超分辨三维测量显微镜制造技术

本发明专利技术涉及精密测量技术领域。超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，干涉显微镜本体包括一生成准直均匀光线的照明模块，照明模块的出射光朝向一生成不同相位值的正弦结构光的结构光生成器，结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参照光束相干涉；被测物的干涉光从干涉物镜中返回后，依次途径分光棱镜、一筒镜、一探测器，干涉光经过筒镜后被探测器接收。本发明专利技术通过结构光生成器和软件算法来重建超分辨率的干涉光场图像。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及精密测量
。超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，干涉显微镜本体包括一生成准直均匀光线的照明模块，照明模块的出射光朝向一生成不同相位值的正弦结构光的结构光生成器，结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参照光束相干涉；被测物的干涉光从干涉物镜中返回后，依次途径分光棱镜、一筒镜、一探测器，干涉光经过筒镜后被探测器接收。本专利技术通过结构光生成器和软件算法来重建超分辨率的干涉光场图像。【专利说明】超分辨三维测量显微镜
本专利技术涉及精密测量
，具体涉及干涉显微镜。
技术介绍
随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，对微结构表面形貌测量系统的需求越发迫切。由于微表面结构由于是由微观结构单元组成的三维复杂结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。同时与平滑表面的测量不同，微结构表面的测量不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。干涉显微法是光学干涉法与显微系统相结合的产物，通过在干涉仪上增加显微放大视觉系统，提高了干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面形貌测量。随着计算机技术、现代控制技术以及图像处理技术的发展，干涉显微法出现了测量精度达到纳米级别的相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)。与其它表面形貌测量方法相比，干涉显微法具有快速、非接触的优点，而且可以与环境加载系统配合完成真空、压力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电系统以及微光机电系统的结构表面形貌测量上得到了广泛应用。在19世纪末20世纪初德国科学家阿贝(Abbe，1840-1905)和英国科学家瑞利(Rayleigh, 1842-1905)从光的波动理论证明，在成像光学系统中，由于光的衍射效应，理想物点经过系统所成的像不再是理想的几何点像，而是有一定大小的光斑(即艾里斑)，当两个物点过于靠近以至于其像斑重叠在一起时，就不能分辨出是两个物点的像，即光学系统中存在着一个衍射分辨极 限。在显微系统中，此光学分辨极限决定于显微物镜的数值孔径。由于显微物镜数值孔径存在一个上限，在可见光范围内显微镜的分辨极限大约为200nm，这样更细微的结构就无法分辨。对于干涉显微镜系统中，通过相移来计算干涉相位，进而计算出三维表面面型的高度数据。但是横向分辨率由于受到衍射极限的限制，对于某些精细度较高的表面轮廓，计算出的就只是一个横向区域的均值，而不是一个精确值。这样还原出来的表面轮廓就是模糊不清的，具体的细节就不能还原出来，这就是被分辨率限制的结果。由于加工装配工艺能力限制，常用的Mirau型干涉显微物镜的数值孔径往往不能做大，因此，干涉显微镜的横向分辨率受限制问题更为突出。从光学信息处理的角度看，分辨率是基于把物体看作是发光点的集合，并以一点成像时的能量集中程度来表征光学系统的成像质量的。而利用光学传递函数来评价光学系统的成像质量，是基于把物体看作是由各种频率的谱组成，也就是把物体的光场分布函数展开成傅立叶级数(物函数为周期函数)或傅立叶积分(物函数为非周期函数)的形式。若把光学系统看成是线性不变的系统，那么物体经光学系统成像，可视为物体经光学系统传递后，其传递效果是频率不变，但对比度下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。这种对比度的降低和相位推移是随频率的不同而不同的，其函数关系被称为光学传递函数。它反映了物体不同频率成分在光学系统中的传递能力。一般来说，高频部分反映物体的细节传递情况，中频部分则反映物体的层次情况，而低频部分则反映物体的轮廓情况。在干涉显微镜中，由于干涉显微物镜光学系统光学传递函数对于高频的限制，导致物体的细节部分丢失。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，提供超分辨三维测量显微镜，以解决至少一个上述技术问题。本专利技术所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现:超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，其特征在于，所述干涉显微镜本体包括一生成准直均勻光线的照明模块，所述照明模块的出射光朝向一生成不同相位初值的正弦结构光的结构光生成器，所述结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，所述分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；所述干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与干涉物镜内部产生的的参照光束相干涉；被测物的干涉光从所述干涉物镜中返回后，依次途径所述分光棱镜、一筒镜、一探测器，所述干涉光经过筒镜后被探测器接收。本专利技术通过结构光的形式来实现超分辨，通过照明模块得到准直均匀的光线；经过结构光生成器产生相应的结构光；通过分光棱镜使光路进入干涉物镜，然后可以得到被测物的干涉光从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉光场。通过干涉光路使物体表面反射的测量光与干涉物镜内的参考光会聚得到干涉条纹；再经特定的相移方法调制其相位，通过探测干涉场中的光强变化计算出每一个数据点的初始相位；最后，利用相位或光强度与高度的关系得出表面形貌。本专利技术通过结构光生成器来提高分辨率，借助软件算法来重建超分辨率的图像。所述结构光生成器连接有一控制装置，所述控制装置可以是PC终端，通过所述PC终端控制结构光生成器生成不同光强不同相位初值的结构光。所述照明模块包括一照明光源、准直透镜、复眼透镜、聚光透镜，所述照明光源的出射光依次途径所述准直透镜、所述复眼透镜、所述聚光透镜后，形成准直均匀光线。所述干涉物镜包括一用于改变干涉光场条纹相位的环形移相器。此环形移相器可以以优化的方式同干涉物镜相结合。所述干涉物镜采用干涉物镜，具体可以是Mirau型干涉物镜。作为一种优选方案，所述结构光生成器是一数字微镜装置，所述照明模块与所述数字微镜装置之间设有一 TIR棱镜；所述数字微镜装置包括一半导体芯片，所述半导体芯片上排布有一个由微镜片组成的矩阵，每一个所述微镜片控制投影画面中的一个像素；所述微镜片是一反射镜。所述微镜片在数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度，一旦接收到相应信号，微镜片就会倾斜一定的角度，如12°，从而使入射光的反射方向改变。处于投影状态的微镜片被示为“开”，并随数字信号而倾斜+12° ;如果微镜片处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-12°。与此同时，“开”状态下被反射出去的入射光通过TIR棱镜将影像沿分光棱镜投影；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。首先照明光源通过照明模块得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线通过TIR棱镜的折射将以特定的入射角入射到数字微镜装置中，；然后通过计算机人为的控制每一个微反射镜的“开”或者“关”的状态，这样光线就会得到相应的光强调制，然后从数字微镜装置垂直出射；之后通过分光棱镜的反射使光路进入干涉物镜，在干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通本文档来自技高网...

【技术保护点】
超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，其特征在于，所述干涉显微镜本体包括一生成准直均匀光线的照明模块，所述照明模块的出射光朝向一生成不同相位初值的正弦结构光的结构光生成器，所述结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，所述分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；所述干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参照光束相干涉；被测物的干涉光从所述干涉物镜中返回后，依次途径所述分光棱镜、一筒镜、一探测器，所述干涉光经过筒镜后被探测器接收。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：万新军，朱伟超，杨波，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海;31