一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置与方法
【专利摘要】一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域；该装置包括角谱扫描照明光路，从同心圆环光源发出的光束依次经过成像透镜、分光棱镜、显微物镜后，平行照射到被测微结构样品表面；包括准共焦测量光路，成像部分采用针孔阵列配合图像传感器的结构；该方法首先获得所有像素在不同角谱扫描照明下的层析图像，然后利用共焦三维测量原理，判断每个像素的轴向坐标，最后拟合出被测微结构样品的三维形貌；这种设计使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度；同时实现高速测量。
【专利说明】一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置与方法
【技术领域】
[0001]一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域。
【背景技术】
[0002]微结构的加工应用主要体现在微电子技术、微系统技术和微光学技术三个方面，如计算机芯片、生物芯片和微透镜阵列等典型应用。上述技术其共同特征是具有三维结构、功能结构尺寸在微米、亚微米或纳米量级，这种结构的微纳米化不仅仅带来能源与原材料的节省，更推动了现代科技的进步，直接带动了相关产业的发展。随着微加工技术的飞速发展，能够对该类样品进行快速无损三维检测的仪器将拥有巨大的应用前景。
[0003]美国专利US3013467，第一次公开了一种共焦成像技术，该发明通过引入点光源、点照明和点探测三点光学共轭的共焦成像技术，获得了对样品轮廓的轴向探测能力，配合水平方向载物台的移动进而实现三维测量。中国专利CN1395127A，公开了一种共焦显微测量系统。该发明利用共焦技术，通过在共焦光路中引入干涉光路，获得高灵敏度的干涉测量信号，实现对样品轴向的高精度测量。美国专利US6282020B1，公开了一种基于扫描振镜的共焦显微系统。该发明利用共焦原理，通过引入振镜扫描技术，获得了汇聚照明光斑在样品表面高速移动的能力，实现了快速共焦探测，提高了测量速度。但是上述三种方法都是将平行光束通过显微物镜汇聚到样品表面进行照明，当进行三维样品测量时，由于样品自身表面轮廓的高低起伏，对汇聚照明光束进行遮挡，会导致某些区域无法照明或者发生复杂反射，进而造成探测信号强度的衰减和背景噪声的增强，使得测量精度降低，甚至无法测量。
【发明内容】
[0004]为了解决上述问题，本发明公开了一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置与方法，使圆对称被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免圆对称被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。同时准共焦测量光路采用针孔阵列配合图像传感器，可以实现高速测量。
[0005]本发明的目的是这样实现的:
一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置，包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路；
所述的角谱扫描照明光路包括:同心圆环光源、成像透镜、分光棱镜、光阑和显微物镜；从同心圆环光源发出的光束依次经过成像透镜、分光棱镜、显微物镜后，平行照射到随三自由度载物台移动的圆对称被测微结构样品表面；所述的三自由度载物台沿笛卡尔坐标系的三个坐标轴移动，其中，z轴为光轴方向；
所述的准共焦测量光路包括:三自由度载物台、显微物镜、光阑、分光棱镜、管镜、针孔阵列和图像传感器；随三自由度载物台移动的圆对称被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜、光阑、分光棱镜、管镜，成像到针孔阵列位置，并由图像传感器成像；
所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜、光阑和显微物镜；
所述的同心圆环光源位于成像透镜的物平面，成像透镜的像平面与显微物镜的后焦平面重合于光阑所在平面；管镜的前焦平面位于针孔阵列所在平面；针孔阵列与图像传感器像元紧贴，针孔阵列上的针孔与图像传感器的像元数量相同、位置前后对应。
[0006]上述的一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置，所述的同心圆环光源为LED阵列。
[0007]所述的同心圆环光源相邻两个圆环的半径差为常数或不为常数。
[0008]一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法，包括以下步骤:
步骤a、将圆对称被测微结构样品的厚度分为N层；
步骤b、调整三自由度载物台，使圆对称被测微结构样品中心位于光轴上；
所述的步骤a、步骤b的顺序可调换；
步骤C、根据同心圆环光源中的同心圆环数量M，圆对称被测微结构样品的厚度分层N，形成MXN张角谱照明图像；
步骤d、定义相同角谱照明下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同像素在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sine函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断所有像素的轴向坐标；
步骤e、根据所有像素及其轴向坐标，拟合出圆对称被测微结构样品的三维形貌。
[0009]上述的一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法，所述的步骤c具体为:
步骤Cl:通过三自由度载物台调整圆对称被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜的前焦平面；
步骤c2:通过依次点亮同心圆环光源中的M个圆环，形成对圆对称被测微结构样品的M个角谱照明；
所述步骤Cl、步骤c2形成二重循环，从外到内的循环顺序依次为以下顺序中的一个: 步骤Cl、步骤c2 ；
步骤c2、步骤cl ；
最终形成MXN张角谱照明图像。
[0010]由于本发明设计有照明光路，使照明光束平行入射到圆对称被测微结构样品表面，并且通过点亮同心圆环光源的圆环来改变照明光束的照射角度，并利用共焦三维测量原理，拟合出圆对称被测微结构样品的三维形貌；这种设计使圆对称被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免圆对称被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。同时准共焦测量光路采用针孔阵列配合图像传感器，可以实现高速测量。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置结构示意图。
[0012]图2是本发明角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置角谱扫描照明光路图。[0013]图3是本发明角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置准共焦测量光路图。
[0014]图4是本发明角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法流程图。
[0015]图中:1同心圆环光源、2成像透镜、3分光棱镜、4光阑、5显微物镜、6三自由度载物台、7管镜、8针孔阵列、9图像传感器。
【具体实施方式】
[0016]下面结合附图对本发明【具体实施方式】作进一步详细描述。
[0017]所谓角谱扫描照明，是以平行光束照明被测微结构样品表面并且通过扫描机构或其它技术手段实现连续改变或离散改变平行光的入射角度，该种照明方式在频域中的描述即为角谱扫描照明。
[0018]共焦测量方法是:利用点照明、点物和点探测三点光学共轭的方法实现光轴方向的测量能力，进而完成三维测量。本专利中提到的准共焦测量方法是:利用角谱扫描照明代替点照明，同时保留点物和点探测两点光学共轭的方法。该方法既保留了共焦测量的三维测量能力，同时引入角谱扫描照明，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。
[0019]具体实施例一:
本实施例的角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置结构示意图如图1所示，角谱扫描照明光路图如图2所示，准共焦测量光路图如图3所示。
[0020]该测量装置包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路；
所述的角谱扫描照明光路包括:同心圆环光源1、成像透镜2、分光棱镜3、光阑4和显微物镜5 ;从同心圆环光源I发出的光束依次经过成像透镜2、分光棱镜3、显微物镜5后，平行照射到随三自由度载物台6移动的圆对称被测微结构样品表面；所述的三自由度载物台6沿笛卡尔坐标系的三个坐标轴移动，其中，z轴为光轴方向；
所述的准共焦测量光路包括:三自由度载物台6、显微物镜5、光阑4、分光棱镜3、管镜7、针孔阵列8和图像传感器9 ;随三自由度载物台6移动的圆对称被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜5、光阑4、分光棱镜3、管镜7，成像到针孔阵列8位置，并由图像传感器9成像；
所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜3、光阑4和显微物镜5 ；所述的同心圆环光源I位于成像透镜2的物平面，成像透镜2的像平面与显微物镜5的后焦平面重合于光阑4所在平面；管镜7的前焦平面位于针孔阵列8所在平面；针孔阵列8与图像传感器9像元紧贴，针孔阵列8上的针孔与图像传感器9的像元数量相同、位置前后对应。
[0021]上述角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置，所述的同心圆环光源I为LED阵列，图1中的同心圆环光源I的上方绘制了同心圆环光源I的左视图；同心圆环光源I相邻两个圆环的半径差为常数。
[0022]本实施例的角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法流程图如图4所示，该方法包括以下步骤:
步骤a、将圆对称被测微结构样品的厚度分为N层；
步骤b、调整三自由度载物台6，使圆对称被测微结构样品中心位于光轴上；
所述的步骤a、步骤b的顺序可调换； 步骤C、根据同心圆环光源I中的同心圆环数量M，圆对称被测微结构样品的厚度分层N，形成MXN张角谱照明图像；
步骤d、定义相同角谱照明下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同像素在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sine函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断所有像素的轴向坐标；
步骤e、根据所有像素及其轴向坐标，拟合出圆对称被测微结构样品的三维形貌。
[0023]其中步骤c具体为:
步骤Cl:通过三自由度载物台6调整圆对称被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜5的前焦平面；
步骤c2:通过依次点亮同心圆环光源I中的M个圆环，形成对圆对称被测微结构样品的M个角谱照明；
所述步骤Cl、步骤c2形成二重循环，从外到内的循环顺序依次为:步骤c2、步骤Cl，最终形成MXN张角谱照明图像。
[0024]具体实施例二
本实施例与具体实施例一的不同在于，所述的同心圆环光源I相邻两个圆环的半径差不为常数，其有益效果在于可以对某个照明角谱范围内更精确调整。
[0025]具体实施例三
本实施例与具体实施例一的不同在于，所述的角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法中，步骤c优选二重循环的顺序为步骤Cl、步骤c2，最终形成MXN张角谱照明图像。使执行速度最快的步骤c2放置在最内层，执行速度最慢的步骤Cl放置在最外层，其有益效果在于可以减小角谱照明图像的用时，提高圆对称被测微结构样品的三维形貌重构效率。
【权利要求】
1.一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置，其特征在于:包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路； 所述的角谱扫描照明光路包括:同心圆环光源(I)、成像透镜(2)、分光棱镜(3)、光阑(4)和显微物镜(5);从同心圆环光源(I)发出的光束依次经过成像透镜(2)、分光棱镜(3)、显微物镜(5)后，平行照射到随三自由度载物台(6)移动的圆对称被测微结构样品表面；所述的三自由度载物台(6)沿笛卡尔坐标系的三个坐标轴移动，其中，z轴为光轴方向； 所述的准共焦测量光路包括:三自由度载物台(6)、显微物镜(5)、光阑(4)、分光棱镜(3 )、管镜(7 )、针孔阵列(8 )和图像传感器(9 );随三自由度载物台(6 )移动的圆对称被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜(5 )、光阑(4 )、分光棱镜(3 )、管镜(7 ),成像到针孔阵列(8)位置，并由图像传感器(9)成像； 所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜(3)、光阑(4)和显微物镜(5)； 所述的同心圆环光源(I)位于成像透镜(2)的物平面，成像透镜(2)的像平面与显微物镜(5)的后焦平面 重合于光阑(4)所在平面；管镜(7)的前焦平面位于针孔阵列(8)所在平面；针孔阵列(8)与图像传感器(9)像元紧贴，针孔阵列(8)上的针孔与图像传感器(9)的像元数量相同、位置前后对应。
2.根据权利要求1所述的一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置，其特征在于:所述的同心圆环光源(I)为LED阵列。
3.根据权利要求2所述的一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量装置，其特征在于:所述的同心圆环光源(I)相邻两个圆环的半径差为常数或不为常数。
4.一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法，其特征在于:所述方法包括以下步骤: 步骤a、将圆对称被测微结构样品的厚度分为N层； 步骤b、调整三自由度载物台(6)，使圆对称被测微结构样品中心位于光轴上； 所述的步骤a、步骤b的顺序可调换； 步骤C、根据同心圆环光源(I)中的同心圆环数量M，圆对称被测微结构样品的厚度分层N，形成MXN张角谱照明图像； 步骤d、定义相同角谱照明下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同像素在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sine函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断所有像素的轴向坐标； 步骤e、根据所有像素及其轴向坐标，拟合出圆对称被测微结构样品的三维形貌。
5.根据权利要求4所述的一种角谱扫描照明阵列式共焦环形微结构测量方法，其特征在于:所述的步骤c具体为: 步骤Cl:通过三自由度载物台(6)调整圆对称被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜(5)的前焦平面； 步骤c2:通过依次点亮同心圆环光源(I)中的M个圆环，形成对圆对称被测微结构样品的M个角谱照明； 所述步骤Cl、步骤c2形成二重循环，从外到内的循环顺序依次为以下顺序中的一个: 步骤Cl、步骤c2 ；步骤c2、步骤cl ；最终形成MXN张角谱照 明图像。
【文档编号】G01B11/24GK103438825SQ201310354895
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年8月15日 优先权日:2013年8月15日
【发明者】刘俭, 谭久彬, 王宇航 申请人:哈尔滨工业大学