双轴共焦高空间分辨乘积处理方法

专利名称：双轴共焦高空间分辨乘积处理方法
技术领域：
本发明属于光学精密及微观测量技术领域，涉及一种可用于检测表面三维微细结 构、微台阶、集成电路线宽和表面形貌以及生物医学领域高分辨力显微成像的方法。
背景技术：
共焦显微技术以其独有的三维层析成像能力在高分辨成像和检测领域得到了广 泛的应用，但是由于受衍射效应的原理性限制，共焦显微技术的分辨能力、视场大小和工作 距之间难以兼顾，其制约了其分辨力的进一步提高。为从根本上突破衍射极限，实现高分 辨、大视场和大工作距显微成像与测量，国内外学者做了许多研究，并已提出众多的非传统 共焦显微成像原理和超分辨方法。为了改善共焦显微技术的轴向分辨力，台湾大学的C-H. Lee等提出了非干涉差 分共焦显微技术理论(Optics Common. 1997,35 :232_237)，其利用响应曲线斜边线性段来 实现纳米级检测；中国专利“具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法”(专利号ZL 200410006359. 6)，利用响应曲线线性区间实现轴向纳米级、横向亚微米级检测；中国专利 “共焦显微镜”(申请号=01122439. 8，公开号CN 1395127A)提出将干涉法引入到传统的共 焦显微成像技术中、用于改善轴向分辨力的方法；中国专利“双频共焦台阶高度显微测量装 置”(申请号=02120884. 0，公开号CN 1384334A)提出了一种双频共焦台阶干涉显微测量 方法；Hell S 等人提出了 4Pi 共焦显微技术(J. Opt. Soc. Am. A. 1992，9 (12) :2159 2166)， 其将位于样品两侧的两个准直物镜同时用于照明和收集，提高了系统的有效孔径，提高了 轴向分辨力；Stelzer等人提出了共焦0显微术(OpticsComm. 1994，111 :536 547)，其 通过改变照明点扩展函数和收集点扩展函数的空间关系改善了系统的轴向分辨力；T. Wang 等人提出了双轴共焦显微技术(Opt. Letters，2003，28 (6) :414_416)，其通过低数值孔径 光学系统的斜入射实现了大工作距、高轴向分辨力成像；Tasso R.M. Sales等设计了二区 纯相位光瞳滤波器来提高光学系统的轴向分辨力(Optics Communications. 1998，156 227-230)。但是，上述成果均局限在改善与提高共焦显微系统的轴向分辨力，部分方法亦兼 顾了工作距和视场，但其均无法提高其横向分辨力，而共焦显微系统横向分辨力的提高正 是提高其空间分辨力的关键。目前，可用于改善共焦显微技术的横向分辨力的方法与技术主要有空间频率限制 法、光瞳滤波法和4PI共焦法等。其中，采用三维超分辨光瞳滤波器是提高光学检测方法空 间分辨力的主要手段，但其既要兼顾轴向分辨力又要兼顾横向分辨力，三维超分辨效果不
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发明内容
本发明的目的是为了克服上述已有技术的不足，提供一种具有高空间分辨力的光 学检测处理方法，实现对三维微细结构、微台阶、集成电路线宽、物体表面形貌以及生物医学领域的高空间分辨力光学检测及显微成像检测。本发明在双轴共焦显微术中采用双轴差动共焦显微术的横向分割探测方式和两 探测器信号乘积探测实现对被测样品的高空间分辨测量；该处理方法的装置以测量面法线 方向为测量轴线，建立双轴共焦系统坐标系(X，1，z)，入射光束的光轴与系统z轴夹角为 9，入射光束以入射角e经测量透镜入射到被测样品上，经被测样品以e角反射后，进入 采集透镜；经过采集透镜出射的测量光束，经成像透镜成像于其焦平面上，经放大透镜将成 像透镜焦平面上的聚焦光斑放大并成像在探测器上；以聚焦光斑的中心为原点，建立与接 收光轴垂直的像面坐标系(Xd'，y/ )，同时在点(-M，0)和(+M，0)处设置两个相同的针 ？L，形成两个点探测器，M为点探测器相对原点的横向偏离量，M对应的横向归一化偏移为 VXM，其特征在于1)优化入射角e和针孔的横向归一化偏移量VXM，减小双轴乘积共焦响应曲线的 半高宽和两点可分辨距离，使共焦显微技术的空间分辨力最优；2)利用上述装置对被测样品沿W方向扫描，两个点探测器测得反应被测样品 凸凹变化的强度信号 IA(x,y,z,-vxM)和 IB(x，y，z，+vxM)，将信号 IA(x, y, z,+vxM)和 IB(x,y, z, -vxM)相乘并进行归一化处理，得到对应被测样品凸凹变化的强度曲线IDM(x，y，z, vxM)；3)依据强度曲线IDM(X，y，Z，vxM)线性区间的大小，或依据强度曲线IDM(X，y，Z，vxM) 最大值的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。为了进一步改善横向分辨力，可在测量透镜前面或收集透镜后面加入光学超分辨 器件，或者在测量透镜前面和收集透镜后面都加入光学超分辨器件。依据“相关”思想，将两个横向偏置探测器探测到的信号相乘，可同时提高系统的 轴向分辨力和横向分辨力，融合光学超分辨技术进一步提高其横向分辨力，达到提高空间 分辨力的目的。本发明具有以下特点及良好效果1.与现有双轴共焦技术相比，显著改善了双轴共焦显微技术的空间成像检测能 力；2.利用“相关”概念，采用横向分割探测方式和探测信号的乘积处理避免了现有三 维超分辨技术无法兼顾轴向和横向分辨力的缺点，可同时显著改善轴向分辨力和横向分辨 力；3.还融合了光学超分辨技术，进一步改善了共焦显微术的横向分辨力，使空间分 辨力改善效果更为显著；


图1为具有高空间分辨力的双轴共焦高空间分辨乘积处理方法示意图；图2为归一化响应曲线Idm(9x, Z, Vm)；图3为归一化响应曲线IDM(y，z, vM)；图4为x向仿真响应曲线；图5为y向仿真轴向响应曲线；图6为z向仿真轴向响应曲线；图7为两个点物描述的z向仿真曲线；
图8为实测z向响应曲线；
图9为实测x向响应曲线；图10为本发明实施例2的示意图，在照明光路中加入照明端光瞳滤波器；其中，1-激光器，2-准直扩束器，3-测量透镜，4-被测样品，5-采集透镜，6_成像 透镜，7-放大透镜，8-CCD探测器，9、10_虚拟针孔，11-探测器像面焦斑，12-微位移工作台， 13-乘法器，14-照明端光瞳滤波器。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。实施例一本发明的基本思想是将探测器所测得的强度曲线相乘并归一化处理，可同时提高 系统的轴向分辨力和横向分辨力，达到提高空间分辨力的目的。如图1所示，双轴共焦高空间分辨乘积处理方法，其实施步骤是首先打开激光器1 (波长X )，出射光通过准直扩束器2出射为平行光，平行光经由 测量透镜3聚焦到放置在微位移工作台11上的被测样品4表面，被反射进入采集透镜5，经 过采集透镜5收集的光束通过成像透镜6进行汇聚，汇聚光斑经过放大透镜7放大并成像 在(XD探测器8上。计算机从(XD探测器8上获取焦斑图像11，当被测样品4位于系统焦面上时，计 算机计算出此时焦斑图像11的中心，以此中心作为坐标原点，建立C⑶像面上的坐标系 (xd' , yd')，在xd'轴上对称设置两个具有相同半径的圆形虚拟针孔9和10对焦斑图像 11进行分割探测，其对应的针孔横向偏移量均为M ；当被测样品4进行扫描时，计算机分别 计算出虚拟针孔9和第二虚拟针孔10范围内像素灰度总和，得到强度响应IA(x，y，z,-vxM) 和IB(x，y，z, +vxM)，其中vxM是对应于M的归一化横向偏移量。将IA(x，y，z, -vxM)和IB(x， y，z, +vxM)通过乘法器1相乘得到带有被测样品4凸凹变化的强度IDM(x，y，z, vxM)，根据 ID (x, y，z, vxM)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品4的三维表面形貌和微观尺度。如图1所示，(x，y，z)为系统坐标系，(Xi，Zi)和(x。，y。，zc)分别为测量透镜3 和采集透镜5在样品空间的坐标。激光器1、准直扩束器2和测量透镜3构成照明光路，其振幅点扩展函数PSF为
权利要求
双轴共焦高空间分辨乘积处理方法，采用双轴差动共焦显微术的横向分割探测方式和两探测器信号乘积探测实现对被测样品的高空间分辨测量；该处理方法的装置以测量面法线方向为测量轴线，建立双轴共焦系统坐标系(x，y，z)，入射光束的光轴与系统z轴夹角为θ，入射光束以入射角θ经测量透镜入射到被测样品上，经被测样品以θ角反射后，进入采集透镜；经过采集透镜出射的测量光束，经成像透镜成像于其焦平面上，经放大透镜将成像透镜焦平面上的聚焦光斑放大并成像在探测器上；以聚焦光斑的中心为原点，建立与接收光轴垂直的像面坐标系(xd′yd′)，同时在点( M，0)和(+M，0)处设置两个相同的针孔，形成两个点探测器，M为点探测器相对原点的横向偏离量，M对应的横向归一化偏移为vxM，其特征在于1)优化入射角θ和针孔的横向归一化偏移量vxM，减小双轴乘积共焦响应曲线的半高宽和两点可分辨距离，使共焦显微技术的空间分辨力最优；2)利用上述装置对被测样品沿x、y、z方向扫描，两个点探测器测得反应被测样品凸凹变化的强度信号IA(x，y，z， vxM)和IB(x，y，z，+vxM)，将信号IA(x，y，z，+vxM)和IB(x，y，z， vxM)相乘并进行归一化处理，得到对应被测样品凸凹变化的强度曲线IDM(x，y，z，vxM)；3)依据强度曲线IDM(x，y，z，vxM)线性区间的大小，或依据强度曲线IDM(x，y，z，vxM)最大值的位置，重构出被测样品的表面形貌和微观尺度。
2.依据权利1所述的双轴共焦高空间分辨乘积处理方法，其特征在于为了进一步改 善横向分辨力，可在测量透镜前面或收集透镜后面加入光学超分辨器件，或者在测量透镜 前面和收集透镜后面都加入光学超分辨器件。
全文摘要
本发明属于表面微细结构和生物显微成像测量技术领域，涉及一种双轴共焦高空间分辨乘积检测方法。该方法利用双轴共焦双接收光路中横向偏移放置的双探测器接收到的离焦信号相乘形成双轴共焦乘积测量信号，对被测样品进行测量、成像，通过两个离焦信号的乘积同时提高双轴共焦显微探测方法的三维分辨力，从而实现双轴乘积共焦方法的高空间分辨力检测。该方法还可以结合光学超分辨检测方法，进一步提高空间分辨力。该方法可以满足高空间分辨力、高精度测量成像要求，特别适用于表面三维微细结构、微台阶、线宽、表面形貌等的精密测量以及高精度生物成像检测领域等。
文档编号G01B11/24GK101936717SQ201010239830
公开日2011年1月5日 申请日期2010年7月29日 优先权日2010年7月29日
发明者刘大礼, 江琴, 赵维谦, 邱丽荣 申请人:北京理工大学