CN1358996A - 用透射式微分干涉相衬显微镜测量表面形貌的方法和装置 - Google Patents

Abstract

一种用透射式微分干涉相衬显微镜定量测量透明体表面形貌的方法和装置,属微观物体表面形貌测量技术领域。其特征是在常规透射式微分干涉相衬显微镜的主Nomarski棱镜与检偏器之间加入四分之一波片,并给检偏器加驱动装置,使其可以旋转。在测量时多次旋转检偏器,可以在显微镜的成像面上得到不同相位的干涉图像,用CCD摄像机摄取干涉图像信息,存入计算机中,然后由计算机对所得的干涉图像信息进行解算和重构,即可在计算机显示器上显示三维形貌图和二维轮廓图。

Description

用透射式微分干涉相衬显微镜测量表面形貌的方法和装置

技术领域

本发明涉及用透射式微分干涉相衬显微镜定量测量透明体表面形貌的方法和装置，属微观物体表面形貌测量技术领域。

背景技术

在现代工业的很多领域中，透明物体的表面形貌是一项重要观测内容。如晶体的培育与生长监控；精密表面(如光盘表面)加工等。近年来，国内外的许多科学工作者都对这一领域进行了探索。测量表面形貌的方法主要分为接触式测量法与非接触式测量法。

接触式测量方法都采用接触式探针逐行扫描样本表面，该方法虽然精度很高，但是存在测量时间长，而且容易破坏样本表面结构(特别是质软的晶体样本)的问题。

非接触式测量方法如摄像测量方法，扫描隧道显微镜，激光共焦显微镜，分光路干涉轮廓仪(如WYKO公司的TOPO轮廓仪)，反射式微分干涉相衬显微镜，普通的透射式微分干涉相衬显微装置等等。以上的各种方法都有各自的不足。

摄影测量法具有直观的特点，并且实现起来比较容易，但测量精度低，甚至只能粗略估计。而且拍摄过程中光电耦合摄像机安装的角度，以及拍摄的帧数都将直接影响后续的图像处理，解决这些问题尚无完善的理论。

扫描隧道显微镜虽然分辨率高，可以实时的得到空间中表面的三维形貌，但是它在应用于生命科学研究时存在以下问题：可供选择的基底材料有限；要求样品有导电性；针尖与样品的相互作用以及样品的热振动可能造成样品表面结构的改变；扫描隧道显微镜对图像的识别、认定与解释尚无完整的理论。

激光共焦显微镜的测量范围小，完成一个平面内样本的测量耗时长，无法应用于生长晶体的实时观测。

分光路干涉轮廓仪与反射式微分干涉相衬显微镜虽然应用很广，技术成熟，可是他们只能应用于高反射率的非透明体，对透明样本无法进行准确观测。

普通的透射式干涉相衬显微系统虽然可以取得很好的观察效果，但是却无法得到物体表面形貌的定量测量数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以对透明样本表面形貌进行直接成像观察和定量测量的方法和装置。

本发明的方法是用内部装有四分之一波片及可旋转的检偏器的透射式微分干涉相衬显微镜来观察透明样本，再用光电耦合摄像机(CCD摄像机)来摄取透射式微分干涉相衬显微镜所显示的干涉图像信息，并将图像信息存入计算机中，然后旋转显微镜中的检偏器，则在显微镜像面上可得到不同相位的另一幅干涉图像。CCD再将该干涉图像摄取并存入计算机。如此旋转n次检偏器则可得到n+1幅不同相位的干涉图像。计算机将所获得的干涉图像信息进行解算和重构，即可在显示器上显示三维形貌图和二维轮廓图。

说明本发明的透射式微分干涉相衬显微镜及测量方法原理如下：

本发明的透射式微分干涉相衬显微镜是在常规的透射式微分干涉相衬显微镜的主Nomarski棱镜与检偏器之间加入四分之一波片，并给检偏器加驱动装置，使其可以旋转，其光路图如图1。其中1为起偏器，2为副Nomarski棱镜，3为相干平面，4为聚光镜，5为待测样品，6为显微物镜，7为相干平面，8为主Nomarski棱镜，9为四分之一波片，10为检偏器，11为检偏器旋转驱动装置，12为CCD像面。

本发明透射式微分干涉相衬显微镜的定量测量光路中在主Nomarski棱镜后加入四分之一波片，并且加装了检偏器的定量旋转驱动系统。这一技术特征是本发明的关键特征之一，改进后的光路能够得到可以用于定量测量的相位信息，是进一步提取特征相位并进行定量测量的基础。改进后的透射式微分干涉相衬显微光路是本发明的创新点之一，区别与现有技术。

本发明的透射式微分干涉相衬显微镜采用旋转检偏器的相移干涉技术，应用这一技术可以准确、实时的把干涉图像中与被测形貌有关的相位值提取出来，是本发明的必要技术特征。这一技术是近年来刚刚出现的，目前还停留在实验阶段。其特点是不易受到空气扰动、机械振动与温度变化等外界因素的干扰，检偏器的旋转角与相位差成线性关系(不会引入非线性误差)，在分光路与共光路干涉法中都可应用，并且成本低廉。将旋转检偏器的相移干涉技术应用于透射式微分干涉相衬显微观察系统中，从而实现透明体表面形貌的定量测量是本发明所独有的技术特征。

本发明的测量原理如下：

用本发明的透射式微分干涉相衬显微镜来观察透明的物体样本，透明样本表面高低不平的形貌特征使通过其上不同点的光束具有了光程差，此光程差与相位差之间的关系可写成下式：

(1)，式中λ为观察光束的波长，Φ(x，y)为由被测表面形貌引起的相位差。设表面形貌为H(x，y)，通过副Normarski棱镜的光束沿x轴剪切量为Δx，则H(x，y)在(x+Δx，y)微区内沿x轴方向的斜率为H(x，y)/x，于是光程差又可表示为：

(2)，式中n为样品折射率，令剪切量Δx为S(已知量)，则由(1)、(2)两式得到： $S_x(x,y)=\frac{\∂H(x,y)}{\∂x}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\mathrm{\πsn}}\mathrm{\Φ}(x,y)---\left(3\right)$ 从式(3)可以得到被测表面形貌沿x轴方向的斜率与测量光束相位之间的关系。也即： $\mathrm{\Φ}(x,y)=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\mathrm{\Δ}(x,y)=\frac{2\mathrm{\πsn}}{\mathrm{\λ}}{S}_x(x,y)---\left(4\right)$ 上式中的相位信息已经包括在干涉平面的光强中，如下式所示：I(x，y，ζ)＝I_o+I_c sin[2ζ+Φ(x，y)]    (5)式中检偏器的方位角为ζ，I_o、I_c分别为直流背景光强和交流背景光强，Φ(x，y)为均匀透明样本表面形貌引起的相位差。

旋转检偏器的相移干涉法可以从(5)中提取出反映样本表面形貌的特征量Φ(x，y)。如(5)式所示，当Φ(x，y)一定，而检偏器以恒速旋转时，干涉相位差随时间作线性变化，使干涉场上各点的干涉光强在亮与暗之间作正弦变化。以五步法为例，取N＝5，即ζ分别取-π/2，-π/4，0，π/4，π/2，则对应的干涉光强分布为：

求解方程组(6)可以得到： $\mathrm{\Φ}(x,y)=\arctan \left[\frac{{2I}_3-I_5-I_1}{2(I_4-I_2)}\right]---\left(7\right)$

上式表明，干涉图像的相减运算消除了干涉图像中的直流背景I_o，除法运算使得测量结果与交流背景I_c无关。因此上述算法自动消除掉了干涉场上的光强固定噪声与条纹对比度对相位信息提取结果的影响。

(7)式得到了通过被测样本后测量光束的相位信息，并同时得到了被测样本表面形貌沿x轴方向的斜率(见公式3)，通过x轴方向的逐行数值积分，我们最终得到了整个被测样本表面的形貌数据。

本发明利用透射式微分干涉相衬显微镜来定量测量透明物体的表面形貌，需要软件系统配合，软件系统要完成包括光路调整、检偏器旋转控制、相位提取、表面形貌重构、图象处理等多种操作。

旋转检偏器的相移干涉技术需要大量的运算来提取干涉图象中有用的特征相位信息，而且由于这些相位信息是微分干涉得到的，所以它们只反映了样本表面形貌的梯度信息(如果样本具有均匀折射率)，即从(3)式得到的样本表面形貌变化率H(x，y)/x。为获取样本的表面形貌还需要沿x轴方向积分。我们采取的方法是沿图像象素点的x轴逐行积分，最后得到了整个图像的表面形貌。这个积分过程可以采用多种数值积分算法，我们这里采用了复化梯形积分算法，用Math Work公司的Matlab或者C++等开发工具均可以方便的编写这些算法的程序。在提取相位的程序中的核心部分是相位提取算法，目前国际上对这一算法已经进行了很多研究，可以采用的算法包括三步法、四步法、五步法、N+1步法等分步算法。另外，在重构表面三维形貌的过程中，还需要通过软件消除噪声、去掉工作台倾斜等干扰因素。

附图说明

图1：为本发明透射式微分干涉相衬显微镜光路原理图

图2：为检偏器驱动系统原理框图

图3：为测量系统工作流程图

图4：为测量系统主程序框图

具体实施方式

本发明可以在已有的反射式微分干涉相衬显微镜上改装实现。需要加工设计的零配件包括：透射式照明光路，透射式光路中的副Nomarski棱镜，相移驱动系统。计算机和图像采集系统也必不可少，另外还需要编制系统控制和运算的软件程序。以下是各系统组成部分的实施方案。

1、对透射式照明系统的要求：

(1)光源应有足够的亮度，集光镜应有足够大的通光孔径，以提高光能利用率，保证照明物面所需的足够光能量。同时照明系统应能保证在物样本被观察的整个视场范围得到均匀一致的照明。

(2)使光束经过补偿棱镜及聚光镜后形成的波前剪切量与主棱镜及显微物镜形成的波前剪切量相同，即达到补偿的目的。

(3)通过偏光棱镜的光束应为平行于系统光轴的平行光，故照明系统中应有足够长的平行光路，以放置棱镜部件。

2、对系统中副Nomarski棱镜的要求是其对光线的剪切量要与主Nomarski棱镜的剪切量相同，以这一点为基准参照相关设计公式即可设计出系统要求的副Nomarski棱镜。

3、相移驱动系统：

在透射式微分干涉相衬显微镜的相干复合光路中(即主Nomarski棱镜后)加入1/4波片及检偏器作为相移器件。旋转检偏器，两相干光束的光程差随之变化，从而改变了干涉相位，达到了相移的目的。检偏器采用了插入式的机械结构设计，并带有刻度值为3度的旋转手轮，以实现对检偏器的人工操作。检偏器与旋转手轮间由两组齿轮实现传动。为了使测量过程全部自动化，并且达到更精确的移相精度，我们采用36BF-02B型步进电机带动检偏器旋转。步进电机由计算机直接驱动。图2为检偏器驱动系统原理框图。

具体测量步骤如下：

1、光学系统的调整。包括：(1)检偏器与起偏器的通光方向相互垂直；(2)1/4波片快轴方向与检偏器方向垂直；(3)主Normarski棱镜的剪切方向与检偏器成45度；(4)棱镜的对称轴与光轴重合，使棱镜上下两块晶体厚度相同，消除棱镜引起的相位差；(5)使补偿棱镜的剪切方向与主棱镜的剪切方向一致。以上全部调整环节已用Visual C++编制了向导程序，可以简单、快速、准确、客观的进行调整。

2、显微镜调焦。

3、旋转检偏器(手动旋转或步进电机自动旋转)，每隔固定角度采集干涉图样一张，保存在计算机硬盘内。具体间隔角度可以根据实际情况选择，采集图片数量则根据所采用的不同相位提取方法来决定。例如，如果采用五步法，则在零位前后均匀采集5幅图片。

4、调用相位计算子程序。该子程序把采集到的5幅图片中每一个象素点的光强值代入公式(6)，计算出样本表面上该象素点所对应点的相位值。通过512×512次(显示区域内共有512×512个象素点)运算，就得到了整个观测样本表面的相位分布。进而通过调用差分计算子程序根据公式3计算出样本表面形貌变化梯度值。

5、调用高度积分计算子程序，通过数值积分算法由样本表面形貌变化梯度计算出样本表面的形貌图。

6、调用图像处理子程序，消除高频、低频噪声。

7、调用形貌显示子程序与轮廓线显示子程序，显示样本表面的形貌特征。

Claims (2)

1、一种用透射式微分干涉相衬显微镜定量测量透明体表面形貌的方法，其方法特征是用内部装有四分之一波片及可旋转的检偏器的透射式微分干涉相衬显微镜观察透明样本，再用光电耦合摄像机来摄取透射式微分干涉相称显微镜所成的干涉图像，并将该图像信息存入计算机中，然后旋转显微镜中的检偏器，则在显微镜的像面上得到不同相位的另一幅干涉图像。光电耦合摄像机再将该干涉图像摄取并存入计算机。如此旋转n次检偏器则可得到n+1幅不同相位的干涉图像，计算机将所获得的干涉图像信息进行解算和重构，即可在显示器上显示三维形貌图和二维轮廓图。

2、一种由透射式微分干涉相衬显微镜定量测量透明体表面形貌的装置，其特征是在常规的透射式微分干涉相衬显微镜的主Nomarski棱镜与检偏器之间加入四分之一波片并给检偏器加驱动装置，使其可以旋转。

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