[发明专利]基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量装置与方法

说明书

技术领域

 基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量装置与方法属于超精密三维微细结构表面形貌测量领域。

背景技术

微结构的加工应用主要体现在微电子技术、微系统技术和微光学技术三个方面，如计算机芯片、生物芯片和微透镜阵列等典型应用。上述技术其共同特征是具有三维结构、功能结构尺寸在微米、亚微米或纳米量级，这种结构的微纳米化不仅仅带来能源与原材料的节省，更推动了现代科技的进步，直接带动了相关产业的发展。随着微加工技术的飞速发展，能够对该类样品进行快速无损三维检测的仪器将拥有巨大的应用前景。 

美国专利US3013467，第一次公开了一种共焦成像技术，该发明通过引入点光源、点照明和点探测三点光学共轭的共焦成像技术，获得了对样品轮廓的轴向探测能力，配合水平方向载物台的移动进而实现三维测量。中国专利CN1395127A，公开了一种共焦显微测量系统。该发明利用共焦技术，通过在共焦光路中引入干涉光路，获得高灵敏度的干涉测量信号，实现对样品轴向的高精度测量。美国专利US6282020B1，公开了一种基于扫描振镜的共焦显微系统。该发明利用共焦原理，通过引入振镜扫描技术，获得了汇聚照明光斑在样品表面高速移动的能力，实现了快速共焦探测，提高了测量速度。但是上述三种方法都是将平行光束通过显微物镜汇聚到样品表面进行照明，当进行三维样品测量时，由于样品自身表面轮廓的高低起伏，对汇聚照明光束进行遮挡，会导致某些区域无法照明或者发生复杂反射，进而造成探测信号强度的衰减和背景噪声的增强，使得测量精度降低，甚至无法测量。

发明内容

为了解决上述问题，本发明公开了一种基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量装置与方法，使被测微结构样品的每一部分都能找到对应的最佳照明角度，避免被测微结构样品自身表面轮廓的高低起伏导致的某些区域无法照明或者发生复杂反射，提高探测信号强度，降低背景噪声，进而提高测量精度。同时准共焦测量光路采用针孔阵列配合图像传感器，可以实现高速测量。

本发明的目的是这样实现的：

基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量装置，包括角谱扫描照明光路和准共焦测量光路；

所述的角谱扫描照明光路包括：线阵LED阵列、成像透镜、分光棱镜、光阑和显微物镜；从线阵LED阵列发出的光束依次经过成像透镜、分光棱镜、显微物镜后，平行照射到随三自由度载物台移动的圆对称被测微结构样品表面；所述的三自由度载物台沿笛卡尔坐标系的三个坐标轴移动，其中，z轴为光轴方向；

所述的准共焦测量光路包括：三自由度载物台、显微物镜、光阑、分光棱镜、管镜、线阵针孔阵列和线阵图像传感器；随三自由度载物台移动的圆对称被测微结构样品表面反射的光束依次经过显微物镜、光阑、分光棱镜、管镜，成像到线阵针孔阵列位置，并由线阵图像传感器成像；

所述的角谱扫描照明光路和准共焦测量光路共用分光棱镜、光阑和显微物镜；

所述的线阵LED阵列位于成像透镜的物平面，成像透镜的像平面与显微物镜的后焦平面重合于光阑所在平面；管镜的前焦平面位于线阵针孔阵列所在平面；线阵针孔阵列与线阵图像传感器像元紧贴，线阵针孔阵列上的针孔与线阵图像传感器的像元数量相同、位置前后对应。

上述基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量装置，所述的线阵LED阵列相邻两个LED之间的距离相同或不相同。

基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量方法，包括以下步骤：

步骤a、将圆对称被测微结构样品的厚度分为N层；

步骤b、调整三自由度载物台，使圆对称被测微结构样品中心位于光轴上；

所述的步骤a、步骤b的顺序可调换；

步骤c、根据线阵LED阵列中的LED数量M，圆对称被测微结构样品的厚度分层N，形成M×N张角谱照明图像；

步骤d、定义相同角谱照明下的不同层之间的角谱照明图像为层析图像，对比相同像素在M个角谱照明下的层析图像之间的轴向包络曲线，挑选出最接近sinc函数四次方的包络曲线，根据共焦三维测量原理，判断所有像素的轴向坐标；

步骤e、根据所有像素及其轴向坐标，采用圆规作图方法拟合出圆对称被测微结构样品的三维形貌。

上述基于线阵角谱照明的并行共焦环形微结构测量方法，所述的步骤c具体为：

步骤c1：通过三自由度载物台调整圆对称被测微结构样品，使N层中的每一层依次置于显微物镜的前焦平面；

步骤c2：通过依次点亮线阵LED阵列中的M个LED，形成对圆对称被测微结构样品的M个角谱照明；