利用共焦成像原理实现微米级的三维轮廓测量

　　共焦显微术自从被发明以来,以其独有的光学层析能力一直被人们所重视.特别是近年来,在生物技术、医学诊断以及半导体技术领域有着广泛的应用[1~3].由于已有共焦测量系统多是单点扫描测量,速度慢,因此特别不适合集成半导体技术的发展.为此,科学家正致力于并行非扫描共焦测量的研究工作.本文提出了一种以普通光学成像透镜取代显微物镜,以针孔阵列(500×500)取代单针孔,实现全场并行测量的方法,可大大提高测量视场,使之适用于大尺寸样品的测量.

　　1　实验装置及原理

　　图1为实验的原理示意图,其关键部件是一个500×500的针孔阵列(PA),每一个针孔都起到了相同的作用.以其中一个来分析,针孔P处的点光源,经过成像系统成像到P′点,当被测物处于P′点时,反射回的光线经同一个物镜聚焦到针孔P,成像到探测器P″点,此时探测器信号达到最大值.当被测物沿轴向移动时,照射光将在被测物表面弥散开来,反射回来通过针孔P的光通量减少,从而导致探测器接收到信号的减少.为了提高信噪比,在系统中采用了偏振立方棱镜(PB)作为分光和检光器件,加入1/4波片使返回的信号光振动方向偏转90°,从而到达探测器.

　　在系统中,采用的针孔直径为10μm,针孔间距为50μm,透镜L2的焦距f为50 mm,L3的焦距为12 mm,理论横向(垂直光轴方向)精度为12μm,横向测量范围为6 mm×6 mm,考虑实际装配中的误差等因素,横向测量的精度约为13μm,最大测量范围为5 mm×5 mm.

　　L1~L4:镜头;A1、A2:通光孔径;LS:光源;P1:1/4波片;MS:移动平台;S:被测物;CCD:摄像机根据文献[4],沿轴向z位置的光强分布可以近似表示为

　　式中:k为波数;α为有效数值的孔径角.当光强变为最大值的一半时,所对应的半极值宽度为

　　Wh表征了系统的分辨率,数值孔径Na越大, Wh越小,系统的分辨率越高,这也正是在共焦显微术中采用了高数值孔径显微物镜的缘故.在系统中,采用了普通光学透镜取代显微物镜,降低了数值孔径,增大了Wh,在满足一定的测量精度条件下,扩大了测量视场,增加了纵向测量范围,也便于对较大尺寸样品进行测量.

　　2　三维轮廓提取算法

　　当被测物沿轴向扫描时,由于物体上各点的高度不同,相应地各点扫描到焦平面的距离也不一样,物体上各点到焦平面的距离即表征了物体的轮廓高度.三维轮廓的提取可表示为在求取各采样点的序列中,光强极值点的采样位置.当采样间距大于系统的分辨率时,采样间距直接决定了系统的测量精度.因此,要提高测量精度,必然要减小采样间距,结果导致了测量速度的降低.相反,为了提高测量速度,就要扩大采样间距,结果却降低了测量精度.采用内插值算法,可以有效地解决测量精度和测量速度之间的矛盾.