CN101458071B - 超分辨双轴差动共焦测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种超分辨双轴差动共焦测量方法与装置。该方法与装置在双轴共焦测量结构中融合光瞳滤波技术，并利用差动处理方法接收测量光束并进行处理，实现了提高分辨力、扩展工作距离、提高抗干扰能力和改善线性范围的目的。可用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行精密测量。

Description

超分辨双轴差动共焦测量方法与装置

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行精密测量。

技术背景

美国学者M.Minsky于1957年首次提出共焦显微镜的思想，并于1961年获得美国专利，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，构成了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。

共焦显微镜层析成像能力由其轴向响应曲线的半高宽FWHM决定，而FWHM与光波波长λ成正比，与物镜的数值孔径NA的平方成反比。由于受衍射现象的限制，传统的通过增大物镜数值孔径NA和减小光波波长λ的方法改善共焦显微镜层析成像能力有限。共焦显微镜要达到几微米的轴向分辨力，物镜的数值孔径至少要达到0.6。而NA＝0.6的物镜通常只能提供很小的视场和很短的工作距离。

为改善共焦显微镜的层析成像能力，近年来，国内外的学者不断地提出了新的研究成果。例如，中国专利“共焦显微镜”(申请号：01122439.8，公开号：CN 1395127A)提出将干涉法引入传统的共焦显微成像系统中，用于改进轴向分辨力的方法；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 Comm.1997，35：233～237)；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)公开了一种双频共焦台阶干涉显微系统；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：ZL200410006359.6)提出了将差动技术引入共焦显微测量技术中，用于提高空间分辨力。

又例如美国Wellman实验室和Schepens眼科研究中心的Webb和Rogomentich提出了一种用于医学活体样本检验的双轴结构共焦显微成像方法，该方法将共焦显微系统的照明光路和测量光路对称地布局在测量面法线两侧，使得系统的合成轴向分辨力由两个相交光束的横向分辨力决定，即系统合成轴向分辨力变成与物镜NA成反比，达到了利用相对较小NA的物镜即可得到较高系统轴向分辨力的目的。同时，平衡了整个系统的横向和轴向分辨力大小，增大了系统的视场和工作距离(Applied Optics.Vol.38，No.22.1999)。美国斯坦福大学的Thomas Wang等人将光纤和MEMS器件引入到双轴共焦显微成像系统中，研制出小型化的三维双轴共焦显微镜，用于高分辨力的医学活体成像(Optics Letters.Vol.28，No.6.March 15，2003；Optics Letters.Vol.28，No.20.October 15，2003；Optics Express.Vol.16，No.10.May 12，2008)。

综上所述，上述进展中基于传统共轴共焦显微技术的测量方法普遍存在物镜尺寸和系统分辨力二者无法很好的平衡的问题，若通过提高物镜数值孔径来提高系统分辨力，则会使得物镜尺寸增大，系统工作距离减小，且不易小型化。而将照明光路和测量光路对称地布局在测量面法线两侧的双轴结构虽然有效地平衡了整个共焦系统的空间尺寸，但其单一探测器的设计依旧不利于消除光源的光强漂移和探测器的电子漂移等共模噪声，且不具备绝对位置瞄准和双极性跟踪等能力。

发明内容

为了克服上述已有的共焦显微系统的不足，本发明提出了一种超分辨双轴差动共焦测量方法与装置，使共焦显微系统通过大工作距离的低数值孔径的物镜即可提高分辨力的，并提高其抗干扰能力和线性范围，具备绝对位置瞄准和双极性跟踪等能力。

本发明的技术解决方案是：一种超分辨双轴差动共焦测试方法，包含以下步骤：

(a)将照明光路1和测量光路2对称地布局在测量面法线3两侧，使照明光轴4和测量光轴5与测量面法线3的夹角6大小为θ，以测量面法线3方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)；

(b)平行光(波长λ)通过照明端光瞳滤波器10进行滤波整形，经由照明物镜11聚焦到放置在微位移工作台13上的被测样品12表面，含有样品信息的反射光束被反射进入测量物镜14，出射为平行光，并经由测量端光瞳滤波器15滤波整形；

(c)由测量端光瞳滤波器15出射的光束被分光镜16分为两束，分别通过第一集光镜17和第二集光镜20，分别聚焦在位于两个集光镜焦前和焦后位置的第一针孔18和第二针孔21上，分别被贴近两个针孔后面的第一光电探测器19和第二光电探测器22探测；两个探测器对应的归一化轴向偏移为±u_cd；

(d)第一光电探测器19和第二光电探测器22测得具有不同位相差的响应信号的强度I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)，将I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)差动相减得到被测样品12凸凹变化的强度I(x，y，z)；

(e)由下式计算I(x，y，z)：

已知参数包括照明物镜11的归一化径向坐标ρ₁、归一化径向光学坐标v_i、归一化轴向坐标u_i，第一集光镜17和第二集光镜20的归一化径向坐标ρ₂、归一化径向光学坐标v_c、归一化轴向坐标u_c，照明端光瞳滤波器10的区数N、第j区的位相透过率

第j区的振幅透过率t_1j∈[0，1]第j区的归一化径向半径a_j，测量端光瞳滤波器15的区数M、第j区的位相透过率

第j区的振幅透过率t_2j∈[0，1]、第j区的归一化径向半径b_j；

(f)根据I(x，y，z)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品12的三维表面形貌和微观尺度；

(g)优化第一针孔18和第二针孔21距其相应的集光镜焦点位置的归一化轴向偏移以及夹角6的大小，并对两个光瞳滤波器进行优化配比，使得系统的分辨力达到最佳。

本发明所示的测量方法还可以去除照明端光瞳滤波器10，即令计算公式中参数N＝1。

本发明所示的测量方法还可以去除测量端光瞳滤波器15，即令计算公式中参数M＝1。

本发明所示的测量方法还可以去除照明端光瞳滤波器10和测量端光瞳滤波器15，即令计算公式中参数N＝1，M＝1。

本发明还提供了一种超分辨双轴差动共焦测量装置，包括光源7，照明物镜11，微位移工作台13，测量物镜14，还包括照明端光瞳滤波器10，测量端光瞳滤波器15，分光镜16，第一集光镜17，第二集光镜20，第一针孔18，第二针孔21，第一光电探测器19和第二光电探测器22；其中照明端光瞳滤波器10，照明物镜11依次放在光源7的出射光线方向；测量物镜14，测量端光瞳滤波器15和分光镜16依次放在被测样品6的反射光线方向；第一集光镜17、位于第一集光镜17焦点后的第一针孔18和第一探测器19依次放在分光镜16的反射光线方向；第二集光镜20、位于第二集光镜20焦点前的第二针孔21和第二探测器22依次放在分光镜16的透射光线方向。

本发明所示的测量装置，其照明端光瞳滤波器10和测量端光瞳滤波器15可以是位相型光瞳滤波器或振幅型光瞳滤波器，又或者是振幅位相混合型光瞳滤波器；

本发明所示的测量装置还包括连接两个探测器的聚焦信号差动相减处理系统23，和进行最后数据处理的计算机处理系统24。

本发明对比已有技术有以下显著创新点：

1.利用双轴结构和差动处理技术的融合，有效平衡系统空间尺寸，达到利用大工作距离的低数值孔径物镜提高系统分辨力的目的，并提高其抗干扰能力和改善线性范围，这是区别于现有技术的创新点之一；

2.在照明光路1和测量光路2均引入光瞳滤波超分辨成像技术，进一步改善了系统的横向分辨力，这是区别于现有技术的创新点之二；

3.由于照明光路1和测量光路2不共轴，因此可在两个光路中根据光路特点和需求分别加入不同的光瞳滤波器，在对光瞳滤波器各自进行优化的基础上，还可以对其组合效果进行优化，用以最大限度地提高分辨力，这是区别于现有技术的创新点之三。

加入上述创新点后，本发明具有如下优点：

1.在不引入高数值孔径的物镜的条件下，利用低数值孔径的物镜即可提高共焦系统的轴向分辨力，扩展了共焦系统的工作距离，且更易实现小型化；

2.超分辨光瞳滤波器可以锐化衍射光斑中心主瓣宽度，与共焦系统结合可以抑制被光瞳滤波器增强了的旁瓣，真正实现了超分辨成像与测量；

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.双轴差动共焦光路的采用可有效地抑制环境状态的差异、光源光强的波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声，显著提高了测量系统的信噪比、灵敏度以及线性度等。

附图说明

图1为本发明测量方法示意图；

图2为本发明测量装置示意图；

图3为本发明实施例的示意图；

图4为本发明双轴结构示意图；

图5为已有技术的三维超分辨光瞳滤波器示意图；

图6为本发明实施例横向响应曲线与其他系统比较图；

图7为本发明实施例轴向响应曲线与其他系统比较图；

其中，1-照明光路，2-测量光路，3-测量面法线，4-照明光轴，5-测量光轴，6-夹角，7-光源，8-扩束系统，9-空间滤波针孔，10-照明端光瞳滤波器，11-照明物镜，12-被测样品，13-微位移工作台，14-测量物镜，15-测量端光瞳滤波器，16-分光镜，17-第一集光镜，18-第一针孔，19-第一光电探测器，20-第二集光镜，21-第二针孔，22-第二光电探测器，23-聚焦信号差动相减处理系统，24-计算机处理系统，25-本发明实施例x方向横向响应曲线，26-本发明实施例y方向横向响应曲线，27-双轴共焦显微系统x方向横向响应曲线，28-双轴共焦显微系统y方向横向响应曲线，29-本发明实施例轴向响应曲线，30-双轴共焦显微系统轴向响应曲线。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图3所示，一种超分辨双轴差动共焦测量方法，其测量步骤是：

首先打开光源7(波长λ)，出射光通过含有空间滤波针孔9的扩束系统8进行扩束出射为平行光，平行光通过照明端光瞳滤波器10进行滤波整形，经由照明物镜11聚焦到放置在微位移工作台13上的被测样品12表面，被反射进入测量物镜14，出射为平行光，并经由测量端光瞳滤波器15滤波整形。

由测量端光瞳滤波器15出射的光束被分光镜16分为两束，分别通过第一集光镜17和第二集光镜20，分别聚焦在位于两个集光镜焦前位置和焦后位置的第一针孔18和第二针孔21上，分别被贴近两个针孔后面的第一光电探测器19和第二光电探测器22探测；第一光电探测器19和第二光电探测器22测得具有不同位相差的响应信号的强度I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)。I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)经过聚焦信号差动相减处理系统23差动相减得到被测样品12凸凹变化的强度I(x，y，z)，计算机处理系统24根据I(x，y，z)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品12的三维表面形貌和微观尺度，即可实现超分辨差动共焦测量。

本发明的双轴部分原理图如图4所示。对系统、照明光路1和测量光路2建立3个坐标系，分别为系统坐标(x，y，z)，照明光路坐标(x_i，y_i，z_i)和测量光路坐标(x_c，y_c，z_c)。设照明物镜11直径为D_i，焦距为f_i，数值孔径为NA_i＝sinα_i；测量物镜14的直径均为D_t，焦距为f_t，数值孔径为NA_t＝sinα_t；第一集光镜17和第二集光镜20的直径为D_c，焦距为f_c，数值孔径为NA_c＝sinα_c。根据共焦理论，照明物镜11与测量物镜14参数相同，即D_i＝D_t，f_i＝f_t，NA_i＝NA_t。系统坐标(x，y，z)、照明光路1坐标(x_i，y_i，z_i)和测量光路2坐标(x_c，y_c，z_c)之间的关系可表示为：

x_i＝xcosθ-zsinθ $x_c=\frac{f_c}{f_t}(x\cos \mathrm{\θ}+z\sin \mathrm{\θ})$

y_i＝y $y_c=-\frac{f_c}{f_t}y---\left(1\right)$

z_i＝xsinθ+zcosθ $z_c={\left(\frac{f_c}{f_t}\right)}^2(x\sin \mathrm{\θ}-z\cos \mathrm{\θ})$

设照明物镜11和第二集光镜20的光瞳函数是圆对称的：

$P_1\left({\mathrm{\ρ}}_1\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\ρ}}_1\≤1\\ 0& {\mathrm{\ρ}}_1>1\end{array}\right.$ $P_2\left({\mathrm{\ρ}}_2\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& {\mathrm{\ρ}}_2\≤1\\ 0& {\mathrm{\ρ}}_2>1\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中，ρ₁和ρ₂分别为照明物镜11和第二集光镜20的归一化径向坐标。对于照明物镜11和第二集光镜20分别引入归一化径向光学坐标v_i、v_c和归一化轴向坐标u_i、u_c：

$v_i=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{r}_i\sin \mathrm{\α}$ $v_c=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{r}_c\sin \mathrm{\α}---\left(3\right)$

$u_i=\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{z}_i{\sin }^2(\mathrm{\α}/2)$ $u_c=\frac{8\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{z}_c{\sin }^2(\mathrm{\α}/2)---\left(4\right)$

其中 $r_i=\sqrt{x_i^2+y_i^2},$ $r_c-\sqrt{x_c^2+y_c^2}.$

光源7、扩束系统8、空间滤波针孔9，照明端光瞳滤波器10和照明物镜11构成照明光路1，照明光路1的强度点扩展函数PSF为：

其中照明端光瞳滤波器10为N区圆对称型光瞳滤波器，示意图如图5所示，半径为R，

为第j区的位相透过率，t_1j∈[0，1]为第j区的振幅透过率，a_j＝R_j/R为第j区的归一化径向半径，且R_j为第j区的径向半径，a₁＝0，a_N＝1。

测量物镜14，测量端光瞳滤波器15，分光镜16，第一集光镜17，第一针孔18，第一光电探测器19组成了第一路差动测量光路，第一针孔18位于第一集光镜14焦点前距焦点归一化轴向偏移为-u_cd的位置，其点扩展函数PSF为：

其中测量端光瞳滤波器15为M区圆对称型光瞳滤波器，

为第j区的位相透过率，t_2j∈[0，1]为第j区的振幅透过率，b_j为第j区的归一化径向半径，b₀＝0，b_M＝1。

测量物镜14，测量端光瞳滤波器15，分光镜16，第二集光镜20，第二针孔21，第二光电探测器22组成了第二路差动测量光路，第二针孔21位于第二集光镜20焦点后距焦点归一化轴向偏移为+u_cd的位置，其点扩展函数PSF为：

当被测样品12随微位移工作台13进行轴向或横向扫描时，第一光电探测器19和第二光电探测器22分别探测到信号I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)，分别为：

将两个探测器探测到的具有一定相位差的两路强度响应信号差动相减即可得到超分辨双轴差动共焦系统光强响应函数：

I(x，y，z)＝I₁-I₂(10)

该实施例中通过对光瞳滤波器、夹角6的大小、探测器归一化轴向偏移u_cd的大小进行优化配比，使得系统的分辨力达到最佳。最后根据I(x，y，z)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品12的三维表面形貌和微观尺度。

本实施例中选用系统的各个已知参数为λ＝0.6328μm，θ＝30°，NA_i＝NA_t＝NA_c＝0.25，f_i＝f_t＝fc＝17.13mm，两个具有横向超分辨性能的二区环形振幅型光瞳滤波器，对系统进行了仿真。

本实施例x方向横向响应曲线25和y方向横向响应曲线26如图6所示，并在同等参数条件下对不加光瞳滤波器的双轴差动共焦显微系统进行了仿真，其x方向横向响应曲线27和y方向横向响应曲线28也表示在图6中。由图可见，本实施例所述方法与双轴共焦系统相比，其横向分辨力有明显提高。

令式(10)中x＝y＝0，对z求导，就可以得到本实施例轴向响应曲线的灵敏度曲线，可求得本实施例的最佳归一化轴向偏移为u_cd＝6.9537。

本实施例轴向响应曲线29如图7所示，并在同等条件下对双轴共焦显微系统进行了仿真，其轴向响应曲线30如图7所示。由图可见，本实施例所述方法与双轴共焦系统相比，其轴向分辨力有明显提高。

以上结合附图对本发明的具体实施方式和测量效果作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上进行的改动都是本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种超分辨双轴差动共焦测试方法，其特征在于包含以下步骤：

(a)将照明光路(1)和测量光路(2)对称地布局在测量面法线(3)两侧，使照明光轴(4)和测量光轴(5)与测量面法线(3)的夹角(6)大小为θ，以测量面法线(3)方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)；

(b)平行光通过照明端光瞳滤波器(10)进行滤波整形，经由照明物镜(11)聚焦到放置在微位移工作台(13)上的被测样品(12)表面，含有样品信息的反射光束被反射进入测量物镜(14)，出射为平行光，并经由测量端光瞳滤波器(15)滤波整形；

(c)由测量端光瞳滤波器(15)出射的光束被分光镜(16)分为两束，分别通过第一集光镜(17)和第二集光镜(20)，分别聚焦在位于两个集光镜焦前位置和焦后位置的第一针孔(18)和第二针孔(21)上，分别被贴近两个针孔后面的第一光电探测器(19)和第二光电探测器(22)探测；两个探测器对应的归一化轴向偏移为±u_cd；

(d)第一光电探测器(19)和第二光电探测器(22)测得具有不同位相差的响应信号的强度I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)，将I₁(x，y，z)和I₂(x，y，z)差动相减得到被测样品(12)凸凹变化的强度I(x，y，z)；

(e)由下式计算I（x，y，z)：

已知参数包括照明物镜(11)的归一化径向坐标ρ₁、归一化径向光学坐标ν_i、归一化轴向坐标u_i，第一集光镜(17)和第二集光镜(20)的归一化径向坐标ρ₂、归一化径向光学坐标ν_c、归一化轴向坐标u_c，照明端光瞳滤波器(10)的区数N、第j区的位相透过率第j区的振幅透过率t_1j∈[0，1]第j区的归一化径向半径a_j，测量端光瞳滤波器(15)的区数M、第j区的位相透过率

第j区的振幅透过率t_2j∈[0，1]第j区的归一化径向半径b_j；

(f)根据I(x，y，z)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品(12)的三维表面形貌和微观尺度；

(g)优化第一针孔(18)和第二针孔(21)距其相应的集光镜焦点位置的归一化轴向偏移以及夹角(6)的大小，并对两个光瞳滤波器进行优化配比，使得系统的分辨力达到最佳。

2.根据权利1所述的超分辨双轴差动共焦测试方法，其特征在于：去除照明端光瞳滤波器(10)，即令计算公式中参数N＝1。

3.根据权利1所述的超分辨双轴差动共焦测试方法，其特征在于：去除测量端光瞳滤波器(15)，即令计算公式中参数M＝1。

4.根据权利1所述的超分辨双轴差动共焦测试方法，其特征在于：去除照明端光瞳滤波器(10)和测量端光瞳滤波器(15)，即令计算公式中参数N＝1，M＝1。

5.一种超分辨双轴差动共焦测量装置，包括光源(7)，照明物镜(11)，微位移工作台(13)，测量物镜(14)，其特征在于：还包括照明端光瞳滤波器(10)，测量端光瞳滤波器(15)，分光镜(16)，第一集光镜(17)，第二集光镜(20)，第一针孔(18)，第二针孔(21)，第一光电探测器(19)和第二光电探测器(22)；其中照明端光瞳滤波器(10)，照明物镜(11)依次放在光源(7)的出射光线方向；测量物镜(14)，测量端光瞳滤波器(15)和分光镜(16)依次放在被测样品(6)的反射光线方向；第一集光镜(17)、位于第一集光镜(17)焦点后的第一针孔(18)和第一探测器(19)依次放在分光镜(16)的反射光线方向；第二集光镜(20)、位于第二集光镜(20)焦点前的第二针孔(21)和第二探测器(22)依次放在分光镜(16)的透射光线方向。

6.根据权利要求5所述的超分辨双轴差动共焦测试装置，其特征在于照明端光瞳滤波器(10)和测量端光瞳滤波器(15)是位相型光瞳滤波器或振幅型光瞳滤波器，又或者是振幅位相混合型光瞳滤波器。

7.根据权利要求5所述的超分辨双轴差动共焦测试装置，其特征在于：还包括连接两个探测器的聚焦信号差动相减处理系统(23)，和进行最后数据处理的计算机处理系统(24)。

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