專利名稱：三差動共焦顯微成像方法與裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于顯微成像及微觀測量技術領域，涉及一種軸向超分辨成像的三差動共焦顯微成像方法與裝置，其可用于測量樣品的三維表面形貌、三維微細結構、微臺階、微溝槽、集成電路線寬等。
背景技術：
共焦顯微鏡的思想最早由美國學者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年獲得美國專利，專利號為US3013467。共焦顯微鏡將點光源、點物和點探測器三者置于彼此對應的共軛位置，構成光學顯微成像中獨具層析能力的點照明和點探測顯微成像系統(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在被測物體表面聚焦成光斑后被被測物體反射，反射光沿原路返回，再通過分光鏡10將來自物體的信號光導入放置于光電探測器8前面的針孔7內(nèi)，在光電探測器8處形成點檢測，光電探測器8主要接收來自物鏡焦點處的信號光，焦點以外的返回光被針孔7遮擋。當物體位于焦平面A時，光電探測器8接收到的光能最大，當物體偏離焦平面A時，反射光被聚焦于針孔前或后的某一位置，此時光電探測器8僅接收一小部分光能量，也就是說物體在離焦時探測到的信號要比在焦平面時弱，這樣就可以通過光電探測器檢測光強信號的強弱變化來反映物體相對于焦平面的位置。當物體沿垂直于光軸方向的X-Y平面內(nèi)作掃描運動時，共焦顯微鏡依據(jù)光軸Z向離焦信號、X向和Y向的位移大小，即可構建出被測物體的三維輪廓。在光學顯微鏡成像中共焦顯微鏡因其具有獨特的層析成像能力，這就使其廣泛應用于生物工程、醫(yī)學檢測、信息存儲、微電子、半導體材料及表面輪廓測量等領域。
共焦顯微鏡層析成像能力由圖2所示的軸向響應曲線27的半高寬FWHM決定，F(xiàn)WHM越大，層析成像能力越強。但由于受衍射現(xiàn)象的限制，用傳統(tǒng)的通過增大物鏡5數(shù)值孔徑值NA和減小光波波長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)決定的愛里斑，但不增大光學系統(tǒng)的空間截止頻率，常用的技術包括光瞳濾波技術、移相掩模技術、基于光學性質(zhì)非線性變化的超分辨技術等；第二類是通過增大光學系統(tǒng)空間截止頻率，增加高頻光線所占的比例，來減小光學系統(tǒng)的愛里斑主瓣；第三類是通過改變光學系統(tǒng)入射光束空間頻率的分布，來減小光學系統(tǒng)愛里斑的主瓣，一般可通過離軸照明技術、變形照明技術、正交偏振光照明技術、環(huán)形光照明技術和干涉光束空間頻移法等光源照明技術來實現(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合的應用需求，但它們對共焦顯微鏡的抗干擾能力并沒有明顯的改善，甚至有些方法，如光瞳濾波器超分辨法，還會由于進行超分辨而引起共焦顯微鏡強度響應特性旁瓣的增加，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的三差動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，還能顯著增強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)明的技術解決方案是一種三差動共焦顯微成像方法，包括下列步驟(1)將共焦顯微鏡的測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得具有不同位相差的軸向響應信號的強度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)差動相減得IA(v，u)，I3(v，u，0)和I1(v，u，+uM)差動相減得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)差動相減得IC(v，u)，則得到對應被測樣品凸凹變化的強度I(v，u)為 及強度曲面31；
(4)優(yōu)化針孔18和針孔14距其相應聚光鏡焦點位置的光學歸一化坐標uM，改善共焦顯微鏡的軸向分辨力；(5)依據(jù)I(v，u)強度曲面31在測量范圍內(nèi)的光強大小，重構出被測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、測量顯微物鏡5，還包括放置在光源1發(fā)射端的擴束器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反射后的測量光束第一次分為兩束測量光的分光鏡10、將分光鏡10透射的光束再次分為兩束測量光束的分光鏡12，分別匯聚三束測量光的三個聚光鏡17、6和13，依次位于三個聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個針孔18、7和19，以及分別貼近三個針孔后面的三個光電探測器19、8和15。
本發(fā)明成像方法及裝置具有以下特點及良好效果利用針孔軸向偏移改變共焦顯微鏡軸向強度響應曲線相位這一性質(zhì)，通過對三束聚焦測量光束依次進行遠焦、焦面和近焦探測，獲得具有不同位相的三個測量信號，再進行相應的差動相減處理等，達到既改善共焦顯微系統(tǒng)軸向分辨力又顯著增強環(huán)境抗干擾能力、線性和離焦特性等，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術的創(chuàng)新點之一。
利用三探測信號進行數(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，還具有差動共焦測量系統(tǒng)的功能，與普通的共焦顯微鏡相比，三差動共焦顯微鏡更便于三維表面輪廓和微細結構的高精度測量，其將顯微成像測量和表面微觀輪廓及尺寸測量相融合，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術的創(chuàng)新點之二。
本發(fā)明三差動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結合，可在上述超分辨技術的基礎上，進一步應用本三差動共焦顯微超分辨方法進行超分辨成像，這是區(qū)別于現(xiàn)有超分辨技術的創(chuàng)新點之三。
采用上述技術后，測量裝置具有如下特點1)提高共焦顯微系統(tǒng)軸向分辨力的同時，可改善共焦顯微系統(tǒng)的橫向離焦特性；2)雙探測器差動相減探測法可抑制環(huán)境狀態(tài)差異、光源光強波動、探測器電氣漂移等引起的共模噪聲，顯著提高測量系統(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共焦測量系統(tǒng)的雙極性測量輔助功能，便于對三維微細結構和表面輪廓進行雙極性絕對跟蹤測量。


圖1共焦顯微鏡原理圖。
圖2共焦顯微鏡軸向響應仿真曲線。
圖3為本發(fā)明方法與裝置構成圖。
圖4為差動信號靈敏度仿真曲線。
圖5為本發(fā)明當uM＝5.21時共焦顯微鏡三維強度響應仿真曲面。
圖6為本發(fā)明當uM＝5.21時共焦顯微鏡三維強度響應歸一化仿真曲面。
圖7為典型共焦顯微鏡三維強度響應歸一化仿真曲面。
圖8為本發(fā)明當uM＝5.21時共焦顯微鏡軸向強度響應仿真曲線。
圖9為本發(fā)明當uM＝5.21時共焦顯微鏡軸向強度響應歸一化仿真曲線。
圖10為本發(fā)明當uM＝8.0時共焦顯微鏡軸向強度響應仿真曲線。
圖11為本發(fā)明當uM＝8.0時共焦顯微鏡軸向強度響應歸一化仿真曲線。
圖12為軸向強度響應I3(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)的實測曲線，以及差動相減曲線Ic(0，u)和I(0，u)。
圖13為軸向強度響應I3(v，u，0)和差動相減強度I(0，u)的歸一化曲線。
其中，1光源，2擴束器，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光電探測器，9、11、16光強調(diào)節(jié)器，10、12分光鏡，20、21、22聚焦信號差動相減歸一化處理單元，23計算機處理系統(tǒng)，24被測物體，25工作臺，27共焦顯微鏡軸向響應曲線，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，31三維強度響應I(v，u)仿真曲面，32共焦顯微鏡三維強度響應I3(v，u，0)的仿真曲面，33軸向強度響應I1(0，u，+uM)曲線，34軸向強度響應I2(0，u，-uM)曲線，35軸向強度響應I3(0，u，0)曲線，36軸向強度響應IC(0，u)曲線，37軸向強度響應I(0，u)曲線。
具體實施例方式下面詳細介紹本發(fā)明所述的方法
將共焦顯微鏡接收測量光束分為三路，并分別將三個聚光鏡聚焦，在三個聚光鏡焦面附近各布置一套光電接收系統(tǒng)，使三套針孔及探測器依次位于三聚光鏡的遠焦、焦面和近焦位置，構成共焦顯微鏡遠焦、焦面和近焦三個共焦光電接受系統(tǒng)，再將接受的三路具有一定相移的探測信號兩兩差動相減和處理，繼而達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。其具體技術方案如圖3所示激光器1發(fā)出的光經(jīng)擴束器擴束2，透過偏振分光鏡3后變?yōu)槠穹较蚱叫杏诩埫娴膒光，該p光透過四分之一波片4后被物鏡5聚焦在被測物體24表面后，被被測物體24返回再次透過四分之一波片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首先將測量光束分為兩束，經(jīng)分光鏡10反射的測量光束被聚光鏡6聚焦，進入位于聚光鏡6焦點位置的針孔7，被探測器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反射的測量光束被聚光鏡13聚焦，進入距聚光鏡13焦點后距離為M位置的針孔14，后被探測器15接收；經(jīng)分光鏡12透射的測量光束被聚光鏡17聚焦，進入距聚光鏡17焦點前距焦點距離為M的針孔18，被針孔18后的探測器19接收；差動相減處理系統(tǒng)20、21和22將探測到的三個具有一定相位大小的信號I1(0，u，+uM)、I2(0，u，-uM)和I3(0，u，0)兩兩差動相減得IA(v，u)、IB(v，u)和IC(v，u)，并進入計算機處理系統(tǒng)23后可得 強度I(v，u)對應被測樣品凸凹變化，依據(jù)I(v，u)強度曲線31在測量范圍內(nèi)的光強大小，重構出被測樣品的三維表面形貌和微觀尺度，即可實現(xiàn)軸向超分辨共焦顯微成像探測。
由于多路信號的冗余，使共焦顯微鏡除了能進行超分辨軸向層析成像外，利用Ic(v，u)使三差動共焦顯微鏡還具有差動共焦測量系統(tǒng)的雙極性測量功能，便于對三維微細結構和表面輪廓進行雙極性絕對跟蹤測量。
本軸向超分辨三差動共焦顯微鏡中，分光鏡10的透反比為2∶1，分光鏡12的透反比為1∶1，光強調(diào)節(jié)器9、11和16分別用于調(diào)節(jié)三束測量光束，使通過它們的光強強度相等。
上述三差動共焦顯微法進行軸向超分辨測量時，對應I(0，u)軸向分辨力最大值時的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uM＝±5.21時，靈敏度k(0，0，uM)對應的絕對值最大，且為0.54。
本發(fā)明的原理如圖3所示光源1、擴束器2、偏振分光鏡3、四分之一波片4、物鏡5、聚光鏡6、針孔7和光電探測器8構成共焦顯微鏡，其強度響應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u和橫向歸一化坐標v為 其中，z為物體軸向移動距離，r為透鏡的徑向坐標，a0為物鏡數(shù)值孔徑角。
光源1、擴束器2、偏振分光鏡3、四分之一波片4、物鏡5、聚光鏡13、針孔14和光電探測器15構成探測器遠焦探測的“準共焦顯微鏡”，其強度響應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為對應探測器軸向偏移聚光鏡焦點距離M的光學歸一化坐標。
光源1、擴束器2、偏振分光鏡3、四分之一波片4、物鏡5、聚光鏡17、針孔18和光電探測器19構成探測器近焦探測的“準共焦顯微鏡”，其強度響應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)]]>當樣品24隨工作臺25進行軸向或橫向掃描時，光電探測器8、15和19分別探測到信號I3(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)，兩兩進行差動相減后得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)計算機處理系統(tǒng)23依據(jù)測得IA(v，u)、IB(v，u)和Ic(v，u)進行測量和判斷，得三差動共焦顯微鏡的強度響應曲線為 在測量段內(nèi)I(v，u)強度響應大小，對應被測樣品25的凸凹變化，利用該值大小即可重構出被測樣品的表面形貌及微觀尺度。
當三差動共焦顯微鏡測量物鏡數(shù)值孔徑值、針孔大小和探測器靈敏度等系統(tǒng)參數(shù)一旦確定后，強度響應曲線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uM值使三差動共焦顯微鏡的軸向分辨力最佳。
對差動信號IA(0，u)對u求導得靈敏度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)]]>對差動信號IB(0，u)對u求導得靈敏度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)]]>對差動信號IC(0，u)對u求導得靈敏度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uM＝±5.21時，靈敏度曲線kA(0，0，uM)、kB(0，0，uM)和kC(0，0，uM)對應的絕對值最大。此時，對應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為三差動共焦顯微鏡強度響應I(v，u)的曲面，圖6為其歸一化曲面。圖7為對應典型共焦顯微鏡強度響應I3(v，u，0)的曲面，與I3(v，u，0)相比I(v，u)的響應曲線明顯得到銳化，I(v，u)≥0以上的旁瓣明顯得到抑制。圖8為當uM＝5.21時，I1(0，u，+uM)、I2(0，u，-uM)、I3(0，u，0)、IC(0，u)和I(0，u)的響應曲線33、34、35、36和37，圖9為uM＝5.21時，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)強度響應曲線間兩兩差動相減而得到的，因而共焦顯微鏡光強波動、樣品表面反射率變化、環(huán)境干擾等因素對強度響應曲線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)點是已有軸向超分辨共焦顯微鏡無法比擬的。
當然uM的選擇應綜合考慮，同時亦應考慮I(v，u)的光強大小，圖10為uM＝8.0時的軸向強度響應曲線，圖10與圖8相比，盡管圖9中I(0，u)強度響應曲線的半高寬可能小，但圖10的光強值卻大，因此，選擇uM時應兼顧uM對軸向超分辨效果和光強大小兩方面的影響。
下面對本發(fā)明的軸向超分辨的三差動共焦顯微鏡裝置的結構及工作原理結合實施例及附圖詳細說明如下一種軸向超分辨的三差動共焦顯微鏡裝置，包括光源1，依次放在光源發(fā)射端的擴束器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反射后的測量光束第一次分為兩束測量光的分光鏡10、將分光鏡10透射的光束再次分為兩束測量光束的分光鏡12，分別匯聚三束測量光的三個聚光鏡17、6和13，依次位于三個聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個針孔18、7和14，以及分別貼近三個針孔后面的三個光電探測器19、8和15組成。本發(fā)明三差動軸向超分辨共焦顯微鏡還包括依次相連的三個聚焦信號差動處理系統(tǒng)20、21和22，一個計算機放大處理系統(tǒng)23，其中聚焦信號差動處理系統(tǒng)與光電探測器相連，將接收的傳感信號經(jīng)放大處理后，由計算機再進行數(shù)據(jù)處理。本發(fā)明三差動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，光強調(diào)節(jié)器9、11和16分別用于調(diào)節(jié)三束測量光束，使它們的光強基本相等。
本實施例物鏡5優(yōu)先選用60×0.85的普通平場消色差顯微物鏡。光電探測器8、15和19優(yōu)先采用美國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NERPORT公司的PH-10型針孔，它由超薄鉬材料構成，孔徑尺寸為10μm，厚度為15.24μm。
微位移工作臺25的驅動器優(yōu)先選用美國NEWFOCUS公司生產(chǎn)的大范圍、高穩(wěn)定性微位移驅動器，配以縮小比例為5∶1的柔性鉸鏈工作臺組成納米級的微動標定系統(tǒng)，微位移驅動器每個驅動脈沖可獲得2nm的進給。
對本實施例軸向超分辨三差動共焦顯微鏡裝置的軸向超分辨性能進行初步測試，被測物選用量塊，將量塊置于載物臺上，通過微調(diào)機構沿軸向調(diào)整臺階，使光觸點聚焦在量塊表面上，而后，沿軸向位移量塊，微動工作臺的分辨力為2nm，用HP5529A雙頻激光干涉儀檢測量塊的移動量，其分辨力為0.001μm，驅動系統(tǒng)能以分辨力為0.01μm的進給量微動臺階。
圖12為測得的強度為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)間差動相減得到的強度為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度相應曲線35相比，本發(fā)明三差動共焦顯微鏡軸向強度響應曲線37的半高寬顯著減小，線性得到顯著改善，測量結果與前述理論分析和仿真曲線基本一致。
權利要求
1.一種三差動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得具有不同位相的軸向響應信號的強度I2(v，u，-uM)、I1(v，u，+uM)和I3(v，u，0)以及具有不同位相的強度曲線(34)、(33)和(35)；(3)將I3(v，u，0)和I2(v，u，-uM)差動相減得IA(v，u)，I3(v，u，0)和I1(v，u，+uM)差動相減得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)和I1(v，u，+uM)差動相減得IC(v，u)，則得到對應被測樣品凸凹變化的強度I(v，u)為 及強度曲面(31)；(4)優(yōu)選針孔(18)和針孔(14)距其相應聚光鏡焦點位置的光學歸一化坐標uM，改善共焦顯微鏡的軸向分辨力；(5)依據(jù)I(v，u)強度曲面(31)在測量范圍內(nèi)的光強大小，重構出被測樣品的三維表面形貌和微觀尺度。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所說的步驟(1)為先將測量光束分為兩束測量光束，再將兩束測量光束中的一束分為兩束測量光束。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于還包括利用IC(v，u)進行三維微細結構及表面輪廓的雙極性絕對測量。
4.根據(jù)權利要求1或2所述的方法，其特征在于對應I(0，u)和IC(0，u)軸向分辨力最大值時的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uM＝±5.21時，I(0，u)和IC(0，u)斜邊段靈敏度值最大。
5.一種三差動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)反射后的測量光束第一次分為兩束測量光的分光鏡(10)、將分光鏡(10)透射的光束再次分為兩束測量光束的分光鏡(12)，分別匯聚三束測量光的三個聚光鏡(17)、(6)和(13)，依次位于三個聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個針孔(18)、(7)和(14)，以及分別貼近三個針孔后面的三個光電探測器(19)、(8)和(15)。
6.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于還包括依次相連的三個聚焦信號差動處理系統(tǒng)(20)、(21)和(22)，一個計算機放大處理系統(tǒng)(23)，其中聚焦信號差動處理系統(tǒng)(22)與光電探測器(8)相連，將接收的傳感信號放大后，由計算機再進行數(shù)據(jù)處理。
7.根據(jù)權利要求5所述的裝置，其特征在于該共焦顯微鏡裝置還包括光強調(diào)節(jié)器(9)、(11)和(16)，分別用于調(diào)節(jié)三束測量光束，使它們的光強相等。
8.根據(jù)權利要求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量技術領域，涉及一種軸向超分辨成像的三差動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)反射后的測量光束第一次分為兩束測量光的分光鏡(10)、將分光鏡(10)透射的光束再次分為兩束測量光束的分光鏡(12)，分別匯聚三束測量光的三個聚光鏡(17)、(6)和(13)，依次位于三個聚光鏡焦前位置、焦面位置和焦后位置的三個針孔(18)、(7)和(14)，以及分別貼近三個針孔后面的三個光電探測器(19)、(8)和(15)。
文檔編號G02B21/00GK1587898SQ20041007365
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月2日 優(yōu)先權日2004年9月2日
發(fā)明者趙維謙, 譚久彬, 邱麗榮 申請人:哈爾濱工業(yè)大學