基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)測量、成像技術(shù)，特別是一種基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體器件、微光學(xué)元件、微光機(jī)電系統(tǒng)等微結(jié)構(gòu)元件的廣泛應(yīng)用，需要一種具有高分辨率、高精度、非接觸、無損快捷等特性的測量手段對(duì)其進(jìn)行深入檢測，如物體三維形貌、表面缺陷、裂縫、面形誤差等方面。在物體表面形貌測量中，數(shù)字全息顯微術(shù)具有非接觸、無損傷、高分辨率以及處理迅速等優(yōu)點(diǎn)尤其是隨著半導(dǎo)體和微電子技術(shù)的發(fā)展，CCD和CMOS性能的不斷提高，以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字全息顯微術(shù)受到越來越多的關(guān)注，應(yīng)用前景也越來越廣泛。
[0003]但由于數(shù)字全息術(shù)采用的是反正切函數(shù)來計(jì)算物體的相位分布，故受函數(shù)周期性以及主值區(qū)間的限制，當(dāng)光通過物體后產(chǎn)生的最大光程差大于所用記錄光波波長時(shí)，計(jì)算獲得的物體相位分布都是包裹在之間的，稱為包裹圖像，所以還需要進(jìn)行相位解包裹來恢復(fù)被測物體的實(shí)際相位分布。但是當(dāng)前的相位解包裹算法大多存在一定的問題，尚未尋找到一種誤差較小且廣泛適用的算法，這使得物體表面形貌的測量具有一定難度，尤其是對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜或者表面梯度較大的物體。如果使用的記錄波長大于最大光程差，就可以直接展開相位，不再需要解包裹處理。但這只適用于少數(shù)情況，大多數(shù)測量中并不存在如此長波長的激光器。隨著數(shù)字全息研究熱點(diǎn)的高漲，國外各高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)相位解包裹的理論和方法做了很多的研究工作。二維相位解包裹的研究始于20世紀(jì)70年代末，90年代后，由于二維圖像處理的需要，二維相位解包裹技術(shù)得到迅速發(fā)展。二維相位去包裹可以通過Takeda提出的行列逐點(diǎn)算法來實(shí)現(xiàn)，它是最早的二維相位去包裹算法，這一算法是根據(jù)相位解包裹的原始意圖得到的，即通過逐點(diǎn)積分實(shí)現(xiàn)的。但行列逐點(diǎn)算法只能對(duì)理想無誤差的圖像正確快速地去包裹，對(duì)實(shí)際測量獲得的包裹圖處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的失真現(xiàn)象。為此，國內(nèi)外經(jīng)過大量的研究，提出了針對(duì)各種情況的二維相位解包裹算法，迄今為止算法的種類已經(jīng)不下40種。比如2006年西北工業(yè)大學(xué)的王軍等人提出了相位圖去包裹的一種新的綜合方法([I]王軍，趙建林，范琦等.相位圖去包裹的一種新的綜合方法.中國激光.2006, 33(6):795-799)。建立了一個(gè)消除局部不連續(xù)點(diǎn)的模型，可有效地消除包裹相位圖中的不連續(xù)點(diǎn)。國防科大的雷志輝等人提出一種基于雙頻投影條紋的全自動(dòng)相位解包裹方法([2]雷志輝，李健兵.基于雙頻投影條紋的全自動(dòng)相位解包裹方法.光學(xué)學(xué)報(bào).2006，26(1):39-42)，推導(dǎo)了利用該雙頻條紋的相位主值獲取真實(shí)相位場的公式。在利用公式進(jìn)行解包裹時(shí)，各點(diǎn)的相位求取都是單獨(dú)進(jìn)行的，因此不會(huì)出現(xiàn)誤差傳遞的現(xiàn)象，同時(shí)求解的相位場保持了相移法求解的相位精度。但是這些方法在相位精確解包裹的同時(shí)，大多算法復(fù)雜，計(jì)算量大。如何實(shí)現(xiàn)精度又高速度又快的相位解包裹成為了數(shù)字全息顯微成像中一項(xiàng)技術(shù)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置，以實(shí)現(xiàn)數(shù)字全息顯微成像中的快速相位解包裹。
[0005]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置，包括第一激光器、第二激光器、集光鏡、聚光鏡針孔光闌、聚光鏡、第一平面鏡、第二分束鏡、鏡筒透鏡、顯微物鏡、相機(jī)、第六平面鏡、第一衰減片與第二平面鏡、第三分束鏡，所述的聚光鏡針孔光闌放置在集光鏡的后焦面位置，同時(shí)也是聚光鏡的前焦面位置；其中第一激光器發(fā)出的激光依次經(jīng)過第三分束鏡、集光鏡匯聚到聚光鏡針孔光闌，光通過聚光鏡針孔光闌發(fā)散后又被聚光鏡收集變成平行光，再經(jīng)過第一平面鏡反射被第二分束鏡分成兩路:其中一路經(jīng)過鏡筒透鏡和顯微物鏡后再次變成平行光照射待測樣品，然后被待測樣品反射的光經(jīng)過顯微物鏡和鏡筒透鏡以及第二分束鏡后垂直照射相機(jī)的成像平面，這一路稱為物光光路；另外一路經(jīng)過第一衰減片衰減光強(qiáng)，被第二平面鏡反射，再通過第一衰減片被衰減，最后通過第二分束鏡后傾斜照射相機(jī)的成像平面，這一路參考光與物光干涉，形成的干涉圖由相機(jī)記錄下來；與此同時(shí)，第二激光器發(fā)出的激光經(jīng)過第六平面鏡反射后經(jīng)過第三分束鏡被反射，然后和第一激光器發(fā)出的激光經(jīng)過相同的光路，在相機(jī)成像平面形成干涉圖并被記錄下來。
[0006]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn):(I)采用了雙波長數(shù)字全息技術(shù)，使用兩個(gè)不同波長的激光同時(shí)照射待測樣品，并用一個(gè)彩色相機(jī)在兩個(gè)不同顏色通道中同時(shí)采集到兩幅全息干涉圖，然后分別求出兩個(gè)波長下的包裹相位圖，最終再用這兩幅雙波長包裹相位圖光學(xué)解包裹，求出樣品的非包裹相位圖。(2)使用本發(fā)明的裝置進(jìn)行數(shù)字全息顯微成像，避免了復(fù)雜的相位解包裹過程，降低了后期計(jì)算處理的復(fù)雜度，提高了相位重建精度。
[0007]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
【附圖說明】
[0008]圖1(a)-(c)為基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置的三種等價(jià)裝置的示意圖:圖1(a)是使用邁克爾遜結(jié)構(gòu)的一種基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置的示意圖；圖1(b)是使用分束鏡進(jìn)行分光的一種基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置的示意圖；圖1(c)是使用光纖與光纖分路器進(jìn)行分光的一種基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置的示意圖。
[0009]圖2 (a)-圖2 (f)為利用基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置對(duì)MEMS表面微結(jié)構(gòu)樣品進(jìn)行數(shù)字全息顯微成像的結(jié)果:圖2(a)是彩色相機(jī)拍攝到的原始干涉圖中紅色通道的部分，即紅色激光形成的干涉圖；圖2(b)是圖2(a)經(jīng)過傅立葉變換的頻譜，圖中用小框框出的是+1級(jí)譜；圖2((:)是+1級(jí)譜平移到頻譜中央后的結(jié)果；圖2((1)是利用傅立葉逆變換求出的物體在紅光下的包裹相位分布圖；圖2(0是利用傅立葉逆變換求出的物體在綠光下的包裹相位分布圖；圖2(f)是利用雙波長光學(xué)解包裹求出的物體的非包裹相位分布圖。
【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1(a)所示，本發(fā)明基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置，包括第一激光器1、第二激光器16、集光鏡2、聚光鏡針孔光闌3、聚光鏡4、第一平面鏡10、第二分束鏡11、鏡筒透鏡12、顯微物鏡13、相機(jī)15、第六平面鏡17、第一衰減片18與第二平面鏡19、第三分束鏡20，所述的聚光鏡針孔光闌3放置在集光鏡2的后焦面位置，同時(shí)也是聚光鏡4的前焦面位置；其中第一激光器I發(fā)出的激光依次經(jīng)過第三分束鏡20、集光鏡2匯聚到聚光鏡針孔光闌3，光通過聚光鏡針孔光闌3發(fā)散后又被聚光鏡4收集變成平行光，再經(jīng)過第一平面鏡10反射被第二分束鏡11分成兩路:其中一路經(jīng)過鏡筒透鏡12和顯微物鏡13后再次變成平行光照射待測樣品14，然后被待測樣品14反射的光經(jīng)過顯微物鏡13和鏡筒透鏡12以及第二分束鏡11后垂直照射相機(jī)的成像平面15，這一路稱為物光光路；另外一路經(jīng)過第一衰減片18衰減光強(qiáng)，被第二平面鏡19反射，再通過第一衰減片18被衰減，最后通過第二分束鏡11后傾斜照射相機(jī)15的成像平面，這一路參考光與物光干涉，形成的干涉圖由相機(jī)15記錄下來；與此同時(shí)，第二激光器16發(fā)出的激光經(jīng)過第六平面鏡17反射后經(jīng)過第三分束鏡20被反射，然后和第一激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過相同的光路，在相機(jī)15成像平面形成干涉圖并被記錄下來。
[0011]本發(fā)明基于雙波長數(shù)字全息技術(shù)的反射式顯微成像裝置具有另外等價(jià)的光路結(jié)構(gòu)。第一種結(jié)構(gòu)如圖1(b)所不，用第一分束鏡5進(jìn)行分光，包括第一激光器1、第二激光器16、集光鏡2、聚光鏡針孔光闌3、聚光鏡4、第一分束鏡5、第三平面鏡6、第二衰減片7、第四平面鏡8、第五平面鏡9、第一平面鏡10、第二分束鏡11、鏡筒透鏡12、顯微物鏡13、相機(jī)15、第六平面鏡17、第三分束鏡20，所述的聚光鏡針孔光闌3放置在集光鏡2的后焦面位置，同時(shí)也是聚光鏡4的前焦面位置；其中第一激光器I發(fā)出的激光依次經(jīng)過第三分束鏡20、集光鏡2匯聚到聚光鏡針孔光闌3，光通過聚光鏡針孔光闌3發(fā)散后又被聚光鏡4收集變成平行光，再被第一分束鏡5分成兩路:其中一路經(jīng)過第一平面鏡10反射后經(jīng)過第二分束鏡11，再經(jīng)過鏡筒透鏡12和顯微物鏡13后變成平行光照射待測樣品14，然后被待測樣品14反射的光經(jīng)過顯微物鏡13和鏡筒透鏡12以及第二分束鏡11后垂直照射相機(jī)15的成像平面，這一路稱為物光光路；另外一路經(jīng)過第三平面鏡6反射后經(jīng)過第七衰減片7衰減光強(qiáng)，依次被第四平面鏡8和第五平面鏡9反射后，通過第二分束鏡11后傾斜照射相機(jī)15的成像平面，這一路參考光與物光干涉，形成的干涉圖由相機(jī)15記錄下來；與此同時(shí)，第二激光器16發(fā)出的激光經(jīng)過第六平面鏡17反射后經(jīng)過第三分束鏡20被反射，然后和第一激光器I發(fā)出的激光經(jīng)過相同的光路，在相機(jī)15成像平面形成干涉圖并被記錄下來。
[0012]第二種結(jié)構(gòu)如圖1 (C)所示，使用光纖分路器21進(jìn)行分光。包括激光器1、第二激光器16、光纖分路器21、第一聚光鏡4、第二聚光鏡22、第二衰減片7、第四平面鏡8、第五平面鏡9、第一平面鏡10、第二分束鏡11、鏡筒透鏡12、顯微物鏡13、相機(jī)15，其中第一激光器I和第二激光器16發(fā)出的激光通過光纖耦合進(jìn)入光纖分路器21，混合并且分成兩路后再通過光纖親合輸出，每一路光纖輸出都包含第一激光器I和第二激光器16發(fā)出的激光，兩個(gè)輸出的光纖頭分別位于第一聚光鏡4、第二聚光鏡22的焦點(diǎn)位置，以保證經(jīng)過第一聚光鏡4、第二聚光鏡22后出射的是平行光；在分成的兩路中，一路經(jīng)過第一平面鏡10反射后經(jīng)過第二分束鏡11再經(jīng)