护的范围。本发明的保护范围由所附的权利要求书限定。

Claims (9)

1、一种共焦显微镜，它包括：

光源部分；

分光镜，所述光源发出的光经分光镜分为两部分，即透射光和反射光；

物镜；

工作台，用于放置被观察试样；

共轭光阑，它与物镜的聚焦点共轭；

探测器，用于检测透过共轭光阑的光；

其特征在于，

所述光源部分产生相干点光源；

该显微镜还包括一反射镜组成的参考光臂；

透射光和反射光之一经物镜照射在工作台的试样上，而透射光和反射光中的另一个投向反射镜；

经试样反射的光经物镜透射后至分光镜，与被反射镜反射的光在分光镜处会合，形成干涉图像，一起向共轭光阑出射，以便被探测器检测。

2、如权利要求1所述的显微镜，其特征在于，所述光源部分包括相干光源、聚光镜，光阑，相干光源发出的光通过聚光镜，在光阑的针孔上形成一个高亮度的点状光源。

3、如权利要求1或2所述的显微镜，其特征在于，还包括一两维光学扫描器，设置在所述分光镜和物镜之间的光路上，作与该光路垂直的平面扫描，而物镜和工作台之间可在它们所处的光路方向上作相对移动。

4、一种共焦显微镜，它包括：

光源部分；

第一分光镜，所述光源发出的光经所述第一分光镜分为两部分，即透射光和反射光；

物镜；

工作台，用于放置被观察试样；

共轭光阑，它与所述物镜的聚焦点共轭；

第一探测器，用于检测透过所述共轭光阑的光；

其特征在于，

所述光源部分产生相干光源；第一分光镜为偏振分光镜；

其还包括一透镜、一反射镜、第一λ/4波片、第二λ/4波片、第三λ/4波片；一λ/2波片、检偏器；以及一第二分光镜；

从相干光源发出的光经第一λ/4波片后投向所述第一分光镜，经所述第一分光镜分为两部分，即透射光和反射光；

透射光和反射光中的一个经第二λ/4波片和所述物镜后照射在工作台的试样上，而透射光和反射光中的另一个经第三λ/4波片投向所述透镜，被所述透镜汇聚在反射镜处，再经反射镜反射、通过所述透镜和所述第三λ/4波片、至所述第一分光镜，而经试样反射的光经物镜和第二λ/4波片后至所述第一分光镜，与由所述反射镜反射至所述第一分光镜的光会合并从所述第一分光镜出射，经过λ/2波片后，再经第二分光镜分成两部分光，其中一部分光被送往目镜以便观察；另一部分光通过所述检偏器后由所述第一探测器检测。

5、如权利要求4所述的显微镜，其特征在于，还包括一第三分光镜、第二检偏器和第二探测器；所述第三分光镜位于所述第二分光镜和所述检偏器之间，由该第三分光镜反射的光经所述第二检偏器后被所述第二探测器检测。

6、如权利要求5所述的显微镜，其特征在于，还包括第三检偏器、第二λ/2波片、第四分光镜和第三探测器；所述第三检偏器、第二λ/2波片和第四分光镜位于送往目镜的光路上依次排列，经所述第四分光镜分离后的光一部分送往目镜，另一部分经一光阑孔后送往所述第三探测器检测。

7、如权利要求4-6中任一项所述的显微镜，其特征在于，还包括一第一透镜和第二透镜，分别在刚好入射所述第一分光镜之前的光路上，以及紧接所述λ/2波片之后的光路上，起准直的作用。

8、如权利要求4-6中任一项所述的显微镜，其特征在于，所述光源为双频相干光源，所述第一分光镜和第二分光镜为偏振分光镜；

该显微镜还包括第四探测器，第五分光镜和一偏振器；

该第五分光镜位于刚好在所述第一分光镜之前的光路上，由所述第五分光镜分出的一部分光送往所述第一分光镜，而另一部分光送往所述偏振器，然后被所述第四探测器检测，取得光源的本振信号。

9、如权利要求7所述的显微镜，其特征在于，所述光源为双频相干光源，所述第一分光镜和第二分光镜为偏振分光镜；

该显微镜还包括第四探测器，第五分光镜和一偏振器；

该第五分光镜位于刚好在所述第一分光镜之前的光路上，由所述第五分光镜分出的一部分光送往所述第一分光镜，而另一部分光送往所述偏振器，然后被所述第四探测器检测，取得光源的本振信号。

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