超分辨三维测量显微镜
阅读：1046发布：2020-06-23
专利汇可以提供超分辨三维测量显微镜专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 涉及精密测量技术领域。超分辨三维测量 显微镜 ，包括一干涉显微镜本体，干涉显微镜本体包括一生成 准直 均匀光线的照明模 块 ，照明模块的出射光朝向一生成不同 相位 值的正弦结构光的结构光生成器，结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参照光束相干涉；被测物的干涉光从干涉物镜中返回后，依次途径分光棱镜、一筒镜、一探测器，干涉光经过筒镜后被探测器接收。本发明通过结构光生成器和 软件 算法 来重建超 分辨率 的干涉光场图像。，下面是超分辨三维测量显微镜专利的具体信息内容。
1.超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，其特征在于，所述干涉显微镜本体包括一生成准直均匀光线的照明模块，所述照明模块的出射光朝向一生成不同相位初值的正弦结构光的结构光生成器，所述结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，所述分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；
所述干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与从干涉物镜内部得到的参照光束相干涉；
被测物的干涉光从所述干涉物镜中返回后，依次途径所述分光棱镜、一筒镜、一探测器，所述干涉光经过筒镜后被探测器接收。
2.根据权利要求1所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述照明模块包括一照明光源、准直透镜、复眼透镜、聚光透镜，所述照明光源的出射光依次途径所述准直透镜、所述复眼透镜、所述聚光透镜后，形成准直均匀光线。
3.根据权利要求1所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述干涉物镜包括一用于改变干涉光场条纹相位的环形移相器。
4.根据权利要求1所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述结构光生成器是一数字微镜装置，所述照明模块与所述数字微镜装置之间设有一TIR棱镜；
所述数字微镜装置包括一半导体芯片，所述半导体芯片上排布有一个由微镜片组成的矩阵，每一个所述微镜片控制投影画面中的一个像素；
所述微镜片是一反射镜。
5.根据权利要求1所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述结构光生成器是一液晶显示器，所述液晶显示器包括至少一个偏振过滤片前板、至少一个偏振过滤片后板，所述偏振过滤片前板与所述偏振过滤片后板的偏振方向相互垂直；
所述偏振过滤片前板与所述偏振过滤片后板之间设有一液晶分子阵列层。
6.根据权利要求1所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述结构光生成器是一硅基液晶，所述照明模块与所述数字微镜装置之间还设有一分光棱镜。
7.根据权利要求1所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述结构光生成器是正弦光栅。
8.根据权利要求4、5、6或7所述的超分辨三维测量显微镜，其特征在于，所述结构光生成器连接有一控制装置，所述控制装置是PC终端，通过所述PC终端控制结构光生成器生成不同光强不同相位初值的结构光。
超分辨三维测量显微镜
技术领域
[0001] 本发明涉及精密测量技术领域，具体涉及干涉显微镜。
背景技术
[0002] 随着微细加工技术的发展逐步丰富和精细，微电路、微光学元件、微机械以及其它各种微结构不断出现，对微结构表面形貌测量系统的需求越发迫切。由于微表面结构由于是由微观结构单元组成的三维复杂结构，其测量一般都需要借助直接的或间接的显微放大，要求有较高的横向分辨率和纵向分辨率。同时与平滑表面的测量不同，微结构表面的测量不仅要测量表面的粗糙度或瑕疵，还要测量表面的轮廓、形状偏差和位置偏差。
[0003] 干涉显微法是光学干涉法与显微系统相结合的产物，通过在干涉仪上增加显微放大视觉系统，提高了干涉图的横向分辨率，使之能够完成微纳结构的三维表面形貌测量。随着计算机技术、现代控制技术以及图像处理技术的发展，干涉显微法出现了测量精度达到纳米级别的相移干涉法(PSI)和垂直扫描干涉法(VSI)。与其它表面形貌测量方法相比，干涉显微法具有快速、非接触的优点，而且可以与环境加载系统配合完成真空、压力、加热环境下的结构表面形貌测量，因而在微电子、微机电系统以及微光机电系统的结构表面形貌测量上得到了广泛应用。
[0004] 在19世纪末20世纪初德国科学家阿贝(Abbe，1840-1905)和英国科学家瑞利(Rayleigh，1842-1905)从光的波动理论证明，在成像光学系统中，由于光的衍射效应，理想物点经过系统所成的像不再是理想的几何点像，而是有一定大小的光斑(即艾里斑)，当两个物点过于靠近以至于其像斑重叠在一起时，就不能分辨出是两个物点的像，即光学系统中存在着一个衍射分辨极限。在显微系统中，此光学分辨极限决定于显微物镜的数值孔径。由于显微物镜数值孔径存在一个上限，在可见光范围内显微镜的分辨极限大约为200nm，这样更细微的结构就无法分辨。
[0005] 对于干涉显微镜系统中，通过相移来计算干涉相位，进而计算出三维表面面型的高度数据。但是横向分辨率由于受到衍射极限的限制，对于某些精细度较高的表面轮廓，计算出的就只是一个横向区域的均值，而不是一个精确值。这样还原出来的表面轮廓就是模糊不清的，具体的细节就不能还原出来，这就是被分辨率限制的结果。由于加工装配工艺能力限制，常用的Mirau型干涉显微物镜的数值孔径往往不能做大，因此，干涉显微镜的横向分辨率受限制问题更为突出。
[0006] 从光学信息处理的角度看，分辨率是基于把物体看作是发光点的集合，并以一点成像时的能量集中程度来表征光学系统的成像质量的。而利用光学传递函数来评价光学系统的成像质量，是基于把物体看作是由各种频率的谱组成，也就是把物体的光场分布函数展开成傅立叶级数(物函数为周期函数)或傅立叶积分(物函数为非周期函数)的形式。若把光学系统看成是线性不变的系统，那么物体经光学系统成像，可视为物体经光学系统传递后，其传递效果是频率不变，但对比度下降，相位要发生推移，并在某一频率处截止，即对比度为零。这种对比度的降低和相位推移是随频率的不同而不同的，其函数关系被称为光学传递函数。它反映了物体不同频率成分在光学系统中的传递能力。一般来说，高频部分反映物体的细节传递情况，中频部分则反映物体的层次情况，而低频部分则反映物体的轮廓情况。在干涉显微镜中，由于干涉显微物镜光学系统光学传递函数对于高频的限制，导致物体的细节部分丢失。
发明内容
[0007] 本发明的目的在于，提供超分辨三维测量显微镜，以解决至少一个上述技术问题。
[0008] 本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
[0009] 超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，其特征在于，所述干涉显微镜本体包括一生成准直均匀光线的照明模块，所述照明模块的出射光朝向一生成不同相位初值的正弦结构光的结构光生成器，所述结构光生成器的出射光朝向一分光棱镜，所述分光棱镜的反射光朝向一干涉物镜；
[0010] 所述干涉物镜使由分光棱镜反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物，并且使从被测物反射得到的测量光束与干涉物镜内部产生的的参照光束相干涉；
[0011] 被测物的干涉光从所述干涉物镜中返回后，依次途径所述分光棱镜、一筒镜、一探测器，所述干涉光经过筒镜后被探测器接收。
[0012] 本发明通过结构光的形式来实现超分辨，通过照明模块得到准直均匀的光线；经过结构光生成器产生相应的结构光；通过分光棱镜使光路进入干涉物镜，然后可以得到被测物的干涉光从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉光场。通过干涉光路使物体表面反射的测量光与干涉物镜内的参考光会聚得到干涉条纹；再经特定的相移方法调制其相位，通过探测干涉场中的光强变化计算出每一个数据点的初始相位；最后，利用相位或光强度与高度的关系得出表面形貌。本发明通过结构光生成器来提高分辨率，借助软件算法来重建超分辨率的图像。
[0013] 所述结构光生成器连接有一控制装置，所述控制装置可以是PC终端，通过所述PC终端控制结构光生成器生成不同光强不同相位初值的结构光。
[0015] 所述干涉物镜包括一用于改变干涉光场条纹相位的环形移相器。此环形移相器可以以优化的方式同干涉物镜相结合。
[0016] 所述干涉物镜采用干涉物镜，具体可以是Mirau型干涉物镜。
[0017] 作为一种优选方案，所述结构光生成器是一数字微镜装置，所述照明模块与所述数字微镜装置之间设有一TIR棱镜；
[0019] 所述微镜片是一反射镜。
[0020] 所述微镜片在数字驱动信号的控制下能够迅速改变角度，一旦接收到相应信号，微镜片就会倾斜一定的角度，如12°，从而使入射光的反射方向改变。处于投影状态的微镜片被示为“开”，并随数字信号而倾斜+12°；如果微镜片处于非投影状态，则被示为“关”，并倾斜-12°。与此同时，“开”状态下被反射出去的入射光通过TIR棱镜将影像沿分光棱镜投影；而“关”状态下反射在微镜片上的入射光被光吸收器吸收。
[0021] 首先照明光源通过照明模块得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线通过TIR棱镜的折射将以特定的入射角入射到数字微镜装置中，；然后通过计算机人为的控制每一个微反射镜的“开”或者“关”的状态，这样光线就会得到相应的光强调制，然后从数字微镜装置垂直出射；之后通过分光棱镜的反射使光路进入干涉物镜，在干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过数字微镜装置产生了不同相位初值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0022] 作为另一种优选方案，所述结构光生成器是一液晶显示器，所述液晶显示器包括至少一个偏振过滤片前板、至少一个偏振过滤片后板，所述偏振过滤片前板与所述偏振过滤片后板的偏振方向相互垂直；
[0023] 所述偏振过滤片前板与所述偏振过滤片后板之间设有一液晶分子阵列层。
[0025] 首先照明光源通过照明模块就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线会经过液晶显示器的透射，通过计算机人为的控制每个像素下的液晶，通过外部信号来控制液晶从而调制进入的光线，使光线得到相应的正弦结构光；之后通过分光棱镜的折射使光路进入干涉物镜，在干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过液晶显示器产生了不同相位值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0027] 首先照明光源通过照明模块就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线经过分光棱镜折射到硅基液晶中，我们通过计算机人为的控制每个像素下的液晶，通过外部信号来控制液晶从而调制进入的光线，使光线得到相应的正弦结构光并通过底部的硅芯片反射出去；之后通过分光棱镜的折射使光路进入干涉物镜，在干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过硅基液晶产生了不同相位值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0028] 作为另一种优选方案，所述结构光生成器是正弦光栅。光栅可以使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制的光学元件。只能使光受到振幅调制或相位调制的光栅，分别称为振幅光栅和相位光栅。按工作方式分，光栅又可分为透射光栅(透射光受调制)和反射光栅(反射光受调制)。
[0029] 首先照明光源通过照明模块就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线会经过正弦光栅的透射，我们通过控制器人为的控制光栅按一定相位相移，就可以得到不同相位的正弦干涉光，使光线得到相应的正弦结构光；之后通过分光棱镜的折射使光路进入干涉物镜，在干涉物镜中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物的干涉光场从干涉物镜中返回；之后再次通过分光棱镜，经过筒镜后被探测器接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过光栅产生了不同相位值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0030] 分束器使向测量工件会聚的平行光束的一部分照射到参考平面反射而产生参照光束(即，参照光束是从会聚的光束分支得到的)。反射的参照光束在分束器的位置与作为从测量工件反射得到的测量光束耦合。通过测量光束与参照光束耦合而得到的干涉光束沿着光轴向分束器的方向返回。附图说明
[0031] 图1为本发明的一种结构示意图；
[0032] 图2为本发明具体实施1的光路图；
[0033] 图3为本发明具体实施2的光路图；
[0034] 图4为本发明具体实施3的光路图；
[0035] 图5为本发明具体实施4的光路图。
具体实施方式
[0036] 为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示进一步阐述本发明。
[0037] 参见图1、图2、图3、图4、图5，超分辨三维测量显微镜，包括一干涉显微镜本体，干涉显微镜本体包括一生成准直均匀光线的照明模块1，照明模块1的出射光朝向一生成不同相位值的正弦结构光的结构光生成器2，结构光生成器2的出射光朝向一分光棱镜3，分光棱镜3的反射光朝向一干涉物镜4；干涉物镜4使由分光棱镜3反射的光束在光轴的方向上会聚而照射于被测物5，并且使从被测物5反射得到的测量光束与从干涉物镜4内部得到的参照光束相干涉；被测物5的干涉光从干涉物镜4中返回后，依次途径分光棱镜3、一筒镜6、一探测器7，干涉光经过筒镜6后被探测器7接收。本发明通过结构光的形式来实现超分辨，通过照明模块1得到准直均匀的光线；经过结构光生成器2产生相应的结构光；通过分光棱镜3使光路进入干涉物镜4，然后可以得到被测物5的干涉光从干涉物镜4中返回；之后再次通过分光棱镜3，经过筒镜6后被探测器7接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉光场。通过干涉光路使物体表面反射的测量光与干涉物镜4内的参考光会聚得到干涉条纹；再经特定的相移方法调制其相位，通过探测干涉场中的光强变化计算出每一个数据点的初始相位；最后，利用相位或光强度与高度的关系得出表面形貌。本发明通过结构光生成器2来提高分辨率，借助软件算法来重建超分辨率的图像。
[0038] 结构光生成器2连接有一控制装置32，控制装置32可以是PC终端，通过PC终端控制结构光生成器2生成不同光强的结构光。
[0039] 照明模块1包括一照明光源、准直透镜11、复眼透镜12、聚光透镜13，照明光源的出射光依次途径准直透镜11、复眼透镜12、聚光透镜13后，形成准直均匀光线。
[0040] 干涉物镜4包括一用于改变干涉光场条纹相位的环形移相器。此环形移相器可以以优化的方式同干涉物镜4相结合。干涉物镜4采用Mirau型干涉物镜。
[0041] 具体实施1，参见图2，结构光生成器2是一数字微镜装置21，照明模块1与数字微镜装置21之间设有一TIR棱镜22；数字微镜装置21包括一半导体芯片，半导体芯片上排布有一个由微镜片组成的矩阵，每一个微镜片控制投影画面中的一个像素；微镜片是一反射镜。
[0042] 首先照明光源通过照明模块1就可以得到准直均匀的光线；DMD芯片上微反射镜的偏转角为12°时，所得到的准直均匀的光线通过TIR棱镜22的折射将以24°入射到数字微镜装置21(DMD)中；然后通过计算机人为的控制每一个微反射镜的“开”或者“关”的状态，这样光线就会得到相应的光强调制，然后从数字微镜装置21垂直出射；之后通过分光棱镜3的反射使光路进入干涉物镜4，在干涉物镜4中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物5的干涉光场从干涉物镜4中返回；之后再次通过分光棱镜3，经过筒镜6后被探测器7接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过数字微镜装置21产生了不同相位初值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0043] 具体实施2，参见图3，结构光生成器2是一液晶显示器31，液晶显示器31包括至少一个偏振过滤片前板、至少一个偏振过滤片后板，偏振过滤片前板与偏振过滤片后板的偏振方向相互垂直；偏振过滤片前板与偏振过滤片后板之间设有一液晶分子阵列层。
[0044] 通过电场控制液晶对光线偏振方向的旋转，从而实现对光的控制。
[0045] 首先照明光源通过照明模块1就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线会经过液晶显示器31的透射，通过计算机人为的控制每个像素下的液晶，通过外部信号来控制液晶从而调制进入的光线，使光线得到相应的正弦结构光；之后通过分光棱镜3的折射使光路进入干涉物镜4，在干涉物镜4中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物5的干涉光场从干涉物镜4中返回；之后再次通过分光棱镜3，经过筒镜6后被探测器7接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过液晶显示器31产生了不同相位值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0046] 具体实施3，参见图4，结构光生成器2是一硅基液晶51，照明模块1与数字微镜装置21之间还设有一分光棱镜3。
[0047] 首先照明光源通过照明模块1就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线经过分光棱镜3折射到硅基液晶51中，我们通过计算机人为的控制每个像素下的液晶，通过外部信号来控制液晶从而调制进入的光线，使光线得到相应的正弦结构光并通过底部的硅芯片反射出去；之后通过分光棱镜3的折射使光路进入干涉物镜4，在干涉物镜4中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物5的干涉光场从干涉物镜4中返回；之后再次通过分光棱镜3，经过筒镜6后被探测器7接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过硅基液晶51产生了不同相位值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0048] 具体实施4，参见图5，结构光生成器2是正弦光栅41。光栅可以使入射光的振幅或相位(或两者同时)受到周期性空间调制的光学元件。只能使光受到振幅调制或相位调制的光栅，分别称为振幅光栅和相位光栅。按工作方式分，光栅又可分为透射光栅(透射光受调制)和反射光栅(反射光受调制)。
[0049] 首先照明光源通过照明模块1就可以得到准直均匀的光线；所得到的准直均匀的光线会经过正弦光栅41的透射，我们通过控制器人为的控制光栅按一定相位相移，就可以得到不同相位的正弦干涉光，使光线得到相应的正弦结构光；之后通过分光棱镜3的折射使光路进入干涉物镜4，在干涉物镜4中经过分束器形成两束光，这两束光分别照射到参考平面和被测平面后反射回来，并且在分束器形成光学干涉；然后被测物5的干涉光场从干涉物镜4中返回；之后再次通过分光棱镜3，经过筒镜6后被探测器7接收，就可以得到有别于一般干涉显微镜的干涉图像，因为通过光栅产生了不同相位值的正弦结构光。最后通过分析得到的干涉光场数值，应用相应相位算法，就可以得到被测面的微结构的超分辨数据。
[0050] 分束器使向测量工件会聚的平行光束的一部分反射而产生参照光束(即，参照光束是从会聚的光束分支得到的)。反射的参照光束在分束器的位置与作为从测量工件反射得到的测量光束耦合。通过测量光束与参照光束耦合而得到的干涉光束沿着光轴向分束器的方向返回。
[0051] 本发明的原理如下：
[0052] 从光源中出射的光经过照明系统、结构光生成器、干涉显微物镜等最终由探测器接收，在探测器上得到的干涉图像做傅里叶变换得到频域的表达式为：
[0053]
[0054] 式中，Gn(fx,fy)表示为物体通过光学系统后干涉图像的傅里叶变换，fx和fy是x和y方向上光在通过光学系统时的空间频率值。Gn(fx,fy)和噪声Nn(fx,fy)叠加后得到最终的探测器得到的干涉光场的傅里叶变换 在正弦结构光照明下，待测物体的干涉图像频域表示为：
[0055]
[0056] 式中，H1和H2是照明和成像系统的光学传递函数、G0是物体本身光场的傅里叶变换，f0是结构光在物光场的空间频率。在公式(2)中可以看出第一部分就是正常光学系统可以接受到的光场空间频率；假定fc是被系统光学传递函数限制的截止空间频率，大于fc或者小于-fc的高频空间频率信息将不能达到像面；第二部分 是物光场空间频率与照明结构光
频率混合，将中心频率变为了fx-f0，此时原先被限制住的大于空间频率fc的成分就被平移到了系统的光学传递函数范围中，形成超分辨成像；第三部分也是类似的，把相对称的另一边的空间频率平移进光学系统的光学传递函数范围内。
频率混合，将中心频率变为了fx-f0，此时原先被限制住的大于空间频率fc的成分就被平移到了系统的光学传递函数范围中，形成超分辨成像；第三部分也是类似的，把相对称的另一边的空间频率平移进光学系统的光学传递函数范围内。
[0057] 为了得到超分辨数据，我们就可以通过算法将这3部分通过合适的方式结合起来，同时得到物体的高频和低频信息，从而得到更精细的干涉光场图像。本发明中应用不同相位初值 的结构光照明来得到三幅不同的图像，比如可以采用的相位初值 是0、得到3个用公式(2)描述的图像，，通过对应的三个方程最终通过计算可以算出G0(fx,fy)，还原出物体的超分辨率干涉图像，此时仅仅只是x方向的可以得到超分辨的数据。我们可以通过对y方向做同样的处理，采用y方向的结构光照明，得到类似的公式，进而得到y方向上的超分辨数据。综合x方向和y方向的超分辨干涉图像，即可得到整个图像的超分辨率干涉光场。此后，再结合环形移相器工作，可以得到干涉物镜在不同高度时的超分辨率干涉光场，通过相移干涉法处理这些超分辨率干涉光场图像即可得到超分辨率三维表面轮廓测量结果。
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