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专利名称：荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置的制作方法
技术领域：
本发明属于光学显微测量技术，主要涉及一种用于微结构光学兀件、微结构机械元件、集成电路元件中三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状测量的超精密非接触测量装置。
背景技术：
共焦点扫描测量是微光学、微机械、微电子领域中测量三维微细结构、微台阶、微沟槽线宽、深度及表面形状的重要技术手段之一，其基本思想是通过引入针孔探测器抑制杂散光，并产生了轴向层析能力，但传统共焦技术一直受到传统透镜成像数值孔径小于I的原理局限。双通照明共焦测量由C. J. R. Sheppard和T. Wilson于1980年提出(Sheppard,C. J. R. and Wilson, T. (1980)1 Multiple Traversing of the Object in the ScanningMicroscope' , Journal of Modem Optics, 27 :5,611-624),其基本思想是利用球面或平面反射镜将透射样品的透射照明光反射回去，对样品进行二次照明，使双通照明响应函数具有更高的分辨率。分析表明相对于传统共焦测量，传统双通照明共焦测量轴向分辨力能提高2 4倍，光斑旁斑也得到更好的抑制。传统双通照明共焦测量方法存在的主要不足在于一次照明光和二次照明光的干涉扰动，降低信噪比，不利于轴向分辨率的提高。而传统双通照明共焦测量方法与Minsky提出的共焦测量方法的共性不足还在于，系统分辨率与收集物镜数值孔径大小密切相关，数值孔径越大，轴向分辨力越高，而由于受到传统透镜成像数值孔径小于I的原理局限，二者都难以通过提高数值孔径来进一步提高轴向分辨率。

发明内容
本发明的目的就是针对上述传统共焦测量和双通照明共焦测量轴向分辨率受物镜数值孔径限制和双通照明共焦测量存在的干涉扰动的不足，提供了一种荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置，利用荧光反射镜的荧光特性使照明光产生频移，避免了双通照明中一次照明光和二次照明光发生光波混叠而产生干涉；同时采用单色滤光技术能有效滤除一次照明光干扰，提高信噪比；采用椭球共轭双通照明，使响应函数具有更高的轴向分辨率，同时椭球反射镜可实现数值孔径为I的收集与探测，通过提高数值孔径来进一步提高轴向分辨率。本发明的目的是这样实现的荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置包括激光器、准直扩束器、分光镜、聚焦物镜、三维微位移载物台、窄带滤波片、收集物镜、传导光纤、光电探测器；其中，在激光器直射光路上依次配置准直扩束器和分光镜，聚焦物镜和三维微位移载物台配置在分光镜反射光路上，窄带滤波片和收集物镜配置在分光镜透射光路上，传导光纤将收集物镜会聚光传导到光电探测器，在分光镜反射光路上还配置椭球反射镜，所述的椭球反射镜的近焦点位于放置在三维微位移载物台上的样品表面上，在椭球反射镜远焦点位置处配置荧光反射镜。所述装置具有荧光反射镜，其作用是使入射光线产生频移，对样品进行二次照明，同时与一次照明光束分离，与单色滤光技术相结合，避免一次照明反射光与二次照明反射光的干涉扰动。荧光反射镜为具有表面荧光涂层或荧光液的反射镜，其制作方法与现有荧光染色技术相同，视为已知技术，该反射镜在超短激光照射下，能产生单光子或多光子激发，是照明光产生频移。本发明的良好效果在于I)采用荧光反射镜与窄带滤波片，将双通照明一次照明光和二次照明光通过频率进行分离，抑制杂散光，克服干涉扰动，提高信噪比。
2)克服了传统共焦测量技术和传统双通照明共焦技术轴向分辨率受物镜数值孔径的限制的不足，荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置可以实现数值孔径为I的二次照明与探测，通过提高数值孔径提高分辨率。3)建立了不同于传统共焦和传统双通照明共焦系统的高阶响应函数，有利于提高点扫描分辨率。


图I是荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置结构示意图。图2是荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置椭球反射镜点扩散函数分析坐标定义图。图3是荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置单光子激发轴向响应曲线。图4是荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置单光子激发横向响应曲线。图5是荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置双光子激发轴向响应曲线。图6是荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置双光子激发横向响应曲线。图中件号说明1、激光器、2、准直扩束器、3、分光镜、4、聚焦物镜、5、三维微位移载物台、6、椭球反射镜、7、荧光反射镜、8、窄带滤波片、9、收集物镜、10、传导光纤、11、光电探测器。
具体实施例方式下面结合附图对本发明实施例进行详细说明。荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置包括激光器I、准直扩束器2、分光镜3、聚焦物镜4、三维微位移载物台5、窄带滤波片8、收集物镜9、传导光纤10、光电探测器11 ；其中，在激光器I直射光路上依次配置准直扩束器2和分光镜3，聚焦物镜4和三维微位移载物台5配置在分光镜3反射光路上，窄带滤波片8和收集物镜9配置在分光镜3透射光路上，传导光纤10将收集物镜9会聚光传导到光电探测器11，在分光镜3反射光路上还配置椭球反射镜6，所述的椭球反射镜6的近焦点位于放置在三维微位移载物台5上的样品表面上，在椭球反射镜6远焦点位置处配置荧光反射镜7。测量使用时第一、激光器I发出波长为\ x的线偏振光束，经过准直扩束器2后成为近似理想平面波；经过分光镜3分光后，反射光经过聚焦物镜4会聚在被测反射样品表面；第二、反射光线再经过椭球反射镜6，会聚于其远焦点处的荧光反射镜7 ;经过荧光反射镜7，出射波长为入2的光线，经过椭球反射镜6会聚，对样品实现二次照明；其中所述椭球反射镜6不同于传统透镜模型，则需要从光学衍射理论进行理论推导，如图2所示，对于椭球反射镜6，其几何表达式为z2/a2+y2/b2+x2/b2 = I时响应函数为其中，0表示坐标原点；P1表示荧光反射镜I所在的椭球远焦点，坐标为(X1, Y1, Z1)；
P2表示被测样品所在的椭球近焦点,坐标为(x2, y2, Z2)；M表示P1到P2光线轨迹在椭球反射镜上的反射点；n表示M点处的椭球面单位法向量；rP1M表示P1点到M点的距离；rW2表示M点到P2点的距离；Up2表示P2点处的光波函数；Um表示M点处的光波函数；S0表不椭球反射镜6所在的椭球；S表不椭球反射镜6 ；考虑一般情况，hpl_p2表示pi到p2点得点扩展函数，化简得到
;A 、bf C+C°' Qw\_~MrPXM + rMPl)] (^PxMpI L j _
\i-P2(0,0,0,x2,y2 =0’z2)= J J ----cos x-- dxdz (2)
-I31Ia CrPlMrMPlV 2 y其中所述荧光反射镜7为具有表面荧光涂层或荧光液的反射镜，其制作方法与现有荧光染色技术相同，视为已知技术，该反射镜在超短激光照射下，能产生单光子或多光子激发，是照明光产生频移。第三、再经过聚焦物镜4由分光镜3分光，透射光经过窄带滤波片8，包括杂散光的入工波长光被吸收，只包含测量信息的、2波长光透过，经收集物镜9会聚，经传导光纤10传输由光电探测器11接收。第四、如图3所示，最后通过双通照明响应函数表达式为Id(xs, zs) = |hL(xs，zs，X1) hp2_pl (xs，zs，X ) |2*(|hL(xs，zs，A2) |2 hpl_p2(0,0 ；
xs，zs，A2)|2) ⑶其中，Id表示探测面上的光强分布；hpl_p2表示P1点到P2点的点扩展函数；hL表示聚焦物镜4的点扩展函数；A1为一次照明光波长；
A 2为二次照明光波长。如式(3)可见，构建了不同于传统共焦和双通照明共焦系 统的高阶响应函数，有利于提高点扫描分辨率。图3、图4、图5、图6为其轴向和横向响应曲线，分别取聚焦物镜4数值孔径为0. I和0. 65。
权利要求
1.一种荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置，包括激光器(I)、准直扩束器(2)、分光镜(3)、聚焦物镜(4)、三维微位移载物台(5)、窄带滤波片(8)、收集物镜(9)、传导光纤(10)、光电探测器(11);其中，在激光器(I)直射光路上依次配置准直扩束器(2)和分光镜(3)，聚焦物镜(4)和三维微位移载物台(5)配置在分光镜(3)反射光路上，窄带滤波片(8)和收集物镜(9)配置在分光镜(3)透射光路上，传导光纤(10)将收集物镜(9)会聚光传导到光电探测器(11)，其特征在于在分光镜(3)反射光路上还配置椭球反射镜出)，所述的椭球反射镜出)的近焦点位于放置在三维微位移载物台(5)上的样品表面上，在椭球反射镜(6)远焦点位置处配置荧光反射镜(7)。
全文摘要
荧光反射镜共轭双通照明共焦显微装置属于光学显微测量技术；在激光器直射光路上依次配置准直扩束器和分光镜，聚焦物镜和三维微位移载物台配置在分光镜反射光路上，窄带滤波片和收集物镜配置在分光镜透射光路上，传导光纤将收集物镜会聚光传导到光电探测器，在分光镜反射光路上还配置椭球反射镜，椭球反射镜的近焦点位于放置在三维微位移载物台上样品表面上，在椭球反射镜远焦点位置处配置荧光反射镜；本装置避免了双通照明中一次照明与二次照明光发生光波混叠而产生的干涉，信噪比和轴向分辨率高。
文档编号G01B11/02GK102759331SQ201210244838
公开日2012年10月31日 申请日期2012年7月5日 优先权日2012年7月5日
发明者刘俭, 谭久彬 申请人:哈尔滨工业大学