一种并行光学线层析显微测量方法技术

本发明专利技术公开了一种并行光学线层析显微测量方法，属于光学显微成像及精密测量技术领域。本发明专利技术首先利用计算得到标准平面反射镜的显微层析像场，其中I1、I2和I3分别是三幅结构光调制像场，绘制上述计算得到的显微层析像场中心点对应的轴向层析响应强度曲线；然后截取该曲线的单侧线性区间，建立强度场与样品表面高度的理论关联模型，得到测量校准线性曲线，形成高度——强度查找表；进而更换标准平面反射镜为实际待测样品，根据高度——强度查找表，得到单次扫描显微像场内所有点的表面高度值，实现一定轴向量程范围内样品表面形貌立体结构的层析检测。本发明专利技术可用于无轴向机械扫描、并行、立体层析快速检测。

【技术实现步骤摘要】

： 本专利技术属于光学显微成像及精密测量
，尤其涉及一种并行光学线层析显 微测量方法。
技术介绍
： 光学显微测量装置在人类认识和理解微观科学世界的进程中起到了重要的推动 作用，20世纪50年代中后期，美国哈佛大学博士后M.Minsky专利技术了一种全新的光学显微装 置，即共焦显微镜，其采用了点照明和点探测、并引入逐点扫描结构来实现样品内部三维结 构立体成像。1997年，英国牛津大学M. A. A. Ne i 1和T. Wi 1 son等在共焦显微
长期研 究探索的基础上，提出了结构光照明显微技术（参见文献1.以11，1?.几81^^^， T.Wilson.Method of obtaining optical sectioning by using structured light in a conventional microscope .Optics Letters，1997，22(24): 1905-1907)，这是一种在普 通光学显微镜系统基础上进行很小改动便可实现的并行光学层析显微技术，包括普通白光 光源照明、无(共焦)物理针孔、非逐点扫描等，通过光学条纹调制、解调等步骤实现光学层 析成像，并证明其轴向光学层析特性与普通单点扫描共焦显微镜类似。 目前的结构光照明显微技术一般通过微位移工作台驱动一维物理光栅产生机械 步进扫描移相，将余弦强度条纹投影至待测样品空间，利用不同初始相位的光栅条纹对样 品表面形貌或内部结构进行调制;利用CCD分别探测携带有物体结构信息的调制光场，一般 采集3幅图像后，通过数学运算处理，从探测光场中解调分离出普通宽场像和光学层析像。 综上，现有显微测量技术一般使用机械步进扫描，不但降低了测量效率，还影响测 量精度，上述问题限制了结构光照明显微技术的应用范围。本专利技术利用结构光照明显微显 微技术基本装置实现单次扫描线层析测量。
技术实现思路
： 本专利技术的目的是为了克服待测样品的机械步进扫描过程，最终实现非接触、非扫 描、宽场并行光学立体层析显微成像及测量，提供了 ，单 次扫描便可实现一定轴向量程范围内样品表面形貌的立体层析检测。 为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案来实现的： -种并行光学线层析显微测量方法，包括以下步骤： 1)选取标准平面反射镜为标准测量样品； 2)利用一维Z向压电陶瓷精密位移台沿轴步进扫描平面反射镜，在每一轴向位置， 执行步骤3)和4); 3)沿X轴方向利用精密步进电机移动一维透射光栅，分别采集1^12和13三幅结构 光调制像场，三幅结构光调制像场分别对应并行光学线层析显微测量装置中结构光移相〇、 2π/3和4π/3后的像场； 4)基于步骤3)得到的三幅像场，由表达式计算得到显微层析像场Isect; 5)每执行步骤3)-次，采用步骤4)所述的表达式Isect计算显微层析像场，并绘制 上述像场内中心点对应的轴向层析响应强度曲线； 6)截取步骤5)所述曲线的单侧线性区间，建立强度场与样品表面高度的理论关联 模型，得到测量校准线性曲线，形成高度一一强度查找表； 7)更换标准平面反射镜为实际待测样品，重复步骤2)和3)，根据步骤6)所得高 度一一强度查找表，得到像场内所有点的表面高度值，实现单次扫描便可完成轴向量程范 围内样品表面形貌立体层析结构的检测。 本专利技术的有益效果为:本专利技术提供的，基于衍 射光学和傅里叶光学理论建立的宽场线层析理论测量模型，实现了无轴向机械扫描、并行、 立体层析快速检测，克服了待测样品的轴向机械步进扫描问题，最佳轴向分辨率可达到数 纳米量级(对应大数值孔径显微物镜情形）。本专利技术可用于无轴向机械扫描、并行、立体层析 快速检测，在微机械、微电子、微光学等微纳器件三维表面形貌的非接触、高分辨率、快速层 析成像及测量方面提供一个全新有效的测量方法。本专利技术与现有的非干涉差分共焦测量技术（参见文献Chau-Hwang Lee，Jyhpyng Wang.Noninterferometric differential confocal microscopy with 2_nm depth resolution.Optics Communications，1997，135:233-237)存在明显区别，本专利技术米用结构 光照明条纹调制解调技术，是一种并行式层析方法，而现有技术采用普通共焦扫描测量装 置，是一种点扫描式层析方法，因而必须进行横向二维机械扫描。【附图说明】： 图1为结构光照明并行光学线层析显微测量装置结构示意图。 其中：1一非相干光照明光源，2-窄带滤光片，3-步进电机，4一一维透射光栅， 5-第一管镜，6-分光镜，7-显微物镜，8-待测物体，9一PZT，10-第二管镜，11一(XD。 图2为结构光照明显微成像系统轴向层析响应理论计算曲线。【具体实施方式】： 下面结合附图和实施例对本专利技术进行进一步的说明。 如图1所示，并行光学线层析显微测量装置，包括非相干光照明光源1、窄带滤光片 2、步进电机3、一维透射光栅4、第一管镜5、分光镜6、显微物镜7、一维PZT9、第二管镜10和 (XD 11;其中，由非相干光照明光源1发出的光依次经过窄带滤光片2、一维透射光栅4、第一 管镜5后，由分光镜6反射，经过显微物镜7聚焦于置于一维PZT9上的待测物体8表面，形成结 构光照明；待测物体8将照明光束反射，依次经过显微物镜7、分光镜6、第二管镜10后，照明 光束聚焦于CCD11的焦平面处;所述步进电机3用于控制一维透射光栅4横向移动，以完成一 维透射光栅4的三步相移，分别为0、2V3和牡/3，由(XD11相应采集I!、1 2和13三幅像场;所述 一维PZT9用于控制待测物体8在竖直方向移动。 本专利技术当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种并行光学线层析显微测量方法，其特征在于，包括以下步骤：1)选取标准平面反射镜为标准测量样品；2)利用一维Z向压电陶瓷精密位移台沿轴步进扫描平面反射镜，在每一轴向位置，执行步骤3)和4)；3)沿X轴方向利用精密步进电机移动一维透射光栅，分别采集I1、I2和I3三幅结构光调制像场，三幅结构光调制像场分别对应并行光学线层析显微测量装置中结构光移相0、2π/3和4π/3后的像场；4)基于步骤3)得到的三幅像场，由表达式Isect=23(I2-I1)2+(I3-I1)2+(I3-I2)2]]>计算得到显微层析像场Isect；5)每执行步骤3)一次，采用步骤4)所述的表达式Isect计算显微层析像场，并绘制上述像场内中心点对应的轴向层析响应强度曲线；6)截取步骤5)所述曲线的单侧线性区间，建立强度场与样品表面高度的理论关联模型，得到测量校准线性曲线，形成高度——强度查找表；7)更换标准平面反射镜为实际待测样品，重复步骤2)和3)，根据步骤6)所得高度——强度查找表，得到像场内所有点的表面高度值，实现单次扫描便可完成轴向量程范围内样品表面形貌立体层析结构的检测。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：杨树明，王通，刘涛，蒋庄德，时新宇，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61