[发明专利]一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法

说明书

技术领域：

本发明属于高分辨共焦扫描光学显微成像及测量技术领域，尤其涉及一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法。

背景技术：

光学显微镜在人类认识和理解微观科学世界的进程中起到了重要的推动作用，20世纪50年代中后期，美国哈佛大学博士后M.Minsky发明了一类全新的光学显微镜，即共焦显微镜(或共聚焦显微镜)，这是一类采用点照明和点探测、引入逐点扫描装置来实现样品内部三维结构立体成像。共焦显微镜具有高横向分辨率特性和独特的光学层析能力，对现代生物/医学成像、生命科学、工业/工程检测、材料科学、纳米技术等众多领域产生了广泛而深远的影响。共焦扫描光学显微镜的发明和应用，也开启了光学层析显微技术研究和应用的先河。

高分辨率共焦显微探测机理的突破，与超分辨光学显微成像技术的研究密切相关。突破阿贝衍射分辨率极限的物理约束，长期以来成为科学家关注和研究的热点和难点问题，这一研究在20世纪末至21世纪初的近二十年时间内，涌现出了多种解决方案。

常用的共焦探测器有针孔、狭缝、单模光纤、多模光纤，另外还有环形孔、方形孔、虚拟针孔等，尤其是通过CCD或CMOS芯片实现虚拟针孔探测是一种可以理论上实现任意针孔样式滤波。

采用固定针孔滤波共焦探测，如物理针孔、单模光纤、多模光纤，几何形状确定后系统成像分辨率和光学层析能力随之确定，因此必须通过精密针孔转盘电控等方法选择探测针孔尺寸，从而实现系统分辨率、层析特性与信噪比的折中；采用大小针孔滤波差分共焦探测可以实现横向超分辨成像，一方面针孔尺寸固定限制了分辨率的灵活调整，另一方面需要在光路上通过双路共焦探测实现。此外，共焦显微镜系统实现共焦点探测是利用点探测器与光电探测器的组合来实现的，仍没有独立、集成的共焦点探测器。

上述问题是目前共焦扫描光学显微镜所面临的实际问题，亟须寻找开发一种独立集成的、灵活可编程的专用共焦点探测器，本发明提出一种多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法，是对传统共焦点探测装置及探测方法的革新。

发明内容：

本发明的目的是为了克服针孔、单模光纤、多模光纤和虚拟针孔(CCD或CMOS芯片)等用于实现共焦点探测具有的固有缺陷，提供了一种结构简单、灵活实用、较低成本的多环带形MEMS共焦针孔探测器及测量方法，以实现三维高分辨共焦扫描光学层析成像及精密测量等。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

一种多环带形MEMS共焦针孔探测器，包括自下而上设置的硅基底和底层电极，底层电极上通过绝缘层由内至外间隔绝缘形成圆形区域和若干环形区域，圆形区域和每个环形区域内自底层电极起自下而上依次为N型区、耗尽层和P型区，每个P型区的顶面沉积一个上层独立电极；其中，

共焦显微镜系统中由待测物体反射或散射发出的照明光投射在P型区表面，通过由圆形区域和若干环形区域内的上层独立电极、P型区、耗尽层、N型区和底层电极组成的环带形光探测单元探测上述光强度场后，以独立电极信号形式传递到后续电路处理单元。

本发明进一步的改进在于，还包括透光窗口，其设置在绝缘层和上层独立电极的上方，由待测物体反射或散射发出的照明光经过透光窗口后投射在P型区表面。

本发明进一步的改进在于，还包括引线焊盘，其沿底层电极的圆周方向焊接在底层电极上。

本发明进一步的改进在于，上层独立电极和绝缘层能够实现圆形区域和每个环形区域的独立光电转换传感输出。

上述一种多环带形MEMS共焦针孔探测器的测量方法，包括以下步骤：

由待测物体反射或散射发出的照明光投射在P型区表面，通过由圆形区域和若干环形区域内的上层独立电极、P型区、耗尽层、N型区和底层电极组成的光探测单元探测上述光强度场，并以独立电极信号形式传递至后续电路处理单元，进而利用圆形区域和若干环形区域内的独立电极信号进行数学运算，选择滤波器信号输出模式实现不同环带探测信号的求和、差分、微分共焦探测输出。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明所述的多环带形MEMS共焦针孔探测器，集成了针孔探测单元及光电探测器为一体，利用MEMS工艺实现结构轻巧、成本低廉、多种功能的共焦点探测器。

本发明所述的多环带形MEMS共焦针孔探测器测量方法，利用逻辑功能电路选择实现不同环带探测信号的求和、差分、微分等组合输出，并可以分别实现不同环带探测电极信号独立输出，利用不同环带信号的独立或运算组合实现多种功能共焦滤波探测输出，可应用实现横向或轴向高分辨共焦扫描光学成像及精密测量等。