基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法技术方案

本发明专利技术属于相位成像相关技术领域，并公开了一种基于定量相位显微成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法

【技术实现步骤摘要】
基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法


[0001]本专利技术属于三维形貌检测相关
，更具体地，涉及一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法
。

技术介绍

[0002]光栅
、
微透镜阵列和光波导等微光学元件已广泛应用于最先进的微系统和芯片器件上
。
在大多数情况下，微光学元件的几何轮廓和材料决定了器件的性能
。
因此，实现微光学元件制造过程的三维形貌在线测量具有重要意义
。
然而，传统的测量方法，如白光干涉仪和激光共焦显微镜，已经不能满足速度和精度的要求
。
现有的
QPM
系统采用的光学元件过于复杂，以致于光路调试困难，增加了实验难度，而且成像模式单一，通常仅能实现透明样品的三维形貌测量
。

技术实现思路

[0003]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统与方法，解决三维形貌测量过程成像模式单一，光路复杂的问题
。
[0004]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，该纳米结构三维形貌测量系统包括光源滤波模块
、
可切换待测模块
、
显微镜模块
、
马赫
‑
曾德尔干涉仪模块和成像模块，其中，
[0005]所述光源滤波模块用于产生分布均匀的高斯光束，可切换待测模块设置在光源滤波模块后方，该可切换待测模块中包括两条并联的光路，分别用于将光线照射在可透射或不可透射的待测样品表面；所述显微镜模块设置在所述可切换待测模块的后方，其包括显微物镜
、
薄膜分束器和管镜，用于将待测样品透射或反射的光进行显微放大；所述马赫
‑
曾德尔干涉仪模块用于将来自所述显微镜模块的光束分束，然后两束光产生干涉后合束进入所述成像模块中成像，以此获得由待测样品表面三维形貌形成的干涉图像；
[0006]所述可切换待测模块的一条光路包括设置在所述光源滤波模块后方的可拆卸反射镜，该可拆卸反射镜用于可透射样品的测量中，来自所述光源滤波模块的高斯光束被改可拆卸反射镜反射后照射在待测样品表面并透射进入所述显微镜模块；另一条光路包括多个反射镜和准直透镜，所述高斯光束经过所述反射镜改变光路传播路径后进入所述准直透镜被准直汇聚，然后进入所述薄膜分束器被反射进入所述显微物镜中，从该显微物镜出射的光照射在所述待测样品表面被反射进入所述显微镜模块中
。
[0007]进一步优选地，所述马赫
‑
曾德尔干涉仪模块包括分束立方器
、4f
模块
、
中继光学模块和合束立方器，所述
4f
模块和中继光学模块并联且设置在所述分束立方器的后方，进入所述分束立方器的光线被分成两束，一束进入所述
4f
模块，一束进入所述中继光学模块，从所述
4f
模块和中光学模块中出射的光在所述合束立方器中发生干涉
。
[0008]进一步优选地，所述立体分束器将光线的光强按照9：1进行分束，
90
％光强的光束进入所述
4f
模块中，
10
％光强的光束进入所述中继光学模块中
。
[0009]进一步优选地，所述
4f
模块包括第一消色差双胶合透镜组和设置在该第一消色差双胶合透镜组中间的针孔，所述第一消色差双胶合透镜组用于对输入的图像进行傅里叶变换，所述针孔用于进行低通滤波
。
[0010]进一步优选地，所述第一消色差双胶合透镜组中两个相对设置的消色差双胶合透镜之间的距离等于两个透镜的焦距之和，所述针孔设置在两个所述第一消色差双胶合透镜的焦平面上
。
[0011]进一步优选地，所述中继模块包括第二消色差双胶合透镜组，该中继模块用于将像平面共轭
。
[0012]进一步优选地，所述第二消色差双胶合透镜组中的相对设置的两个第二消色差双胶合透镜之间的距离为两个消色差双胶合透镜的焦距之和
。
[0013]进一步优选地，所述显微镜模块中还包括反射镜，该反射镜设置在所述管镜后方，用于改变光路的传播方向，使得光线进入所述马赫
‑
曾德尔干涉仪模块
。
[0014]进一步优选地，的一种基于定量相位显微成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述光源滤波模块包括激光发射器
、
第三透镜组和空间滤波器，所述空间滤波器设置在所述第三透镜组中的两个透镜之间，用于过滤掉
He
‑
Ne
激光束周围杂散光
。
[0015]按照本专利技术的另一个方面，提供了一种纳米结构三维形貌特征获得的方法，该方法包括下列步骤：
[0016]S1
利用上述所述的纳米结构三维形貌测量系统拍摄获得待测样品对应的干涉图像，然后将待测样品移除，采用所述纳米结构三维形貌测量系统拍摄背景图像，对所述背景图像和待测样品对应的干涉图像进行灰度变化以增强对比度；
[0017]S2
将所述背景图像和干涉图像依次进行傅里叶变换和傅里叶频谱增强，然后用截断式滤波器滤掉0级频谱，提取
+1
级谱并把它移到频谱图的中心位置，对所述
+1
级谱进行汉宁窗滤波，以减轻边缘效应并抑制频谱泄漏；最后对经过滤波后的频域图像进行逆傅里叶变换，将频域图像变换回空间域；
[0018]S3
对经过步骤
S2
处理后的所述干涉图像和背景图像进行相位相减，以此获得一张差值图像，对该差值图像进行相位解包裹，获得待测样品的相位分布，即获得待测样品的三维形貌信息
。
[0019]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具备下列有益效果：
[0020]1.
本专利技术中采用可切换待测模式，其中包括两条并联的测量，分别适用于可透射和不可透射的样品，因此使得本专利技术中的纳米结构三维形貌测量系统既能实现透视样品的测量，也是实现不可透视样品的测量；
[0021]2.
本专利技术中选用马赫
‑
曾德尔干涉仪模块将光分成两路，然后在重新组合时检测相位差异，精确地测量光的相位变化，实现高分辨率的光学相位测量；
[0022]3.
本专利技术中采用立体分束器将光线按照9：1进行分束，从而有效地调整光线的强度分配，在后续的光路发生干涉时，干涉条纹的对比度会更好，条纹更为清晰，从而实现更准确的相位测量和分析，确保合适的光线强度，从而提高干涉条纹的对比度；
[0023]4.
本专利技术提供基于定量相位显微镜的无损
、
高分辨率
、
高速光学成像系统，构建一种基于非共路径马赫
‑
曾德尔干涉本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，该纳米结构三维形貌测量系统包括光源滤波模块
、
可切换待测模块
、
显微镜模块
、
马赫
‑
曾德尔干涉仪模块和成像模块
(7)
，其中，所述光源滤波模块用于产生分布均匀的高斯光束，可切换待测模块设置在光源滤波模块后方，该可切换待测模块中包括两条并联的光路，分别用于将光线照射在可透射或不可透射的待测样品表面；所述显微镜模块设置在所述可切换待测模块的后方，其包括显微物镜
(33)、
薄膜分束器
(32)
和管镜
(35)
，用于将待测样品透射或反射的光进行显微放大；所述马赫
‑
曾德尔干涉仪模块用于将来自所述显微镜模块的光束分束，然后两束光产生干涉后合束进入所述成像模块
(7)
中成像，以此获得由待测样品表面三维形貌形成的干涉图像；所述可切换待测模块的一条光路包括设置在所述光源滤波模块后方的可拆卸反射镜
(21)
，该可拆卸反射镜
(21)
用于可透射样品的测量中，来自所述光源滤波模块的高斯光束被改可拆卸反射镜
(21)
反射后照射在待测样品表面并透射进入所述显微镜模块；另一条光路包括多个反射镜
(22)
和准直透镜
(31)
，所述高斯光束经过所述反射镜
(22)
改变光路传播路径后进入所述准直透镜
(31)
被准直汇聚，然后进入所述薄膜分束器
(32)
被反射进入所述显微物镜
(33)
中，从该显微物镜
(33)
出射的光照射在所述待测样品表面被反射进入所述显微镜模块中
。2.
如权利要求1所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述马赫
‑
曾德尔干涉仪模块包括分束立方器
(41)、4f
模块
、
中继光学模块和合束立方器
(43)
，所述
4f
模块和中继光学模块并联且设置在所述分束立方器
(41)
的后方，进入所述分束立方器
(41)
的光线被分成两束，一束进入所述
4f
模块，一束进入所述中继光学模块，从所述
4f
模块和中光学模块中出射的光在所述合束立方器
(43)
中发生干涉
。3.
如权利要求2所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述立体分束器将光线的光强按照9：1进行分束，
90
％光强的光束进入所述
4f
模块中，
10
％光强的光束进入所述中继光学模块中
。4.
如权利要求2或3所述的一种基于定量相位成像的纳米结构三维形貌测量系统，其特征在于，所述
...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱金龙，王婧怡，李泽迪，董正琼，祝仁龙，谢怡君，周向东，聂磊，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：