一种稳定的双波长实时干涉显微装置及其使用方法与流程

本发明涉及一种稳定的双波长实时干涉显微装置及其使用方法。

背景技术：

干涉显微技术是光学干涉技术在显微领域的应用，由于干涉显微技术具有可全场测量、无需荧光标记以及轴向测量可达到纳米精度等优点，在光学检测、显微成像、半导体加工检测和生物医学成像等领域获得了广泛的应用。离轴干涉显微技术可以从一幅离轴干涉图中重建出物体的相位分布，具有可以实时测量的优点。但是单波长离轴干涉技术的缺点是：在测量台阶状样品时，可测台阶的最大光程必须小于波长的一半，否则就会出现相位模糊，即使采用相位解包裹算法也不能解决这个问题。而深台阶状样品的检测，在mems、半导体制造等领域有着迫切的需求。双波长干涉可以有效测量深台阶状样品。在双波长干涉中，用两个较短的波长λ1、λ2可以合成得到一个较长的波长λ＝λ1λ2/|λ1-λ2|，当两个波长的间隔较小时，可以得到长的合成波长，从而扩展了相位测量的无包裹范围，可以实现对深台阶状样品的测量。

中国科学院西安光机所的闵俊伟等人(appliedoptics,volume51issue2,2012)、瑞士联邦理工学院的j.kuhn等(opticsexpress,volume15,issue12,2007)以及其他课题组分别提出了多种实时双波长干涉显微方法，在这些方法中，ccd(或cmos)相机可以同时采集两幅不同波长λ1、λ2形成的、干涉条纹(近似)相互正交的离轴干涉图，从而实现实时测量。但是这些装置通常是基于马赫-曾德、泰曼-格林等开路结构的干涉仪，由于这些装置中物光、参考光分别经过不同的路径，对振动、空气的扰动比较敏感，导致测量稳定性差。

技术实现要素：

本发明为解决上述问题，提供一种稳定的双波长实时干涉显微装置及其使用方法，该装置基于长工作距离显微物镜和双波长分光单元,ccd相机可以实时记录两个波长对应的、条纹相互正交的离轴干涉图，通过傅立叶变换算法得到被测样品的相位分布，实现测量稳定性高。

为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种稳定的双波长实时干涉显微装置，其特征在于：包括激光器一、偏振片一、激光器二、偏振片二、宽带消偏振分光棱镜一、扩束准直器、宽带消偏振分光棱镜二、消色差透镜、长工作距离显微物镜、宽带消偏振分光棱镜三、宽带偏振分光棱镜、反射镜一、反射镜二、样品和ccd相机；

所述的激光器一、偏振片一、宽带消偏振分光棱镜一、扩束准直器、宽带消偏振分光棱镜二、消色差透镜、长工作距离显微物镜、宽带消偏振分光棱镜三和样品依次沿光轴方向设置，所述的激光器二垂直设置于宽带消偏振分光棱镜一之上，所述的偏振片二设置于激光器二和宽带消偏振分光棱镜一之间；ccd相机垂直设置于宽带非偏振分光棱镜二之上，宽带偏振分光棱镜与宽带消偏振分光棱镜三垂直设置，宽带偏振分光棱镜相垂直的两个面上分别设置有反射镜一和反射镜二。

所述的长工作距离显微物镜的工作距离的长度大于宽带消偏振分光棱镜三的长度。

所述的消色差透镜、长工作距离显微物镜共焦放置。

一种稳定的双波长实时干涉显微装置的使用方法，包括下述步骤：

1)激光器一发出的波长λ1的光波经过偏振片一，变为水平方向的偏振光，激光器二发出的波长λ2的光波经过偏振片二，变为垂直方向的偏振光,水平方向的偏振光和垂直方向的偏振光经宽带消偏振分光棱镜一合束后传播方向一致，然后经扩束准直器变为平行光；

2)两个波长的光波经过消色差透镜、长工作距离显微物镜，然后经过宽带消偏振分光棱镜三分光后照明样品；

3)通过长工作距离显微物镜的光波经过宽带非偏振分光棱镜三反射后，进入宽带偏振分光棱镜，水平方向的偏振光λ1光波发生透射照明反射镜一；垂直方向的偏振光λ2光波被宽带偏振分光棱镜的分光层反射，射向反射镜二；

4)从样品反射的物光波原路经过宽带消偏振分光棱镜三、长工作距离显微物镜、消色差透镜，然后经过宽带消偏振分光棱镜二反射后，在ccd相机感光面成两个波长λ1、λ2对应的放大实像；

5)水平方向的偏振光λ1光波经反射镜一反射后，透过宽带偏振分光棱镜，经宽带消偏振分光棱镜三反射，经长工作距离显微物镜、消色差透镜，然后经过宽带消偏振分光棱镜二反射后，到达ccd相机感光面，作为参考光与物光波发生干涉，形成离轴干涉条纹；

6)水平方向的偏振光λ1光波形成的离轴干涉条纹的疏密、走向通过调整反射镜一的俯仰进行调整；

7)垂直方向的偏振光λ2光波经反射镜二反射后，经宽带偏振分光棱镜反射，经宽带消偏振分光棱镜三反射，经长工作距离显微物镜、消色差透镜，然后经过宽带消偏振分光棱镜二反射后，到达ccd相机感光面，作为参考光与物光波发生干涉，形成离轴干涉条纹；

8)波长λ2形成的离轴干涉条纹的疏密、走向可以通过调整反射镜二的俯仰进行调整；

9)调整反射镜一和反射镜二使两个波长形成离轴干涉图，且干涉条纹(近似)相互垂直；

10)ccd相机记录条纹相互正交的干涉图，结合双波长干涉的原理经过重建得到样品的高度分布。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)该装置基于一个长工作距离显微物镜，物光和参考光经历几乎完全一样的路径，具有接近物、参光共路的光学结构，测量时对环境的扰动不敏感，稳定性高；

(2)该装置基于长工作距离显微物镜和小型的双波长偏振分光单元，结构简单、紧凑，调整方便；

(3)使用方法简单，两个波长对应的参考光的传播方向可方便快捷的调整，可以得到条纹相互垂直的离轴干涉图,通过黑白ccd记录,可以实时测量动态变化过程。

(4)两个激光波长可灵活选择，形成较长的合成波长。

附图说明

图1一种稳定的双波长实时干涉显微装置的结构示意图；

图2利用ccd相机记录的双波长干涉图；

图3重建样品的高度分布图；

图中：1-激光器一，2-偏振片一，3-激光器二，4-偏振片二，5-宽带消偏振分光棱镜一，6-扩束准直器，7-宽带消偏振分光棱镜二，8-消色差透镜，9-长工作距离显微物镜，10-宽带消偏振分光棱镜三，11-宽带偏振分光棱镜，12-反射镜一，13-反射镜二，14-样品，15-ccd相机。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明个元件的功能如下：

1)激光器一1、激光器二3，输出为随机偏振，波长在可见光范围内，输出功率稳定；

2)偏振片一2、偏振片二4，使照明光波变为振动方向相互垂直的偏振光；

3)宽带消偏振分光棱镜一5，用于合束；宽带消偏振分光棱镜二7，改变成像光波的传播方向；

4)扩束准直器6，用于把激光束扩束、准直为平行光；

5)消色差透镜8和长工作距离显微物镜9构成望远系统；

6)长工作距离显微物镜9，用于放大微观物体；

7)宽带消偏振分光棱镜三10，用于照明光波的非偏振分光及反射光波的合束；

8)宽带偏振分光棱镜11，对两个振动方向相互垂直的线偏振光波分光，并对由反射镜一12、反射镜二13反射回去的两束参考光合束；

9)反射镜一12、反射镜二13，反射回去的光作为参考光；

10)ccd相机15，记录干涉图。

本发明原理：本发明在长工作距离显微物镜的基础上，对两个不同波长的光波进行偏振调制，通过在长工作距离显微物镜的前端面和反射镜之间加入宽带消偏振分光棱镜三和宽带偏振分光棱镜，构建了稳定的双波长显微干涉装置，被两个反射镜反射回去的光作为参考光，和物光波在ccd感光面上发生干涉，通过调整两个反射镜，可以改变两个波长形成的干涉条纹的疏密及走向。单色ccd相机可以同时记录两个波长的对应的、条纹相互正交的干涉图。由于是条纹(近似)相互正交离轴干涉图，采用傅立叶变换算法，可以在频谱面上分别滤出两个波长λ1、λ2分别对应的+1级频谱，经过傅立叶逆变换后，可得到对应的包裹相位根据双波长干涉的原理，可以得到台阶状样品的深度：

本发明涉及一种稳定的双波长实时干涉显微装置(参见图1)，包括激光器一1、偏振片一2、激光器二3、偏振片二4、宽带消偏振分光棱镜一5、扩束准直器6、宽带消偏振分光棱镜二7、消色差透镜8、长工作距离显微物镜9、宽带消偏振分光棱镜三10、宽带偏振分光棱镜11、反射镜一12、反射镜二13、样品14和ccd相机15；

所述的激光器一1、偏振片一2、宽带消偏振分光棱镜一5、扩束准直器6、宽带消偏振分光棱镜二7、消色差透镜8、长工作距离显微物镜9、宽带消偏振分光棱镜三10和样品14依次沿光轴方向设置，所述的激光器二3垂直设置于宽带消偏振分光棱镜一5之上，所述的偏振片二4设置于激光器二3和宽带消偏振分光棱镜一5之间；ccd相机15垂直设置于宽带消偏振分光棱镜二7之上；宽带偏振分光棱镜11与宽带消偏振分光棱镜三10垂直设置，宽带偏振分光棱镜11相垂直的两个面上分别设置有反射镜一12和反射镜二13。

所述的长工作距离显微物镜9的工作距离的长度大于宽带非偏振分光棱镜三10的长度。

所述的宽带消偏振分光棱镜二7放置于长工作距离显微物镜9之前，起到改变成像光束方向的作用；

所述的反射镜一12、反射镜二13，放置在宽带偏振分光棱镜11之后，两者到长工作距离物镜9前端面的距离等于物镜的工作距离，其俯仰可调，用以改变参考光的传播方向；

所述的ccd相机15其感光面放置在样品14的像平面上；

所述的消色差透镜8、长工作距离显微物镜9共焦放置。

一种稳定的双波长实时干涉显微装置的使用方法或者工作原理：

在测量时，样品14设置于长工作距离显微物镜9的工作距离处，与ccd相机15感光面所在位置满足物、像共轭关系。

放置好样品后，按以下方式工作：

1)激光器一1发出的波长λ1的光波经过偏振片一2，变为水平方向的偏振光，激光器二3发出的波长λ2的光波经过偏振片二4，变为垂直方向的偏振光,水平方向的偏振光和垂直方向的偏振光经宽带消偏振分光棱镜一5合束后传播方向一致，然后经扩束准直器6变为平行光；

2)两个波长的光波经过消色差透镜8、长工作距离显微物镜9，然后经过宽带消偏振分光棱镜三10分光后照明样品14；

3)通过长工作距离显微物镜9的光波经过宽带消偏振分光棱镜三10反射后，进入宽带偏振分光棱镜11，水平方向的偏振光λ1光波发生透射照明反射镜一12；垂直方向的偏振光λ2光波被宽带偏振分光棱镜11的分光层反射，射向反射镜二13；

4)从样品14反射的物光波原路经过宽带消偏振分光棱镜三10、长工作距离显微物镜9、消色差透镜8，然后经过宽带消偏振分光棱镜二7反射后，在ccd相机15感光面位置成两个波长λ1、λ2对应的放大实像；

5)水平方向的偏振光λ1光波经反射镜一12反射后，透过宽带偏振分光棱镜11，经宽带消偏振分光棱镜三10反射，经长工作距离显微物镜9、消色差透镜8，然后经过宽带消偏振分光棱镜二7反射后，到达ccd相机15焦平面，作为参考光与物光波发生干涉，形成离轴干涉条纹；

6)水平方向的偏振光λ1光波形成的离轴干涉条纹的疏密、走向通过调整反射镜一12的俯仰进行调整；

7)垂直方向的偏振光λ2光波经反射镜二13反射后，经宽带偏振分光棱镜11反射，经宽带消偏振分光棱镜三10反射，经长工作距离显微物镜9、消色差透镜8，然后经过宽带消偏振分光棱镜二7反射后，到达ccd相机15感光面，作为参考光与物光波发生干涉，形成离轴干涉条纹；

8)波长λ2形成的离轴干涉条纹的疏密、走向可以通过调整反射镜二13的俯仰进行调整；

9)调整反射镜一12和反射镜二13使两个波长形成离轴干涉图，且干涉条纹相互垂直(参见图2)；

10)ccd相机15记录干涉图，结合双波长干涉的原理得到样品的相位高度分布(参见图3)。

实施例：

激光器一1,波长633nm的he-ne激光器，输出为随机偏振；激光器二3，波长680nm的半导体激光器，输出为随机偏振；形成的合成波长为λ＝9158nm：偏振片一2，消光比100:1，透振轴沿水平方向(水平光振动方向)放置；偏振片二4，消光比100:1，透振轴沿垂直方向(垂直光振动方向)放置；宽带消偏振分光棱镜一5、宽带消偏振分光棱镜二7，边长25.4mm，工作波段450-680nm，透反射比50:50；扩束准直器6，把合束后的激光扩束、准直为直径30mm的平行光束；消色差透镜8，直径40mm，焦距150mm；长工作距离显微物镜9，数值孔径0.28，放大倍数10×，工作距离33.5mm；宽带消偏振分光棱镜三10，尺寸12.7mm×12.7mm×12.7mm，工作波段450-680nm，透反射比50:50；宽带偏振分光棱镜11，尺寸12.7mm×12.7mm×12.7mm，工作波段450-680nm，透反射比50:50；反射镜一12、反射镜二13，尺寸10mm×10mm；被测样品14，是一个标称深度为1.8μm的反射式台阶，反射回去的光作为物光波，且和参考光发生干涉产生干涉图；通过调整反射镜一12、反射镜二13得到适当间距(两个波长对应的条纹周期分别为32μm和45μm,两者都可以被ccd相机精确采样)和条纹走向的干涉图，并用ccd相机记录(参见图2，图2为一小部分干涉图的放大显示)；ccd相机15，黑白相机，像元尺寸6.45μm×6.45μm，分辨率1388×1040，记录干涉图；记录后的干涉图经过数值重建得到样品的深度信息，测得深度为1.805μm(参见图3)，与标称值相吻合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。