專利名稱：具有數(shù)十納米橫向分辨力的透射多光束共焦干涉顯微鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯微成像及微觀精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，是一種實(shí)現(xiàn)橫向超分辨成像檢測(cè)的方法與裝置，其可用于微電子、材料、工業(yè)精密檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行高分辨力顯微成像檢測(cè)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，半導(dǎo)體技術(shù)已向超大規(guī)模集成電路、毫米波及量子器件發(fā)展，微細(xì)加工技術(shù)也已進(jìn)入深亞微米、納米三維加工技術(shù)領(lǐng)域，同時(shí)生物醫(yī)學(xué)、材料學(xué)以及超高精密光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展都對(duì)光學(xué)成像系統(tǒng)及其分辨力提出了越來(lái)越高的要求，因此迫切需要研究適應(yīng)其發(fā)展要求的具有超分辨能力的成像及檢測(cè)技術(shù)。
而共焦顯微鏡以其特有的三維層析成像能力在上述諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，但是由于受衍射現(xiàn)象的原理性限制，制約了其成像分辨能力的進(jìn)一步提高。為了從根本上突破衍射極限，改善共焦顯微鏡的成像分辨能力，近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者致力于共焦顯微鏡的研究，并已提出了眾多非傳統(tǒng)的共焦顯微成像原理和超分辨方法。
目前，已經(jīng)出現(xiàn)了幾種典型的共焦顯微鏡，例如共焦干涉顯微鏡、4PI共焦顯微鏡、θ共焦顯微鏡、基于光學(xué)非線性行為的雙光子和多光子共焦顯微鏡等。將干涉技術(shù)和共焦顯微鏡技術(shù)相融合的思想最早是Min Gu提出的(詳見(jiàn)“共焦顯微術(shù)的三維成像原理”，M.顧著，王桂英等譯，新時(shí)代出版社，2000年1月出版)。國(guó)內(nèi)在共焦干涉顯微研究方面也已經(jīng)取得了一些研究成果，例如中國(guó)專利“共焦顯微鏡”(申請(qǐng)?zhí)?1122439.8，公開(kāi)號(hào)CN 1395127A)提出將干涉法引入傳統(tǒng)的共焦顯微成像系統(tǒng)中，用于改進(jìn)軸向分辨力的方法；中國(guó)專利“雙頻共焦臺(tái)階高度顯微測(cè)量裝置”(申請(qǐng)?zhí)?2120884.0，公開(kāi)號(hào)CN 1384334A)公開(kāi)了一種雙頻共焦臺(tái)階干涉顯微系統(tǒng)；中國(guó)專利“具有高空間分辨成像能力的共焦干涉顯微鏡”(申請(qǐng)?zhí)?00410096338.8)等。
傳統(tǒng)的共焦干涉顯微鏡原理如圖1所示，光源1發(fā)出的點(diǎn)光源經(jīng)準(zhǔn)直擴(kuò)束器2變?yōu)槠叫泄馐撈叫泄馐环止忡R3分為測(cè)量光束和參考光束，測(cè)量光束經(jīng)物鏡4聚焦在被測(cè)物9表面后被反射到聚光透鏡6，參考光束經(jīng)參考反射鏡5反射后到達(dá)聚光透鏡6，聚光透鏡6將測(cè)量光束和參考光束會(huì)聚并產(chǎn)生干涉，光電探測(cè)器8位于聚光透鏡6的焦點(diǎn)用于探測(cè)共焦干涉信號(hào)，其大小對(duì)應(yīng)被測(cè)物相對(duì)于物鏡4焦點(diǎn)處的相對(duì)位移。該共焦干涉顯微鏡在保留共焦顯微鏡固有的橫向分辨特性的前提下，通過(guò)干涉技術(shù)來(lái)提高共焦顯微鏡的軸向分辨力。這種傳統(tǒng)的共焦干涉顯微鏡存在著許多不足，如傳統(tǒng)的共焦干涉顯微鏡中相干的參考光束和測(cè)量光束分別來(lái)自于平面鏡5的反射和被測(cè)物9表面的反射，兩束光沿不同的光路傳輸，經(jīng)聚光透鏡6會(huì)聚在光電探測(cè)器8上產(chǎn)生干涉。由于參考光來(lái)自固定的平面反射鏡，其強(qiáng)度比較穩(wěn)定，而測(cè)量光束強(qiáng)度變化較大，因此傳統(tǒng)的共焦干涉顯微鏡參考光與測(cè)量光形成的是不等強(qiáng)度干涉，其干涉條紋對(duì)比度差，同時(shí)系統(tǒng)抗干擾能力弱。更重要的是傳統(tǒng)的共焦干涉顯微鏡僅僅改善了系統(tǒng)的軸向分辨力，其橫向分辨力仍受衍射極限的限制，其分辨力比軸向分辨力往往低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，這大大限制了其應(yīng)用范圍。
為了改善共焦顯微鏡的橫向分辨力，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了不少的研究，并提出了一系列的研究方法和技術(shù)。主要有空間頻率限制法、光瞳濾波器法和4PI共焦法。最近，韓國(guó)科技大學(xué)(KAIST)的DongKyun又提出了一種新型的基于兩偏振光干涉的自相干共焦顯微CSIM系統(tǒng)(OPT.LETT.2003，282470-2472)。通過(guò)數(shù)值仿真表明，該系統(tǒng)的橫向分辨力相對(duì)常規(guī)共焦顯微鏡的橫向分辨力增強(qiáng)了38％。盡管這些方法和技術(shù)對(duì)改善共焦顯微鏡的橫向分辨力具有一定的效果，但是其橫向分辨力仍然有限，并且這些成像系統(tǒng)往往比較復(fù)雜，造價(jià)昂貴，有時(shí)在提高橫向分辨力的同時(shí)使得旁瓣高度增加，從而降低了成像質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述已有技術(shù)的不足，提供一種具有數(shù)十納米橫向分辨力的透射多光束共焦干涉顯微鏡，以實(shí)現(xiàn)對(duì)微電子學(xué)、材料、工業(yè)精密檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行高分辨力顯微成像檢測(cè)。
本發(fā)明具有數(shù)十納米橫向分辨力的透射多光束共焦干涉顯微鏡包括光源1，依次放在光源發(fā)射端的準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、偏振分光鏡10，放置在偏振分光鏡10反射光路上的1/4波片11、顯微物鏡4，以及在偏振分光鏡10透射光路上的聚光透鏡6和位于聚光透鏡6焦點(diǎn)位置的針孔7，貼近針孔后面的光電探測(cè)器8，還包括放置在偏振分光鏡10和聚光透鏡6之間的多光束發(fā)生器12。
還包括放在偏振分光鏡10和多光束發(fā)生器12間的望遠(yuǎn)鏡組16，用于放大入射光相對(duì)多光束發(fā)生器12的入射角。
還包括放置在測(cè)量顯微物鏡前面的x-y二維工作臺(tái)13，用于被測(cè)樣品的x-y二維移動(dòng)。
其中的多光束發(fā)生器可以是平行平板、楔形板或其它一切產(chǎn)生多光束的裝置。
其中的光源可以是激光光源，也可以是一般普通光源。
本發(fā)明具有如下顯著優(yōu)點(diǎn)1.顯著改善共焦干涉顯微鏡的橫向分辨力；2.共光路自相干的光路布置可顯著提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力；3.多光束自相干方法的采用，使相干多光束均來(lái)自被測(cè)物表面同一點(diǎn)，并形成近似等強(qiáng)度干涉，可顯著改善干涉條紋的對(duì)比度，便于高精度探測(cè)。
4.與已有的自相干共焦顯微CSIM系統(tǒng)相比，本發(fā)明裝置多光束干涉屬于非偏振光干涉，這樣避免了在光電探測(cè)器前加檢偏器，減少了由此而引入的光路調(diào)整及系統(tǒng)能量的損失。
下面結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。


圖1為已有的共焦干涉顯微鏡的示意圖。
圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的示意圖。
圖3為本發(fā)明實(shí)施例二的示意圖。
圖4為共焦顯微鏡、自相干共焦顯微CSIM系統(tǒng)以及本發(fā)明實(shí)施例二所示的橫向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)曲線。
圖5為共焦顯微鏡系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)示意圖。
圖6為本發(fā)明透射多光束共焦干涉顯微鏡CMTIM系統(tǒng)的點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)示意圖。
其中，1光源，2準(zhǔn)直擴(kuò)束器，3分光鏡，4顯微物鏡，5參考反射鏡，6聚光透鏡，7針孔，8光電探測(cè)器，9被測(cè)物，10偏振分光鏡，111/4波片，12多光束發(fā)生器，13x-y二維工作臺(tái)，14光電探測(cè)器探測(cè)器信號(hào)放大處理系統(tǒng)，15計(jì)算機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)，16望遠(yuǎn)鏡組，17普通共焦顯微鏡橫向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)曲線，18基于雙光束干涉的自相干共焦顯微CSIM系統(tǒng)的橫向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線，19本發(fā)明實(shí)施例二的橫向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的基本思想是將多光束干涉技術(shù)引入共焦顯微接收光路系統(tǒng)中，通過(guò)多光束發(fā)生裝置產(chǎn)生多光束，并將多光束通過(guò)共焦顯微系統(tǒng)的聚光鏡匯聚到共焦顯微系統(tǒng)的針孔上，使多光束產(chǎn)生干涉，利用多光束干涉條紋寬度窄、對(duì)比度好和抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，來(lái)達(dá)到銳化共焦顯微系統(tǒng)愛(ài)里斑主瓣寬度，繼而達(dá)到改善共焦顯微系統(tǒng)橫向超分辨力的目的。
本發(fā)明實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中包括光源1，依次放在光源發(fā)射端的準(zhǔn)直擴(kuò)束器2、偏振分光鏡10，放置在偏振分光鏡10反射光路上的1/4波片11、顯微物鏡4，以及放置在偏振分光鏡10透射光路上的多光束發(fā)生器12、聚光透鏡6和位于聚光透鏡6焦點(diǎn)位置的針孔7，及貼近針孔7后面的光電探測(cè)器8。還包括一個(gè)與光電探測(cè)器8相連的探測(cè)信號(hào)放大處理系統(tǒng)14、一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)15和x-y二維工作臺(tái)13，整個(gè)測(cè)量過(guò)程由計(jì)算機(jī)測(cè)量控制系統(tǒng)15進(jìn)行控制和處理。
本發(fā)明另一個(gè)實(shí)施例二的結(jié)構(gòu)如圖3所示，與實(shí)施例一不同的是在偏振分光鏡10和多光束發(fā)生器12之間加入了一望遠(yuǎn)鏡組16，其角放大倍數(shù)為M，用于放大入射光線相對(duì)于平行平板的入射角，從而增加系統(tǒng)的靈敏度。
上述兩實(shí)施例中，多光束發(fā)生器選用平行平板。
實(shí)施例二中的主要參數(shù)如下平行平板的反射率R＝0.9，厚度d＝5mm，其放置傾斜角為5.7296°。顯微物鏡選用40×0.7普通平場(chǎng)消色差顯微物鏡。望遠(yuǎn)鏡組的角放大率M＝20。
下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施例二的橫向強(qiáng)度響應(yīng)特性進(jìn)行仿真，來(lái)進(jìn)一步說(shuō)明其超分辨能力。
圖4給出了普通共焦顯微鏡、CSIM以及本實(shí)施例二的橫向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線17、18和19。從圖中可以看出其橫向響應(yīng)中心曲線的半極值寬度(FWHW)分別為234nm、145.6nm和51nm。
由理論仿真可得本發(fā)明透射多光束共焦干涉顯微鏡對(duì)共焦顯微系統(tǒng)的橫向分辨力具有極顯著的改善，達(dá)到數(shù)十納米。
以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
和仿真效果作了說(shuō)明，但這些說(shuō)明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書(shū)限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上進(jìn)行的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種具有數(shù)十納米橫向分辨力的透射多光束共焦干涉顯微鏡，包括光源(1)，依次放在光源發(fā)射端的準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、偏振分光鏡(10)，放置在偏振分光鏡(10)反射光路上的1/4波片(11)、顯微物鏡(4)，以及在偏振分光鏡(10)透射光路上的聚光透鏡(6)和位于聚光透鏡(6)焦點(diǎn)位置的針孔(7)，貼近針孔后面的光電探測(cè)器(8)，其特征在于還包括放置在偏振分光鏡(10)和聚光透鏡(6)之間的多光束發(fā)生器(12)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的透射多光束共焦干涉顯微鏡，其特征在于包括放在偏振分光鏡(10)和多光束發(fā)生器(12)間的望遠(yuǎn)鏡組(16)，用于放大入射光相對(duì)多光束發(fā)生器(12)的入射角。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的透射多光束共焦干涉顯微鏡，其特征在于包括放置在測(cè)量顯微物鏡前面的x-y二維工作臺(tái)(13)。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的透射多光束共焦干涉顯微鏡，其特征在于光源(1)是激光光源或一般普通光源。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的透射多光束共焦干涉顯微鏡，其特征在于多光束發(fā)生器(12)是平行平板或楔形板。
全文摘要
本發(fā)明屬于顯微成像及微觀精密測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有數(shù)十納米橫向分辨力的透射多光束共焦干涉顯微鏡，包括光源(1)，依次放在光源發(fā)射端的準(zhǔn)直擴(kuò)束器(2)、偏振分光鏡(10)，放置在偏振分光鏡(10)反射光路上的1/4波片(11)、顯微物鏡(4)，以及在偏振分光鏡(10)透射光路上的聚光透鏡(6)和位于聚光透鏡(6)焦點(diǎn)位置的針孔(7)，貼近針孔后面的光電探測(cè)器(8)，還包括放置在偏振分光鏡(10)和聚光透鏡(6)之間的多光束發(fā)生器(12)。本發(fā)明可廣泛用于微電子、材料、工業(yè)精密檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行高分辨力顯微成像檢測(cè)。
文檔編號(hào)G02B21/00GK1763504SQ20051012358
公開(kāi)日2006年4月26日 申請(qǐng)日期2005年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月21日
發(fā)明者趙維謙, 馮政德 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 趙維謙