CN202304765U

CN202304765U - 一种并行扫描共焦成像装置

Info

Publication number: CN202304765U
Application number: CN2011203873942U
Authority: CN
Inventors: 杨召雷; 官志超; 段松传
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2021-10-12

Abstract

本实用新型涉及一种并行扫描共焦成像装置，特别涉及并行扫描成像系统的光路结构和光路封装过程，属于微纳米检测领域。本实用新型提出的一种并行扫描共焦成像装置，包括光路结构和光路封装装置；光路结构中加入分光棱镜，并且使用数字微镜器件取代传统意义上的照明针孔，对入射光进行调制，形成虚拟针孔阵列，此光路结构中，内表面反射的光线到达摄像机表面时会形成均匀的背景光。此时一个数字微镜器件产生的针孔在摄像机上便形成一个清晰的像，这样便完全符合微纳米检测的要求。本实用新型实现了系统集成，可以和不同的纳米台连接，具有很好的可移植性，也可以随时拆卸维护，不仅节约企业成本，也使日常维护变得简单易行。

Description

一种并行扫描共焦成像装置

技术领域

本实用新型涉及一种并行扫描共焦成像装置，特别涉及并行扫描成像系统的光路结构和光路封装过程，属于微纳米检测领域。

背景技术

半导体(IC)行业发展迅猛，共焦显微系统可以很容易地观察到焊接开裂和腐蚀表面的细节或相互关系，还可以作为显微操作平台，可接配纳米机械手、微机械探针、接配离子枪等装置，进行离子切割加工，纳米操作，微区尺度物理化学性质测量。由于共焦显微系统可以观察一个样品的表面，也可以观察一个切开的面，或是一个断面，因此，除了在MEMS检测应用外，也广泛地被使用在观测生物样品、纺织业和造纸业中，或是被用来观测制备过的木头的细微结构质量检测等。

正是由于共焦显微系统的三维成像能力，使它广泛地应用于生物、医学、工业探测及计量学等领域。因此，设计出高精度、高扫描速度和低成本的共焦系统意义重大。

然而，目前三维检测系统都存在着各种问题。绝大多数传统的SFM采用电压作为压电传动装置(PZT)的位置信号。但是PZT存在一些缺陷，比如：老化、蠕变、磁滞和非线性等，德国的TU-Ilmenau已制造出了一台精密定位范围为25mm×25mm×5mm的纳米定位仪(NanoPositioning Machine，NPM)。然而，由于NPM的动态性能不甚理想，这种测量的速度非常慢(要想有好的扫描检测效果，扫描速度必须＜5m/s)。为了提高扫描速度，可在基于NPM的扫描台之外，另加入动态性能较好的PZT工作台以控制z轴方向的运动，这样就能够将SFM应用于大范围检测，这一装置已成功地将扫描速度提高到了40m/s。然而当被测样品面积达到平方毫米时，该系统仍不是合适的测量工具。

因此，近20年来，人们都致力于设计分辨率高、扫描速度快的三维检测系统，于是并行扫描共焦显微系统便运用而生。采用此系统不仅可以快速、稳定、精确的还原微纳米结构，而且还克服了传统的显微系统的缺点。

然而设计共焦检测系统，对光路要求较高，传统的共焦光路因为分光棱镜的内表面反射光成像与摄像机，由于内表面反射光光强较弱，将会形成较暗的影子，成像重影现象很严重，这显然不符合微纳米检测的要求。同时传统的光路不仅不便于携带、调节，更容易受到外界杂散光的干扰，这将严重影响成像质量和后期的三维重建效果。因此，为了使成像完全符合微纳米检测的要求，同时便于维护和调节，改进光路结构并进行合理的封装，成为设计共焦系统中不可或缺的一部分。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种符合微纳米检测要求的光路结构和便于维护和调节的共焦成像装置，将各个部件合理匹配布局，保证其具有良好的抗干扰性和便携性。

本实用新型并行扫描共焦成像装置包括光路结构和光路封装装置，所述光路结构包括LED光源，所述LED光源发出的光经聚光镜入射到数字微镜器件上，所述数字微镜器件反射的光经分光棱镜入射到无限远物镜，然后聚焦到被测物体上，所述被测物体反射回来的光束经所述无限物镜再经过所述分光棱镜，最后成像到电荷耦合元件上；所述光路封装装置包括聚光镜，在所述分光棱镜旁设有平行夹板，第一连接件与所述数字微镜器件连接，所述第一连接件中间开有第一通孔，光源固定台发出的光经所述聚光镜，通过所述通孔后入射到所述数字微镜器件上，第二连接件与所述电荷耦合元件连接，所述第二连接件中间开有第二通孔使所述被测物体反射回来的光束经所述无限远物镜，再经过所述分光棱镜，并通过所述第二通孔后，成像到所述电荷耦合元件上，第三连接件与柔性测量平台连接，所述第三连接件中间开有第三通孔，使所述数字微镜器件反射的光线经所述分光棱镜入射到所述无限远物镜，通过所述第三通孔后聚焦到所述被测物体上。

进一步地，所述的光路封装装置将所述LED光源、所述聚光镜、所述分光棱镜、所述无限远物镜封装在铝制匣子里，并与所述数字微镜器件、所述电荷耦合元件、所述柔性测量平台连接为一体，组成整个微纳米测量系统。

本实用新型提出的一种并行扫描共焦成像装置，包括：光路结构和光路封装装置；光路结构中加入分光棱镜，并且使用数字微镜器件(DMD)取代传统意义上的照明针孔，对入射光进行调制，形成虚拟针孔阵列，此光路结构中，内表面反射的光线到达摄像机表面时会形成均匀的背景光。此时一个数字微镜器件(DMD)产生的针孔在摄像机上便形成一个清晰的像。上述装置中，设有侧面盖板，所述侧面盖板开有平行夹缝，棱镜夹板可以沿所述平行夹缝移动，进而调整光路。所述侧面盖板可以拆卸以方便调整光路而不影响整个装置，在需要调整光路的时候所述侧面盖板可以打开，然后调整所述棱镜夹板，直到成像满意为止。

由于采用了上述技术方案，本实用新型提出的一种并行扫描共焦成像装置的优点在于：

1、本实用新型将传统光路进行改进，加入分光棱镜，并且用数字微镜器件(DMD)取代传统意义上的照明针孔，对入射光进行调制，形成虚拟针孔阵列，这样内表面反射的光线到达摄像机表面时会形成均匀的背景光，数字微镜器件(DMD)产生的针孔在摄像机上便形成一个清晰的像，这样便完全符合微纳米检测的要求。

2、本实用新型设计的光路封装装置将并行共焦显微镜光路所必须的光学零器件合理的布局到一起，方便系统工作的时候调节光路，以期达到良好的成像效果。

3、本实用新型将数字微镜器件(DMD)、电荷耦合元件(CCD)、柔性测量平台(PIFOC)有机的连接到一起，组成共焦检测系统，实现了系统集成，可以和不同的纳米台连接，具有很好的可移植性，也可以随时拆卸维护，不仅节约企业成本，也使日常维护变得简单易行。

4、本实用新型将光路封装，有效的隔离了外界杂散光的干扰，同时为了避免铝制匣子自身表面的杂散光干扰，对其进行了氧化发黑处理，大大提高了系统稳定性，提高了成像质量，为三维重建微结构奠定了良好的基础。

5、本实用新型提出的并行扫描共焦成像装置制作工艺简单，能够被设计者掌握并应用到实际工作中。

附图说明

图1为本实用新型一种并行扫描共焦成像装置的光路示意图；

图2为本实用新型一种并行扫描共焦成像装置的结构示意图；

图3为本实用新型一种并行扫描共焦成像装置中光路装置的结构示意图；

图4为使用普通显微镜测得的SH2400样品图；

图5为使用本实用新型一种并行扫描共焦成像装置测得的SH2400样品图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方式作进一步的说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

如图1所示光路结构，在进行共焦成像时，LED光源1发出的光经聚光镜2入射到数字微镜器件3(DMD)上，数字微镜器件3(DMD)反射的光线经分光棱镜5入射到无限远物镜6，然后聚焦到被测物体7上被测物体7反射回来的光束经无限远物镜6，再经过分光棱镜5，最后成像到电荷耦合元件4(CCD)上。

如图3所示光路封装装置，聚光镜2可以沿着斜狭缝移动，方便调整光路。为了进一步强化抗干扰性，在分光棱镜5旁边放置平行夹板9，以防外界杂散光的进入。为了与外部件数字微镜器件3(DMD)、电荷耦合元件4(CCD)、测量部件8(PI公司的PIFOC)这三个装置连接，特别设计了第一连接件10与数字微镜器件3(DMD)连接，并在第一连接件10中间开第一通孔，使光源1发出的光经聚光镜2，通过此第一通孔后入射到数字微镜器件3(DMD)上。同时特别设计了第二连接件11与电荷耦合元件4(CCD)连接，并在第二连接件11中间开有第二通孔，使物体反射回来的光束经无限远物镜6，再经过分光棱镜5，并通过此第二通孔后，成像到电荷耦合元件4(CCD)上。另外，特别设计了第三连接件12与测量部件8(PI公司的PIFOC)连接，并在第三连接件12中间开有第三通孔，使数字微镜器件3(DMD)反射的光线经分光棱镜5入射到无限远物镜6，通过此第三通孔后聚焦到被测物体上。

其结构如图2所示，为本实用新型一种并行扫描共焦成像装置中光路装置的结构示意图。将图1光路通过图3所示封装装置完全封装完成以后，便形成本实用新型一种并行扫描共焦成像装置，再将其与数字微镜器件3(DMD)、电荷耦合元件4(CCD)、测量部件8(PI公司的PIFOC)、柔性测量平台连接，其中柔性测量平台包括图2中的支架17、样品载物台16、平面坐标位移平台Y方向14、平面坐标位移平台X方向15、垂直坐标位移平台Z方向13。至此，整个微纳米测量平台搭建完成。此后打开光源电源、数字微镜器件(DMD)电源，并进一步调节光强，适中即可，打开电荷耦合元件(CCD)电源、电脑和相应的软件，如果此时显示的微纳米结构不够清晰，可以调节共焦成像装置的光路，即调节图3所示的聚光镜2，沿着斜狭缝方向平行滑动，直到成像清晰为止，如图5为本实用新型实验所得的SH2400样品图，我们将此和图4中普通显微镜测得的SH2400样品图进行对比如下所示：

从图4和图5中可以看到，采用此共焦成像装置系统采集到的样品图分辨率明显高于普通显微镜，普通显微镜只能观测到被测样品的大概轮廓，而采用此共焦成像装置系统可以测到更多的样品细节。此外，普通显微镜(即使采用了共焦光路)也是不具备三维成像和定量测量能力的；而采用此共焦成像装置系统采集到的样品有明显的层次感，完全具备三维成像和定量测量能力。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施方式而已，并非用来限定本实用新型的实施范围。任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求书所界定范围为准。

Claims

1.一种并行扫描共焦成像装置，包括光路结构和光路封装装置，其特征在于：

所述光路结构包括LED光源，所述LED光源发出的光经聚光镜入射到数字微镜器件上，所述数字微镜器件反射的光经分光棱镜入射到无限远物镜，然后聚焦到被测物体上，所述被测物体反射回来的光束经所述无限物镜再经过所述分光棱镜，最后成像到电荷耦合元件上；

所述光路封装装置包括聚光镜，在所述分光棱镜旁设有平行夹板，第一连接件与所述数字微镜器件连接，所述第一连接件中间开有第一通孔，光源固定台发出的光经所述聚光镜，通过所述通孔后入射到所述数字微镜器件上，第二连接件与所述电荷耦合元件连接，所述第二连接件中间开有第二通孔使所述被测物体反射回来的光束经所述无限远物镜，再经过所述分光棱镜，并通过所述第二通孔后，成像到所述电荷耦合元件上，第三连接件与柔性测量平台连接，所述第三连接件中间开有第三通孔，使所述数字微镜器件反射的光线经所述分光棱镜入射到所述无限远物镜，通过所述第三通孔后聚焦到所述被测物体上。

2.如权利要求1所述的并行扫描共焦成像装置，其特性在于，所述的光路封装装置将所述LED光源、所述聚光镜、所述分光棱镜、所述无限远物镜封装在铝制匣子里，并与所述数字微镜器件、所述电荷耦合元件、所述柔性测量平台连接为一体。