CN206431061U - 一种超高分辨率宽场成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种超高分辨率宽场成像系统，所述成像系统包括光源、物镜、光栅、光瞳滤波器、透镜、光电探测器，所述光源的输出光能够覆盖整个样品的待测表面，且所述输出光与所述样品的待测表面间的夹角为锐角，所述物镜的光轴垂直于所述样品的待测表面并通过所述待测表面的中心，所述样品位于所述物镜的前焦面处，所述光栅的几何中心落在所述物镜的光轴上，所述的输出光照射在所述样品的待测表面上后的散射光沿所述物镜的光轴依次通过所述光栅、所述光瞳滤波器、所述透镜传播至所述光电探测器。本实用新型的成像系统，通过增加光瞳滤波器，与现有技术相比，有效增加了成像系统的焦深、横向分辨率，并扩大了视场。

Description

一种超高分辨率宽场成像系统

技术领域

本实用新型涉及光学成像或检测技术领域，具体涉及一种超高分辨率宽场成像系统。

背景技术

光学、半导体、电路板等光电原件表面的缺陷检测通常采用人工或者自动光学成像的方法，即利用显微镜透镜的放大功能将被测表面上的瑕疵等用光电传感器记录下来。该方法能分辨最小的划痕的尺寸取决于所用显微镜的分辨率；该方法所能探测的横向(垂直于光的传播方向)范围取决于面阵相机的像元数量；该方法所能探测的轴向(沿着光的传播方向)范围取决于光学系统的焦深或者景深。

高速大范围光学表面的高精度缺陷检测通常面临以下难点：显微镜的分辨率的提高与焦深、视场的扩展是矛盾的。一方面，从理论上讲，显微镜的分辨率(1/e2)为△x＝λ/(πd/2f)≈λ/(πNA)，其中λ为波长，d为入射的光束直径，f为物镜焦距，NA是物镜的有效数值孔径；显微镜的焦深，也就是两倍的瑞利范围，定义是当光束的1/e2直径变为焦点处束腰的的距离，其公式为△z＝8λ(f/d)²/π∝1/NA²；视场定义为FOV＝f×θ，其中θ是视场角。从以上三个公式可以看出，显微镜分辨率的提高依赖于NA的增大，但是NA的增大必然导致景深变短，视场变小。总之，提高成像分辨率必须以牺牲焦深和视场大小为代价。

另一方面，从实际情况讲，显微镜的视场角不可能无限大，因为当视场角很大时，成像的像差通常难以控制，导致分辨率降低。所以，现有的显微镜成像或者检测的难点在于同时获得高分辨率、大视场和扩展了的焦深。

光谱编码共焦显微镜(Spectrally Encoded Confocal Microscopy，SECM)是一种并行式的共焦反射显微镜(US6341036)。普通共焦显微镜采用单色激光作为激发光源，因此在物镜焦平面上只有一个聚焦点，所以必须通过X和Y两个横向维度的机械扫描来实现二维成像；与普通共焦显微镜不同的是，SECM采用宽谱光源，并利用一个光栅将该宽谱光在无限空间内向不同方向散开，从而在物镜的焦平面内形成一个线焦点；SECM所形成的线焦点上的每一个点都对应于一个唯一的波长，所以只需要用一个光谱仪就可以并行探测线焦点上所有点的反射光强。因此，SECM要比普通的共焦显微镜快1000倍左右。

明场和暗场探测：照明光入射到无缺陷的光学表面只会发生反射，而不散射；照明光入射到光学表面的划痕等缺陷部位就会发生散射，通常散射会改变光的传播角度和偏振方向。在光学表面缺陷检测当中，从无缺陷的部分反射回来的光不但没有有用信息，而且会缩小光敏探测器的有效动态范围，造成探测灵敏度低的问题。现有所有的SECM技术采用明场探测从被成像物体返回的光信号，由于明场探测得到的光信号主要是反射光，因而不适合光学表面缺陷检测的要求。暗场光路主要探测缺陷处发出的散射光，并且阻止无缺陷处发出的反射光进入光敏探测器，因而适用于缺陷检测。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种超高分辨率宽场成像系统，其同时提高了横向分辨率、焦深和视场。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种超高分辨率宽场成像系统，所述成像系统包括光源、物镜、光栅、光瞳滤波器、透镜、光电探测器，所述光源的输出光能够覆盖整个样品的待测表面，且所述输出光与所述样品的待测表面间的夹角为锐角，所述物镜的光轴垂直于所述样品的待测表面并通过所述待测表面的中心，所述样品位于所述物镜的前焦面处，所述光栅的几何中心落在所述物镜的光轴上，所述的输出光照射在所述样品的待测表面上后的散射光沿所述物镜的光轴依次通过所述光栅、所述光瞳滤波器、所述透镜传播至所述光电探测器。

优选地，所述光栅与所述物镜间的距离与所述物镜的焦距相同。

优选地，所述成像系统还包括扫描机构，所述扫描机构位于所述光栅与所述光瞳滤波器间，且所述扫描机构落在所述透镜的光轴上。

优选地，所述的光瞳滤波器为一块中心遮拦掩模板。

优选地，所述输出光的波长范围在200nm～5μm间。

优选地，所述的光源为宽谱激光器或白光光源。

由于上述技术方案的运用，本实用新型与现有技术相比具有下列优点：本实用新型提供的一种超高分辨率宽场成像系统，其通过物镜、光栅、光瞳滤波器、透镜、光电探测器构成暗场探测，通过调整光源与样品间的相对距离，使得光源所发出的输出光能够覆盖整个样品的待测表面，且输出光与待测表面间形成锐角夹角，使得其输出光的反射光无法通过该暗场，而只有其散射光才能通过该暗场进入光电探测器内，本发明中采用了光瞳滤波器，与现有的普通光谱编码共焦显微镜相比，本发明的成像系统的焦深能够扩展至2-20倍，横向分辨率能够提高20％以上，视场能够扩大10％以上。

附图说明

附图1为本实用新型所述的超高分辨率宽场成像系统的结构示意图；

附图2a为未设置光瞳滤波器的成像系统在物镜焦点处的xz平面光斑分布图；

附图2b本实用新型所述的设置有光瞳滤波器的成像系统在物镜焦点处的xz平面光斑分布图；

其中：100、光源；110、样品；120、物镜；130、光栅；140、扫描机构；150、光瞳滤波器；160、透镜；170、光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图来对本实用新型的技术方案作进一步的阐述。

一种超高分辨率宽场成像系统，参见图1所示，其中，笛卡尔坐标系表示物镜120焦点处的世界坐标。该成像系统包括光源100、物镜120、光栅130、扫描机构140、光瞳滤波器150、透镜160、光电探测器170。

这里的光源100可以是一个宽谱激光器，也可以是一个白光光源，该光源100构成了本成像系统的照明光路。这里的物镜120、光栅130、扫描机构140、光瞳滤波器150、透镜160和光电探测器170共同构成了本成像系统的探测光路。

通过调整光源100与样品110间的相对距离，使得光源100的输出光能够覆盖整个样品110的待测表面，且输出光的入射光与待测表面间成一锐角夹角，使得输出光的反射光无法通过物镜120、光栅130、扫描机构140、光瞳滤波器150、透镜160后进入光电探测器170，只有输出光的散射光能够到达光电探测器170，从而构成了暗场探测。这里的输出光，其波长范围控制在200nm～5μm间。

具体的，本发明的成像系统中，物镜120的光轴通常垂直于样品110的待测表面，并通过该待测表面的中心，样品110通常置于该物镜120的前焦面处。该光栅130置于物镜120的上方，其几何中心位于该物镜120的光轴上。这里，该光栅130相对于该物镜120的距离为一倍该物镜120焦距，且该光栅130的角度满足光栅130公式，从而使得输出光的入射光线从样品110的待测表面散射后沿着物镜120的光轴通过该光栅130，而后沿着透镜160的光轴方向传播至光电探测器170内。

这里的扫描机构140置于透镜160的光轴上，用以实现垂直于纸面的横向光束扫描。这里，也可以不采用扫描机构140，而采用移动整个成像系统或是移动该样品110来实现横向光束扫描。

这里采用的光瞳滤波器150是一个幅度型、相位型；或幅度/相位混合型掩模元件。例如，可采用一个最简单的幅度型光瞳滤波器150：中心遮挡掩模板。该中心遮挡掩模板的视线沿着透镜160的光轴方向，其中心为不透光部分，外周部为透光部分。如果没有设置光瞳滤波器150，在物镜120的焦点处，其焦深非常有限，参见图2a；而增加了光瞳滤波器150，则其焦深实现了显著的扩展，参见图2b，图2a、2b中的箭头所示范围为焦深。

上述实施例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本实用新型的内容并据以实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种超高分辨率宽场成像系统，其特征在于，所述成像系统包括光源、物镜、光栅、光瞳滤波器、透镜、光电探测器，所述光源的输出光能够覆盖整个样品的待测表面，且所述输出光与所述样品的待测表面间的夹角为锐角，所述物镜的光轴垂直于所述样品的待测表面并通过所述待测表面的中心，所述样品位于所述物镜的前焦面处，所述光栅的几何中心落在所述物镜的光轴上，所述的输出光照射在所述样品的待测表面上后的散射光沿所述物镜的光轴依次通过所述光栅、所述光瞳滤波器、所述透镜传播至所述光电探测器。

2.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于，所述光栅与所述物镜间的距离与所述物镜的焦距相同。

3.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于，所述成像系统还包括扫描机构，所述扫描机构位于所述光栅与所述光瞳滤波器间，且所述扫描机构落在所述透镜的光轴上。

4.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于，所述的光瞳滤波器为一块中心遮拦掩模板。

5.根据权利要求1所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于，所述输出光的波长范围在200nm~5μm间。

6.根据权利要求1至5任一项权利要求所述的超高分辨率宽场成像系统，其特征在于，所述的光源为宽谱激光器或白光光源。