一种干涉-荧光原位耦合的荧光染色薄膜厚度测量方法技术

本发明专利技术提供了一种干涉

【技术实现步骤摘要】
一种干涉
‑
荧光原位耦合的荧光染色薄膜厚度测量方法


[0001]本专利技术涉及测量
，具体涉及一种干涉
‑
荧光原位耦合的荧光染色薄膜厚度测量方法。

技术介绍

[0002]光学式荧光染色薄膜厚度测量技术是一种基于光学方法测量透明荧光染色液体或固体薄膜厚度的技术，如测量LED荧光薄膜厚度、间隙内荧光液体薄膜厚度，或间接测量结构间隙的高度、表面凹槽的深度等，在机械、电子、生物等行业中均有应用。荧光法是一种基于激光诱导荧光原理的透明薄膜厚度测量方法。该方法使用激光激发标准厚度的荧光染色薄膜，得到荧光图像，通过计算拟合，得到薄膜厚度与荧光强度之间的标定关系式；然后，使用荧光剂将待测薄膜均匀染色，通过激光激发得到荧光图像，使用荧光图像的灰度值计算各个像素对应的薄膜厚度。
[0003]然而，荧光法一般用于微米至毫米尺度的薄膜厚度测量，对于微米尺度以下的膜厚测量灵敏度欠佳。而光干涉法以激光干涉原理为基础，得到薄膜的激光干涉图像，通过干涉条纹级次与相对光强计算间隙厚度，在纳米尺度的薄膜厚度测量方面具有较高的灵敏度。因此，如果能够将荧光法与光干涉法在原位实现相互耦合，即可通过光干涉法计算得到的薄膜厚度对荧光法的标定关系式进行修正，从而可以提升荧光法在微米以下尺度的薄膜厚度测量灵敏度，扩大荧光法的有效量程。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供了一种干涉
‑
荧光原位耦合的荧光染色薄膜厚度测量方法，能够将荧光法与光干涉法在原位实现相互耦合，并通过光干涉法计算得到的薄膜厚度对荧光法的标定关系式进行修正，从而提升荧光法在微米以下尺度的薄膜厚度测量灵敏度，扩大荧光法的有效量程。
[0005]一种干涉
‑
荧光原位耦合的荧光染色薄膜厚度测量方法，采用的测量系统包括干涉
‑
荧光原位耦合主光路和待测薄膜组合模块；
[0006]所述待测薄膜组合模块包括黄金镀膜(3)、玻璃片(4)、微沟槽器件(1)以及荧光染色介质(2)；所述玻璃片(4)下表面镀有黄金镀膜(3)；所述微沟槽器件(1)上表面抛光并刻蚀有矩形的微沟槽，槽底表面作为反射面；微沟槽内为荧光染色介质(2)；
[0007]所述荧光染色介质(2)的荧光发射峰波长为λ
E
；
[0008]所述干涉
‑
荧光原位耦合主光路包括物镜(5)、第一成像透镜(13)、第二成像透镜(15)、荧光模块、光干涉模块、分光模块、第一相机(14)、第二相机(16)、第一激光源(7)、第二激光源(10)；
[0009]所述待测薄膜组合模块、物镜(5)、荧光模块、干涉模块、分光模块在主光路中顺次布置；
[0010]所述荧光模块包括阈值为λ1的二相色长通滤光片(17)、阈值为λ2的第一长通滤光
片(18)；二相色长通滤光片(17)与主光路光轴呈45度角，第一长通滤光片(18)垂直主光路光轴放置；
[0011]所述光干涉模块包括全波长半反半透滤光片(19)；所述全波长半反半透滤光片(19)滤光片与主光路光轴呈45度角；
[0012]所述分光模块包括阈值为λ3的二相色短通滤光片(20)、阈值为λ4的短通滤光片(21)、阈值为λ5的第二长通滤光片(22)；二相色短通滤光片(20)与主光路光轴呈45度角；短通滤光片(21)垂直主光路光轴，第二长通滤光片(22)平行主光路光轴；
[0013]所述荧光模块、光干涉模块、分光模块均可分别移入、移出主光路；
[0014]所述第一相机(14)与第一成像透镜(13)放置于第二长通滤光片(22)的反射光路中，用于干涉成像；
[0015]所述第二相机(16)与第二成像透镜(15)放置于全波长半反半透滤光片(19)的反射光路中，用于荧光成像；
[0016]所述第一激光源(7)的工作波长为λ
F
，其产生的激光经二相色长通滤光片(17)反射进入主光路；第二激光源(10)的工作波长为λ
R
，经全波长半反半透滤光片(19)反射进入主光路；
[0017]波长关系满足下式：
[0018]λ
F
<λ1<λ2<λ
E
<530nm<λ4<λ3<λ5<λ
R
；
[0019]所述测量方法包括：
[0020]步骤S11：准备数量为K
c
个、沟槽深度不同的微沟槽器件(1)，使用荧光染色介质(2)填满微沟槽，将玻璃片(4)的黄金镀膜(3)表面与槽顶表面贴合，构成标准固定厚度荧光染色薄膜；
[0021]步骤S12：开启第二激光源(10)与第二相机(16)，对标准固定厚度荧光染色薄膜进行对焦与拍摄，得到K
c
张荧光图像；
[0022]步骤S13：准备数量为K
w
个、微沟槽深度不同的微沟槽器件(1)，将玻璃片(4)表面的黄金镀膜(3)表面任一边缘与槽底表面接触，使用荧光染色介质(2)填满玻璃片(4)与微沟槽之间形成的楔形间隙，构成标准楔形荧光染色薄膜；
[0023]步骤S14：开启第一激光源(7)、第二激光源(10)、第一相机(14)以及第二相机(16)，对标准楔形荧光染色薄膜进行对焦，拍摄荧光图像与干涉条纹图像；
[0024]步骤S15：对所有标准楔形荧光染色薄膜重复执行步骤S14，得到K
w
张的荧光图像与干涉条纹图像；
[0025]步骤S16：使用光干涉法计算第k张干涉条纹图像的任一像素(i,j)的薄膜厚度步骤S16：使用光干涉法计算第k张干涉条纹图像的任一像素(i,j)的薄膜厚度
[0026]其中，为微沟槽在(i,jc)处的深度；为微沟槽边缘处灰度值；为微沟槽边缘处极值点数；r
f
为荧光染色介质(2)的折射率；jc为微沟槽器件(1)的标准楔形荧光染色薄膜厚度最大位置的像素列坐标，p
i,j(k)
为第i行像素中，像素(i,j)与像素(i,jc)之间的
灰度极值点个数；其中，p
i,jc(k)
表示沟槽边缘处极值点数，为0，g
i,j(k)
为像素(i,j)的灰度值，g
i,j(k)max
为第i行像素中，距离像素(i,j)最近的灰度极大值，g
i,j(k)min
为第i行像素中，距离像素(i,j)最近的灰度极小值；
[0027]步骤S17：对K
w
张干涉条纹图像重复执行S16，得到所有干涉条纹图像对应的薄膜厚度；
[0028]步骤S18：对K＝K
c
+K
w
张荧光图像，构建标定系数线性方程组：
[0029][0030]其中，a
i,j(n)
为像素(i,j)对应的第n本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种干涉
‑
荧光原位耦合的荧光染色薄膜厚度测量方法，其特征在于，采用的测量系统包括干涉
‑
荧光原位耦合主光路和待测薄膜组合模块；所述待测薄膜组合模块包括黄金镀膜(3)、玻璃片(4)、微沟槽器件(1)以及荧光染色介质(2)；所述玻璃片(4)下表面镀有黄金镀膜(3)；所述微沟槽器件(1)上表面抛光并刻蚀有矩形的微沟槽，槽底表面作为反射面；微沟槽内为荧光染色介质(2)；所述荧光染色介质(2)的荧光发射峰波长为λ
E
；所述干涉
‑
荧光原位耦合主光路包括物镜(5)、第一成像透镜(13)、第二成像透镜(15)、荧光模块、光干涉模块、分光模块、第一相机(14)、第二相机(16)、第一激光源(7)、第二激光源(10)；所述待测薄膜组合模块、物镜(5)、荧光模块、干涉模块、分光模块在主光路中顺次布置；所述荧光模块包括阈值为λ1的二相色长通滤光片(17)、阈值为λ2的第一长通滤光片(18)；二相色长通滤光片(17)与主光路光轴呈45度角，第一长通滤光片(18)垂直主光路光轴放置；所述光干涉模块包括全波长半反半透滤光片(19)；所述全波长半反半透滤光片(19)滤光片与主光路光轴呈45度角；所述分光模块包括阈值为λ3的二相色短通滤光片(20)、阈值为λ4的短通滤光片(21)、阈值为λ5的第二长通滤光片(22)；二相色短通滤光片(20)与主光路光轴呈45度角；短通滤光片(21)垂直主光路光轴，第二长通滤光片(22)平行主光路光轴；所述荧光模块、光干涉模块、分光模块均可分别移入、移出主光路；所述第一相机(14)与第一成像透镜(13)放置于第二长通滤光片(22)的反射光路中，用于干涉成像；所述第二相机(16)与第二成像透镜(15)放置于全波长半反半透滤光片(19)的反射光路中，用于荧光成像；所述第一激光源(7)的工作波长为λ
F
，其产生的激光经二相色长通滤光片(17)反射进入主光路；第二激光源(10)的工作波长为λ
R
，经全波长半反半透滤光片(19)反射进入主光路；波长关系满足下式：λ
F
<λ1<λ2<λ
E
<530nm<λ4<λ3<λ5<λ
R
；所述测量方法包括：步骤S11：准备数量为K
c
个、沟槽深度不同的微沟槽器件(1)，使用荧光染色介质(2)填满微沟槽，将玻璃片(4)的黄金镀膜(3)表面与槽顶表面贴合，构成标准固定厚度荧光染色薄膜；步骤S12：开启第二激光源(10)与第二相机(16)，对标准固定厚度荧光染色薄膜进行对焦与拍摄，得到K
c
张荧光图像；步骤S13：准备数量为K
w
个、微沟槽深度不同的微沟槽器件(1)，将玻璃片(4)表面的黄金镀膜(3)表面任一边缘与槽底表面接触，使用荧光染色介质(2)填满玻璃片(4)与微沟槽之间形成的楔形间隙，构成标准楔形荧光染色薄膜；步骤S14：开启第一激光源(7)、第二激光源(10)、第一相机(14)以及第二相机(16)，对标准楔形荧光染色薄膜进行对焦，拍摄荧光图像与干涉条纹图像；
步骤S15：对所有标准楔形荧光染色薄膜重复执行步骤S14，得到K
w
张的荧光图像与干涉条纹图像；步骤S16：使用光干涉法计算第k张干涉条纹图像的任一像素(i,j)的薄膜厚度步骤S16：...

【专利技术属性】
技术研发人员：王文中，陈虹百，梁鹤，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：