CN1323309C - 具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明属于显微成像及微观精密测量技术领域，涉及一种具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜，包括光源(1)，依次放在光源发射端的准直扩束器(2)、第一偏振分光镜(10)，放置在第一偏振分光镜(10)反射光路上的第一1/4波片(11)、显微物镜(4)，以及在共焦接收光路中的聚光透镜(6)和位于聚光透镜(6)焦点位置的针孔(7)，贴近针孔后面的光电探测器(8)，其特征在于还包括依次放置在显微物镜(4)光轴上并处在第一偏振分光镜(10)位置后的第二偏振分光镜(10′)、第二1/4波片(11′)和多光束发生器(12)。本发明可广泛应用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行高分辨力显微成像检测。

Description

具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜

技术领域

本发明属于显微成像及微观精密测量技术领域，是一种实现横向超分辨成像检测的装置，其可用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行高分辨力显微成像检测。

背景技术

近年来，随着科学技术的迅猛发展，半导体技术已向超大规模集成电路、毫米波及量子器件发展，微细加工技术也已进入深亚微米、纳米三维加工技术领域，同时生物医学、材料学以及超高精密光存储技术的发展都对光学成像系统及其分辨力提出了越来越高的要求，因此迫切需要研究适应其发展要求的具有超分辨能力的成像及检测技术。

而共焦显微镜以其特有的三维层析成像能力在上述诸多领域得到广泛应用，但是由于受衍射现象的原理性限制，制约了其成像分辨能力的进一步提高。为了从根本上突破衍射极限，改善共焦显微镜的成像分辨能力，近年来，国内外许多学者致力于共焦显微镜的研究，并已提出了众多非传统的共焦显微成像原理和超分辨方法。

目前，已经出现了几种典型的共焦显微镜，例如：共焦干涉显微镜、4PI共焦显微镜、θ共焦显微镜、基于光学非线性行为的双光子和多光子共焦显微镜等。将干涉技术和共焦显微镜技术相融合的思想最早是Min Gu提出的(详见“共焦显微术的三维成像原理”，M.顾著，王桂英等译，新时代出版社，2000年1月出版)。国内在共焦干涉显微研究方面也已经取得了一些研究成果，例如：中国专利“共焦显微镜”(申请号：01122439.8，公开号：CN 1395127A)提出将干涉法引入传统的共焦显微成像系统中，用于改进轴向分辨力的方法；中国专利：“双频共焦台阶高度显微测量装置”(申请号：02120884.0，公开号：CN 1384334A)公开了一种双频共焦台阶干涉显微系统；中国专利“具有高空间分辨成像能力的共焦干涉显微镜”(申请号：200410096338.8)等。

传统的共焦干涉显微镜原理如图1所示，光源1发出的点光源经准直扩束器2变为平行光束，该平行光束被分光镜3分为测量光束和参考光束，测量光束经物镜4聚焦在被测物9表面后被反射到聚光透镜6，参考光束经参考反射镜5反射后到达聚光透镜6，聚光透镜6将测量光束和参考光束会聚并产生干涉，光电探测器8位于聚光透镜6的焦点处用于探测共焦干涉信号，其大小对应被测物相对于物镜4焦点处的相对位移。该共焦干涉显微镜在保留共焦显微镜固有的横向分辨特性的前提下，通过干涉技术来提高共焦显微镜的轴向分辨力。这种传统的共焦干涉显微镜存在着许多不足，如：显微镜中相干的参考光束和测量光束分别来自于平面镜5的反射和被测物9表面的反射，两束光沿不同的光路传输，经聚光透镜6会聚在光电探测器8上产生干涉。由于参考光来自固定的平面反射镜，其强度比较稳定，而测量光束强度变化较大，因此传统的共焦干涉显微镜参考光与测量光形成的是不等强度干涉，其干涉条纹对比度差，同时系统抗干扰能力弱。更重要的是传统的共焦干涉显微镜仅仅改善了系统的轴向分辨力，其横向分辨力仍受衍射极限的限制，其分辨力比轴向分辨力往往低两个数量级，这大大限制了其应用范围。

为了改善共焦显微镜的横向分辨力，国内外学者也进行了不少的研究，并提出了一系列的研究方法和技术。主要有空间频率限制法、光瞳滤波器法和4PI共焦法。最近，韩国科技大学(KAIST)的DongKyun又提出了一种新型的基于两偏振光干涉的自相干共焦显微CSIM系统(OPT.LETT.2003，28：2470-2472)。通过数值仿真表明，该系统的横向分辨力相对常规共焦显微镜的横向分辨力增强了38％。尽管这些方法和技术对改善共焦显微镜的横向分辨力具有一定的效果，但是其横向分辨力仍然有限，并且这些成像系统往往比较复杂，造价昂贵。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜，用于微电子学、材料、工业精密检测、生物医学、生命科学等领域中进行高分辨力显微成像检测。

本发明的技术解决方案是：一种具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜，包括光源1，依次放在光源发射端的准直扩束器2、第一偏振分光镜10，放置在第一偏振分光镜10反射光路上的第一1/4波片11、显微物镜4，以及在共焦接收光路中的聚光透镜6和位于聚光透镜6焦点位置的针孔7，贴近针孔后面的光电探测器8，还包括依次放置在显微物镜4光轴上并处在第一偏振分光镜10位置后的第二偏振分光镜10′、第二1/4波片11′，和多光束发生器12。

还包括放在第一偏振分光镜10和第二偏振分光镜10′之间的望远镜组16，用于放大入射光相对多光束发生器12的入射角。

还包括放置在测量显微物镜前面的x-y二维工作台13，用于被测样品的x-y二维移动。

其中的多光束发生器可以是平行平板、楔形板和其它一切产生多光束的装置。

其中的光源可以是激光光源，也可以是一般普通光源。

本发明具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜具有如下显著优点：

1.显著改善共焦干涉显微镜的横向分辨力；

2.共光路自相干的光路布置可显著提高系统的稳定性和抗干扰能力；

3.多光束自相干方法的采用，使相干多光束均来自被测物表面同一点，并形成近似等强度干涉，可显著改善干涉条纹的对比度，便于高精度探测；

4.与已有的自相干共焦显微CSIM系统相比，本发明装置多光束干涉属于非偏振光干涉，这样避免了在光电探测器前加检偏器，减少了由此而引入的光路调整及系统能量的损失。

下面结合实施例及附图详细说明本发明。

附图说明

图1为已有的共焦干涉显微镜的示意图。

图2为本发明实施例一的示意图。

图3为本发明实施例二的示意图。

图4为共焦显微镜、自相干共焦显微CSIM系统以及本发明实施例二所示的横向归一化强度响应曲线。

图5为共焦显微镜系统的点扩展函数示意图。

图6为自相干共焦显微CSIM系统的点扩展函数示意图。

图7为本发明反射多光束共焦干涉显微镜CMRIM系统的点扩展函数示意图。

其中，1光源，2准直扩束器，3分光镜，4显微物镜，5参考反射镜，6聚光透镜，7针孔，8光电探测器，9被测物，10第一偏振分光镜，10′第二偏振分光镜，11第一1/4波片，11′第二1/4波片，12多光束发生器，13x-y二维工作台，14光电探测器信号放大处理系统，15计算机测量控制系统，16望远镜组，17普通共焦显微镜的横向归一化强度响应仿真曲线，18基于双光束干涉的自相干共焦显微CSIM系统的横向归一化强度响应仿真曲线，19本发明实施例二的横向归一化强度响应仿真曲线。

具体实施方式

本发明的基本思想是将多光束干涉技术引入共焦显微接收光路系统中，通过多光束发生装置产生多光束，并将多光束通过共焦显微系统的聚光镜汇聚到共焦显微系统的针孔上，使多光束产生干涉，利用多光束干涉条纹宽度窄、对比度好和抗干扰性强等特点，来达到锐化共焦显微系统爱里斑主瓣宽度，继而达到改善共焦显微系统横向超分辨力的目的。

本发明实施例一的结构如图2所示，其中包括光源1，依次放在光源发射端的准直扩束器2、第一偏振分光镜10，放置在第一偏振分光镜10反射光路上的第一1/4波片11、显微物镜4，放置在第一偏振分光镜10透射光路上的第二偏振分光镜10′、第二1/4波片11′、多光束发生器12，以及放置在第二偏振分光镜10′反射光路上的聚光透镜6和位于聚光透镜6焦点位置的针孔7，及贴近针孔7后面的光电探测器8。还包括一个与光电探测器8相连的探测信号放大处理系统14、一个计算机控制系统15和x-y二维工作台13，整个测量过程由计算机测量控制系统15进行控制和处理。

本发明另一个实施例二的结构如图3所示，与实施例一不同的是在第一偏振分光镜10和第二偏振分光镜10′之间加入了一望远镜组16，其角放大倍数为M，用于放大入射光线相对于平行平板的入射角，从而增加系统的灵敏度。

上述两实施例中，多光束发生器选用平行平板。

实施例二中的主要参数如下：

平行平板的反射率R＝0.04，厚度d＝5mm，其放置倾斜角为5.7296°。显微物镜选用40×0.7普通平场消色差显微物镜。望远镜组的角放大率M＝20。

下面对本发明实施例二的横向强度响应特性进行仿真，来进一步说明其超分辨能力。

图4给出了普通共焦显微镜、CSIM以及本发明实施例二的横向归一化强度响应仿真曲线17、18和19。从图中可以看出，其横向响应中心曲线的半极值宽度(FWHW)分别为234nm、145.6nm和90nm。

由理论仿真可得：本发明反射多光束共焦干涉显微镜对共焦显微系统的横向分辨力具有极显著的改善，可达数十纳米。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和仿真效果作了说明，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进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种具有数十纳米横向分辨力的反射多光束共焦干涉显微镜，包括光源(1)，依次放在光源发射端的准直扩束器(2)、第一偏振分光镜(10)，放置在第一偏振分光镜(10)反射光路上的第一1/4波片(11)、显微物镜(4)，以及在共焦接收光路中的聚光透镜(6)和位于聚光透镜(6)焦点位置的针孔(7)，贴近针孔后面的光电探测器(8)，其特征在于还包括依次放置在显微物镜(4)光轴上并处在第一偏振分光镜(10)位置后的第二偏振分光镜(10′)、第二1/4波片(11′)和多光束发生器(12)。

2.根据权利要求1所述的反射多光束共焦干涉显微镜，其特征在于包括放在第一偏振分光镜(10)和第二偏振分光镜(10′)之间的望远镜组(16)，用于放大入射光相对多光束发生器(12)的入射角。

3.根据权利要求1所述的反射多光束共焦干涉显微镜，其特征在于包括放置在测量显微物镜前面的x-y二维工作台(13)。

4.根据权利要求1所述的反射多光束共焦干涉显微镜，其特征在于光源(1)是激光光源或一般普通光源。

5.根据权利要求1所述的反射多光束共焦干涉显微镜，其特征在于多光束发生器(12)是平行平板或楔形板。

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