способ измерения структуры и динамики микрообъектов и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ измерения структуры и динамики микрообъектов путем получения интерференционного изображения объекта в фазовом микроскопе с модуляцией фазы опорной волны, отличающийся тем, что модуляцию осуществляют таким образом, чтобы скорость изменения фазы опорной волны в процессе модуляции на участке линейной зависимости фазы от времени и период Т модулирующей функции удовлетворяли соотношению



где n 1, 2, 3.

осуществляют прерывание рабочего сигнала и его фильтрацию на частоте



при этом расположение границ микрообъектов определяют по результатам измерения вазы рабочего сигнала в точках с минимальной интенсивностью интерференционного поля, динамические процессы регистрируют по изменению фазы во времени, а фазу рабочего сигнала измеряют по одному мгновенному значению рабочего сигнала за период модуляции Т.

2. Сnocoб по п. 1, отличающийся тем, что осуществляют совмещение структурированной поверхности объекта с фокальной плоскостью измерительного объектива с использованием в качестве критерия совмещения максимального значения градиента фазы в процессе сканирования интерференционного поля.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что осуществляют сужение полосы фильтра и увеличение коэффициента усиления при уменьшении амплитуды интерференционного сигнала.

4. Способ по п. 1 или 3, отличающийся тем, что осуществляют коррекцию фазы рабочего сигнала путем сравнения его фазы с усредненной фазой сигнала, получаемого при проецировании на одноэлементный фотоприемник всего интерференционного изображения или значительной его части.

5. Способ по пп. 1 и 4, отличающийся тем, что циклически и периодически во времени измеряют фазы в заданных точках объекта и по корреляции полученных зависимостей фазы от времени судят о динамических изменениях структуры объекта.

6. Устройство для измерения структуры и динамики микрообъектов, представляющее собой фазовый микроскоп, содержащий монохроматический когерентный источник света, двухлучевой интерферометр с колеблющимся зеркалом в опорном плече, приемник излучения с узлом сканирования, узел измерения фазы и индикатор фазового изображения, отличающееся тем, что оно содержит блок прерывания рабочего сигнала, подключенный к выходу приемника, управляемый фильтр, подключенный входом к выходу блока прерывания рабочего сигнала, а выходом к одному из входов узла измерения фазы, при этом к второму входу узла измерения фазы, второму входу блока прерывания рабочего сигнала, приводу колеблющегося зеркала и узлу сканирования фотоприемника подключен блок синхронизации, выход которого подключен к первому входу индикатора, второй вход индикатора к выходу узла измерения фазы, при этом в качестве приемника излучения использован неинтегрирующий координатно-чувствительный фотоприемник, преимущественно диссектор.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно снабжено средством регулирования полосы пропускания фильтра и уровня рабочего сигнала, при этом выход узла прерывания рабочего сигнала соединен с входом фильтра через усилитель, второй вход которого соединен с другим выходом средства регулирования полосы пропускания фильтра.

8. Устройство по п. 1 или 2, отличающееся тем, что оно содержит цепь контрольного сигнала, содержащую одноэлементный неинтегрирующий фотоприемник, на который проецируется все интерференционное изображение или значительная его часть, узел прерывания и подключенный к нему фильтр контрольного сигнала, выход которого подключен к третьему входу узла измерения фазы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к способам измерения структуры и динамики микрообъектов, а также к устройствам для его осуществления, и может быть использовано в биологии, физике твердого тела, микроэлектронике и т.д.

Известен способ для измерения микрообъектов, в частности профиля поверхности, в основе которого лежит исследование интерференционной картины, полученной в двухлучевом интерферометре с дискретным изменением оптической разности хода [1]

Устройство, реализующее этот способ, содержит источник света, двухлучевой интерферометр, координатно-чувствительный интегрирующий фотоприемник, электронный блок обработки интерференционного сигнала и индикатор фазового изображения.

Недостатком, присущим этим способу, и устройству является сравнительно невысокая разрешающая способность, не превышающая классический предел, обусловленная как наличием различного рода шумов, так и самой методикой измерений, не позволяющей четко выделять границы фазовых неоднородностей.

Эти недостатки, хотя и в меньшей степени, присущи также прототипу данного изобретения, описанному в [2]

Способ измерения микрообъектов согласно прототипу предусматривает построчное сканирование интерференционного изображения объекта, полученного в фазовом микроскопе с модуляцией фазы опорной волны.

Устройство, реализующее способ прототип, содержит оптически связанные между собой источник когерентного излучения, двухлучевой интерферометр с колеблющемся зеркалом в опорном плече, обеспечивающим периодическую модулирующую функцию с участком линейной зависимости фазы от времени, и координатно-чувствительный фотоприемник, а также модулятор фазы опорной волны и узлы сканирования фотоприемника, измерения фазы рабочего сигнала, индикации и блок синхронизации работы этих узлов.

Технической задачей предложения является повышение разрешающей способности микроскопа и более точное определение положения границ фазовых неоднородностей, в частности, при расстоянии между ними, меньшем длины волны источника света, а также возможности одновременной регистрации динамических процессов в различных точках изображения микрообъекта.

Согласно изобретению это достигается тем, что модуляцию фазы опорной волны осуществляют так, что скорость изменения фазы (d/dt) в процессе модуляции на участке линейной зависимости фазы от времени и период Т модулирующей функции удовлетворяют соотношению

где n 1, 2, 3, (1)

на выходе интерферометра получают динамическое интерференционное изображение объекта, которое проецируют на фотокатод координатно-чувствительного неинтегрирующего фотоприемника, рабочий сигнал с его выхода периодически прерывают, фильтруют на частоте и измеряют фазу рассеянной объектом волны в каждой точке изображения по одному мгновенному значению рабочего сигнала за период модуляции Т. Расположение границ микрообъектов определяют по измерениям фазы рабочего сигнала в точках с минимальной интенсивностью интерференционного поля.

Способ отличается также тем, что осуществляют совмещение структурированной поверхности объекта с фокальной плоскостью измерительного объектива с использованием в качестве критерия максимального градиента фазы в процессе сканирования интерференционного поля.

Другое отличие способа состоит в том, что осуществляют сужение полосы пропускания фильтра и увеличение коэффициента усиления при уменьшении амплитуды интерференционного сигнала.

Способ отличается также тем, что в изображении фиксируют m произвольно выбранных точек и затем циклически-периодически с заданным интервалом времени t производят в этих точках измерение фазы v_i(t₀+ p), где i 1,2,3,m - индексы координат точек, р 0,1,2.N, m длительность цикла, mN полное время измерений.

Следующее отличие способа состоит в той, что осуществляют коррекцию фазы рабочего сигнала путем сравнения его фазы с усредненной фазой сигнала, получаемого при проецировании на одноэлементный фотоприемник всего или значительной части интерференционного изображения.

Соответственно предложенное устройство, реализующее данный способ, отличается от прототипа тем, что оно содержит блок прерывания сигнала, подключенный к выходу неинтегрирующего координатно-чувствительного фотоприемника, управляемый фильтр, подключенный входом к выходу блока прерывания рабочего сигнала, а выходом к одному из входов узла измерения фазы, при этом к второму входу узла измерения фазы, второму входу блока прерывания рабочего сигнала, приводу зеркала и узлу сканирования фотоприемника подключен блок синхронизации, выход которого подключен к первому входу индикатора, второй вход которого подключен к выходу узла измерения фазы.

Другим отличием устройства является то, что оно снабжено средством регулирования полосы пропускания фильтра в зависимости от уровня сигнала, при этом выход узла прерывания рабочего сигнала соединен с входом фильтра через усилитель, второй вход которого соединен с другим выходом средства регулирования полосы пропускания фильтра.

Другим отличием устройства является то, что оно имеет цепь контрольного сигнала, содержащую неинтегрирующий одноэлементный фотоприемник, на который проецируется все или значительная часть интерференционного изображения, узел прерывания сигнала и подключенный к нему фильтр контрольного сигнала, выход которого подключен к третьему входу узла измерения фазы.

На фиг. 1 приводится блок-схема заявляемого устройства.

На фиг. 2 показаны средства автоматического управления полосой фильтра и автоматической регулировки усиления рабочего сигнала.

На фиг. 3 показана цепь контрольного сигнала.

На фиг. 4 приводится временная диаграмма фазы опорной волны, работы узлов прерывания рабочего и контрольного сигналов, фильтра и узла измерения фазы сигналов методом временных интервалов.

В блок-схеме заявляемого устройства фазовый микроскоп содержит оптически связанные источник 1 когерентного излучения, двухлучевой интерферометр 2, например, по схеме Линника, координатно-чувствительный неинтегрирующий фотоприемник 3, модулятор 4 фазы опорной волны, обеспечивающий периодическую модуляцию с участком линейной зависимости фазы от времени, узел 5 сканирования фотоприемника, последовательно соединенные с выходом фотоприемника узел 6 прерывания и фильтр 7 рабочего сигнала, узел 8 измерения фазы и узел 9 индикации изображения, средство 10 синхронизации, которое управляет работой модулятора 4 и узла 5 сканирования, узла 6 прерывания, узла 8 измерения фазы и узла 9 индикации.

В блок-схеме заявляемого устройства на фиг. 2 показано средство 11 автоматического управления полосой фильтра 7, средство 12 автоматической регулировки усиления рабочего сигнала. Вход средства 11 подключен к выходу фильтра 7 рабочего сигнала, его первый выход подсоединен к управляющему входу фильтра 7, а второй его выход к управляющему входу усилителя 12 автоматической регулировки усиления, первый вход которого подключен к выходу узла прерывания сигнала, а выход к первому входу фильтра 7.

В блок-схеме заявленного устройства на фиг. 3 показана цепь контрольного сигнала, состоящая из оптически связанного с интерферометром 2 неинтегрирующего фотоприемника 13 контрольного сигнала, выход которого связан с последовательно включенными узлом 14 прерывания и фильтром 15 опорного сигнала, выход которого связан с вторым управляющим входом узла 8 измерения фазы, а управляющий вход узла прерывания 14 соединен с блоком 10 синхронизации.

Измерения осуществляют следующим образом. Излучение лазера 1 поступает в интерферометр 2 и модулированное интерференционное изображение проецируется на фотокатод неинтегрирующего координатно-чувствительного фотоприемника 3. Сигнал с выхода фотоприемника последовательно проходит через узел 6 прерывания и фильтр 7 рабочего сигнала в узел 8 измерения фазы. Узел 5 сканирования координатно-чувствительного фотоприемника и модулятор 4 обеспечивают последовательное во времени измерение локальных значений фазы в каждой точке растра с координатами х,у. Накопленный за время измерений массив цифровых значений фазы отображается на дисплее узла 9 индикации. Блок 10 синхронизации обеспечивает согласованную работу узла 6 прерывания, узла 8 измерения фазы, модулятора 4, узла 5 сканирования и узла 9 индикации. При выполнении соотношения (1) рабочий сигнал на входе фильтра оказывается квазигармоническим со средней частотой и фильтр 7 подавляет шумы, лежащие вне его полосы.

Скорость d/dt изменения фазы в соотношении (1) устанавливают предпочтительно путем регулировки амплитуды колебаний опорного зеркала, а число n устанавливают из условия оптимальной величины временного интервала в узле 8 измерения фазы.

На фиг. 2 показано заявляемое устройство с автоматическим управлением полосой фильтра 7, обеспечивающее уменьшение его полосы пропускания F в точках растра с малой интенсивностью интерференционного сигнала. Средство 11 управления при снижении уровня сигнала до заданной величины уменьшает полосу фильтра 7 и увеличивает отношение сигнал/шум. Этой же цели служит усилитель 12 на входе фильтра 7, показанный схематически на фиг 2. Усилитель 12 может быть выполнен в виде традиционной схемы АРУ.

Для снижения влияния на точность измерений фазы внешних акустических воздействий в предлагаемом устройстве введена цепь контрольного сигнала, обеспечивающая компенсацию малых изменений оптической разности хода в интерферометре 2. Цепь контрольного сигнала на фиг 3 состоит из оптически связанного с интерферометром одноэлементного неинтегрирующего контрольного фотоприемника 13 и последовательно включенных узла 14 прерывания и фильтра 15, выход которого связан с управляющим входом узла 8 измерения фазы.

Поясним работу устройства с цепью контрольного сигнала, показанного на фиг. 3, на примере метода временных интервалов. На фотоприемник 13 опорного сигнала проецируется все или существенная часть интерференционного изображения и с его выхода контрольный сигнал поступает через узел 14 прерывания и фильтр 15 на управляющий вход узла 8 измерения фазы. В узле 8 формируется за каждый период модуляции контрольный временной интервал _к, пропорциональный фазе _к, усредненной по всему изображению или его части. В узле измерения фазы 8 образуется разностный временной интервал, который в оцифрованном виде поступает в узел индикации изображения 9.

На фиг. 4 приведены временные диаграммы, поясняющие работу фильтров 7, 15, узлов прерывания сигнала 6, 14 и узла 8 измерения фазы.

Периодическое изменение фазы опорной волны интерферометра (t) с линейным участком длительностью T₁ в течение периода Т модуляции показано на фиг. 4а. Фототок I_p (t) на выходе координатно-чувствительного неинтегрирующего фотоприемника 3 в фиксированной точке х,у растра имеет вид, показанный на фиг. 4б. Узел прерывания 6 в течение строба длительностью Т₂ передает рабочий сигнал на фильтр 7, в котором возбуждаются квазигармонические затухающие колебания с частотой и начальной фазой v_p(x,y), определяемой фазой рабочего сигнала I_p (t) с выхода фотоприемника. Форма рабочего сигнала на выходе фильтра показана на фиг. 4г. Контрольный сигнал на выходе фотоприемника 13 и фильтра 15 показан на фиг. 4 в,д. На фиг 4е,ж,з показаны соответственно рабочий _p(x,y), контрольный _к временные интервалы, а также разностный временной интервал (x,y) в узле измерения фазы.

Точки 1,2 на фиг. 4г,д показывают соответственно моменты формирования задних фронтов временных интервалов.

В предлагаемом способе в качестве критерия точного совмещения структурированной поверхности объекта с фокальной плоскостью измерительного объектива используют максимум градиента фазы, который в отличие от максимума интенсивности отраженной волны является более адекватным критерием контраста фазового изображения.

В предлагаемом способе производят одновременно регистрацию динамических процессов в различных точках изображения путем циклически-периодического изменения координат точек с помощью узла 5 сканирования. Информация о динамическом процессе в i-ой точке в виде графиков, корреляционных функций и Фурье-спектров содержится в последовательности значений _i(t₀ + p), получаемых на выходе узла 8 измерения фазы.

Описанные выше способ и устройство были реализованы в фазовом микроскопе, содержащем модифицированный интерферометр Линника МИИ-4, гелий-неоновый лазер, диссектор, а также стандартные схемотехнические решения для узлов развертки, прерывания, фильтра, измерения фазы и блока синхронизации, используемые в телевизионной технике, синхронных детекторах и частотомерах. Матобеспечение позволило управлять работой микроскопа и отображать информацию на дисплее компьютера IBM PC 386.

Возможность получения указанного технического результата увеличения пространственного разрешения микроскопа по сравнению с классическим пределом была подтверждена прямыми измерениями [3] Так, на компьютерном фазовом микроскопе "Эйрискан" с = 0,63 мкм и классическим пределом разрешения D 0,43 мкм для объектива 100х/0,9 были получены фазовые изображения щелей шириной до 0,1 мкм.