本發(fā)明屬于精密測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別涉及一種波長(zhǎng)掃描共焦微位移測(cè)量裝置及方法。
背景技術(shù)：
：共焦顯微技術(shù)(ConfocalMicroscopy)是實(shí)現(xiàn)光學(xué)層析顯微技術(shù)的最典型方法，最早的共焦顯微成像裝置于20世紀(jì)50年代中后期由美國(guó)哈佛大學(xué)初級(jí)研究員M.Minsky提出，并研制了共焦顯微成像裝置的原始樣機(jī)，于1961年獲得美國(guó)發(fā)明專利權(quán)。共焦顯微鏡具有兩大主要優(yōu)點(diǎn)，即高成像分辨率特性和軸向光學(xué)層析能力。共焦顯微技術(shù)的出現(xiàn)革新了傳統(tǒng)寬場(chǎng)光學(xué)成像的基本原理，通過(guò)三點(diǎn)共軛聚集掃描成像實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)損傷光學(xué)層析，特別是激光掃描共焦顯微技術(shù)和熒光共焦顯微技術(shù)的出現(xiàn)與發(fā)展對(duì)現(xiàn)代生物及醫(yī)學(xué)、物理、化學(xué)、材料科學(xué)、納米技術(shù)、精密測(cè)量等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響。利用共焦顯微鏡軸向光學(xué)層析曲線的單峰值響應(yīng)特性可以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)表面形貌、微位移和膜厚等的精密測(cè)量，現(xiàn)有技術(shù)一般通過(guò)兩類典型方法實(shí)現(xiàn)軸向掃描：第一類是基本形式，稱為臺(tái)式掃描，通過(guò)載物臺(tái)的軸向位移帶動(dòng)微結(jié)構(gòu)樣品實(shí)現(xiàn)軸向掃描；第二類方法是載物臺(tái)不動(dòng)，而將顯微物鏡安裝在一個(gè)精密位移機(jī)構(gòu)上，一般是壓電陶瓷納米位移器或精密伺服電機(jī)位移器，此時(shí)顯微物鏡沿軸向移動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)聚焦光斑的沿軸掃描，稱為物鏡掃描。以上兩類方法均依靠精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)掃描，因此共焦顯微鏡成像及測(cè)量速度受到很大限制，大行程精密位移器成本高，這兩類方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)沿軸平面內(nèi)的快速精密掃描。上述技術(shù)問(wèn)題是目前共焦顯微鏡軸向掃描面臨的主要困難，急需一種不依賴于機(jī)械掃描的快速掃描方法。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種波長(zhǎng)掃描共焦微位移測(cè)量裝置及方法，基于二元振幅型或相位型大數(shù)值孔徑菲涅爾波帶片聚焦點(diǎn)照明，采用波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器照明，通過(guò)波長(zhǎng)和位移在一定量程范圍內(nèi)的線性校準(zhǔn)關(guān)系曲線實(shí)現(xiàn)微小位移的精密測(cè)量，在完成線性曲線的校準(zhǔn)后的整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，樣品和物鏡均不需要進(jìn)行軸向位移掃描。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：一種波長(zhǎng)掃描共焦微位移測(cè)量裝置，包括：波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器1，作為光源，輸出平行光束；二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6，進(jìn)行光束會(huì)聚形成點(diǎn)照明；共焦針孔光電探測(cè)單元，實(shí)現(xiàn)共焦信號(hào)探測(cè)。所述波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器1，其波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)，波長(zhǎng)下限和上限分別為λmin和λmax，下限波長(zhǎng)能夠擴(kuò)展至紫外波段，上限波長(zhǎng)能夠延伸至近紅外波段。所述二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6為振幅型或相位型，且環(huán)帶半徑序列由決定，其中為照明中心波長(zhǎng)，f是對(duì)應(yīng)的焦距，N是環(huán)帶數(shù)，取偶數(shù)。所述二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6置于空氣介質(zhì)中，且其數(shù)值孔徑滿足NA>0.7。所述波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器1發(fā)出激光光束依次經(jīng)會(huì)聚透鏡2、照明針孔3和準(zhǔn)直透鏡4后形成準(zhǔn)直平行光束，接著經(jīng)分光鏡5反射，反射光束由二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6進(jìn)行會(huì)聚提供點(diǎn)照明，平面反射鏡或待測(cè)樣品7設(shè)置在二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6的焦平面附近，經(jīng)平面反射鏡或待測(cè)樣品7反射回的光束經(jīng)分光鏡5透射，依次經(jīng)收集物鏡8和共焦探測(cè)針孔9，最后由光電探測(cè)器10進(jìn)行接收。本發(fā)明還提供了一種波長(zhǎng)掃描共焦微位移測(cè)量方法，包括如下步驟：步驟一，將波長(zhǎng)下限λmin至上限λmax等間隔離散為λn＝λmin+(n-1)δλ,n＝1,2,...,11，δλ是波長(zhǎng)步進(jìn)間隔；步驟二，針對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)λn，利用一維軸向壓電陶瓷納米位移器驅(qū)動(dòng)平面反射鏡得到共焦軸向光學(xué)層析響應(yīng)輸出，記錄峰值響應(yīng)位置對(duì)應(yīng)的軸向坐標(biāo)Zn，獲得波長(zhǎng)——峰值坐標(biāo)對(duì)應(yīng)關(guān)系表；步驟三，利用自變量λn和因變量Zn根據(jù)最小二乘擬合獲得一條波長(zhǎng)——峰值坐標(biāo)的線性關(guān)系曲線，作為測(cè)量校準(zhǔn)曲線查找表；步驟四，更換待測(cè)真實(shí)樣品，對(duì)準(zhǔn)不同待測(cè)特征點(diǎn)分別執(zhí)行一次精細(xì)波長(zhǎng)掃描，記錄相應(yīng)的共焦軸向光學(xué)層析響應(yīng)曲線，根據(jù)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的掃描波長(zhǎng)由步驟三所得查找表推算出各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)位置軸向坐標(biāo)，從而完成各點(diǎn)微位移量或相對(duì)高度的精密測(cè)量。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用波長(zhǎng)掃描代替機(jī)械掃描，避免了樣品與物鏡的機(jī)械運(yùn)動(dòng)或擾動(dòng)，為精密或超精密測(cè)量提供了硬件保障；僅利用單一平面微結(jié)構(gòu)環(huán)帶片代替常規(guī)大數(shù)值孔徑顯微物鏡實(shí)現(xiàn)聚焦點(diǎn)照明，結(jié)構(gòu)輕巧，設(shè)計(jì)靈活；利用現(xiàn)有成熟的微加工工藝即可實(shí)現(xiàn)菲涅爾波帶片的批量制造，成本低廉；波長(zhǎng)選取靈活，從紫外至近紅外激光波長(zhǎng)均可以覆蓋等。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明中的波長(zhǎng)掃描共焦微位移測(cè)量裝置，圖中1是波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器，2是會(huì)聚透鏡，3是照明針孔，4是準(zhǔn)直透鏡，5是分光鏡，6是二元振幅型菲涅爾波帶片單元，7是平面反射鏡或待測(cè)樣品，8是收集物鏡，9是探測(cè)針孔，10是光電探測(cè)器。圖2為本發(fā)明菲涅爾波帶片M1對(duì)應(yīng)的徑向透過(guò)率函數(shù)圖。圖3為本發(fā)明菲涅爾波帶片M2對(duì)應(yīng)的徑向透過(guò)率函數(shù)圖。圖4為本發(fā)明菲涅爾波帶片M1對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為532nm時(shí)的軸向歸一化聚焦強(qiáng)度曲線圖。圖5為本發(fā)明菲涅爾波帶片M2對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為633nm時(shí)的軸向歸一化聚焦強(qiáng)度曲線圖。圖6為本發(fā)明菲涅爾波帶片M1對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏差——焦距線性關(guān)系圖。圖7為本發(fā)明菲涅爾波帶片M2對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)偏差——焦距線性關(guān)系圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式。如圖1所示，本發(fā)明一種波長(zhǎng)掃描共焦微位移測(cè)量裝置，其光路系統(tǒng)工作原理為：波長(zhǎng)可調(diào)諧激光器1發(fā)出激光光束，經(jīng)會(huì)聚透鏡2聚焦，再由照明針孔3濾波，之后由準(zhǔn)直透鏡4準(zhǔn)直形成平行光束，接著經(jīng)分光鏡5反射，反射光束由二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6進(jìn)行會(huì)聚提供點(diǎn)照明，平面反射鏡或待測(cè)樣品7設(shè)置在二元結(jié)構(gòu)菲涅爾波帶片6的焦平面附近，經(jīng)平面反射鏡或待測(cè)樣品7反射回的光束經(jīng)分光鏡5透射，再經(jīng)收集物鏡8會(huì)聚，之后由共焦探測(cè)針孔9濾波，最后由光電探測(cè)器10進(jìn)行接收并輸出有效信號(hào)。圖1裝置內(nèi)的菲涅爾波帶片(FresnelZonePlate，F(xiàn)ZP)直接聚焦準(zhǔn)直均勻激光光束，在距離環(huán)帶片后表面任意垂軸距離內(nèi)的光場(chǎng)，由矢量角譜(VectorialAngularSpectrum，VAS)理論進(jìn)行分析計(jì)算。(1)菲涅爾波帶片設(shè)照明激光光束的波長(zhǎng)為λ0，菲涅爾波帶片所在工作介質(zhì)的折射率為η，則介質(zhì)中光波波長(zhǎng)為λ＝λ0/η，可得菲涅爾波帶片的環(huán)帶半徑為式中，n是環(huán)帶半徑序數(shù)，f是主焦距。當(dāng)取照明中心波長(zhǎng)時(shí)，其中此時(shí)f是對(duì)應(yīng)的焦距。對(duì)于大數(shù)值孔徑FZP，有效數(shù)值孔徑可以按照最大會(huì)聚半角α定義，即NA＝ηsinα，滿足tanα＝rN/f；數(shù)值孔徑定義之后，利用式(1)可以推導(dǎo)得到以下關(guān)系式由此，焦距f和數(shù)值孔徑NA、介質(zhì)折射率η、波長(zhǎng)λ、最大環(huán)帶數(shù)N建立了關(guān)聯(lián)。給定f，根據(jù)式(2)，可以計(jì)算滿足設(shè)計(jì)NA前提下的環(huán)帶數(shù)N，進(jìn)而得到FZP直徑設(shè)N為偶數(shù)，用t(r)表示FZP的振幅透過(guò)率函數(shù)，對(duì)于二元振幅型FZP，透過(guò)率函數(shù)描述為式中，m＝0,1,...,N/2-1；上式假設(shè)最內(nèi)環(huán)是透光情形。激光光束照明大數(shù)值孔徑微結(jié)構(gòu)環(huán)帶片時(shí)，必須考慮電磁波的矢量偏振特性，因此采用矢量衍射理論進(jìn)行完整闡述，同時(shí)為了加速計(jì)算過(guò)程，選取一種快速漢克爾變換算法快速、精確計(jì)算光場(chǎng)分布。(2)矢量角譜理論光場(chǎng)計(jì)算假設(shè)沿X軸方向振動(dòng)的線偏振光(LPB)沿Z軸正向傳播，垂直照明微結(jié)構(gòu)，經(jīng)微結(jié)構(gòu)環(huán)帶片衍射后，根據(jù)矢量角譜理論，在z>0的垂軸平面內(nèi)任意一點(diǎn)位置處電場(chǎng)E的直角分量為式中，Ex(r,z)表示x向分量，Ey(r,z)表示y向分量，表示z向分量，q(l)＝(1/λ2-l2)1/2，l表示徑向空間頻率分量；J0和J1分別是第一類零階和一階貝塞爾函數(shù)，j是虛數(shù)單位；空間角譜A0(l)表示為式中，t(r)表示任意圓對(duì)稱微結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的振幅透過(guò)率函數(shù)；g(r)表示照明光束在微結(jié)構(gòu)環(huán)帶片平面內(nèi)的光場(chǎng)振幅，這里假設(shè)均勻平面波照明，對(duì)應(yīng)g(r)＝1。由式(4)得到微結(jié)構(gòu)環(huán)帶片后光強(qiáng)分布為對(duì)于圓偏振光和徑向偏振光照明情形，強(qiáng)度分布滿足旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，區(qū)別于線偏振光情形。(3)快速漢克爾變換算法在式(4)和式(5)的計(jì)算過(guò)程中，需要多次執(zhí)行零階和一階漢克爾變換，因此漢克爾變換的計(jì)算效率及精度是設(shè)計(jì)方法的關(guān)鍵，為了加速運(yùn)算，編程實(shí)現(xiàn)一種快速漢克爾變換算法(參見(jiàn)文獻(xiàn)A.E.Siegman.QuasiFastHankelTransform.OpticsLetters,1977,1:13-15)，該算法具有計(jì)算速度快、精度高、極低計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)要求等顯著優(yōu)點(diǎn)，基本原理是在標(biāo)準(zhǔn)漢克爾變換積分表達(dá)式中，利用非線性指數(shù)函數(shù)變量替換，將標(biāo)準(zhǔn)單邊漢克爾變換表示為雙邊互相關(guān)積分，經(jīng)過(guò)這樣的變換后可以利用傅里葉變換計(jì)算互相關(guān)。(4)具體實(shí)施例采用532nm線偏振激光光束照明，空氣介質(zhì)(η＝1)，設(shè)計(jì)了包含100個(gè)環(huán)帶，直徑為D＝116.06μm的典型微結(jié)構(gòu)，特性參數(shù)見(jiàn)表1，具體環(huán)帶半徑坐標(biāo)見(jiàn)表2，對(duì)應(yīng)的徑向透過(guò)率函數(shù)如圖2所示，對(duì)應(yīng)的軸向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)如圖4所示。采用633nm線偏振激光光束照明，空氣介質(zhì)(η＝1)，設(shè)計(jì)了包含80個(gè)環(huán)帶，直徑為D＝87.34μm的典型微結(jié)構(gòu)，特性參數(shù)見(jiàn)表1，具體半徑坐標(biāo)見(jiàn)表3，對(duì)應(yīng)的徑向透過(guò)率函數(shù)如圖3所示，對(duì)應(yīng)的軸向歸一化強(qiáng)度響應(yīng)如圖5所示。利用FWHM(半極值全寬)來(lái)表示照明波長(zhǎng)為中心波長(zhǎng)時(shí)焦平面(z＝f)內(nèi)的光斑尺度和軸向聚焦光斑尺度大小，軸向用焦深DOF表示。Δλ表示當(dāng)前照明波長(zhǎng)與中心波長(zhǎng)的偏差，NA是FZP的數(shù)值孔徑(z＝f)，Δf是波長(zhǎng)偏差為上下限時(shí)的最大軸向焦移量，表4和表5分別是根據(jù)VAS理論計(jì)算得到的焦距與波長(zhǎng)偏差的對(duì)應(yīng)關(guān)系表，結(jié)果顯示具有良好的線性關(guān)系，分別如圖6和7所示。表1微結(jié)構(gòu)參數(shù)及聚焦特性表2M1結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：μm)表3M2結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：μm)利用相關(guān)系數(shù)：表示波長(zhǎng)偏差與焦距的關(guān)系，根據(jù)VAS理論，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4和表5，對(duì)表4數(shù)據(jù)，rc＝-0.9993，對(duì)表5數(shù)據(jù)，rc＝-0.9998，均說(shuō)明波長(zhǎng)偏差與焦距成完全負(fù)相關(guān)，即FZP在一定波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有顯著的線性負(fù)色差特性。表4M1結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：μm)Δλ(nm)-40-35-30-25-20-15-10-50f56.155.2954.553.7252.9552.1951.4550.7250Δλ(nm)510152025303540-f49.348.647.9247.2546.5945.9345.344.67-表5M2結(jié)構(gòu)參數(shù)(單位：μm)Δλ(nm)-25-20-15-10-50510152025f27.0126.626.1925.7925.425.0124.6224.2523.8723.523.14根據(jù)表4和表5結(jié)果，結(jié)合圖6和圖7線性關(guān)系曲線，共焦微位移測(cè)量方法步驟如下：步驟一，將波長(zhǎng)等間隔離散為λn＝λmin+(n-1)δλ,n＝1,2,...,11，δλ是波長(zhǎng)步進(jìn)間隔，λmin是波長(zhǎng)下限；步驟二，針對(duì)每一個(gè)波長(zhǎng)λn，利用一維軸向壓電陶瓷納米位移器驅(qū)動(dòng)一平面反射鏡得到共焦軸向光學(xué)層析響應(yīng)輸出，記錄峰值響應(yīng)位置對(duì)應(yīng)的軸向坐標(biāo)Zn，獲得波長(zhǎng)偏差——位移對(duì)應(yīng)關(guān)系表；步驟三，利用自變量λn和因變量Zn利用最小二乘擬合獲得一條波長(zhǎng)偏差——位移的線性關(guān)系曲線，作為測(cè)量校準(zhǔn)曲線查找表；步驟四，更換待測(cè)真實(shí)樣品，對(duì)準(zhǔn)不同待測(cè)特征點(diǎn)分別執(zhí)行一次精細(xì)波長(zhǎng)掃描，記錄相應(yīng)的共焦軸向光學(xué)層析響應(yīng)曲線，根據(jù)峰值點(diǎn)對(duì)應(yīng)的掃描波長(zhǎng)由步驟三查找表推算出各點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的峰值點(diǎn)位置軸向坐標(biāo)，從而完成各點(diǎn)位移量或相對(duì)高度的精密測(cè)量。以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式作了說(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)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3