专利名称：三差动共焦显微三维超分辨成像方法
技术领域：
本发明属于光学显微成像及微观测量技术领域，涉及一种具有高性噪比和三维超分辨成像能力的三差动共焦显微三维超分辨成像方法，其可用于测量样品的三维表面形貌、三维微细结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽等。
背景技术：
共焦显微镜的思想最早由美国学者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年得到美国专利授权，专利号为US3013467。共焦显微镜将点光源、点物和点探测器三者置于彼此对应的共轭位置，构成光学显微成像中独具层析能力的点照明和点探测显微成像系统。一般共焦显微镜的基本原理如图1所示，光源32发出的光经针孔33、物镜5在被测物体表面聚焦成光斑后沿原路返回，再通过分光镜10将来自物体的信号光导入放置在探测器8前面的针孔7内，在探测器8处形成点检测，探测器8主要接收来自物镜焦点处的信号光，焦点以外的返回光被针孔7遮挡。当物体位于焦平面A时，探测器8接收到的光能最大，当物体偏离焦平面A时，反射光被聚焦于针孔前或后的某一位置，此时探测器仅接收一小部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的信号要比在焦平面时弱，这样就可以通过探测器检测光强信号的强弱变化来反映物体相对于焦平面的位置。当物体沿垂直于光轴方向的x-y平面作扫描运动时，共焦显微镜依据光轴z向离焦信号、x向和y向位移大小，即可构建出被测物体的三维轮廓。
共焦显微镜因其具有三维层析成像能力而被广泛应用于微电子学、材料、工业精密检测、生物医学、生命科学等领域中进行成像测量，但由于受衍射现象的限制，制约了其成像分辨能力的进一步提高。尽管其成像分辨能力可以通过增大物镜数值孔径值NA和减小光波波长等传统的方法来改善，但其改善程度仍受衍射极限的限制。为从根本上突破衍射极限，改善共焦显微镜的成像分辨能力，近来已有众多非传统的共焦显微成像原理和超分辨方法被提出。在共焦显微镜的研究方面，出现了4PI共焦显微镜、θ共焦显微镜、共焦干涉显微镜和基于光学非线性行为的双光子和多光子共焦显微镜等；在超分辨成像技术方面，已研究的方法和技术可归为以下几类，一类是减小由瑞利判据决定的爱里斑，但不增大光学系统的空间截止频率，常用的技术包括光瞳滤波技术、移相掩模技术、基于光学性质非线性变化的超分辨技术等；第二类是通过增大光学系统空间截止频率，增加高频光线所占比例，来减小光学系统的爱里斑主瓣；第三类是通过改变光学系统入射光束空间频率分布，来达到减小光学系统爱里斑主瓣的目的，一般可通过离轴照明技术、变形照明技术、正交偏振光照明技术、环形光照明技术和干涉光束空间频移法等光源照明技术来实现。
总体上看，上述新型共焦显微镜和超分辨方法与技术，改善了共焦显微镜的成像分辨特性，解决了众多共焦显微镜超分辨显微成像测量的需求，但它们仍存在如下亟待解决的问题一是目前已有的各种形式的共焦显微镜均是利用探测到的光强信号直接进行成像处理，其易受光强波动、背景光干扰、环境温度漂移等因素的影响，共焦显微镜成像系统信噪比低；二是共焦显微镜轴向层析精度受制于轴向强度响应曲线的非线性，并且已有的超分辨技术在超分辨成像过程中易引起旁瓣的增大和轴向响应曲线非线性误差的增大。为改善共焦显微镜层析成像能力，申请人提出了改善共焦显微镜信噪比和轴向分辨力的三差动共焦显微成像方法，并申请了题为“三差动共焦显微成像方法与装置”的中国发明专利，申请号为20041000736524(发明人赵维谦，谭久彬，邱丽荣)。但是该三差动共焦显微成像方法主要用于改善共焦显微镜的轴向分辨能力，未能改善共焦显微镜的横向分辨能力，而已有的超分辨光瞳滤波器用于共焦显微镜进行三维超分辨成像时，既要进行横向超分辨又要兼顾轴向超分辨，三维超分辨效果通常不是特别显著。
发明内容
本发明的目的是为克服上述已有技术的不足，融合光学超分辨和三差动共焦显微镜各自的特点，提供一种横向光学超分辨、轴向三差动共焦超分辨的具有三维超分辨成像能力的共焦显微成像方法，来对微电子学、材料、工业精密检测、生物医学、生命科学等领域进行显微成像检测。
本发明的技术解决方案为一种三差动共焦显微三维超分辨成像方法，包括下列步骤(1)将入射光通过光瞳滤波器(2)、偏振分光镜(3)，经三差动共焦显微系统的测量物镜(5)对被测样品进行扫描成像，探测器(8)、(15)和(19)分别测得反映被测样品凸凹变化的强度响应I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)；(2)将I1(v，u，0)减I2(v，u，-uM)得IA(v，u)，I1(v，u，0)减I2(v，u，-uM)得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)减I3(v，u，+uM)得IC(v，u)，则得到对应被测样品凸凹变化的强度I(v，u)为
及强度曲面；(3)优化振幅型滤波器、位相型滤波器、振幅位相混合型滤波器等光瞳滤波器参数，使I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)横向强度响应满足GT、M和S的设计要求，锐化三差动共焦显微镜I(v，u)的主瓣，提高三差动共焦显微镜的横向分辨力；(4)优化针孔(14)和针孔(18)距其相应聚光镜焦点位置的光学归一化坐标uM，使共焦显微镜轴向分辨力的改善达到最优；(5)依据I(v，u)强度曲线光强大小，重构出被测样品的微观三维形貌和微观尺度；(6)利用IC(v，u)强度曲线，对被测样品三维形貌和微细结构进行双极性绝对跟踪测量。
本发明方法将提高轴向分辨力的三差动共焦扫描方法和提高横向分辨力的超分辨光瞳滤波共焦扫描方法融合起来，构成光瞳滤波式三维超分辨差动共焦成像方法。采用特定设计的光瞳滤波器对三差动共焦显微镜的光瞳函数进行掩膜修正，进而改变波前，锐化爱里斑主瓣，最终提高差动共焦显微镜横向超分辨力。光瞳滤波器可以是位相型滤波器、振幅型滤波器和振幅位相混合型滤波器。轴向分辨力的提高可通过三差动共焦光路布置及差动探测来进行，这样，就可以达到三维超分辨成像能力和高性噪比显微成像检测。
本发明检测方法具有以下特点及良好效果本发明由于融合了光瞳滤波式共焦显微术横向超分辨特性和三差动共焦光路布置法的轴向超分辨特性，避免了已有的三维超分辨光瞳滤波器既要提高横向分辨力，又要提高轴向分辨力，从而降低三维超分辨综合性能的缺点，使共焦显微镜既能改善共焦显微镜的三维超分辨成像能力(轴向和横向)，又能显著增强环境抗干扰能力、线性和离焦特性等，这是区别于现有技术的创新点之一。
利用三探测信号进行数据处理，使共焦显微镜具有差动共焦测量系统的功能，与普通的共焦显微镜相比，三差动共焦显微镜还便于三维表面轮廓和微细结构的高精度绝对测量，其将表面微观形貌和尺寸测量相融合，这是区别于现有技术的创新点之二。
本发明测量方法具有如下特点1)使共焦显微镜具有三维超分辨成像能力；2)三差动共焦接收的光路布置法和三探测器信号两两差动相减的探测方法可抑制环境状态差异、光源光强波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声，显著提高测量系统的信噪比、灵敏度以及线性等；3)测量系统具有绝对跟踪零点和双极性跟踪特性，可实现绝对测量；4)改善了共焦系统的离焦特性。
图1共焦显微镜原理图。
图2为采用光瞳滤波技术的三差动共焦显微三维超分辨成像方法示意图。
图3为本发明成像方法，当uM＝5.21时共焦显微镜三维强度响应仿真曲面图。
图4为本发明成像方法，当uM＝5.21时共焦显微镜三维强度响应归一化仿真曲面图。
图5为位相型光瞳滤波横向超分辨光强响应曲线比较图。
图6为本发明差动信号灵敏度仿真曲线图。
图7为本发明当uM＝5.21时三差动共焦显微镜轴向强度响应仿真曲线。
图8为本发明当uM＝5.21时三差动共焦显微镜轴向强度响应归一化仿真曲线。
图9为本发明三差动共焦显微镜横向强度响应仿真曲线图。
图10为本发明三差动共焦显微镜横向强度响应归一化仿真曲线图。
其中，1入射光束，2光瞳滤波器，3偏振分光镜，4λ/4波片，5物镜，6、13、17聚光镜，7、14、18针孔，8、15、19探测器，9、11、16光强调节器，10、12分光镜，20、21、22聚焦信号差动相减归一化处理单元，23计算机处理系统，24被测物体，25三维工作台，26三差动共焦显微镜，27IC(0，u)共焦显微镜轴向响应曲线，28轴向强度响应I(0，u)曲线，29轴向强度响应I2(0，u，-uM)曲线，30轴向强度响应I3(0，u，+uM)曲线，31轴向强度响应I3(0，u，0)曲线，32激光光源，33光阑，34I(v，u)强度响应曲线，35灵敏度kA(0，0，uM)的仿真曲线，36灵敏度kB(0，0，uM)的仿真曲线，37灵敏度kC(0，0，uM)仿真曲线，38横向强度响应I1(v，0，0)曲线，39横向强度响应I(v，0)曲线。
具体实施例方式
本发明的三差动显微成像方法是采用三差动共焦显微成像技术将共焦显微镜的接收光路布置为远焦、焦面和近焦三路探测光路，通过三路探测系统探测到的具有不同位相的三路强度响应信号两两差动相减达到改善轴向分辨力和提高抗干扰能力的目的，通过超分辨光瞳滤波式共焦显微成像方法来提高共焦显微镜的横向分辨力，使共焦显微镜最终实现高性噪比和三维超分辨显微成像。
如图2所示，虚框部分26为三差动共焦显微光路布置，入射光束1经过光瞳滤波器2透过偏振分光镜3(PBS)后变为偏振方向平行于纸面的p光，该p光透过λ/4波片4后被物镜5聚焦在被测物体24表面后，被被测物体24反回再次透过λ/4波片4变为偏振方向垂直于纸面的s光，偏振分光镜3反射s光到分光镜10。分光镜10首先将测量光束分为两束，经分光镜10反射的测量光束被聚光镜6聚焦，进入位于聚光镜6焦点位置的针孔7，被探测器8接收；经分光镜10透射的光再次被分光镜12分为两束，经分光镜12反射的测量光束被聚光镜13聚焦，进入距聚光镜13焦点后距离为M位置的针孔14，后被探测器15接收；经分光镜12透射的测量光束被聚光镜17聚焦，进入距聚光镜17焦点前距焦点距离为M的针孔18，被针孔18后的探测器19接收。
当工作台25对被测样品24进行轴向(轴向归一化光学位移设为u)和横向(横向归一化光学位移设为v)扫描时，探测器8探测到的信号为I1(v，u，0)，探测器15探测到的信号为I2(v，u，-uM)，探测器19探测到的信号为I3(v，u，+uM)，差动相减处理系统22将I1(v，u，0)减I2(v，u，-uM)得IA(v，u)，差动相减处理系统21将I1(v，u，0)减I3(v，u，+uM)得IB(v，u)，差动相减处理系统20将I2(v，u，-uM)减I3(v，u，+uM)得IC(v，u)，将IA(v，u)、IB(v，u)和IC(v，u)输入计算机处理系统23后进行处理得 三差动共焦显微镜强度响应I(v，u)如图3所示，归一化强度响应如图4所示。强度I(v，u)对应被测样品凸凹变化，依据I(v，u)强度曲线在测量范围内的光强大小，重构出被测样品的三维表面形貌和微观尺度，即可实现共焦显微镜的三维超分辨显微成像探测。
其具体原理如下当被测样品24处于近焦时，探测器19探测到的轴向响应信号对应曲线30的最大值附近，此时对应共焦显微镜差动响应曲线28的A端；当被测样品24处于焦点位置，探测器19探测到的信号处于曲线30的下降段，探测器15探测到的信号处于曲线29的上升段，探测器8探测到的信号恰好处于探测曲线31的最高端；当被测样品24处于远焦位置时，探测器8探测到的信号处于探测曲线31的下降段，探测器19探测到的信号处于曲线30的下降段，探测器15探测到的信号处于曲线29的上升段，此时对应曲线28的下降段；当被测样品在AB区域内移动，曲线28对应被测物离焦量大小的变化，即可完成共焦显微镜的层析成像功能。
用于物体三维轮廓及微细结构测量时，当被测样品24处于近焦区点A处，探测器19探测到的信号对应曲线30最大值，此时差动信号对应27曲线的a端；当被测样品24处于焦点位置，探测器19探测到的信号处于曲线30下降段中部附近，探测器15探测到的信号处于曲线29上升段中部附近，差动共焦信号对应27曲线的绝对零点；当被测样品24处于近焦区B处，探测器15探测到的信号处于曲线30的最大值附近，此时对应27曲线的b端；当被测样品在焦点附近的ab区域内移动，差动共焦信号对应27曲线的ab段。
从27曲线中可以看出，与单路共焦显微特性曲线29、30和31的斜边段相比，27特性曲线的斜边段变陡，灵敏度得到提高，轴向分辨力得到改善。
对本发明具有高性噪比和三维超分辨成像能力的三差动共焦显微三维超分辨成像方法进一步说明如下仍如图2所示，虚框部分为三差动共焦显微三接收光路布置26，光瞳滤波器2为N区同心圆环型光瞳滤波器。在单色光照明条件下，具有光瞳函数P(ρ)系统焦点附近的振幅分布为U(v,u)=2∫01p(ρ)·exp(-juρ2/2)·J0(vρ)ρdρ]]>ρ-归一化半径，v-对应接收面上的径向坐标r，u-对应以焦点为原点的轴上坐标z，其中 tj为j区的透过率函数、j为j区的相位差，经测量物镜5聚焦后，在焦平面上的横向振幅响应特性为 对振幅型光瞳滤波器，式(5)中，j＝C(C为常数)，tj为变量(j＝1，2，3……，N)对纯相位型光瞳滤波器，式(5)中，tj＝C(C为常数)，j为变量(j＝1，2，3……，N)对振幅位相混合型滤波器，式(5)中，tj、j均为变量(j＝1，2，3……，N)
在此以纯相位型光瞳滤波器进行分析，其它类同。考虑纯相位型光瞳滤波器，则tj＝C(j＝1，2，3……，N)，令C＝1。
假设出射光瞳的半径为R，入射波长为λ，(Rj＝aj·R，a0＝0，aN＝1，1＝0)，对于N区圆对称位相型光瞳滤波器，焦面场振幅表达式为 I(v,0)=|U(v,0)|2]]> (7)由于J1(x)x=12(1-x24×2+x42×42×6+LL)---(8)]]>取两级近似，即取J1(x)x≈12(1-x28),]]>对应的光强为； 令I(v,0)=a-v24b+v264c---(10)]]>
其中 无光瞳滤波器时，I0(v,0)=1-v24+v464---(12)]]>∂I∂v=0⇒v1=0,v2,3=±22]]>中心光强极值为 I0(0，0)＝1(13)有光瞳滤波器时，∂IF∂v=0,]]>则-b·v2+v3·c16=0,]]>解方程得极值点坐标如下 (15)有光瞳滤波器和无光瞳滤波器时的响应曲线半高宽之比G为GT=bc]]>
(16)有光瞳滤波器和无光瞳滤波器时的焦点强度最大值之比即Streh1比S为 (17)利用优化设计的方法，在给定的G、S和ε的条件下，确定N区位相板各自区域的位相差j和归一化半径aj。优化条件为目标函数F(j，aj)＝GT-0.75≤ε，ε＝0.02，S≥0.22，0＜j＜2π，0＜aj＜1 aN＝1；目标函数F(j，aj)＝GT-0.80≤ε，ε＝0.02，S≥0.28，0＜j＜2π，0＜aj＜1 aN＝1；目标函数F(j，aj)＝GT-0.85≤ε，ε＝0.02，S≥0.30，0＜j＜2π，0＜aj＜1 aN＝1；优化算法采用Generic Algorithms算法。
取N＝4，即当位相型光瞳滤波器为4区滤波器时，选取如下三组GT和S作为优化目标，优化求解后得到三组对应的光瞳滤波器参数1)当GT＝0.7643、S＝0.25时，对应的四区位相型光瞳滤波器a1＝0.1、a2＝0.2、a3＝0.5199、a4＝1，1＝0、2＝2.8634、3＝1.5222rad、4＝5.8372rad；2)当GT＝0.8020、S＝0.3时，对应的四区位相型光瞳滤波器a1＝0.2、a2＝0.3058、a3＝0.5332、a4＝1，1＝0、2＝1.5777rad、3＝3.0112rad、4＝5.7177rad；3)当GT＝0.8512、S＝0.35时，对应的四区位相型光瞳滤波器a1＝0.3、a2＝0.4、a3＝0.5804、a4＝1，1＝0、2＝1.6834rad、3＝3.6583rad、4＝6.2829rad。
将上述三种位相型光瞳滤波器横向超分辨曲线绘制于图5中，从中可以看出加入位相型光瞳滤波器后，横向响应曲线得到锐化，且G值越小，锐化越明显，横向分辨力提高的越明显。不利之处是旁瓣增强，光能损失亦增大即S值变小，但旁瓣可以通过共焦显微系统的针孔抑制(这正是光瞳滤波器与共焦显微术相结合，实现真正意义上的超衍射分辨检测的原因)，光能损失可以通过增大探测系统的放大倍数来解决。
轴向分辨力的改善，通过优选uM值大小来达到，将差动信号IA(0，u)对u求导得灵敏度kA(0，u，uM)kA(0，u，uM)＝sin c[(u/2π)]·[(u/2)·cos(u/2)-sin(u/2)]/(u/2)2-(18)sin c[(2u-uM)/4π][{(2u-uM)/4}·cos{(2u-uM)/4}-sin{(2u-uM)/4}]/{(2u-uM)/4}2在线性段内的斜率值kA(0，u，uM)和kA(0，0，uM)相等，因此有
kA(0，0，uM)＝sin c[(uM)/4π]·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)]/{(uM)/4}2(19)将差动信号IB(0，u)对u求导得灵敏度kB(0，u，uM)kB(0，u，uM)＝sin c(u/2π)·[(u/2)·cos(u/2)-sin(u/2)]/(u/2)2(20)-sin c[(2u+uM)/4π]·[{(2u+uM)/4}·cos{(2u+uM)/4}-sin{(2u+uM)/4}]/{(2u+uM)/4}2在线性段内的斜率值kB(0，u，uM)和kB(0，0，uM)相等，因此有kB(0，0，uM)＝-sin c[(uM)/4π]·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)]/{(uM)/4}2(21)将差动信号IC(0，u)对u求导得灵敏度kC(0，u，uM)kC(0，u，uM)＝sin c[(2u-uM)/4π]·[{(2u-uM)/4}·cos{(2u-uM)/4}-sin{(2u-uM)/4}]{(2u-uM)4}2(22)-sin c[(2u+uM)/4π]·[{(2u+uM)/4}·cos{(2u+uM)/4}-sin{(2u+uM)/4}]/{(2u+uM)/4}2在线性段内的斜率值kC(0，u，uM)和kC(0，0，uM)相等，因此有kC(0，0，uM)＝-2sin c[(uM)/4π]·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)]/(uM/4)2(23)依据公式(19)、(21)和(23)，将IA(0，u)、IB(0，u)和IC(0，u)强度响应线性段的灵敏度曲线绘于图6中，从中可以看出当uM＝±5.21时，灵敏度kA(0，0，uM)曲线35、灵敏度kB(0，0，uM)曲线36、和灵敏度kC(0，0，uM)曲线37对应的绝对值最大，此时，对应IA(0，u)、IB(0，u)和IC(0，u)曲线线性段的灵敏度绝对值最大，I(0，u)的轴向分辨力最优。
图7为当uM＝5.21时，I1(0，u，0)、I2(0，u，-uM)、I3(0，u，+uM)、IC(0，u)和I(0，u)的响应曲线，图8为其归一化响应曲线。共焦显微镜层析成像时，常工作在I(0，u)≥0的测量段，从图8可以看出，在这一测量工作段I(0，u)曲线的半高宽比I1(0，u，0)曲线的半高宽小两倍，即三差动共焦显微三维超分辨成像方法使共焦显微镜轴向分辨力比共焦显微镜改善了约65％以上，I(0，u)两斜边段的线性明显优于I1(0，u，0)两斜边段的线性，同时在I(0，u)＞0的测量工作段内旁瓣对测量的影响极小。
图9当uM＝5.21时，I1(v，0，0)和I(v，0)的横向响应曲线，共焦显微镜层析成像时，常工作在I(v，u)≥0的测量段，图10为其归一化曲线。从图10可以看出，在这一测量工作段内I(v，0)曲线的半高宽小比I1(v，0，0)曲线的半高宽小，即光瞳滤波器使共焦显微镜的横向分辨力改善。
权利要求
1.一种三差动共焦显微三维超分辨成像方法，其特征在于包括下列步骤(1)将入射光通过光瞳滤波器(2)、偏振分光镜(3)，经三差动共焦显微系统的测量物镜(5)对被测样品进行扫描成像，探测器(8)、(15)和(19)分别测得反映被测样品凸凹变化的强度响应I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)；(2)将I1(v，u，0)减I2(v，u，-uM)得IA(v，u)，I1(v，u，0)减I2(v，u，-uM)得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)减I3(v，u，uM)得IC(v，u)，则得到对应被测样品凸凹变化的强度I(v，u)为 及强度曲面；(3)优化振幅型滤波器、位相型滤波器、振幅位相混合型滤波器等光瞳滤波器参数，使I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)横向强度响应满足GT、M和S的设计要求，锐化三差动共焦显微镜I(v，u)的主瓣，提高三差动共焦显微镜的横向分辨力；(4)优化针孔(14)和针孔(18)距其相应聚光镜焦点位置的光学归一化坐标uM，使共焦显微镜轴向分辨力的改善达到最优；(5)依据I(v，u)强度曲线光强大小，重构出被测样品的微观三维形貌和微观尺度；(6)利用IC(v，u)强度曲线，对被测样品三维形貌和微细结构进行双极性绝对跟踪测量。
全文摘要
本发明属于光学显微成像及微观测量技术领域，涉及一种具有高性噪比和三维超分辨成像能力的三差动共焦显微三维超分辨成像方法。该方法将提高轴向分辨力的三差动共焦扫描方法和提高横向分辨力的超分辨光瞳滤波共焦扫描方法相融合，构成光瞳滤波式三维超分辨差动共焦成像方法。横向分辨力的提高可通过特定设计的光瞳滤波器来对三差动共焦显微镜的爱里斑主辨进行锐化来达到，轴向分辨力的提高可通过三差动共焦光路布置及差动探测来达到，这样，即可实现共焦显微镜的三维超分辨成像和高性噪比显微成像检测。该方法可用于测量样品的三维表面形貌、三维微细结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽等。
文档编号G01N13/00GK1609590SQ20041009077
公开日2005年4月27日 申请日期2004年11月10日 优先权日2004年11月10日
发明者赵维谦, 谭久彬, 邱丽荣 申请人:哈尔滨工业大学