用于微结构探测的并行共焦光学结构的研究

　　1　引　　言

　　共焦显微成像技术由于其高精度、高分辨率及独特的轴向层析成像能力,在半导体、微电子器件、信息存储、工程表面测量、医学检测以及生命科学研究等领域得到了广泛地应用。经典的扫描式共焦显微探测技术基于点照明、点成像和点探测的三点共轭原理,由于采用单点机械扫描,探测效率低、光能利用率差及扫描过程易受振动的影响,使其难以用于快速的三维测量场合。近年来,并行共焦技术引起各国专家的普遍关注[1-3],并进行了大量的研究,取得了一定的成果。纵观并行共焦探测系统的发展,较多的是利用微光学器件(主要是微透镜阵列)进行光束分割,实现多光束并行同步对被测表面的不同点进行瞄准检测,以提高测量效率。从光路设计上看主要有两种:一是显微光路[2,4],另一是远心光路[5],两种光学结构的并行探测能力是构建用于微结构探测的并行共焦系统过程中必须仔细考量的问题。目前这一问题已经引起了广泛的关注,但对探测能力的分析仍然停留在定性阶段,缺乏定量表征[4]。

　　面对目前广泛应用于并行共焦探测系统的两种光路(显微与远心),本文基于菲涅尔衍射理论推导其三维相干成像公式,理论与实验相结合研究两者在傍轴近似条件下的并行探测能力,评估两者用于微廓形3-D探测过程的适应性。研究旨在为高效配置并行共聚焦3-D微结构探测系统提供理论依据。

　　2　并行共聚焦探测理论

　　并行共聚焦探测系统原理如图1所示。平行光束通过微透镜阵列及针孔阵列在投射空间X0Y0Z0形成点光源阵列,光束经过分束镜进入物镜组,到达物空间X3Y3Z3,经探测物面反射,返回物镜组,再经分束镜进入探测空间X6Y6Z6,探测器表面接收探测光能,根据探测光斑的光能变化辨识被测廓形的轴向位置。在此,如果两透镜之间距离为d≠f1+f2,则可将透镜1和2构成的　　组合物镜组作为投射光路和探测光路的物镜[6],起光束限制作用的是微透镜的数值孔径。如果两透镜之间距离为d =f1+f2,见图2,透镜1和2构成的是远心光路[5],对于投射光路,透镜1为物镜;对于探测光路,透镜2为物镜。由于微透镜的数值孔径限制了点光束的光锥角,在透镜1和2的共同焦点处若无光阑限制,仍然可以视为远心光路。

　　2.1　投射光路三维点扩散函数

　　根据衍射理论,设U0(x0,y0)是投射空间X0O0Y0上Q点的光场;U1(x1,y1)是透镜1前空间X1O1Y1上P点的光场,两个平面之间的距离是z;P与Q之间的距离是r。根据基尔霍夫衍射公式,从Q点发射的球面波在P点形成的光场为[8]:

　　在傍轴近似条件下,视波场方向n与观察方向r的方向一致,则cos(n,r) =1,将r作一阶泰勒展开,基尔霍夫衍射公式简化为菲涅尔衍射公式[8]: