基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及干涉顯微鏡?；诳删幊陶彰鞯母缮骘@微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊；還包括一數(shù)字微鏡裝置，數(shù)字微鏡裝置包含有數(shù)字微鏡陣列，每個數(shù)字微鏡設(shè)有n°和-n°兩個偏轉(zhuǎn)角狀態(tài)。光線通過TIR棱鏡的折反射以2n°入射角度入射到數(shù)字微鏡裝置，接著控制各微反射鏡的“開”或者“關(guān)”的狀態(tài)，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制，然后從數(shù)字微鏡裝置垂直出射；之后通過分光棱鏡的反射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。
【專利說明】基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精密測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及干涉顯微鏡。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著微細(xì)加工技術(shù)的發(fā)展逐步豐富和精細(xì)，微電路、微光學(xué)元件、微機械以及其它各種微結(jié)構(gòu)不斷出現(xiàn)，對微結(jié)構(gòu)表面形貌測量系統(tǒng)的需求越發(fā)迫切。由于微表面結(jié)構(gòu)由于是由微觀結(jié)構(gòu)單元組成的三維復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其測量一般都需要借助直接的或間接的顯微放大，要求有較高的橫向分辨率和縱向分辨率。同時與平滑表面的測量不同，微結(jié)構(gòu)表面的測量不僅要測量表面的粗糙度或瑕疵，還要測量表面的輪廓、形狀偏差和位置偏差。
[0003]在1968年美國Williamson首次研制了三維表面針式輪廓儀。1970年，Takasaki和Meadows首次報道了一種基于光學(xué)條紋圖分析原理的測量技術(shù)——三維表面輪廓成像技術(shù)。他們提出利用莫爾條紋陰影等高線圖形顯示物體的三維像，將莫爾條紋作為空間編碼，從受物體表面形貌調(diào)制變形的莫爾條紋圖中提取相位信息并轉(zhuǎn)換為物體三維輪廓。于是利用光學(xué)成像測量原理測量物體表面形貌的技術(shù)引起了各方面的重視，并使這門技術(shù)開始實用化。莫爾輪廓術(shù)的出現(xiàn)，奠定了光學(xué)成像法測量物體表面輪廓的基礎(chǔ)，使得通過圖象的測量可獲得所需的物體三維信息。1976年美國R.S.Sayles又研制出第一臺由計算機控制的三維表面粗糙度輪廓儀。
[0004]干涉顯微法是光學(xué)干涉法與顯微系統(tǒng)相結(jié)合的產(chǎn)物，通過在干涉儀上增加顯微放大視覺系統(tǒng)，提高了干涉圖的橫向分辨率，使之能夠完成微納結(jié)構(gòu)的三維表面形貌測量。隨著計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)以及圖像處理技術(shù)的發(fā)展，干涉顯微法出現(xiàn)了測量精度達(dá)到納米級別的相移干涉法(PSI)和垂直掃描干涉法(VSI)。與其它表面形貌測量方法相比，干涉顯微法具有快速、非接觸的優(yōu)點，而且可以與環(huán)境加載系統(tǒng)配合完成真空、壓力、加熱環(huán)境下的結(jié)構(gòu)表面形貌測量，因而在微電子、微機電系統(tǒng)以及微光機電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)表面形貌測量上得到了廣泛應(yīng)用。
[0005]相移干涉法(PSI)是基于單色光干涉的一種相位測量方法，通過測量分析干涉圖的干涉相位Φ來提取樣品表面的高度信息。PSI法可以通過精確移動測量平面M，一般使用微位移器諸如壓電陶瓷(PZT)等，產(chǎn)生干涉圖相位Φ的移動，利用三幅以上的相移干涉圖光強值來求取物體高度值。單色光干涉條紋存在著周期性，如果相鄰兩個點的高度超過1/4波長，即干涉相位值超過η，那么某一個干涉圖光強值就可能對應(yīng)著不同的光程差值。因此，PSI法不能測量高度超過1/4波長的臺階結(jié)構(gòu)。
[0006]VSI法是基于白光干涉的一種垂直掃描測量方法，通過測量分析干涉圖零光程差位置來提取樣品表面高度信息。由于白光是寬帶光源，因此白光干涉圖是不同波長光干涉的疊加。由于白光相干距離短，干涉圖在零光程差位置時某些特征參數(shù)如光強、對比度會達(dá)到最大值，因此VSI法通過精確移動測量平面M，掃描被測表面得到一系列不同高度值的干涉圖，然后應(yīng)用白光干涉處理算法提取被測表面各點的垂向零光程差位置，進而還原被測表面的三維形貌。與PSI法相比，VSI法克服了臺階高度測量受限的缺點，但是目前在精度上比PSI法低。
[0007]對于干涉顯微鏡系統(tǒng)中，通過相移來計算干涉相位，進而計算出三維表面面型。主要會受到的誤差來自幾個方面:(1)相移過程中，由于微位移器的位移誤差造成的相移誤差對各干涉圖像的影響；(2)在干涉圖像采集過程中，由于圖像傳感器CCD的量化誤差造成的干涉場強度信號誤差造成的影響；(3)由于CCD對于光強信號的非線性響應(yīng)造成的誤差；
(4)對一些非漫射表面物體進行測量時，由于表面局部的鏡面反射往往會導(dǎo)致圖像局部飽和，從而引起相位誤差。
[0008]以上描述干涉顯微鏡普遍采用科勒式照明，得到一個均勻的照明場。但是由于被測物體的多樣性，不同區(qū)域?qū)τ谌肷涔獾姆瓷渎士赡艽嬖诰薮蟮牟町?。采用均勻照明結(jié)構(gòu)時，表面不同區(qū)域的光學(xué)特性的差異，將導(dǎo)致最終的干涉圖的失真，產(chǎn)生上述的各種誤差因素，最終影響干涉顯微鏡測量精度。所以需要一種對照明光場的空間調(diào)制來平衡反射率的差異帶來的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明的目的在于提供一種基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，以解決上述問題。
[0010]本發(fā)明所解決的技術(shù)問題可以采用以下技術(shù)方案來實現(xiàn):
[0011]基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊，所述照明光源通過所述照明模塊得到準(zhǔn)直均勻的光線；其特征在于，還包括一數(shù)字微鏡裝置作為照明光調(diào)制器，所述數(shù)字微鏡裝置包含有數(shù)字微鏡陣列，所述每個數(shù)字微鏡設(shè)有n°和_n°兩個偏轉(zhuǎn)角狀態(tài)；所得到的準(zhǔn)直均勻的光線通過TIR棱鏡的折反射將以2n°入射到數(shù)字微鏡裝置，接著控制各所述微反射鏡的“開”或者“關(guān)”的狀態(tài)，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制，然后從數(shù)字微鏡裝置垂直出射；
[0012]之后通過分光棱鏡的反射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。最后通過分析得到的干涉光場數(shù)值，應(yīng)用相應(yīng)相位算法，就可以得到被測面的微結(jié)構(gòu)。至少兩個微反射鏡在數(shù)字微鏡裝置的半導(dǎo)體芯片上成矩陣排布，每一個微反射鏡控制投影畫面中的一個像素。微反射鏡是指微型的反射鏡；
[0013]通過計算機控制各微反射鏡的“開”或者“關(guān)”的狀態(tài)，從而控制顯微鏡樣品的照明；處于投影狀態(tài)的微反射鏡被示為“開”，并隨數(shù)字信號而傾斜+n° ;如果微反射鏡處于非投影狀態(tài)，則被示為“關(guān)”，并傾斜_n° ;與此同時，“開”狀態(tài)下被反射出去的入射光通過干涉物鏡照射到對應(yīng)的待測樣品表面上；而“關(guān)”狀態(tài)下反射在微鏡片上的入射光被光吸收器吸收。
[0014]基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊，所述照明光源通過所述照明模塊得到準(zhǔn)直均勻的光線；其特征在于，還包括一硅基液晶作為照明光調(diào)制器，所得到的準(zhǔn)直均勻的光線經(jīng)過偏振分光棱鏡反射到硅基液晶中；
[0015]控制每個像素下的液晶，調(diào)制進入的光線，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制并通過底部的硅芯片反射出去，透過偏振分光棱鏡；之后通過分光棱鏡的反射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。最后通過分析得到的干涉光場數(shù)值，應(yīng)用相應(yīng)相位算法，就可以得到被測面的微結(jié)構(gòu)?？梢岳糜嬎銠C通過外部信號來控制液晶；
[0016]硅基液晶以光調(diào)制來控制顯微鏡樣品的照明；液晶經(jīng)外部信號調(diào)制，處于顯示亮態(tài)時，經(jīng)偏振分光棱鏡透射后，可以通過干涉物鏡照射到對應(yīng)的待測樣品表面；處于顯示暗電平時，就不能照射到待測樣品表面。
[0017]基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊，所述照明光源通過所述照明模塊得到準(zhǔn)直均勻的光線；其特征在于，還包括一透射式液晶屏作為照明光調(diào)制器，所得到的準(zhǔn)直均勻的光線經(jīng)過液晶屏后透射；
[0018]控制每個像素下的液晶，調(diào)制進入的光線，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制；之后通過分光棱鏡的折射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。最后通過分析得到的干涉光場數(shù)值，應(yīng)用相應(yīng)相位算法，就可以得到被測面的微結(jié)構(gòu)?？梢岳糜嬎銠C通過外部信號來控制液晶；
[0019]液晶屏中的每個像素由以下幾個部分構(gòu)成:懸浮于兩個透明電極間的一列液晶分子層，兩邊外側(cè)有兩個 偏振方向互相垂直的偏振過濾片；當(dāng)液晶對光線沒有偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)時，光通過其中一 個偏振過濾片其偏振方向?qū)⒑偷诙€偏振片完全垂直，因此被完全阻擋了 ；當(dāng)光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)時，通過一個偏振過濾片的光可以通過第二個偏振過濾片；每個像素的液晶對光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)通過電場控制，從而實現(xiàn)對光的控制。透明電極可以是氧化銦錫電極；基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，通過分析得到的干涉光場圖像，應(yīng)用相應(yīng)相位計算算法，就可以得到被測面的微結(jié)構(gòu)高度。
[0020]相應(yīng)的相位算法為:
[0021]根據(jù)探測器探測到的初始樣品圖像的灰度分布，對照明光調(diào)制器進行編程，調(diào)制照明光場的亮度分布，使得整幅樣品圖像亮度基本均勻；
[0022]在此基礎(chǔ)上，探測器上每一個像素得到的光強數(shù)值可以表示為公式:
[0023]I (x, y) = A (x, y) +B (x, y) cos [ Φ (x, y) + θ ] (I)
[0024]式中，各變量的含義為:Α是背景光強，B是調(diào)制度，Φ (x, y)是干涉系統(tǒng)中參考光和物光的相位差，也就是干涉光的相位值，與被測面形有關(guān)；Θ是參考面通過移相器運動對應(yīng)的相移值；
[0025]通過移相器進行N步相移(N≥3)，探測器得到如公式⑴描述的N幅圖像，可以
求解最終的相位值，可寫為:
[0026]
0 = I2.,Is)U)
[0027]通過公式(I)和(2)，我們可以看出最終相位的計算是和探測器得到的光強數(shù)據(jù)息息相關(guān)的，而且在計算相位的過程中，更是會受到很多其他方面的誤差影響。諸如:[0028]對于探測器非線性響應(yīng)誤差，假設(shè)探測器相應(yīng)存在3階非線性項，則探測器對輸入光強In的響應(yīng)可以表不為:
【權(quán)利要求】
1.基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊，所述照明光源通過所述照明模塊得到準(zhǔn)直均勻的光線；其特征在于，還包括一數(shù)字微鏡裝置作為照明光調(diào)制器，所述數(shù)字微鏡裝置包含有數(shù)字微鏡陣列，所述每個數(shù)字微鏡設(shè)有n°和-n°兩個偏轉(zhuǎn)角狀態(tài)； 所得到的準(zhǔn)直均勻的光線通過TIR棱鏡的折反射將以2n°入射到數(shù)字微鏡裝置，接著控制各所述微反射鏡的“開”或者“關(guān)”的狀態(tài)，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制，然后從數(shù)字微鏡裝置垂直出射； 之后通過分光棱鏡的反射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于，通過計算機控制各微反射鏡的“開”或者“關(guān)”的狀態(tài)，從而控制顯微鏡樣品的照明； 處于投影狀態(tài)的微反射鏡被示為“開”，并隨數(shù)字信號而傾斜+n° ;如果微反射鏡處于非投影狀態(tài)，則被示為“關(guān)”，并傾斜_n° ; 與此同時，“開”狀態(tài)下被反射出去的入射光通過干涉物鏡照射到對應(yīng)的待測樣品表面上；而“關(guān)”狀態(tài)下反射在微鏡片上的入射光被光吸收器吸收。
3.基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊，所述照明光源通過所述照明模塊得到準(zhǔn)直均勻的光線；其特征在于，還包括一硅基液晶作為照明光調(diào)制器，所得到的準(zhǔn)直均勻的光線經(jīng)過偏振分光棱鏡反射到硅基液晶中； 控制每個像素下的液晶，調(diào)制進入的光線，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制并通過底部的娃芯片反射出去，透過偏振分光棱鏡； 之后通過分光棱鏡的反射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于，硅基液晶以光調(diào)制來控制顯微鏡樣品的照明； 液晶經(jīng)外部信號調(diào)制，處于顯示亮態(tài)時，經(jīng)偏振分光棱鏡透射后，可以通過干涉物鏡照射到對應(yīng)的待測樣品表面； 處于顯示暗電平時，就不能照射到待測樣品表面。
5.基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，包括一照明光源、一照明模塊，所述照明光源通過所述照明模塊得到準(zhǔn)直均勻的光線；其特征在于，還包括一透射式液晶屏作為照明光調(diào)制器，所得到的準(zhǔn)直均勻的光線經(jīng)過液晶屏后透射； 控制每個像素下的液晶，調(diào)制進入的光線，使光線得到相應(yīng)的空間調(diào)制； 之后通過分光棱鏡的折射使光路進入Mirau干涉物鏡，在Mirau干涉物鏡中經(jīng)過分束器形成兩束光，這兩束光分別照射到參考平面和被測平面后反射回來，并且在分束器形成光學(xué)干涉；然后被測物的干涉光場從干涉物鏡中返回；之后再次通過分光棱鏡，經(jīng)過筒鏡后被探測器接收，得到干涉顯微鏡的干涉圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于，液晶屏中的每個像素由以下幾個部分構(gòu)成:懸浮于兩個透明電極間的一列液晶分子層，兩邊外側(cè)有兩個偏振方向互相垂直的偏振過濾片； 當(dāng)液晶對光線沒有偏振旋轉(zhuǎn)效應(yīng)時，光通過其中一個偏振過濾片其偏振方向?qū)⒑偷诙€偏振片完全垂直，因此被完全阻擋了 ； 當(dāng)光線偏振方向被液晶旋轉(zhuǎn)時，通過一個偏振過濾片的光可以通過第二個偏振過濾片; 每個像素的液晶對光線偏振方向的旋轉(zhuǎn)效應(yīng)通過電場控制，從而實現(xiàn)對光的控制。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任意一項所述的基于可編程照明的干涉顯微鏡系統(tǒng)，其特征在于，通過分析得到的干涉光場圖像，應(yīng)用相應(yīng)相位計算算法，就可以得到被測面的微結(jié)構(gòu)高度； 相應(yīng)的相位算法為: 根據(jù)探測器探測到的初始樣品圖像的灰度分布，對照明光調(diào)制器進行編程，調(diào)制照明光場的亮度分布，使得整幅樣品圖像亮度基本均勻； 在此基礎(chǔ)上，探測器上每一個像素得到的光強數(shù)值可以表示為公式:
I (X，y) = A (X，y) +B (X，y) cos [ Φ (x, y) + Θ ] (I) 式中，各變量的含義為:A是背景光強，B是調(diào)制度，Φ (x, y)是干涉系統(tǒng)中參考光和物光的相位差，也就是干涉光的相位值，與被測面形有關(guān)；Θ是參考面通過移相器運動對應(yīng)的相移值； 通過移相器進行N步相移(N33)，探測器得到如公式(I)描述的N幅圖像，可以求解最終的相位值，可與為: # = 4?) (2 )。
【文檔編號】G01B9/023GK103983206SQ201410199476
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】萬新軍, 朱偉超, 楊波 申請人:上海理工大學(xué)