基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置和方法
【專利摘要】基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置和方法屬于光學(xué)顯微成像領(lǐng)域；該裝置包括激光光源、準(zhǔn)直鏡、正弦光柵、透鏡、第一管鏡、二向色鏡、物鏡、樣品、濾光片、第二管鏡、制冷CCD和載物臺；利用激光器經(jīng)過準(zhǔn)直鏡出射的平行光，再經(jīng)過一維正弦光柵得到經(jīng)過調(diào)制的條紋，將條紋經(jīng)過二向色鏡、管鏡和物鏡成像到表面鍍膜的光滑自由曲面樣品上；使樣品表面出射的信號通過濾光片，由制冷CCD收集；對每個被測平面，令正弦光柵橫向移動三次，完成一個平面的探測后，載物臺沿軸向移動，令CCD下一次拍采集；最后將每個軸向位置得到的二維數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)運算；本發(fā)明裝置與方法測量微觀光滑自由曲面，可以測量法線與軸向夾角大的樣品表面形貌。
【專利說明】基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置和方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置和方法屬于光學(xué)顯微成像領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]對于光滑自由曲面表面樣品，與法線與軸向夾角大的區(qū)域，由于照明到樣品表面的光因鏡面反射而無法被完全收集，或幾乎無法被收集，所以其表面形貌無法高精度測量，甚至無法測量。目前，急需一種光學(xué)測量方面實現(xiàn)該類樣品的高精度測量。遺憾的是目前沒有技術(shù)可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述問題，本發(fā)明公開了一種基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置和方法，解決了自由曲面樣品表面形貌高精度測量問題。
[0004]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0005]基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，包括:
[0006]照明裝置和成像裝置；
[0007]所述的照明裝置按照光線傳播方向依次為:與樣品表面鍍膜熒光物質(zhì)波長相匹配的激光光源、準(zhǔn)直鏡、正弦光柵、透鏡、第一管鏡、二向色鏡、物鏡、樣品和載物臺；
[0008]所述的成像裝置按照光線傳播方向依次為:物鏡、二向色鏡、濾光片、第二管鏡和制冷CCD ；
[0009]照明裝置和成像裝置共用物鏡和二向色鏡；
[0010]正弦光柵、樣品和制冷C⑶兩兩共軛。
[0011]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，所述的鍍膜熒光物質(zhì)膜厚小于I μ m，激發(fā)波長范圍為200-1200nm，光功率小于1W，鍍膜物質(zhì)具有易溶于水或者有機溶劑。
[0012]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，正弦光柵周期的范圍是50 μ m-70 μ m。
[0013]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，二向色鏡對激光光源出射光的反射率大于50%,對突光物質(zhì)福射光的透射率大于50%,對激光光源出射光的透射率小于50%。
[0014]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，濾光片對激光光源出射光的透射率小于萬分之一，對熒光物質(zhì)輻射光的透射率大于50%，光學(xué)密度在0D4以上。
[0015]在上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置上實現(xiàn)的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量方法，包括以下步驟:
[0016]第一步，將樣品表面鍍膜，所述的鍍膜熒光物質(zhì)膜厚小于I μ m，激發(fā)波長范圍為200-1200nm，光功率小于1W，令變量k等于0，設(shè)置軸向總測量范圍b ；
[0017]第二步，使載物臺可移動部分沿光軸移動一個微小步長a，令變量r等于I ;
[0018]第三步，用制冷C⑶采集大小為pXq的圖像Iir ；
[0019]第四步，將正弦光柵沿垂直于光軸的方向移動1/3周期；
[0020]第五步，令變量!■加1，判斷r是否小于4，如果“是”則進(jìn)入第二步，如果“否”則進(jìn)入下一步；
[0021]第六步，計算々-U2-1nf+(In - W +(4 U]1 2:
[0022]第七步，將k加1，判斷kX a是否大于或等于b，如果“否”則重復(fù)重復(fù)第二步到第六步，如果“是”則進(jìn)入下一步，令N = k，那么獲得N層數(shù)據(jù)Ι1ρ，Ι2ρ...ΙΝρ ；
[0023]第八步，將所有軸向位置得到Ilp，I2P...Inp排列成三維矩陣，令矩陣的行和列對應(yīng)圖像的行和列，矩陣的頁數(shù)對應(yīng)圖像的層數(shù)；
[0024]第九步，將所得三維矩陣的第m行，η列的所有頁數(shù)據(jù)抽取出來，得到一個IXN的行向量，記錄這個行向量的峰值點所對應(yīng)的層數(shù)c ;
[0025]第十步，利用P X q個像素點求出的所對應(yīng)的層數(shù)c和步長a，求得所有p X q個點對應(yīng)樣品表面形貌結(jié)構(gòu)。
[0026]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量方法，還包括第十一步，清洗掉樣品表面的熒光膜。
[0027]有益效果:
[0028]由于本發(fā)明同現(xiàn)有的顯微測量技術(shù)相比，首先在樣品表面鍍膜熒光物質(zhì)，使其受激輻射發(fā)光，然后在此基礎(chǔ)上，公開了一種微觀光滑自由曲面樣品測量方法，這項技術(shù)改進(jìn)，使得本發(fā)明可以測量法線與軸向夾角大的樣品表面形貌。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029]圖1是本發(fā)明基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030]圖中:1激光光源、2準(zhǔn)直鏡、3正弦光柵、4透鏡、5第一管鏡、6 二向色鏡、7物鏡、8樣品、9濾光片、10第二管鏡、11制冷(XD、12載物臺。

【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明【具體實施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0032]具體實施例一
[0033]本實施例為裝置實施例。
[0034]本實施例的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。該裝置包括:
[0035]照明裝置和成像裝置；
[0036]所述的照明裝置按照光線傳播方向依次為:與樣品表面鍍膜熒光物質(zhì)波長相匹配的激光光源1、準(zhǔn)直鏡2、正弦光柵3、透鏡4、第一管鏡5、二向色鏡6、物鏡7、樣品8和載物臺12 ；
[0037]所述的成像裝置按照光線傳播方向依次為:物鏡7、二向色鏡6、濾光片9、第二管鏡10和制冷CCDll ；
[0038]照明裝置和成像裝置共用物鏡7和二向色鏡6 ；
[0039]正弦光柵3、樣品8和制冷CXDll兩兩共軛。
[0040]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，所述的鍍膜熒光物質(zhì)膜厚小于I μ m，激發(fā)波長范圍為200-1200nm，光功率小于1W，鍍膜物質(zhì)具有易溶于水或者有機溶劑。其中，激發(fā)波長在200-1200nm范圍內(nèi)，光功率小于IW可以有效地避免對樣品表面熒光膜的損傷。經(jīng)實驗證實，激發(fā)波長在小于200nm時，熒光膜被漂白的概率大幅增加，而激發(fā)波長在大于1200nm時,突光膜淬滅的概率大幅增加。光功率在大于IW時,突光膜淬滅的概率大幅增加。鍍膜物質(zhì)具有易溶于水或者有機溶劑的特性，使膜可以被清洗掉，恢復(fù)樣品本來形貌，同時鍍膜工藝不損傷樣品表面。
[0041]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，正弦光柵3周期的范圍是50 μ m-70 μ m。在傳統(tǒng)測量裝置中，正弦光柵3的周期范圍更大，為20 μ m_100 μ m，然而，經(jīng)實驗證實，在樣品表面生成熒光介質(zhì)膜后，對正弦光柵3的周期有更嚴(yán)格的要求，正弦光柵3的周期只有在50 μ m-70 μ m之間時，才能得到較高的軸向測量分辨力，而在其它范圍，軸向分辨力都會降低。
[0042]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，二向色鏡6對激光光源I出射光的反射率大于50%，對熒光物質(zhì)輻射光的透射率大于50%，對激光光源I出射光的透射率小于50%。這種參數(shù)設(shè)計，不僅可以令更多的激發(fā)光射到樣品表面，避免能量損失，而且可以可以收集到更多的本來就相對較微弱的信號光，同時增高信噪比。
[0043]上述基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，濾光片9對激光光源I出射光的透射率小于萬分之一，對熒光物質(zhì)輻射光的透射率大于50%，光學(xué)密度在0D4以上。
[0044]這種參數(shù)設(shè)計，不僅可以令更多的激發(fā)光射到樣品表面，避免能量損失，而且可以可以收集到更多的本來就相對較微弱的信號光，同時增高信噪比。
[0045]具體實施例二
[0046]本實施例為在具體實施例一所述裝置上實現(xiàn)的方法實施例。
[0047]本實施例的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量方法，包括以下步驟:
[0048]第一步，將樣品表面鍍膜，所述的鍍膜熒光物質(zhì)膜厚小于I μ m，激發(fā)波長范圍為200-1200nm，光功率小于1W，令變量k等于0，設(shè)置軸向總測量范圍b ；
[0049]第二步，使載物臺12可移動部分沿光軸移動一個微小步長a，令變量r等于I ;
[0050]第三步，用制冷CXDll采集大小為pXq的圖像I& ；
[0051]第四步，將正弦光柵沿垂直于光軸的方向移動1/3周期；
[0052]第五步，令變量!■加1，判斷r是否小于4，如果“是”則進(jìn)入第二步，如果“否”則進(jìn)入下一步；
[0053]第TK步，計算4 = ~γ-[{Ιη — I η Y + (Iη — I η Y + (Iη — I η ;
[0054]第七步，將k加1，判斷kX a是否大于或等于b，如果“否”則重復(fù)重復(fù)第二步到第六步，如果“是”則進(jìn)入下一步，令N = k，那么獲得N層數(shù)據(jù)Ilp，I2p-1np ；
[0055]第八步，將所有軸向位置得到Ilp，I2P...Inp排列成三維矩陣，令矩陣的行和列對應(yīng)圖像的行和列，矩陣的頁數(shù)對應(yīng)圖像的層數(shù)；
[0056]第九步，將所得三維矩陣的第m行，η列的所有頁數(shù)據(jù)抽取出來，得到一個IXN的行向量，記錄這個行向量的峰值點所對應(yīng)的層數(shù)c ;
[0057]第十步，利用pXq個像素點求出的所對應(yīng)的層數(shù)c和步長a，求得所有pXq個點對應(yīng)樣品表面形貌結(jié)構(gòu)。
[0058]具體實施例三
[0059]本實施例為方法實施例。
[0060]本實施例是在具體實施例二的基礎(chǔ)上，增加第i^一步，清洗掉樣品表面的熒光膜。該步驟，可以實現(xiàn)對樣品表面形貌的恢復(fù)。
[0061]本發(fā)明不局限于上述最佳實施方式，任何人應(yīng)該得知在本發(fā)明的啟示下作出的結(jié)構(gòu)變化或方法改進(jìn)，凡是與本發(fā)明具有相同或相近的技術(shù)方案，均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，其特征在于，包括: 照明裝置和成像裝置； 所述的照明裝置按照光線傳播方向依次為:與樣品表面鍍膜熒光物質(zhì)波長相匹配的激光光源(I)、準(zhǔn)直鏡(2)、正弦光柵(3)、透鏡(4)、第一管鏡(5)、二向色鏡(6)、物鏡(7)、樣品(8)和載物臺(12)； 所述的成像裝置按照光線傳播方向依次為:物鏡(7)、二向色鏡￠)、濾光片(9)、第二管鏡(10)和制冷CCD(Il)； 照明裝置和成像裝置共用物鏡(7)和二向色鏡(6)； 正弦光柵(3)、樣品(8)和制冷CCD(Il)兩兩共軛。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，其特征在于，所述的鍍膜熒光物質(zhì)膜厚小于I μ m，激發(fā)波長范圍為200-1200nm，光功率小于1W，鍍膜物質(zhì)溶于水或者有機溶劑。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，其特征在于，正弦光柵⑶周期的范圍是50μπι-70μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，其特征在于，二向色鏡(6)對激光光源(I)出射光的反射率大于50%，對熒光物質(zhì)輻射光的透射率大于50%，對激光光源(I)出射光的透射率小于50%。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置，其特征在于，濾光片(9)對激光光源(I)出射光的透射率小于萬分之一，對熒光物質(zhì)輻射光的透射率大于50%，光學(xué)密度在0D4以上。
6.在權(quán)利要求1所述的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量裝置上實現(xiàn)的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 第一步，將樣品表面鍍膜，所述的鍍膜熒光物質(zhì)膜厚小于I μ m，激發(fā)波長范圍為200-1200nm，光功率小于1W，令變量k等于0，設(shè)置軸向總測量范圍b ; 第二步，使載物臺(12)可移動部分沿光軸移動一個微小步長a，令變量r等于I ; 第三步，用制冷CXD(Il)采集大小為pXq的圖像Ih ; 第四步，將正弦光柵沿垂直于光軸的方向移動1/3周期； 第五步，令變量r加1，判斷r是否小于4，如果“是”則進(jìn)入第二步，如果“否”則進(jìn)入下一步；
第六步，計算 Iv = ^[(Zi2 -1n )2 + (Ii3 -1n )2 + (Ii3 -1nJ2 ]1/2 ； 第七步，將k加1，判斷kX a是否大于或等于b，如果“否”則重復(fù)重復(fù)第二步到第六步，如果“是”則進(jìn)入下一步，令N = k，那么獲得N層數(shù)據(jù)Ilp，I2p-1np ； 第八步，將所有軸向位置得到Ilp，I2P...Inp排列成三維矩陣，令矩陣的行和列對應(yīng)圖像的行和列，矩陣的頁數(shù)對應(yīng)圖像的層數(shù)； 第九步，將所得三維矩陣的第m行，η列的所有頁數(shù)據(jù)抽取出來，得到一個IXN的行向量，記錄這個行向量的峰值點所對應(yīng)的層數(shù)c ； 第十步，利用P X Q個像素點求出的所對應(yīng)的層數(shù)c和步長a，求得所有P X q個點對應(yīng)樣品表面形貌結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于結(jié)構(gòu)光方法的微觀光滑自由曲面樣品測量方法，其特征在于，還包括第十一步，清洗掉樣品表面的熒光膜。
【文檔編號】G01B11/24GK104296660SQ201410617223
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年11月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月5日
【發(fā)明者】劉儉, 譚久彬, 王紅婷, 劉辰光 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)