使用光子射流进行白光干涉的表面和表面下层结构的性质制造技术

技术编号:19395718 阅读:39 留言:0更新日期:2018-11-10 04:37
本发明专利技术的目的是一种用于确定物体的界面(100)的四维性质的设备,所述设备包括光源(102)。所述设备包括:用于在形成界面(100)的成像中要利用的光子射流的装置(104),用于执行界面(100)以及它们(104、106)的组合的大视场干涉成像的装置(105a、105b),用于使所述光靠近界面(100)并将光引导至界面的装置(108),并且所述装置(108)创建图像。所述设备包括:用于执行界面(100)的相移干涉成像的装置,用于从界面(100)接收经由例如微球(108)调制光的成像装置(110),用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息,以及处理器单元(112),用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定界面(100)的四维性质。所述设备也能够包括用于使用偏振光执行测量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用光子射流进行白光干涉的表面和表面下层结构的性质
低相干干涉测量(LCI)、特别是扫描白光干涉测量(SWLI)是一种广泛使用的3D表面表征方法,其特征在于纵向上的亚纳米分辨率。通过将SWLI与光射流结构相结合,实现3D超分辨率成像。
技术介绍
SWLI的光源是卤素灯或白光发光二极管(LED),以科勒几何法成像到物镜光瞳中。照明场和孔径受到控制。光源可以是频闪光源,以冻结振荡运动,并且发射光谱可以是可电子控制的光谱。源波长是可见波长或红外波长(1至2μm或10μm)。用于SWLI的区域成像传感器相机(CCD,CMOS)具有从640×480像素到4千万以上像素。相机的选择涉及场大小和像素数目以及采集速度、响应线性度、量子阱深度、和数字化分辨率。取决于样品的反射率,参考表面/反射镜(迈克尔逊型干涉仪配置)是镀铝玻璃、碳化硅(SiC)、或裸玻璃。米劳(Mirau)型干涉仪配置中的反射镜是透明基准板上、直径略大于视场的小金属涂层。LCI设备的光学系统采用具有远心成像的无限远共轭光学系统,放大倍数由物镜和管透镜的复合作用决定。测量原理需要设计并调整物镜,以使零组速度光程差位置与最佳焦点位置相同。迈克尔逊物镜通过色散平衡的立方体分束器达成这一目标。在米劳显微镜中,分束器和基准板应在光学厚度上匹配以使色散最小化。横向分辨率能够例如以下列方式来确定。阿贝衍射极限(dx,y)是结构中最小的横向周期性,其能够以其图像来区分:dx,y=1.22λ/2NA(1)其中λ是光的中心波长,NA是透镜的数值孔径。当利用可见光(λ~400-750nm)和NA=1.4的常用物镜成像时,横向分辨率约为200nm。衍射极限是因远场中倏逝波的损失所致。这些倏逝波携带物体的高空间频率亚波长信息并且随距离呈指数衰减。轴向图像分辨率(dz)比横向分辨率大2至3倍,约440nm。dz=2nλ/NA2(2)其中n是光传播的介质的折射率。任何以2倍或更高倍地克服分辨率限制的显微镜技术都被视为提供超分辨率。扫描电子显微镜(SEM)能够例如通过同时使用几个电子枪或检测器来提供3D纳米分辨率图像。这些设备并未提供超分辨率。低相干干涉——即,SWLI——克服轴向分辨率极限,并且允许沿纵向具有更高的分辨率(亚纳米)。近场技术提供横向和纵向的超分辨率。近场光学显微镜是基于测量近场探针附近的散射光,这种散射光由近场探针与样本之间的近场光学相互作用产生。使用已知形状的近场探针尖端来达成局部高分辨率,例如,接触式原子力显微镜(AFM)和非接触式扫描隧道显微镜(STM)的尖端。近场探针能够被聚焦光照射以产生散射光。存在基于纳米光子射流的非接触技术允许在x-y平面上具有50nm的横向分辨率,但轴向分辨率(z方向)要差得多。光子纳米射流是一种高强度的非倏逝窄光束,其能够在从照射的直径大于λ的无损介电微柱或微球的阴影侧表面出现之后传播比波长λ更长的距离。纳米射流的最小束宽能够小于经典衍射极限,实际上对于微球而言小到~λ/3。美国专利申请2010/0245816A1描述了通过将(例如,由聚苯乙烯制成的)介电微球保持在拉曼显微镜中的样品表面上或正上方来执行的近场拉曼成像。照射的激光束被微球聚焦以产生与样品的近场相互作用。收集并分析偏移波长处的拉曼散射光。微球可以被安装在AFM悬臂或某种其他扫描探针显微镜上,其提供反馈以使其相对于样品表面保持就位。替选地,可以通过照射激光束的光镊效应将微球保持在样品表面上。这种设备的缺点是,纵向分辨率很大程度上取决于所使用的拉曼显微镜的共焦设计。对于真正的共焦设计而言(其包含完全可调的共焦针孔的孔径),深度分辨率约为1至2μm的数量级。扫描近场光学显微镜的探针产生的电磁场特征最大限度上局限于接近纳米级的“点”(微型孔径和尖端、荧光纳米粒子和微粒、介电质以及金属边角)。然而,跨较大区域分布的探测场同样能够提供超分辨率。为此,应利用对应于小尺寸样品的高空间频率来丰富场谱。作为这种近场探针的示例,美国专利2009/0276923A1提出并理论研究了端面具有尖锐线性边缘和随机分布纳米粒子特征的光纤模型。这类探针在机械上比常规探针更加稳健——通过使用两步化学蚀刻和聚焦离子束铣削的组合来制造,并且它们的制造无需纳米级精度。与常规探针相比,光学探针更全面地分布并利用入射光,而使光往返于样品的光波导产生边缘损失。数值建模表明,即使存在大量测量噪音,这些探针也能够解析显著小于探针尺寸的物体,并且在某些情况下,其性能可能比常规纳米探针更佳。这种设备的一个缺点在于其逐点进行测量。专利申请文件WO2013/043818A1描述了一种用于对表面成像的系统和方法,包括纳米定位装置,该纳米定位装置包括悬臂,光学透明性微球透镜耦合到悬臂的远端。光学部件能够通过微球透镜将光聚焦于至少一部分表面上,并且聚焦光——如果有的话——通过微球透镜从表面反射回来。与纳米定位装置通信耦合的控制单元可以被配置成将微球透镜定位在表面上方的预定距离处。这种设备的一个缺点是衍射受限的纵向分辨率。在远场显微镜中,由于最终图像中的离焦光,成像对比度通常很低且不符合要求。为了增强对比度,可以在成像期间优化显微镜照明条件和成像软件设置。与远场显微镜相比,共焦显微镜技术通常具有更好的光学对比度和改善的分辨率;这是通过在检测器之前放置小针孔来消除最终图像中的离焦光。当将激光共焦显微镜与微球相结合时,如果使用紧密定位的球体,则在共焦成像中出现多个同心环。这些环起因于相干激光照射下粒子或球体与衬底之间的近场相互作用。相比之下,非相干的光源在远场显微镜下不会太明显地出现这种问题。这些环会降低成像质量,这可能对共焦成像中能够解析的最小特征产生实际限制。现有技术的实施例受赝像影响,这些赝像可能被错误地理解为图像中的物体。对于孤立且已知的粒子而言,仍然能够通过粒子看到物体的真实图像。在经常使用非相干光源的远场纳米显微系统中,赝像问题不太明显。现有技术将偏振描述为增强对比度的一种方式,特别是在生物成像中。存在许多关于远场显微镜偏振的研究,还有几项关于成像静态和移动样品这两者的偏振SWLI的研究。存在一些关于偏振用于近场显微镜的研究,但它从未用于3D超分辨率成像。现有技术公开文件尚未提供纳米尺度的3D校准。
技术实现思路
本专利技术的目的在于实现用于确定表面形貌和/或表面下层结构的改进的3D超分辨率成像的系统和方法。本专利技术达成上述目的的解决方案是一种用于确定物体的界面的四维性质的设备,所述设备包括光源。所述设备包括:用于形成在界面的成像中要利用的光子射流的装置,用于执行界面以及它们的组合的大视场干涉成像的装置,用于使所述光靠近界面并将光引导至界面的装置,并且所述装置创建图像,并且所述设备包括:用于执行界面的相移干涉成像的装置,用于从界面接收经由微球和近场修正结构中的至少一个调制的光的成像装置,用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息,以及处理器单元,用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定界面的四维性质。本专利技术的目的还在于一种确定物体的界面的四维性质的方法,在所述方法中,产生光。在所述方法中,形成在界面的成像中要利用的光子射流,执行界面以及它们的组合的大视场干涉成像,使所述光靠近界面并将光引导本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于确定物体的界面(100)的四维性质的设备,所述设备包括光源(102),其特征在于,所述设备包括:用于形成在所述界面(100)的成像中要利用的光子射流的装置(104),用于执行所述界面(100)以及它们(104、106)的组合的大视场干涉成像的装置(105a、105b),用于使所述光靠近所述界面(100)并将所述光引导至所述界面的装置(108)并且所述装置(108)创建图像,并且所述设备包括:用于执行所述界面(100)的相移干涉成像的装置(106),用于从所述界面(100)接收经由微球(108)和近场修正结构中的至少一个调制的光的成像装置(110),用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息,以及处理器单元(112),用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定所述界面(100)的四维性质。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于确定物体的界面(100)的四维性质的设备,所述设备包括光源(102),其特征在于,所述设备包括:用于形成在所述界面(100)的成像中要利用的光子射流的装置(104),用于执行所述界面(100)以及它们(104、106)的组合的大视场干涉成像的装置(105a、105b),用于使所述光靠近所述界面(100)并将所述光引导至所述界面的装置(108)并且所述装置(108)创建图像,并且所述设备包括:用于执行所述界面(100)的相移干涉成像的装置(106),用于从所述界面(100)接收经由微球(108)和近场修正结构中的至少一个调制的光的成像装置(110),用于通过组合光干涉与光子射流而形成超分辨图像信息,以及处理器单元(112),用于基于通过利用光子射流效应由所述相移干涉成像所形成的图像信息来确定所述界面(100)的四维性质。2.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述界面(100)是所述物体的表面。3.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述界面(100)是所述物体的表面下层。4.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述设备包括用于移动所述物体的装置(106),作为用于执行表面(100)的相移干涉成像的装置(106)。5.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,用于执行表面(100)的相移干涉成像的装置(106)包括频闪照明的利用。6.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述设备包括用于执行图像拼接的装置(120),以拼接上层结构与下层结构中的至少一个,以具有大视场。7.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述设备包括用于基于纳米尺概念来执行相同视场校准的装置(122),所述纳米尺概念通过向最下阶台板添加栅格以允许同时进行z轴和xy轴的校准。8.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述设备包括用于形成相干函数的装置(124),以达成以充分侧波瓣减小为条件的最小主波瓣宽度,以便消除对光子射流层的影响并且实现最大分辨率。9.根据权利要求1所述的设备,其特征在于,所述设备包括用于管理偏振以创建相移、瞬变成像和增强图像对比度中的至少一个的装置...

【专利技术属性】
技术研发人员:伊万·卡萨马科夫爱德华·黑格斯特伦
申请(专利权)人:赫尔辛基大学
类型:发明
国别省市:芬兰,FI

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