專利名稱：用透射式微分干涉相襯顯微鏡測量表面形貌的方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及用透射式微分干涉相襯顯微鏡定量測量透明體表面形貌的方法和裝置，屬微觀物體表面形貌測量技術領域。
接觸式測量方法都采用接觸式探針逐行掃描樣本表面，該方法雖然精度很高，但是存在測量時間長，而且容易破壞樣本表面結構(特別是質軟的晶體樣本)的問題。
非接觸式測量方法如攝像測量方法，掃描隧道顯微鏡，激光共焦顯微鏡，分光路干涉輪廓儀(如WYKO公司的TOPO輪廓儀)，反射式微分干涉相襯顯微鏡，普通的透射式微分干涉相襯顯微裝置等等。以上的各種方法都有各自的不足。
攝影測量法具有直觀的特點，并且實現起來比較容易，但測量精度低，甚至只能粗略估計。而且拍攝過程中光電耦合攝像機安裝的角度，以及拍攝的幀數都將直接影響后續的圖像處理，解決這些問題尚無完善的理論。
掃描隧道顯微鏡雖然分辨率高，可以實時的得到空間中表面的三維形貌，但是它在應用于生命科學研究時存在以下問題可供選擇的基底材料有限；要求樣品有導電性；針尖與樣品的相互作用以及樣品的熱振動可能造成樣品表面結構的改變；掃描隧道顯微鏡對圖像的識別、認定與解釋尚無完整的理論。
激光共焦顯微鏡的測量范圍小，完成一個平面內樣本的測量耗時長，無法應用于生長晶體的實時觀測。
分光路干涉輪廓儀與反射式微分干涉相襯顯微鏡雖然應用很廣，技術成熟，可是他們只能應用于高反射率的非透明體，對透明樣本無法進行準確觀測。
普通的透射式干涉相襯顯微系統雖然可以取得很好的觀察效果，但是卻無法得到物體表面形貌的定量測量數據。
本發明的方法是用內部裝有四分之一波片及可旋轉的檢偏器的透射式微分干涉相襯顯微鏡來觀察透明樣本，再用光電耦合攝像機(CCD攝像機)來攝取透射式微分干涉相襯顯微鏡所顯示的干涉圖像信息，并將圖像信息存入計算機中，然后旋轉顯微鏡中的檢偏器，則在顯微鏡像面上可得到不同相位的另一幅干涉圖像。CCD再將該干涉圖像攝取并存入計算機。如此旋轉n次檢偏器則可得到n+1幅不同相位的干涉圖像。計算機將所獲得的干涉圖像信息進行解算和重構，即可在顯示器上顯示三維形貌圖和二維輪廓圖。
說明本發明的透射式微分干涉相襯顯微鏡及測量方法原理如下本發明的透射式微分干涉相襯顯微鏡是在常規的透射式微分干涉相襯顯微鏡的主Nomarski棱鏡與檢偏器之間加入四分之一波片，并給檢偏器加驅動裝置，使其可以旋轉，其光路圖如
圖1。其中1為起偏器，2為副Nomarski棱鏡，3為相干平面，4為聚光鏡，5為待測樣品，6為顯微物鏡，7為相干平面，8為主Nomarski棱鏡，9為四分之一波片，10為檢偏器，11為檢偏器旋轉驅動裝置，12為CCD像面。
本發明透射式微分干涉相襯顯微鏡的定量測量光路中在主Nomarski棱鏡后加入四分之一波片，并且加裝了檢偏器的定量旋轉驅動系統。這一技術特征是本發明的關鍵特征之一，改進后的光路能夠得到可以用于定量測量的相位信息，是進一步提取特征相位并進行定量測量的基礎。改進后的透射式微分干涉相襯顯微光路是本發明的創新點之一，區別與現有技術。
本發明的透射式微分干涉相襯顯微鏡采用旋轉檢偏器的相移干涉技術，應用這一技術可以準確、實時的把干涉圖像中與被測形貌有關的相位值提取出來，是本發明的必要技術特征。這一技術是近年來剛剛出現的，目前還停留在實驗階段。其特點是不易受到空氣擾動、機械振動與溫度變化等外界因素的干擾，檢偏器的旋轉角與相位差成線性關系(不會引入非線性誤差)，在分光路與共光路干涉法中都可應用，并且成本低廉。將旋轉檢偏器的相移干涉技術應用于透射式微分干涉相襯顯微觀察系統中，從而實現透明體表面形貌的定量測量是本發明所獨有的技術特征。
本發明的測量原理如下用本發明的透射式微分干涉相襯顯微鏡來觀察透明的物體樣本，透明樣本表面高低不平的形貌特征使通過其上不同點的光束具有了光程差，此光程差與相位差之間的關系可寫成下式 (1)，式中λ為觀察光束的波長，Φ(x，y)為由被測表面形貌引起的相位差。設表面形貌為H(x，y)，通過副Normarski棱鏡的光束沿x軸剪切量為Δx，則H(x，y)在(x+Δx，y)微區內沿x軸方向的斜率為H(x，y)/x，于是光程差又可表示為 (2)，式中n為樣品折射率，令剪切量Δx為S(已知量)，則由(1)、(2)兩式得到Sx(x,y)=∂H(x,y)∂x=λ2πsnΦ(x,y)---(3)]]>從式(3)可以得到被測表面形貌沿x軸方向的斜率與測量光束相位之間的關系。也即Φ(x,y)=2πλΔ(x,y)=2πsnλSx(x,y)---(4)]]>上式中的相位信息已經包括在干涉平面的光強中，如下式所示I(x，y，ζ)＝Io+Icsin[2ζ+Φ(x，y)](5)式中檢偏器的方位角為ζ，Io、Ic分別為直流背景光強和交流背景光強，Φ(x，y)為均勻透明樣本表面形貌引起的相位差。
旋轉檢偏器的相移干涉法可以從(5)中提取出反映樣本表面形貌的特征量Φ(x，y)。如(5)式所示，當Φ(x，y)一定，而檢偏器以恒速旋轉時，干涉相位差隨時間作線性變化，使干涉場上各點的干涉光強在亮與暗之間作正弦變化。以五步法為例，取N＝5，即ζ分別取-π/2，-π/4，0，π/4，π/2，則對應的干涉光強分布為 求解方程組(6)可以得到Φ(x,y)=arctan[2I3-I5-I12(I4-I2)]---(7)]]>上式表明，干涉圖像的相減運算消除了干涉圖像中的直流背景Io，除法運算使得測量結果與交流背景Ic無關。因此上述算法自動消除掉了干涉場上的光強固定噪聲與條紋對比度對相位信息提取結果的影響。
(7)式得到了通過被測樣本后測量光束的相位信息，并同時得到了被測樣本表面形貌沿x軸方向的斜率(見公式3)，通過x軸方向的逐行數值積分，我們最終得到了整個被測樣本表面的形貌數據。
本發明利用透射式微分干涉相襯顯微鏡來定量測量透明物體的表面形貌，需要軟件系統配合，軟件系統要完成包括光路調整、檢偏器旋轉控制、相位提取、表面形貌重構、圖象處理等多種操作。
旋轉檢偏器的相移干涉技術需要大量的運算來提取干涉圖象中有用的特征相位信息，而且由于這些相位信息是微分干涉得到的，所以它們只反映了樣本表面形貌的梯度信息(如果樣本具有均勻折射率)，即從(3)式得到的樣本表面形貌變化率H(x，y)/x。為獲取樣本的表面形貌還需要沿x軸方向積分。我們采取的方法是沿圖像象素點的x軸逐行積分，最后得到了整個圖像的表面形貌。這個積分過程可以采用多種數值積分算法，我們這里采用了復化梯形積分算法，用Math Work公司的Matlab或者C++等開發工具均可以方便的編寫這些算法的程序。在提取相位的程序中的核心部分是相位提取算法，目前國際上對這一算法已經進行了很多研究，可以采用的算法包括三步法、四步法、五步法、N+1步法等分步算法。另外，在重構表面三維形貌的過程中，還需要通過軟件消除噪聲、去掉工作臺傾斜等干擾因素。
圖1為本發明透射式微分干涉相襯顯微鏡光路原理2為檢偏器驅動系統原理框3為測量系統工作流程4為測量系統主程序框圖
1、對透射式照明系統的要求(1)光源應有足夠的亮度，集光鏡應有足夠大的通光孔徑，以提高光能利用率，保證照明物面所需的足夠光能量。同時照明系統應能保證在物樣本被觀察的整個視場范圍得到均勻一致的照明。
(2)使光束經過補償棱鏡及聚光鏡后形成的波前剪切量與主棱鏡及顯微物鏡形成的波前剪切量相同，即達到補償的目的。
(3)通過偏光棱鏡的光束應為平行于系統光軸的平行光，故照明系統中應有足夠長的平行光路，以放置棱鏡部件。
2、對系統中副Nomarski棱鏡的要求是其對光線的剪切量要與主Nomarski棱鏡的剪切量相同，以這一點為基準參照相關設計公式即可設計出系統要求的副Nomarski棱鏡。
3、相移驅動系統在透射式微分干涉相襯顯微鏡的相干復合光路中(即主Nomarski棱鏡后)加入1/4波片及檢偏器作為相移器件。旋轉檢偏器，兩相干光束的光程差隨之變化，從而改變了干涉相位，達到了相移的目的。檢偏器采用了插入式的機械結構設計，并帶有刻度值為3度的旋轉手輪，以實現對檢偏器的人工操作。檢偏器與旋轉手輪間由兩組齒輪實現傳動。為了使測量過程全部自動化，并且達到更精確的移相精度，我們采用36BF-02B型步進電機帶動檢偏器旋轉。步進電機由計算機直接驅動。圖2為檢偏器驅動系統原理框圖。
具體測量步驟如下1、光學系統的調整。包括(1)檢偏器與起偏器的通光方向相互垂直；(2)1/4波片快軸方向與檢偏器方向垂直；(3)主Normarski棱鏡的剪切方向與檢偏器成45度；(4)棱鏡的對稱軸與光軸重合，使棱鏡上下兩塊晶體厚度相同，消除棱鏡引起的相位差；(5)使補償棱鏡的剪切方向與主棱鏡的剪切方向一致。以上全部調整環節已用Visual C++編制了向導程序，可以簡單、快速、準確、客觀的進行調整。
2、顯微鏡調焦。
3、旋轉檢偏器(手動旋轉或步進電機自動旋轉)，每隔固定角度采集干涉圖樣一張，保存在計算機硬盤內。具體間隔角度可以根據實際情況選擇，采集圖片數量則根據所采用的不同相位提取方法來決定。例如，如果采用五步法，則在零位前后均勻采集5幅圖片。
4、調用相位計算子程序。該子程序把采集到的5幅圖片中每一個象素點的光強值代入公式(6)，計算出樣本表面上該象素點所對應點的相位值。通過512×512次(顯示區域內共有512×512個象素點)運算，就得到了整個觀測樣本表面的相位分布。進而通過調用差分計算子程序根據公式3計算出樣本表面形貌變化梯度值。
5、調用高度積分計算子程序，通過數值積分算法由樣本表面形貌變化梯度計算出樣本表面的形貌圖。
6、調用圖像處理子程序，消除高頻、低頻噪聲。
7、調用形貌顯示子程序與輪廓線顯示子程序，顯示樣本表面的形貌特征。
權利要求
1.一種用透射式微分干涉相襯顯微鏡定量測量透明體表面形貌的方法，其方法特征是用內部裝有四分之一波片及可旋轉的檢偏器的透射式微分干涉相襯顯微鏡觀察透明樣本，再用光電耦合攝像機來攝取透射式微分干涉相稱顯微鏡所成的干涉圖像，并將該圖像信息存入計算機中，然后旋轉顯微鏡中的檢偏器，則在顯微鏡的像面上得到不同相位的另一幅干涉圖像。光電耦合攝像機再將該干涉圖像攝取并存入計算機。如此旋轉n次檢偏器則可得到n+1幅不同相位的干涉圖像，計算機將所獲得的干涉圖像信息進行解算和重構，即可在顯示器上顯示三維形貌圖和二維輪廓圖。
2.一種由透射式微分干涉相襯顯微鏡定量測量透明體表面形貌的裝置，其特征是在常規的透射式微分干涉相襯顯微鏡的主Nomarski棱鏡與檢偏器之間加入四分之一波片并給檢偏器加驅動裝置，使其可以旋轉。
全文摘要
一種用透射式微分干涉相襯顯微鏡定量測量透明體表面形貌的方法和裝置,屬微觀物體表面形貌測量技術領域。其特征是在常規透射式微分干涉相襯顯微鏡的主Nomarski棱鏡與檢偏器之間加入四分之一波片,并給檢偏器加驅動裝置,使其可以旋轉。在測量時多次旋轉檢偏器,可以在顯微鏡的成像面上得到不同相位的干涉圖像,用CCD攝像機攝取干涉圖像信息,存入計算機中,然后由計算機對所得的干涉圖像信息進行解算和重構,即可在計算機顯示器上顯示三維形貌圖和二維輪廓圖。
文檔編號G01B11/24GK1358996SQ0210361
公開日2002年7月17日 申請日期2002年1月29日 優先權日2002年1月29日
發明者徐毓嫻, 李慶祥, 李文江, 蔡昕, 董小滿 申請人:清華大學