采用数字微镜的共焦显微镜的研制

　　0 引 言

　　微纳米技术的发展对样品表面三维轮廓检测提出了越来越高的要求。其中，共焦显微技术因为具有良好的横向分辨率和极高的纵向分辨率，逐渐被重视[1-5]。现有的共焦显微镜的扫描方式绝大多数为单点式，其缺点为：扫描速度比较慢，操控扫描头和样品运动的机械控制复杂，自身转动所引起的振动将导致一定的测量误差。多点并行扫描可以大大提高扫描速度。现有的多点并行探测技术主要有：Nipkow 盘法[6]，微透镜阵列法[7-8]。Nipkow 盘法能大幅提高扫描速度，但是其光能利用率较低，仅为1%左右，而且 Nipkow盘转动会影响系统的稳定性和精度。微透镜阵列法是目前采用较多的一种方法，其光能利用率较高，但是微透镜本身的制作工艺比较复杂，其焦距无法严格控制[9]，无法满足较高的测量精度。

　　近年来国外出现了一种采用数字微镜器件(DMD)的并行共焦检测系统[10-12]。DMD 芯片由大约一百万个数字微镜构成，每一个微镜都可以通过程序来控制其开关状态，可以用作虚拟针孔来代替传统的照明针孔[13]。利用 DMD 产生虚拟针孔阵列，来代替传统的照明针孔进行多点并行扫描。这样的多点并行扫描方式不仅大大提高扫描效率，还有较高的光能利用率，并且无机械振动影响，提高了系统的稳定性[14]。因此DMD 有可能成为继 Nipkow 盘、微透镜阵列的新型横向扫描方式，但国内极少有此方面的研究和报道。

　　本文在设计了基于 DMD 的多点并行检测光路，分析了 DMD 横向扫描方法的基础上，研制出了基于DMD 的共焦显微镜样机。此外，还进行了对样机的实际测量实验。

　　1 基于数字微镜器件的多路并行扫描共焦检测系统

　　1.1 数字微镜器件(DMD)介绍

　　数字微镜器件是美国德州仪器公司于 1987 年开发的一种微机电系统。其制造工艺与传统 CMOS 产品类似。每一片XGA(Extended Graphics Array)格式的 DMD 芯片上都集成了近百万片微反射镜(如图1)，镜面为高反射率的铝合金材料。0.7″ 的 DMD 芯片集成了 1 024×768 个微镜，单个微镜的边长为 13.68 μm，各微镜间有 1 μm 的间隔，保证了 DMD 芯片有着高达 89%的填充因数，使得光能得到充分的利用。反射镜被固定在隐藏的轭上，扭转铰链连接轭和支柱，扭力铰链允许镜片旋转±12°。

　　基本工作原理为：在一个地址电极上加上电压，此时将在对应的镜片与地址电极一侧产生一个静电吸引，镜片倾斜直到与具有同样电压的着陆点电极接触为止，镜片以机电方式锁定在该位置上。在存储单元中存入一个二进制数字“1”使镜片倾斜+12°，同时在存储单元中存入一个“0”零使镜片倾斜-12°。这两个状态分别称为“ON”状态和“OFF”状态。数字光处理(DLP)是目前 DMD 的主要应用。与 LCD 相比，DMD 采用反射照明，并且 DMD 微镜阵列填充因数很高，因此其亮度大大优于 LCD;同时 DMD 中的反射镜寿命长，性能极其稳定;此外，DMD全数字化的特性使得它易于计算机控制，能够将均匀的入射照明调制成灰度图像或数值图像，因此是一种理想的空间光调制器，广泛地应用于投影仪，高清数字电视，半导体光刻工艺等[15]。