專利名稱：三差動(dòng)共焦顯微成像方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于顯微成像及微觀測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸向超分辨成像的三差動(dòng)共焦顯微成像方法與裝置，其可用于測(cè)量樣品的三維表面形貌、三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺(tái)階、微溝槽、集成電路線寬等。
背景技術(shù)：
共焦顯微鏡的思想最早由美國(guó)學(xué)者M(jìn).Minsky于1957年首次提出，并于1961年獲得美國(guó)專利，專利號(hào)為US3013467。共焦顯微鏡將點(diǎn)光源、點(diǎn)物和點(diǎn)探測(cè)器三者置于彼此對(duì)應(yīng)的共軛位置，構(gòu)成光學(xué)顯微成像中獨(dú)具層析能力的點(diǎn)照明和點(diǎn)探測(cè)顯微成像系統(tǒng)。一般共焦顯微鏡的基本原理如圖1所示，光源1發(fā)出的光經(jīng)針孔26、物鏡5在被測(cè)物體表面聚焦成光斑后被被測(cè)物體反射，反射光沿原路返回，再通過(guò)分光鏡10將來(lái)自物體的信號(hào)光導(dǎo)入放置于光電探測(cè)器8前面的針孔7內(nèi)，在光電探測(cè)器8處形成點(diǎn)檢測(cè)，光電探測(cè)器8主要接收來(lái)自物鏡焦點(diǎn)處的信號(hào)光，焦點(diǎn)以外的返回光被針孔7遮擋。當(dāng)物體位于焦平面A時(shí)，光電探測(cè)器8接收到的光能最大，當(dāng)物體偏離焦平面A時(shí)，反射光被聚焦于針孔前或后的某一位置，此時(shí)光電探測(cè)器8僅接收一小部分光能量，也就是說(shuō)物體在離焦時(shí)探測(cè)到的信號(hào)要比在焦平面時(shí)弱，這樣就可以通過(guò)光電探測(cè)器檢測(cè)光強(qiáng)信號(hào)的強(qiáng)弱變化來(lái)反映物體相對(duì)于焦平面的位置。當(dāng)物體沿垂直于光軸方向的X-Y平面內(nèi)作掃描運(yùn)動(dòng)時(shí)，共焦顯微鏡依據(jù)光軸Z向離焦信號(hào)、X向和Y向的位移大小，即可構(gòu)建出被測(cè)物體的三維輪廓。在光學(xué)顯微鏡成像中共焦顯微鏡因其具有獨(dú)特的層析成像能力，這就使其廣泛應(yīng)用于生物工程、醫(yī)學(xué)檢測(cè)、信息存儲(chǔ)、微電子、半導(dǎo)體材料及表面輪廓測(cè)量等領(lǐng)域。
共焦顯微鏡層析成像能力由圖2所示的軸向響應(yīng)曲線27的半高寬FWHM決定，F(xiàn)WHM越大，層析成像能力越強(qiáng)。但由于受衍射現(xiàn)象的限制，用傳統(tǒng)的通過(guò)增大物鏡5數(shù)值孔徑值NA和減小光波波長(zhǎng)λ等方法改善共焦顯微鏡層析成像能力極其有限。為改善共焦顯微鏡的層析成像能力，近來(lái)已有眾多非傳統(tǒng)的共焦成像原理和超分辨方法被提出。在共焦顯微鏡的研究方面，出現(xiàn)了4PI共焦顯微鏡、θ共焦顯微鏡和基于光學(xué)非線性行為的雙光子和多光子共焦顯微鏡等；在改善共焦顯微鏡超分辨成像技術(shù)方面已研究出以下幾類方法，一類是減小由瑞利判據(jù)決定的愛(ài)里斑，但不增大光學(xué)系統(tǒng)的空間截止頻率，常用的技術(shù)包括光瞳濾波技術(shù)、移相掩模技術(shù)、基于光學(xué)性質(zhì)非線性變化的超分辨技術(shù)等；第二類是通過(guò)增大光學(xué)系統(tǒng)空間截止頻率，增加高頻光線所占的比例，來(lái)減小光學(xué)系統(tǒng)的愛(ài)里斑主瓣；第三類是通過(guò)改變光學(xué)系統(tǒng)入射光束空間頻率的分布，來(lái)減小光學(xué)系統(tǒng)愛(ài)里斑的主瓣，一般可通過(guò)離軸照明技術(shù)、變形照明技術(shù)、正交偏振光照明技術(shù)、環(huán)形光照明技術(shù)和干涉光束空間頻移法等光源照明技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
總體上看，上述新型共焦顯微鏡和超分辨方法改善了共焦顯微鏡的軸向分辨特性，在一定程度上滿足了共焦顯微鏡不同超分辨場(chǎng)合的應(yīng)用需求，但它們對(duì)共焦顯微鏡的抗干擾能力并沒(méi)有明顯的改善，甚至有些方法，如光瞳濾波器超分辨法，還會(huì)由于進(jìn)行超分辨而引起共焦顯微鏡強(qiáng)度響應(yīng)特性旁瓣的增加，反而減弱了共焦顯微鏡的抗干擾能力，影響共焦顯微鏡的成像性能。

發(fā)明內(nèi)容
為克服上述已有共焦顯微鏡及軸向超分辨技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種完全不同于上述超分辨技術(shù)的三差動(dòng)共焦顯微成像方法與裝置，使共焦顯微鏡在改善其層析成像能力的同時(shí)，還能顯著增強(qiáng)共焦顯微鏡的抗干擾能力和改善線性范圍，具有軸向超分辨能力。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是一種三差動(dòng)共焦顯微成像方法，包括下列步驟(1)將共焦顯微鏡的測(cè)量接收光路分為三路共焦接收光路；(2)三路共焦接收光路測(cè)得具有不同位相差的軸向響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度I2(v，u，-uM)、I1(v，u，+uM)和I3(v，u，0)以及具有不同位相的曲線34、33和35；(3)將I3(v，u，0)和I2(v，u，-uM)差動(dòng)相減得IA(v，u)，I3(v，u，0)和I1(v，u，+uM)差動(dòng)相減得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)差動(dòng)相減得IC(v，u)，則得到對(duì)應(yīng)被測(cè)樣品凸凹變化的強(qiáng)度I(v，u)為 及強(qiáng)度曲面31；
(4)優(yōu)化針孔18和針孔14距其相應(yīng)聚光鏡焦點(diǎn)位置的光學(xué)歸一化坐標(biāo)uM，改善共焦顯微鏡的軸向分辨力；(5)依據(jù)I(v，u)強(qiáng)度曲面31在測(cè)量范圍內(nèi)的光強(qiáng)大小，重構(gòu)出被測(cè)樣品的三維表面形貌和微觀尺度。
本發(fā)明還提供了一種具有軸向超分辨的共焦顯微鏡裝置，包括光源1，依次放在光源1發(fā)射端的空間濾波針孔26、測(cè)量顯微物鏡5，還包括放置在光源1發(fā)射端的擴(kuò)束器2、偏振分光鏡3、放置在偏振分光鏡3透射光路上的四分之一波片4、以及將偏振分光鏡3反射后的測(cè)量光束第一次分為兩束測(cè)量光的分光鏡10、將分光鏡10透射的光束再次分為兩束測(cè)量光束的分光鏡12，分別匯聚三束測(cè)量光的三個(gè)聚光鏡17、6和13，依次位于三個(gè)聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個(gè)針孔18、7和19，以及分別貼近三個(gè)針孔后面的三個(gè)光電探測(cè)器19、8和15。
本發(fā)明成像方法及裝置具有以下特點(diǎn)及良好效果利用針孔軸向偏移改變共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線相位這一性質(zhì)，通過(guò)對(duì)三束聚焦測(cè)量光束依次進(jìn)行遠(yuǎn)焦、焦面和近焦探測(cè)，獲得具有不同位相的三個(gè)測(cè)量信號(hào)，再進(jìn)行相應(yīng)的差動(dòng)相減處理等，達(dá)到既改善共焦顯微系統(tǒng)軸向分辨力又顯著增強(qiáng)環(huán)境抗干擾能力、線性和離焦特性等，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之一。
利用三探測(cè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和融合，使共焦顯微鏡具有軸向超分辨顯微成像功能的同時(shí)，還具有差動(dòng)共焦測(cè)量系統(tǒng)的功能，與普通的共焦顯微鏡相比，三差動(dòng)共焦顯微鏡更便于三維表面輪廓和微細(xì)結(jié)構(gòu)的高精度測(cè)量，其將顯微成像測(cè)量和表面微觀輪廓及尺寸測(cè)量相融合，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。
本發(fā)明三差動(dòng)共焦顯微軸向超分辨方法與上述共焦顯微鏡軸向超分辨方法可有機(jī)結(jié)合，可在上述超分辨技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步應(yīng)用本三差動(dòng)共焦顯微超分辨方法進(jìn)行超分辨成像，這是區(qū)別于現(xiàn)有超分辨技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之三。
采用上述技術(shù)后，測(cè)量裝置具有如下特點(diǎn)1)提高共焦顯微系統(tǒng)軸向分辨力的同時(shí)，可改善共焦顯微系統(tǒng)的橫向離焦特性；2)雙探測(cè)器差動(dòng)相減探測(cè)法可抑制環(huán)境狀態(tài)差異、光源光強(qiáng)波動(dòng)、探測(cè)器電氣漂移等引起的共模噪聲，顯著提高測(cè)量系統(tǒng)的信噪比、靈敏度以及線性等；
3)使共焦顯微鏡還具有差動(dòng)共焦測(cè)量系統(tǒng)的雙極性測(cè)量輔助功能，便于對(duì)三維微細(xì)結(jié)構(gòu)和表面輪廓進(jìn)行雙極性絕對(duì)跟蹤測(cè)量。


圖1共焦顯微鏡原理圖。
圖2共焦顯微鏡軸向響應(yīng)仿真曲線。
圖3為本發(fā)明方法與裝置構(gòu)成圖。
圖4為差動(dòng)信號(hào)靈敏度仿真曲線。
圖5為本發(fā)明當(dāng)uM＝5.21時(shí)共焦顯微鏡三維強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲面。
圖6為本發(fā)明當(dāng)uM＝5.21時(shí)共焦顯微鏡三維強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲面。
圖7為典型共焦顯微鏡三維強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲面。
圖8為本發(fā)明當(dāng)uM＝5.21時(shí)共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線。
圖9為本發(fā)明當(dāng)uM＝5.21時(shí)共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲線。
圖10為本發(fā)明當(dāng)uM＝8.0時(shí)共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線。
圖11為本發(fā)明當(dāng)uM＝8.0時(shí)共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲線。
圖12為軸向強(qiáng)度響應(yīng)I3(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)的實(shí)測(cè)曲線，以及差動(dòng)相減曲線Ic(0，u)和I(0，u)。
圖13為軸向強(qiáng)度響應(yīng)I3(v，u，0)和差動(dòng)相減強(qiáng)度I(0，u)的歸一化曲線。
其中，1光源，2擴(kuò)束器，3偏振分光鏡(PBS)，4四分之一波片，5物鏡，6、13、17聚光鏡，7、14、18、26針孔，8、15、19光電探測(cè)器，9、11、16光強(qiáng)調(diào)節(jié)器，10、12分光鏡，20、21、22聚焦信號(hào)差動(dòng)相減歸一化處理單元，23計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，24被測(cè)物體，25工作臺(tái)，27共焦顯微鏡軸向響應(yīng)曲線，28靈敏度kA(0，0，uM)的仿真曲線，29靈敏度kB(0，0，uM)的仿真曲線，30靈敏度kC(0，0，uM)的仿真曲線，31三維強(qiáng)度響應(yīng)I(v，u)仿真曲面，32共焦顯微鏡三維強(qiáng)度響應(yīng)I3(v，u，0)的仿真曲面，33軸向強(qiáng)度響應(yīng)I1(0，u，+uM)曲線，34軸向強(qiáng)度響應(yīng)I2(0，u，-uM)曲線，35軸向強(qiáng)度響應(yīng)I3(0，u，0)曲線，36軸向強(qiáng)度響應(yīng)IC(0，u)曲線，37軸向強(qiáng)度響應(yīng)I(0，u)曲線。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)介紹本發(fā)明所述的方法
將共焦顯微鏡接收測(cè)量光束分為三路，并分別將三個(gè)聚光鏡聚焦，在三個(gè)聚光鏡焦面附近各布置一套光電接收系統(tǒng)，使三套針孔及探測(cè)器依次位于三聚光鏡的遠(yuǎn)焦、焦面和近焦位置，構(gòu)成共焦顯微鏡遠(yuǎn)焦、焦面和近焦三個(gè)共焦光電接受系統(tǒng)，再將接受的三路具有一定相移的探測(cè)信號(hào)兩兩差動(dòng)相減和處理，繼而達(dá)到改善共焦顯微鏡軸向分辨力和環(huán)境抗干擾能力的目的。其具體技術(shù)方案如圖3所示激光器1發(fā)出的光經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束2，透過(guò)偏振分光鏡3后變?yōu)槠穹较蚱叫杏诩埫娴膒光，該p光透過(guò)四分之一波片4后被物鏡5聚焦在被測(cè)物體24表面后，被被測(cè)物體24返回再次透過(guò)四分之一波片4變?yōu)槠穹较虼怪庇诩埫娴膕光，偏振分光鏡3反射s光到分光鏡10。分光鏡10首先將測(cè)量光束分為兩束，經(jīng)分光鏡10反射的測(cè)量光束被聚光鏡6聚焦，進(jìn)入位于聚光鏡6焦點(diǎn)位置的針孔7，被探測(cè)器8接收；經(jīng)分光鏡10透射的光再次被分光鏡12分為兩束，經(jīng)分光鏡12反射的測(cè)量光束被聚光鏡13聚焦，進(jìn)入距聚光鏡13焦點(diǎn)后距離為M位置的針孔14，后被探測(cè)器15接收；經(jīng)分光鏡12透射的測(cè)量光束被聚光鏡17聚焦，進(jìn)入距聚光鏡17焦點(diǎn)前距焦點(diǎn)距離為M的針孔18，被針孔18后的探測(cè)器19接收；差動(dòng)相減處理系統(tǒng)20、21和22將探測(cè)到的三個(gè)具有一定相位大小的信號(hào)I1(0，u，+uM)、I2(0，u，-uM)和I3(0，u，0)兩兩差動(dòng)相減得IA(v，u)、IB(v，u)和IC(v，u)，并進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)23后可得 強(qiáng)度I(v，u)對(duì)應(yīng)被測(cè)樣品凸凹變化，依據(jù)I(v，u)強(qiáng)度曲線31在測(cè)量范圍內(nèi)的光強(qiáng)大小，重構(gòu)出被測(cè)樣品的三維表面形貌和微觀尺度，即可實(shí)現(xiàn)軸向超分辨共焦顯微成像探測(cè)。
由于多路信號(hào)的冗余，使共焦顯微鏡除了能進(jìn)行超分辨軸向?qū)游龀上裢猓肐c(v，u)使三差動(dòng)共焦顯微鏡還具有差動(dòng)共焦測(cè)量系統(tǒng)的雙極性測(cè)量功能，便于對(duì)三維微細(xì)結(jié)構(gòu)和表面輪廓進(jìn)行雙極性絕對(duì)跟蹤測(cè)量。
本軸向超分辨三差動(dòng)共焦顯微鏡中，分光鏡10的透反比為2∶1，分光鏡12的透反比為1∶1，光強(qiáng)調(diào)節(jié)器9、11和16分別用于調(diào)節(jié)三束測(cè)量光束，使通過(guò)它們的光強(qiáng)強(qiáng)度相等。
上述三差動(dòng)共焦顯微法進(jìn)行軸向超分辨測(cè)量時(shí)，對(duì)應(yīng)I(0，u)軸向分辨力最大值時(shí)的uM可由下式最優(yōu)確定
k(0,0,uM)=-sinc(uM/4π)·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)(uM/4)2]]]>如圖4所示，當(dāng)uM＝±5.21時(shí)，靈敏度k(0，0，uM)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)值最大，且為0.54。
本發(fā)明的原理如圖3所示光源1、擴(kuò)束器2、偏振分光鏡3、四分之一波片4、物鏡5、聚光鏡6、針孔7和光電探測(cè)器8構(gòu)成共焦顯微鏡，其強(qiáng)度響應(yīng)I3(v，u，0)為I3(v,u,0)=|[2∫01P(ρ)·e(juρ2)/2J0(ρv)ρdρ]|2×|[2∫01P(ρ)·e(juρ2)/2J0(ρv)ρdρ]|2---(1)]]>其中J0為一階貝賽爾函數(shù)，ρ為歸一化后的徑向半徑，軸向歸一化坐標(biāo)u和橫向歸一化坐標(biāo)v為 其中，z為物體軸向移動(dòng)距離，r為透鏡的徑向坐標(biāo)，a0為物鏡數(shù)值孔徑角。
光源1、擴(kuò)束器2、偏振分光鏡3、四分之一波片4、物鏡5、聚光鏡13、針孔14和光電探測(cè)器15構(gòu)成探測(cè)器遠(yuǎn)焦探測(cè)的“準(zhǔn)共焦顯微鏡”，其強(qiáng)度響應(yīng)I2(v，u，-uM)為I2(v,u,-uM)=|[2∫01P(ρ)·e(juρ2)/2J0(ρv)ρdρ]|2×|[2∫01P(ρ)·ejρ2(u-uM)/2J0(ρv)ρdρ]|2---(3)]]>其中，uM為對(duì)應(yīng)探測(cè)器軸向偏移聚光鏡焦點(diǎn)距離M的光學(xué)歸一化坐標(biāo)。
光源1、擴(kuò)束器2、偏振分光鏡3、四分之一波片4、物鏡5、聚光鏡17、針孔18和光電探測(cè)器19構(gòu)成探測(cè)器近焦探測(cè)的“準(zhǔn)共焦顯微鏡”，其強(qiáng)度響應(yīng)I1(v，u，+uM)為I1(v,u,+uM)=|[2∫01P(ρ)·e(juρ2)/2J0(ρv)ρdρ]|2×|[2∫01P(ρ)·ejρ2(u+uM)/2J0(ρv)ρdρ]|2---(4)]]>當(dāng)樣品24隨工作臺(tái)25進(jìn)行軸向或橫向掃描時(shí)，光電探測(cè)器8、15和19分別探測(cè)到信號(hào)I3(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)，兩兩進(jìn)行差動(dòng)相減后得IA(v，u)＝I3(v，u，0)-I2(v，u，-uM)(5)
IB(v，u)＝I3(v，u，0)-I1(v，u，+uM) (6)IC(v，u)＝I2(v，u，-uM)-I1(v，u，+uM) (7)計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)23依據(jù)測(cè)得IA(v，u)、IB(v，u)和Ic(v，u)進(jìn)行測(cè)量和判斷，得三差動(dòng)共焦顯微鏡的強(qiáng)度響應(yīng)曲線為 在測(cè)量段內(nèi)I(v，u)強(qiáng)度響應(yīng)大小，對(duì)應(yīng)被測(cè)樣品25的凸凹變化，利用該值大小即可重構(gòu)出被測(cè)樣品的表面形貌及微觀尺度。
當(dāng)三差動(dòng)共焦顯微鏡測(cè)量物鏡數(shù)值孔徑值、針孔大小和探測(cè)器靈敏度等系統(tǒng)參數(shù)一旦確定后，強(qiáng)度響應(yīng)曲線IA(0，u)、IB(0，u)和Ic(0，u)斜邊線性段的靈敏度主要取決于uM，存在一個(gè)uM值使三差動(dòng)共焦顯微鏡的軸向分辨力最佳。
對(duì)差動(dòng)信號(hào)IA(0，u)對(duì)u求導(dǎo)得靈敏度kA(0，u，uM)kA(0,u,uM)=sinc[(u/2π)]·{(u/2)·cos(u/2)-sin(u/2)(u/2)2}-sinc[(2u-uM)/4π]·{{(2u-uM)/4}·cos{(2u-uM)/4}-sin{(2u-uM)/4}{(2u-uM)/4}2}---(9)]]>在線性段內(nèi)的斜率值kA(0，u，uM)和kA(0，0，uM)相等，因此有kA(0,0,uM)=sinc[(uM)/4π]·{{(uM)/4}·cos{(uM)/4}-sin{(uM)/4}{(uM)/4}2}---(10)]]>對(duì)差動(dòng)信號(hào)IB(0，u)對(duì)u求導(dǎo)得靈敏度kB(0，u，uM)kB(0,u,uM)=sinc(u/2π)·{(u/2)·cos(u/2)-sin(u/2)(u/2)2}-sinc[(2u+uM)/4π]·{{(2u+uM)/4}·cos{(2u+uM)/4}-sin{(2u+uM)/4}{(2u+uM)/4}2}---(11)]]>在線性段內(nèi)的斜率值kB(0，u，uM)和kB(0，0，uM)相等，因此有kB(0,0,uM)=-sinc[(uM)/4π]·{{(uM)/4}·cos{(uM)/4}-sin{(uM)/4}{(uM)/4}2}---(12)]]>對(duì)差動(dòng)信號(hào)IC(0，u)對(duì)u求導(dǎo)得靈敏度kC(0，u，uM)kC(0,u,uM)=sinc[(2u-uM)/4π]·{{(2u-uM)/4}·cos{(2u-uM)/4}-sin{(2u-uM)/4}{(2u-uM)/4}2}-sinc[(2u+uM)/4π]·{{(2u+uM)/4}·cos{(2u+uM)/4}-sin{(2u+uM)/4}{(2u+uM)/4}2}---(13)]]>在線性段內(nèi)的斜率值kC(0，u，uM)和kC(0，0，uM)相等，因此有
kC(0,u,uM)=-2sinc[(uM)/4π]·{{(uM)/4}·cos{uM)/4}-sin{(uM)/4}{(uM)/4}2}---(14)]]>依據(jù)公式(10)、(12)和(14)分別將強(qiáng)度曲線IA(0，u)、IB(0，u)和IC(0，u)線性段的靈敏度曲線28、29和30繪于圖4中，從中可以看出當(dāng)uM＝±5.21時(shí)，靈敏度曲線kA(0，0，uM)、kB(0，0，uM)和kC(0，0，uM)對(duì)應(yīng)的絕對(duì)值最大。此時(shí)，對(duì)應(yīng)IA(0，u)、IB(0，u)和IC(0，u)曲線線性段的斜度變化最大，I(0，u)的軸向分辨力最高。
圖5為三差動(dòng)共焦顯微鏡強(qiáng)度響應(yīng)I(v，u)的曲面，圖6為其歸一化曲面。圖7為對(duì)應(yīng)典型共焦顯微鏡強(qiáng)度響應(yīng)I3(v，u，0)的曲面，與I3(v，u，0)相比I(v，u)的響應(yīng)曲線明顯得到銳化，I(v，u)≥0以上的旁瓣明顯得到抑制。圖8為當(dāng)uM＝5.21時(shí)，I1(0，u，+uM)、I2(0，u，-uM)、I3(0，u，0)、IC(0，u)和I(0，u)的響應(yīng)曲線33、34、35、36和37，圖9為uM＝5.21時(shí)，I1(0，u，+uM)、I2(0，u，-uM)、I3(0，u，0)、IC(0，u)和I(0，u)的歸一化響應(yīng)曲線33、34、35、36和37。從圖9可以看出，I(0，u)曲線37的半高寬明顯小于I3(0，u，0)曲線35的半高寬，即共焦顯微鏡的軸向分辨力得到改善，同時(shí)曲線I(0，u)兩斜邊下降段的線性也得到改善。由于I(0，u)是I3(0，u，0)、I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)強(qiáng)度響應(yīng)曲線間兩兩差動(dòng)相減而得到的，因而共焦顯微鏡光強(qiáng)波動(dòng)、樣品表面反射率變化、環(huán)境干擾等因素對(duì)強(qiáng)度響應(yīng)曲線I(0，u)的影響大為減小，因而顯著改善了共焦顯微鏡的環(huán)境抗干擾能力，這一優(yōu)點(diǎn)是已有軸向超分辨共焦顯微鏡無(wú)法比擬的。
當(dāng)然uM的選擇應(yīng)綜合考慮，同時(shí)亦應(yīng)考慮I(v，u)的光強(qiáng)大小，圖10為uM＝8.0時(shí)的軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線，圖10與圖8相比，盡管圖9中I(0，u)強(qiáng)度響應(yīng)曲線的半高寬可能小，但圖10的光強(qiáng)值卻大，因此，選擇uM時(shí)應(yīng)兼顧uM對(duì)軸向超分辨效果和光強(qiáng)大小兩方面的影響。
下面對(duì)本發(fā)明的軸向超分辨的三差動(dòng)共焦顯微鏡裝置的結(jié)構(gòu)及工作原理結(jié)合實(shí)施例及附圖詳細(xì)說(shuō)明如下一種軸向超分辨的三差動(dòng)共焦顯微鏡裝置，包括光源1，依次放在光源發(fā)射端的擴(kuò)束器2、空間濾波針孔26、偏振分光鏡3、放置在偏振分光鏡3透射光路上的四分之一波片4、物鏡5，以及將偏振分光鏡3反射后的測(cè)量光束第一次分為兩束測(cè)量光的分光鏡10、將分光鏡10透射的光束再次分為兩束測(cè)量光束的分光鏡12，分別匯聚三束測(cè)量光的三個(gè)聚光鏡17、6和13，依次位于三個(gè)聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個(gè)針孔18、7和14，以及分別貼近三個(gè)針孔后面的三個(gè)光電探測(cè)器19、8和15組成。本發(fā)明三差動(dòng)軸向超分辨共焦顯微鏡還包括依次相連的三個(gè)聚焦信號(hào)差動(dòng)處理系統(tǒng)20、21和22，一個(gè)計(jì)算機(jī)放大處理系統(tǒng)23，其中聚焦信號(hào)差動(dòng)處理系統(tǒng)與光電探測(cè)器相連，將接收的傳感信號(hào)經(jīng)放大處理后，由計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明三差動(dòng)軸向超分辨共焦顯微鏡中，分光鏡10的透反比為2∶1，分光鏡12的分光比為1∶1，光強(qiáng)調(diào)節(jié)器9、11和16分別用于調(diào)節(jié)三束測(cè)量光束，使它們的光強(qiáng)基本相等。
本實(shí)施例物鏡5優(yōu)先選用60×0.85的普通平場(chǎng)消色差顯微物鏡。光電探測(cè)器8、15和19優(yōu)先采用美國(guó)NEWFOCUS公司生產(chǎn)的2001型光電接收器，飽和功率范圍為10mW，最大可調(diào)增益為104，最小噪聲等效功率為0.25pW/Hz1/2。
針孔7、14和18優(yōu)先選用美國(guó)NERPORT公司的PH-10型針孔，它由超薄鉬材料構(gòu)成，孔徑尺寸為10μm，厚度為15.24μm。
微位移工作臺(tái)25的驅(qū)動(dòng)器優(yōu)先選用美國(guó)NEWFOCUS公司生產(chǎn)的大范圍、高穩(wěn)定性微位移驅(qū)動(dòng)器，配以縮小比例為5∶1的柔性鉸鏈工作臺(tái)組成納米級(jí)的微動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，微位移驅(qū)動(dòng)器每個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖可獲得2nm的進(jìn)給。
對(duì)本實(shí)施例軸向超分辨三差動(dòng)共焦顯微鏡裝置的軸向超分辨性能進(jìn)行初步測(cè)試，被測(cè)物選用量塊，將量塊置于載物臺(tái)上，通過(guò)微調(diào)機(jī)構(gòu)沿軸向調(diào)整臺(tái)階，使光觸點(diǎn)聚焦在量塊表面上，而后，沿軸向位移量塊，微動(dòng)工作臺(tái)的分辨力為2nm，用HP5529A雙頻激光干涉儀檢測(cè)量塊的移動(dòng)量，其分辨力為0.001μm，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能以分辨力為0.01μm的進(jìn)給量微動(dòng)臺(tái)階。
圖12為測(cè)得的強(qiáng)度為I1(0，u，-uM)、I2(0，u，+uM)和I3(0，u，0)的曲線34、33和35，以及I1(0，u，-uM)、I2(0，u，+uM)和I3(0，u，0)間差動(dòng)相減得到的強(qiáng)度為IC(0，u)和I(0，u)的曲線36和37，圖13為I3(0，u，0)和I(0，u)的歸一化曲線35和37，顯然與共焦顯微鏡強(qiáng)度相應(yīng)曲線35相比，本發(fā)明三差動(dòng)共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)曲線37的半高寬顯著減小，線性得到顯著改善，測(cè)量結(jié)果與前述理論分析和仿真曲線基本一致。
權(quán)利要求
1.一種三差動(dòng)共焦顯微鏡成像方法，其特征在于包括下列步驟(1)將共焦顯微鏡的測(cè)量接收光路分為三路共焦接收光路；(2)三路共焦接收光路測(cè)得具有不同位相的軸向響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度I2(v，u，-uM)、I1(v，u，+uM)和I3(v，u，0)以及具有不同位相的強(qiáng)度曲線(34)、(33)和(35)；(3)將I3(v，u，0)和I2(v，u，-uM)差動(dòng)相減得IA(v，u)，I3(v，u，0)和I1(v，u，+uM)差動(dòng)相減得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)差動(dòng)相減得IC(v，u)，則得到對(duì)應(yīng)被測(cè)樣品凸凹變化的強(qiáng)度I(v，u)為 及強(qiáng)度曲面(31)；(4)優(yōu)選針孔(18)和針孔(14)距其相應(yīng)聚光鏡焦點(diǎn)位置的光學(xué)歸一化坐標(biāo)uM，改善共焦顯微鏡的軸向分辨力；(5)依據(jù)I(v，u)強(qiáng)度曲面(31)在測(cè)量范圍內(nèi)的光強(qiáng)大小，重構(gòu)出被測(cè)樣品的三維表面形貌和微觀尺度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所說(shuō)的步驟(1)為先將測(cè)量光束分為兩束測(cè)量光束，再將兩束測(cè)量光束中的一束分為兩束測(cè)量光束。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于還包括利用IC(v，u)進(jìn)行三維微細(xì)結(jié)構(gòu)及表面輪廓的雙極性絕對(duì)測(cè)量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于對(duì)應(yīng)I(0，u)和IC(0，u)軸向分辨力最大值時(shí)的uM由下式最優(yōu)確定k(0,0,uM)=-2·sinc(uM/4π)·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)(uM/4)2]]]>當(dāng)uM＝±5.21時(shí)，I(0，u)和IC(0，u)斜邊段靈敏度值最大。
5.一種三差動(dòng)共焦顯微鏡成像裝置，包括光源(1)，依次放在光源(1)發(fā)射端的空間濾波針孔(26)、測(cè)量顯微物鏡(5)，其特征在于還包括放置在光源(1)發(fā)射端的擴(kuò)束器(2)、偏振分光鏡(3)、放置在偏振分光鏡(3)透射光路上的四分之一波片(4)、以及將偏振分光鏡(3)反射后的測(cè)量光束第一次分為兩束測(cè)量光的分光鏡(10)、將分光鏡(10)透射的光束再次分為兩束測(cè)量光束的分光鏡(12)，分別匯聚三束測(cè)量光的三個(gè)聚光鏡(17)、(6)和(13)，依次位于三個(gè)聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個(gè)針孔(18)、(7)和(14)，以及分別貼近三個(gè)針孔后面的三個(gè)光電探測(cè)器(19)、(8)和(15)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于還包括依次相連的三個(gè)聚焦信號(hào)差動(dòng)處理系統(tǒng)(20)、(21)和(22)，一個(gè)計(jì)算機(jī)放大處理系統(tǒng)(23)，其中聚焦信號(hào)差動(dòng)處理系統(tǒng)(22)與光電探測(cè)器(8)相連，將接收的傳感信號(hào)放大后，由計(jì)算機(jī)再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于該共焦顯微鏡裝置還包括光強(qiáng)調(diào)節(jié)器(9)、(11)和(16)，分別用于調(diào)節(jié)三束測(cè)量光束，使它們的光強(qiáng)相等。
8.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的裝置，其特征在于分光鏡(10)的透反比為2∶1。
9.根據(jù)權(quán)利要求5或6或7所述的裝置，其特征在于分光鏡(12)的透反比為1∶1。
全文摘要
本發(fā)明屬于顯微成像及微觀測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種軸向超分辨成像的三差動(dòng)共焦顯微成像方法與裝置，該裝置包括光源(1)，依次放在光源(1)發(fā)射端的空間濾波針孔(26)、測(cè)量顯微物鏡(5)，其特征在于還包括放置在光源(1)發(fā)射端的擴(kuò)束器(2)、偏振分光鏡(3)、放置在偏振分光鏡(3)透射光路上的四分之一波片(4)、以及將偏振分光鏡(3)反射后的測(cè)量光束第一次分為兩束測(cè)量光的分光鏡(10)、將分光鏡(10)透射的光束再次分為兩束測(cè)量光束的分光鏡(12)，分別匯聚三束測(cè)量光的三個(gè)聚光鏡(17)、(6)和(13)，依次位于三個(gè)聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個(gè)針孔(18)、(7)和(14)，以及分別貼近三個(gè)針孔后面的三個(gè)光電探測(cè)器(19)、(8)和(15)。
文檔編號(hào)G02B21/00GK1587898SQ20041007365
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年9月2日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月2日
發(fā)明者趙維謙, 譚久彬, 邱麗榮 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)