[发明专利]双波长光纤线阵列色散共焦显微探测方法与装置

说明书

双波长光纤线阵列色散共焦显微探测方法与装置。本发明属于光学成像与检测领域，可用于微纳精密样品表面形貌的快速测量。本发明结合光纤线阵列共焦和物镜的轴向色散，通过公共光纤端线阵列作为狭缝提供狭缝照明并过滤经样品反射的测量光束，使用波长分光装置分离测量光束中不同波长的光，得到双照明波长下光纤线阵列色散共焦响应强度值，进而获取样品表面沿测量光束光轴方向的位移信息。采用公共端光纤线阵列当作照明狭缝和探测狭缝，降低共焦光路调整难度；利用线色散共焦曲线斜率较大线性区域来替代传统线色散共焦中斜率为零顶点区域，显著提升探测灵敏度和精度。因此，本发明为微纳样品表面轮廓、形貌等高速高精度测量提供了一种可行途径，将在芯片制造等领域具有重要应用前景。

技术领域

本发明涉及一种高速光纤线阵列色散共焦显微测量方法，可应用于IC芯片、MEMS、功能化结构微纳器件、车铣刨磨等机加工表面、喷丸磨砂表面、拉丝表面等各类样品表面形貌的快速测量，属于光学成像与检测技术领域。

背景技术

线共焦显微镜由苏联人G. M. Svishchev于20世纪60年代后期提出，其基本架构是：使用一对共轭狭缝进行照明和探测，通过精确控制机械运动装置如高精度电机或压电陶瓷研显微物镜光轴方向移动，从而能获取被测样品沿光轴方向的位移信息。相比于传统的点扫描式共焦显微镜，线共焦显微镜在机械装置的轴向扫描过程能获取一条直线上点沿光轴方向的位移信息，即其形貌测量效率远远优于传统的点扫描式共焦显微镜。但是，线共焦显微镜在获取位移信息的过程中，需要复杂的机械装置精确进行沿光轴方向的扫描，而机械扫描效率低、精度低，上述因素限制了线共焦显微镜获取被测样品三维形貌的速度和精度。

为了提高传统线共焦显微镜的测量速度，发表在《Optics Letters》上的《Locallyadaptive thresholding centroid localization in confocal microscopy》文献中：提出了采用一种变阈值的峰值提取算法，能满足大采样间隔时探测得到的线共焦响应强度信号的高精度处理，显著地提高线共焦显微测量速度和精度。但是，上述方法仍需要机械装置扫描，限制了线共焦显微测量速度的进一步提高。发表在《Optics Letters》上的《Simpledifferential digital confocal aperture to improve axial response of line-scanning confocal microendoscopes》文献中：通过使用两个狭缝探测器，其中一个狭缝探测器放置在与狭缝照明光源共轭位置前一个微小间隔处，另一个探测器放置于与狭缝照明光源共轭位置后相等的微小间隔处，通过对两个狭缝探测器采集的共焦响应强度值做差分操作，快速获取被测样品表面上一条直线上点的位移信息。但是，上述方法在装置构建过程中存在如下缺陷：其一、狭缝探测共轭光路的调整极其复杂，上述方法中采用双探测狭缝探测器的设计将进一步使得光路调整复杂；其二、两个的狭缝探测器沿光束光轴方向上的位移偏置需要控制在微米量级，对机械零件的加工速度提出了极高的要求。

另一方面，传统线色散共焦显微测量方法采用宽带光源照明，利用色散物镜的轴向色散，结合线共焦探测技术，通过处理面光谱成像探测设备采集的光谱信息，实现无需机械轴向扫描的高速位移信息测量。但是，线色散共焦技术对光谱成像探测设备光谱分辨能力提出了较高要求，且采集频率受面阵探测器的性能限制通常只能达到kHz至10 kHz左右。

发明内容