[发明专利]基于结构光与介质微球联合调制的微纳结构超分辨三维形貌检测方法

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于结构光与介质微球联合调制的微纳结构超分辨三维形貌检测方法。

背景技术

目前，微纳结构测量手段主要分为非光学、光学两类。在非光学检测中，主要有台阶仪，原子力显微镜(AFM)，扫描电子显微镜(SEM)等手段，大多采用接触式测量形式，精度高，但测量速度慢，范围较小，易损伤器件表面，设备昂贵，在微纳器件检测过程中应用受到限制。在光学检测中，主要有共聚焦扫描显微镜，椭偏仪和白光干涉等手段，大多采用非接触式测量，具有测量速度快、精度高等优点，是微纳结构检测的重要手段。

然而，现有光学测量方法，受限于光波衍射效应，横向分辨力最高仅为200nm左右，而该成像分辨力已经远远不能满足人们对微纳世界进行探索的需求。限制了其在高分辨力微纳结构检测中的应用，难以满足微纳结构分辨力不断提高的需要。如在半导体领域中，由于光刻技术的不断突破，微纳器件特征尺寸不断接近技术极限，检测分辨率成为了最大掣肘。

近年来，国内外科研人员纷纷投入到光学超分辨检测研究领域中，取得了许多重要突破。比如，2014年诺贝尔奖获得者德国科学家Stephan W.和美国科学家William E.提出的受激发射损耗显微技术(STED)和Eric Betz提出的光激活定位显微术(PALM)。然而这些技术需要对生物样品进行染色标记，无法适用于微纳结构器件形貌检测。此外，针对微纳结构的超分辨测量技术研究还包括L.Gustafsson团队提出的结构光照明显微技术，去卷积技术以及光学共聚焦等，都在一定程度上能有效提升成像分辨率，但难以突破200nm横向分辨率

在国内也有不少科研院与高校对光学显微超分辨的研究，但目前的光学超分辨显微技术大多集中在二维平面成像上，在微纳结构三维形貌超分辨检测中应用极少。实现检测精度高，横向分辨率高的微纳结构三维形貌检测方法仍然是目前国内外需要继续突破的难题。

发明内容

为了解决上述难题，本发明设计了所述的结构光与介质微球联合调制的微纳结构超分辨三维形貌检测方法，可以实现纵向高精度测量的同时提高横向检测精度。解决现有光学检测方法横向分辨力受限于衍射效应，无法突破200nm的瓶颈问题，满足微纳结构特征尺寸不断缩小，对高分辨力三维形貌检测的迫切需求。

本发明采用的技术方案为：一种基于结构光与介质微球联合调制的微纳结构超分辨三维形貌检测方法，采用白光宽光谱光源，通过空间光调制器DMD对测量光场振幅进行编码操控，同时将介质微球放置于待测物体表面，纵向上，通过压电陶瓷完成纵向高精度扫描，对CCD(Charge-Coupled Device)采集获取的一系列结构光调制图进行算法解析，寻找独立单个像素点调制度极值，实现对微纳结构的高度信息恢复；横向上，利用介质微球产生超分辨三维光场的特性，通过显微系统获取得到突破衍射极限的超分辨成像；根据所得的纵向，横向结构信息，最后整合成空间三维数据信息，实现微纳结构的超分辨三维形貌检测。

其中，采用白光宽光谱光源，通过空间光调制器DMD对测量光场振幅进行编码操控，同时将介质微球放置于待测物体表面。

其中，纵向上，通过压电陶瓷完成纵向高精度扫描，对CCD(Charge-Coupled Device)采集获取的一系列结构光调制图进行算法解析，寻找独立单个像素点调制度极值，实现对微纳结构的高度信息恢复。

其中，横向上，利用介质微球产生超分辨三维光场的特性，通过显微系统获取得到突破衍射极限的超分辨成像。

其中，根据所得的纵向，横向结构信息，最后整合成空间三维数据信息，实现微纳结构的超分辨三维形貌检测。

其中，利用5步相移法获取每个像素点的调制度数值，由于其相移法解析的高精度特性，通过寻找调制度极值点及其对应扫描位置，可高精度恢复高度信息。同时利用介质微球的超分辨成像特性，提高横向检测分辨率，具有测量精度，实用性强的特点。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)、结合可控结构光和介质微球调制，同时提高检测的纵向，横向精度，横向分辨率更是突破衍射极限，实现微纳结构的三维超分辨检测。满足微纳结构特征尺寸不断缩小，对高分辨力三维形貌检测的迫切需求；

(2)、本发明中，相比传统三维形貌检测系统结构，无需增加系统复杂性即可实现更高精度的检测，具有很强的使用性。

附图说明