專利名稱：三差動共焦顯微三維超分辨成像方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像及微觀測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高性噪比和三維超分辨成像能力的三差動共焦顯微三維超分辨成像方法，其可用于測量樣品的三維表面形貌、三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺階、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學(xué)者M(jìn).Minsky于1957年首次提出，并于1961年得到美國專利授權(quán)，專利號為US3013467。共焦顯微鏡將點(diǎn)光源、點(diǎn)物和點(diǎn)探測器三者置于彼此對應(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32發(fā)出的光經(jīng)針孔33、物鏡5在被測物體表面聚焦成光斑后沿原路返回，再通過分光鏡10將來自物體的信號光導(dǎo)入放置在探測器8前面的針孔7內(nèi)，在探測器8處形成點(diǎn)檢測，探測器8主要接收來自物鏡焦點(diǎn)處的信號光，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，探測器8接收到的光能最大，當(dāng)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，此時探測器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，這樣就可以通過探測器檢測光強(qiáng)信號的強(qiáng)弱變化來反映物體相對于焦平面的位置。當(dāng)物體沿垂直于光軸方向的x-y平面作掃描運(yùn)動時，共焦顯微鏡依據(jù)光軸z向離焦信號、x向和y向位移大小，即可構(gòu)建出被測物體的三維輪廓。
共焦顯微鏡因其具有三維層析成像能力而被廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、材料、工業(yè)精密檢測、生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域中進(jìn)行成像測量，但由于受衍射現(xiàn)象的限制，制約了其成像分辨能力的進(jìn)一步提高。盡管其成像分辨能力可以通過增大物鏡數(shù)值孔徑值NA和減小光波波長等傳統(tǒng)的方法來改善，但其改善程度仍受衍射極限的限制。為從根本上突破衍射極限，改善共焦顯微鏡的成像分辨能力，近來已有眾多非傳統(tǒng)的共焦顯微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、共焦干涉顯微鏡和基于光學(xué)非線性行為的雙光子和多光子共焦顯微鏡等；在超分辨成像技術(shù)方面，已研究的方法和技術(shù)可歸為以下幾類，一類是減小由瑞利判據(jù)決定的愛里斑，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；第二類是通過增大光學(xué)系統(tǒng)空間截止頻率，增加高頻光線所占比例，來減小光學(xué)系統(tǒng)的愛里斑主瓣；第三類是通過改變光學(xué)系統(tǒng)入射光束空間頻率分布，來達(dá)到減小光學(xué)系統(tǒng)愛里斑主瓣的目的，一般可通過離軸照明技術(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)來實現(xiàn)。
總體上看，上述新型共焦顯微鏡和超分辨方法與技術(shù)，改善了共焦顯微鏡的成像分辨特性，解決了眾多共焦顯微鏡超分辨顯微成像測量的需求，但它們?nèi)源嬖谌缦仑酱鉀Q的問題一是目前已有的各種形式的共焦顯微鏡均是利用探測到的光強(qiáng)信號直接進(jìn)行成像處理，其易受光強(qiáng)波動、背景光干擾、環(huán)境溫度漂移等因素的影響，共焦顯微鏡成像系統(tǒng)信噪比低；二是共焦顯微鏡軸向?qū)游鼍仁苤朴谳S向強(qiáng)度響應(yīng)曲線的非線性，并且已有的超分辨技術(shù)在超分辨成像過程中易引起旁瓣的增大和軸向響應(yīng)曲線非線性誤差的增大。為改善共焦顯微鏡層析成像能力，申請人提出了改善共焦顯微鏡信噪比和軸向分辨力的三差動共焦顯微成像方法，并申請了題為“三差動共焦顯微成像方法與裝置”的中國發(fā)明專利，申請?zhí)枮?0041000736524(發(fā)明人趙維謙，譚久彬，邱麗榮)。但是該三差動共焦顯微成像方法主要用于改善共焦顯微鏡的軸向分辨能力，未能改善共焦顯微鏡的橫向分辨能力，而已有的超分辨光瞳濾波器用于共焦顯微鏡進(jìn)行三維超分辨成像時，既要進(jìn)行橫向超分辨又要兼顧軸向超分辨，三維超分辨效果通常不是特別顯著。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服上述已有技術(shù)的不足，融合光學(xué)超分辨和三差動共焦顯微鏡各自的特點(diǎn)，提供一種橫向光學(xué)超分辨、軸向三差動共焦超分辨的具有三維超分辨成像能力的共焦顯微成像方法，來對微電子學(xué)、材料、工業(yè)精密檢測、生物醫(yī)學(xué)、生命科學(xué)等領(lǐng)域進(jìn)行顯微成像檢測。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案為一種三差動共焦顯微三維超分辨成像方法，包括下列步驟(1)將入射光通過光瞳濾波器(2)、偏振分光鏡(3)，經(jīng)三差動共焦顯微系統(tǒng)的測量物鏡(5)對被測樣品進(jìn)行掃描成像，探測器(8)、(15)和(19)分別測得反映被測樣品凸凹變化的強(qiáng)度響應(yīng)I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)；(2)將I1(v，u，0)減I2(v，u，-uM)得IA(v，u)，I1(v，u，0)減I2(v，u，-uM)得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)減I3(v，u，+uM)得IC(v，u)，則得到對應(yīng)被測樣品凸凹變化的強(qiáng)度I(v，u)為
及強(qiáng)度曲面；(3)優(yōu)化振幅型濾波器、位相型濾波器、振幅位相混合型濾波器等光瞳濾波器參數(shù)，使I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)橫向強(qiáng)度響應(yīng)滿足GT、M和S的設(shè)計要求，銳化三差動共焦顯微鏡I(v，u)的主瓣，提高三差動共焦顯微鏡的橫向分辨力；(4)優(yōu)化針孔(14)和針孔(18)距其相應(yīng)聚光鏡焦點(diǎn)位置的光學(xué)歸一化坐標(biāo)uM，使共焦顯微鏡軸向分辨力的改善達(dá)到最優(yōu)；(5)依據(jù)I(v，u)強(qiáng)度曲線光強(qiáng)大小，重構(gòu)出被測樣品的微觀三維形貌和微觀尺度；(6)利用IC(v，u)強(qiáng)度曲線，對被測樣品三維形貌和微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙極性絕對跟蹤測量。
本發(fā)明方法將提高軸向分辨力的三差動共焦掃描方法和提高橫向分辨力的超分辨光瞳濾波共焦掃描方法融合起來，構(gòu)成光瞳濾波式三維超分辨差動共焦成像方法。采用特定設(shè)計的光瞳濾波器對三差動共焦顯微鏡的光瞳函數(shù)進(jìn)行掩膜修正，進(jìn)而改變波前，銳化愛里斑主瓣，最終提高差動共焦顯微鏡橫向超分辨力。光瞳濾波器可以是位相型濾波器、振幅型濾波器和振幅位相混合型濾波器。軸向分辨力的提高可通過三差動共焦光路布置及差動探測來進(jìn)行，這樣，就可以達(dá)到三維超分辨成像能力和高性噪比顯微成像檢測。
本發(fā)明檢測方法具有以下特點(diǎn)及良好效果本發(fā)明由于融合了光瞳濾波式共焦顯微術(shù)橫向超分辨特性和三差動共焦光路布置法的軸向超分辨特性，避免了已有的三維超分辨光瞳濾波器既要提高橫向分辨力，又要提高軸向分辨力，從而降低三維超分辨綜合性能的缺點(diǎn)，使共焦顯微鏡既能改善共焦顯微鏡的三維超分辨成像能力(軸向和橫向)，又能顯著增強(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。
利用三探測信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，使共焦顯微鏡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，三差動共焦顯微鏡還便于三維表面輪廓和微細(xì)結(jié)構(gòu)的高精度絕對測量，其將表面微觀形貌和尺寸測量相融合，這是區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)之二。
本發(fā)明測量方法具有如下特點(diǎn)1)使共焦顯微鏡具有三維超分辨成像能力；2)三差動共焦接收的光路布置法和三探測器信號兩兩差動相減的探測方法可抑制環(huán)境狀態(tài)差異、光源光強(qiáng)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)測量系統(tǒng)具有絕對跟蹤零點(diǎn)和雙極性跟蹤特性，可實現(xiàn)絕對測量；4)改善了共焦系統(tǒng)的離焦特性。


圖1共焦顯微鏡原理圖。
圖2為采用光瞳濾波技術(shù)的三差動共焦顯微三維超分辨成像方法示意圖。
圖3為本發(fā)明成像方法，當(dāng)uM＝5.21時共焦顯微鏡三維強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲面圖。
圖4為本發(fā)明成像方法，當(dāng)uM＝5.21時共焦顯微鏡三維強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲面圖。
圖5為位相型光瞳濾波橫向超分辨光強(qiáng)響應(yīng)曲線比較圖。
圖6為本發(fā)明差動信號靈敏度仿真曲線圖。
圖7為本發(fā)明當(dāng)uM＝5.21時三差動共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線。
圖8為本發(fā)明當(dāng)uM＝5.21時三差動共焦顯微鏡軸向強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲線。
圖9為本發(fā)明三差動共焦顯微鏡橫向強(qiáng)度響應(yīng)仿真曲線圖。
圖10為本發(fā)明三差動共焦顯微鏡橫向強(qiáng)度響應(yīng)歸一化仿真曲線圖。
其中，1入射光束，2光瞳濾波器，3偏振分光鏡，4λ/4波片，5物鏡，6、13、17聚光鏡，7、14、18針孔，8、15、19探測器，9、11、16光強(qiáng)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(jī)處理系統(tǒng)，24被測物體，25三維工作臺，26三差動共焦顯微鏡，27IC(0，u)共焦顯微鏡軸向響應(yīng)曲線，28軸向強(qiáng)度響應(yīng)I(0，u)曲線，29軸向強(qiáng)度響應(yīng)I2(0，u，-uM)曲線，30軸向強(qiáng)度響應(yīng)I3(0，u，+uM)曲線，31軸向強(qiáng)度響應(yīng)I3(0，u，0)曲線，32激光光源，33光闌，34I(v，u)強(qiáng)度響應(yīng)曲線，35靈敏度kA(0，0，uM)的仿真曲線，36靈敏度kB(0，0，uM)的仿真曲線，37靈敏度kC(0，0，uM)仿真曲線，38橫向強(qiáng)度響應(yīng)I1(v，0，0)曲線，39橫向強(qiáng)度響應(yīng)I(v，0)曲線。
具體實施例方式
本發(fā)明的三差動顯微成像方法是采用三差動共焦顯微成像技術(shù)將共焦顯微鏡的接收光路布置為遠(yuǎn)焦、焦面和近焦三路探測光路，通過三路探測系統(tǒng)探測到的具有不同位相的三路強(qiáng)度響應(yīng)信號兩兩差動相減達(dá)到改善軸向分辨力和提高抗干擾能力的目的，通過超分辨光瞳濾波式共焦顯微成像方法來提高共焦顯微鏡的橫向分辨力，使共焦顯微鏡最終實現(xiàn)高性噪比和三維超分辨顯微成像。
如圖2所示，虛框部分26為三差動共焦顯微光路布置，入射光束1經(jīng)過光瞳濾波器2透過偏振分光鏡3(PBS)后變?yōu)槠穹较蚱叫杏诩埫娴膒光，該p光透過λ/4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反回再次透過λ/4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(jìn)入位于聚光鏡6焦點(diǎn)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(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(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后的探測器19接收。
當(dāng)工作臺25對被測樣品24進(jìn)行軸向(軸向歸一化光學(xué)位移設(shè)為u)和橫向(橫向歸一化光學(xué)位移設(shè)為v)掃描時，探測器8探測到的信號為I1(v，u，0)，探測器15探測到的信號為I2(v，u，-uM)，探測器19探測到的信號為I3(v，u，+uM)，差動相減處理系統(tǒng)22將I1(v，u，0)減I2(v，u，-uM)得IA(v，u)，差動相減處理系統(tǒng)21將I1(v，u，0)減I3(v，u，+uM)得IB(v，u)，差動相減處理系統(tǒng)20將I2(v，u，-uM)減I3(v，u，+uM)得IC(v，u)，將IA(v，u)、IB(v，u)和IC(v，u)輸入計算機(jī)處理系統(tǒng)23后進(jìn)行處理得 三差動共焦顯微鏡強(qiáng)度響應(yīng)I(v，u)如圖3所示，歸一化強(qiáng)度響應(yīng)如圖4所示。強(qiáng)度I(v，u)對應(yīng)被測樣品凸凹變化，依據(jù)I(v，u)強(qiáng)度曲線在測量范圍內(nèi)的光強(qiáng)大小，重構(gòu)出被測樣品的三維表面形貌和微觀尺度，即可實現(xiàn)共焦顯微鏡的三維超分辨顯微成像探測。
其具體原理如下當(dāng)被測樣品24處于近焦時，探測器19探測到的軸向響應(yīng)信號對應(yīng)曲線30的最大值附近，此時對應(yīng)共焦顯微鏡差動響應(yīng)曲線28的A端；當(dāng)被測樣品24處于焦點(diǎn)位置，探測器19探測到的信號處于曲線30的下降段，探測器15探測到的信號處于曲線29的上升段，探測器8探測到的信號恰好處于探測曲線31的最高端；當(dāng)被測樣品24處于遠(yuǎn)焦位置時，探測器8探測到的信號處于探測曲線31的下降段，探測器19探測到的信號處于曲線30的下降段，探測器15探測到的信號處于曲線29的上升段，此時對應(yīng)曲線28的下降段；當(dāng)被測樣品在AB區(qū)域內(nèi)移動，曲線28對應(yīng)被測物離焦量大小的變化，即可完成共焦顯微鏡的層析成像功能。
用于物體三維輪廓及微細(xì)結(jié)構(gòu)測量時，當(dāng)被測樣品24處于近焦區(qū)點(diǎn)A處，探測器19探測到的信號對應(yīng)曲線30最大值，此時差動信號對應(yīng)27曲線的a端；當(dāng)被測樣品24處于焦點(diǎn)位置，探測器19探測到的信號處于曲線30下降段中部附近，探測器15探測到的信號處于曲線29上升段中部附近，差動共焦信號對應(yīng)27曲線的絕對零點(diǎn)；當(dāng)被測樣品24處于近焦區(qū)B處，探測器15探測到的信號處于曲線30的最大值附近，此時對應(yīng)27曲線的b端；當(dāng)被測樣品在焦點(diǎn)附近的ab區(qū)域內(nèi)移動，差動共焦信號對應(yīng)27曲線的ab段。
從27曲線中可以看出，與單路共焦顯微特性曲線29、30和31的斜邊段相比，27特性曲線的斜邊段變陡，靈敏度得到提高，軸向分辨力得到改善。
對本發(fā)明具有高性噪比和三維超分辨成像能力的三差動共焦顯微三維超分辨成像方法進(jìn)一步說明如下仍如圖2所示，虛框部分為三差動共焦顯微三接收光路布置26，光瞳濾波器2為N區(qū)同心圓環(huán)型光瞳濾波器。在單色光照明條件下，具有光瞳函數(shù)P(ρ)系統(tǒng)焦點(diǎn)附近的振幅分布為U(v,u)=2∫01p(ρ)·exp(-juρ2/2)·J0(vρ)ρdρ]]>ρ-歸一化半徑，v-對應(yīng)接收面上的徑向坐標(biāo)r，u-對應(yīng)以焦點(diǎn)為原點(diǎn)的軸上坐標(biāo)z，其中 tj為j區(qū)的透過率函數(shù)、j為j區(qū)的相位差，經(jīng)測量物鏡5聚焦后，在焦平面上的橫向振幅響應(yīng)特性為 對振幅型光瞳濾波器，式(5)中，j＝C(C為常數(shù))，tj為變量(j＝1，2，3……，N)對純相位型光瞳濾波器，式(5)中，tj＝C(C為常數(shù))，j為變量(j＝1，2，3……，N)對振幅位相混合型濾波器，式(5)中，tj、j均為變量(j＝1，2，3……，N)
在此以純相位型光瞳濾波器進(jìn)行分析，其它類同。考慮純相位型光瞳濾波器，則tj＝C(j＝1，2，3……，N)，令C＝1。
假設(shè)出射光瞳的半徑為R，入射波長為λ，(Rj＝aj·R，a0＝0，aN＝1，1＝0)，對于N區(qū)圓對稱位相型光瞳濾波器，焦面場振幅表達(dá)式為 I(v,0)=|U(v,0)|2]]> (7)由于J1(x)x=12(1-x24×2+x42×42×6+LL)---(8)]]>取兩級近似，即取J1(x)x≈12(1-x28),]]>對應(yīng)的光強(qiáng)為； 令I(lǐng)(v,0)=a-v24b+v264c---(10)]]>
其中 無光瞳濾波器時，I0(v,0)=1-v24+v464---(12)]]>∂I∂v=0⇒v1=0,v2,3=±22]]>中心光強(qiáng)極值為 I0(0，0)＝1(13)有光瞳濾波器時，∂IF∂v=0,]]>則-b·v2+v3·c16=0,]]>解方程得極值點(diǎn)坐標(biāo)如下 (15)有光瞳濾波器和無光瞳濾波器時的響應(yīng)曲線半高寬之比G為GT=bc]]>
(16)有光瞳濾波器和無光瞳濾波器時的焦點(diǎn)強(qiáng)度最大值之比即Streh1比S為 (17)利用優(yōu)化設(shè)計的方法，在給定的G、S和ε的條件下，確定N區(qū)位相板各自區(qū)域的位相差j和歸一化半徑aj。優(yōu)化條件為目標(biāo)函數(shù)F(j，aj)＝GT-0.75≤ε，ε＝0.02，S≥0.22，0＜j＜2π，0＜aj＜1 aN＝1；目標(biāo)函數(shù)F(j，aj)＝GT-0.80≤ε，ε＝0.02，S≥0.28，0＜j＜2π，0＜aj＜1 aN＝1；目標(biāo)函數(shù)F(j，aj)＝GT-0.85≤ε，ε＝0.02，S≥0.30，0＜j＜2π，0＜aj＜1 aN＝1；優(yōu)化算法采用Generic Algorithms算法。
取N＝4，即當(dāng)位相型光瞳濾波器為4區(qū)濾波器時，選取如下三組GT和S作為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化求解后得到三組對應(yīng)的光瞳濾波器參數(shù)1)當(dāng)GT＝0.7643、S＝0.25時，對應(yīng)的四區(qū)位相型光瞳濾波器a1＝0.1、a2＝0.2、a3＝0.5199、a4＝1，1＝0、2＝2.8634、3＝1.5222rad、4＝5.8372rad；2)當(dāng)GT＝0.8020、S＝0.3時，對應(yīng)的四區(qū)位相型光瞳濾波器a1＝0.2、a2＝0.3058、a3＝0.5332、a4＝1，1＝0、2＝1.5777rad、3＝3.0112rad、4＝5.7177rad；3)當(dāng)GT＝0.8512、S＝0.35時，對應(yīng)的四區(qū)位相型光瞳濾波器a1＝0.3、a2＝0.4、a3＝0.5804、a4＝1，1＝0、2＝1.6834rad、3＝3.6583rad、4＝6.2829rad。
將上述三種位相型光瞳濾波器橫向超分辨曲線繪制于圖5中，從中可以看出加入位相型光瞳濾波器后，橫向響應(yīng)曲線得到銳化，且G值越小，銳化越明顯，橫向分辨力提高的越明顯。不利之處是旁瓣增強(qiáng)，光能損失亦增大即S值變小，但旁瓣可以通過共焦顯微系統(tǒng)的針孔抑制(這正是光瞳濾波器與共焦顯微術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)真正意義上的超衍射分辨檢測的原因)，光能損失可以通過增大探測系統(tǒng)的放大倍數(shù)來解決。
軸向分辨力的改善，通過優(yōu)選uM值大小來達(dá)到，將差動信號IA(0，u)對u求導(dǎo)得靈敏度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)＝sin c[(uM)/4π]·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)]/{(uM)/4}2(19)將差動信號IB(0，u)對u求導(dǎo)得靈敏度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)＝-sin c[(uM)/4π]·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)]/{(uM)/4}2(21)將差動信號IC(0，u)對u求導(dǎo)得靈敏度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(0，0，uM)＝-2sin c[(uM)/4π]·[(uM/4)·cos(uM/4)-sin(uM/4)]/(uM/4)2(23)依據(jù)公式(19)、(21)和(23)，將IA(0，u)、IB(0，u)和IC(0，u)強(qiáng)度響應(yīng)線性段的靈敏度曲線繪于圖6中，從中可以看出當(dāng)uM＝±5.21時，靈敏度kA(0，0，uM)曲線35、靈敏度kB(0，0，uM)曲線36、和靈敏度kC(0，0，uM)曲線37對應(yīng)的絕對值最大，此時，對應(yīng)IA(0，u)、IB(0，u)和IC(0，u)曲線線性段的靈敏度絕對值最大，I(0，u)的軸向分辨力最優(yōu)。
圖7為當(dāng)uM＝5.21時，I1(0，u，0)、I2(0，u，-uM)、I3(0，u，+uM)、IC(0，u)和I(0，u)的響應(yīng)曲線，圖8為其歸一化響應(yīng)曲線。共焦顯微鏡層析成像時，常工作在I(0，u)≥0的測量段，從圖8可以看出，在這一測量工作段I(0，u)曲線的半高寬比I1(0，u，0)曲線的半高寬小兩倍，即三差動共焦顯微三維超分辨成像方法使共焦顯微鏡軸向分辨力比共焦顯微鏡改善了約65％以上，I(0，u)兩斜邊段的線性明顯優(yōu)于I1(0，u，0)兩斜邊段的線性，同時在I(0，u)＞0的測量工作段內(nèi)旁瓣對測量的影響極小。
圖9當(dāng)uM＝5.21時，I1(v，0，0)和I(v，0)的橫向響應(yīng)曲線，共焦顯微鏡層析成像時，常工作在I(v，u)≥0的測量段，圖10為其歸一化曲線。從圖10可以看出，在這一測量工作段內(nèi)I(v，0)曲線的半高寬小比I1(v，0，0)曲線的半高寬小，即光瞳濾波器使共焦顯微鏡的橫向分辨力改善。
權(quán)利要求
1.一種三差動共焦顯微三維超分辨成像方法，其特征在于包括下列步驟(1)將入射光通過光瞳濾波器(2)、偏振分光鏡(3)，經(jīng)三差動共焦顯微系統(tǒng)的測量物鏡(5)對被測樣品進(jìn)行掃描成像，探測器(8)、(15)和(19)分別測得反映被測樣品凸凹變化的強(qiáng)度響應(yīng)I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)；(2)將I1(v，u，0)減I2(v，u，-uM)得IA(v，u)，I1(v，u，0)減I2(v，u，-uM)得IB(v，u)，I2(v，u，-uM)減I3(v，u，uM)得IC(v，u)，則得到對應(yīng)被測樣品凸凹變化的強(qiáng)度I(v，u)為 及強(qiáng)度曲面；(3)優(yōu)化振幅型濾波器、位相型濾波器、振幅位相混合型濾波器等光瞳濾波器參數(shù)，使I1(v，u，0)、I2(v，u，-uM)和I3(v，u，+uM)橫向強(qiáng)度響應(yīng)滿足GT、M和S的設(shè)計要求，銳化三差動共焦顯微鏡I(v，u)的主瓣，提高三差動共焦顯微鏡的橫向分辨力；(4)優(yōu)化針孔(14)和針孔(18)距其相應(yīng)聚光鏡焦點(diǎn)位置的光學(xué)歸一化坐標(biāo)uM，使共焦顯微鏡軸向分辨力的改善達(dá)到最優(yōu)；(5)依據(jù)I(v，u)強(qiáng)度曲線光強(qiáng)大小，重構(gòu)出被測樣品的微觀三維形貌和微觀尺度；(6)利用IC(v，u)強(qiáng)度曲線，對被測樣品三維形貌和微細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行雙極性絕對跟蹤測量。
全文摘要
本發(fā)明屬于光學(xué)顯微成像及微觀測量技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種具有高性噪比和三維超分辨成像能力的三差動共焦顯微三維超分辨成像方法。該方法將提高軸向分辨力的三差動共焦掃描方法和提高橫向分辨力的超分辨光瞳濾波共焦掃描方法相融合，構(gòu)成光瞳濾波式三維超分辨差動共焦成像方法。橫向分辨力的提高可通過特定設(shè)計的光瞳濾波器來對三差動共焦顯微鏡的愛里斑主辨進(jìn)行銳化來達(dá)到，軸向分辨力的提高可通過三差動共焦光路布置及差動探測來達(dá)到，這樣，即可實現(xiàn)共焦顯微鏡的三維超分辨成像和高性噪比顯微成像檢測。該方法可用于測量樣品的三維表面形貌、三維微細(xì)結(jié)構(gòu)、微臺階、微溝槽、集成電路線寬等。
文檔編號G01N13/00GK1609590SQ20041009077
公開日2005年4月27日 申請日期2004年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月10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(xué)