CN106996862A - 一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置 - Google Patents

一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置 Download PDF

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唐玉国
魏通达
张运海
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Abstract

本发明提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，采用金纳米粒子扫描被测物镜焦点的方式对点扩散函数直接三维成像，该物镜检测装置可解决大数值孔径物镜点扩散函数测量的难题，实现对大数值孔径物镜成像质量的定量测量与评估。

Description

一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置
技术领域
本发明涉及显微检测仪器设计及制造领域，尤其是涉及一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置及方法。
背景技术
光学显微物镜是光学显微成像系统中的核心部件，物镜的成像质量严重影响整个系统最终的成像效果。成像质量主要是指像与物之间在不考虑放大率情况下的强度和色度的空间分布的一致性。在超分辨显微系统中，一般采用大数值孔径显微物镜，成像分辨率可达50nm，这就对显微物镜质量提出了更严格的要求。因此，如何精确、定量的测量和评价物镜成像质量是需要解决的问题。
目前，定量表述光学系统成像质量主要采用光学传递函数、波像差和点扩散函数等评价方法，而采用光学传递函数评价成像质量已成为国际公认标准，其测量方法包括了直接测量的对比法、波像差测量的干涉法以及点扩散函数测量的点光源测量法等。
对比法采用透过率成正弦变化的光栅或旋转的辐射型光栅作为物面，通过对比像面和物面的对比度来直接进行计算，其优点是误差可控，计算简单，并可直接观测结果，但是其缺点在于该方法检测频率受限于光栅频率而较低，对于分辨率达到衍射极限的超分辨显微镜物镜检测，其所需高频光栅制造难度大、成本高。
波像差检测的方法是采用干涉法，由干涉仪、基准平面镜和被测试光学成像系统构成的测试光路，光通过待测光学系统与参考光干涉形成干涉条纹被CCD等光电探测器记录，并数字化存储，由计算机按照一定的数学模型，通过求得光强傅里叶级数系数，即可求得波面的相位分布，从而可以得到光学传递函数。但是该方法受限于检测装置的相对孔径，对于大数值孔径显微物镜(如NA为1.45)，则无法实现物镜波像差的检测；此外，所需相移干涉仪产品价格昂贵，基准平面镜的面形质量也将直接影响测试结果的准确性。
点光源测量法又称针孔测量法，采用光源照明针孔的方法，使用光学系统直接对该点光源成像，在像面采用CCD记录光强，得到点扩散函数之后进行快速傅里叶变换就可得到系统的光学传递函数。若被测物镜的数值孔径大于检测显微镜物镜，则无法一次直接成像，需要配合转台和平移导轨等机构，完成对整个焦点区域的扫描探测。该方法缺点是测量受到针孔影响极大，无法实现真正的点光源，针孔过大则影响测量精度，针孔过小则光强极弱，不易测量，受背景噪声影响大；此外，除被测镜头的像差以外，测量中使用的显微物镜等光学元件冗余，同样会引入未知的像差并影响最终测量结果；系统探测到的是二维点扩散函数，其分辨率受到物镜数值孔径、CCD象元尺寸等因素限制，精度较低；大数值孔径物镜测量时，转台和平移导轨等机构复杂，精度低。
上述几种方法主要应用于物镜数值孔径相对不大情况下的检测。而超分辨光学显微镜系统中使用的物镜，为平场复消色差、大数值孔径(NA1.45)物镜，是接近衍射极限的光学系统，对于这类物镜的成像质量测量和评价，上述方法仍有很大的局限性。
发明内容
有鉴如此，有必要针对现有技术存在的缺陷提供一种可实现对大数值孔径物镜成像质量的定量测量与评估的基于点扩散函数测量的物镜检测装置。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置，包括激光器、可变单色滤光片转轮、扩束镜、分光镜、物镜、三维纳米位移台、透镜、探测器及计算机，所述激光器可出射宽波段白激光、所述可变单色滤光片转轮可选择地透射不同波长的单色光，所述三维纳米位移台上固定有金纳米粒子，所述三维纳米位移台及所述探测器分别电性连接于所述计算机，所述计算机可控制所述三维纳米位移台移动，其中：
所述激光器出射的宽波段白激光经所述可变单色滤光片转轮后形成包括若干波长的单色激光束，所述单色激光束经所述扩束镜准直后再通过所述分光镜入射进入所述物镜，所述单色激光束经所述物镜聚焦后在其焦点处形成三维分布的光斑，所述三维分布的光斑呈PSF分布；
位于所述物镜焦点处的金纳米粒子经所述光斑照射后产生散射的激光信号，所述激光信号再依次经所述物镜及所述分光镜后入射进入所述透镜，所述透镜汇聚所述激光信号并经所述探测器探测形成的探测信号记录于所述计算机中；
所述计算机控制纳米位移台移动，并带动所述金纳米粒子在所述PSF所在的空间区域内移动，实现所述金纳米粒子在PSF分布区域的三维扫描，并建立所述探测信号与所述金纳米粒子的三维位置信息的对应关系，实现PSF的三维测量。
在其中一些实施例中，所述激光器为宽波段超连续谱激光器。
在其中一些实施例中，依次经所述扩束镜、所述分光镜后入射进入所述物镜的单色激光束的光斑直径大于所述物镜的光瞳直径。
在其中一些实施例中，所述三维纳米位移台为纳米压电位移台。
本发明采用上述技术方案的优点是：
本发明提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，采用金纳米粒子扫描被测物镜焦点的方式对点扩散函数直接三维成像，该物镜检测装置可解决大数值孔径物镜点扩散函数测量的难题，实现对大数值孔径物镜成像质量的定量测量与评估。
此外，本发明提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，还可以应用到光刻光学系统等其他大数值孔径光学系统的点扩散函数检测中，用途广泛。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置结构示意图。
其中：包括激光器1、可变单色滤光片转轮2、扩束镜3、分光镜4、物镜5、三维纳米位移台7、透镜8、探测器9及计算机10。
具体实施方式
请参考图1，为本发明实施例提供的一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置100，包括激光器1、可变单色滤光片转轮2、扩束镜3、分光镜4、物镜5、三维纳米位移台7、透镜8、探测器9及计算机10。其中：
所述激光器1可出射宽波段白激光。优选地，所述激光器1为宽波段超连续谱激光器。
所述可变单色滤光片转轮2可选择地透射不同波长的单色光。可以理解，宽波段超连续谱激光器1发出宽波段白激光，经过可变单色滤光片转轮2，可选出几个典型波长单色光，如波长为488nm、592nm等。
可以理解，本发明采用宽波段超连续谱激光器，配合可变单色滤光片转轮，可实现对物镜5的宽光谱范围成像质量检测和复消色差检测，测试波段广。
所述三维纳米位移台7上固定有金纳米粒子6，所述三维纳米位移台7及所述探测器9分别电性连接于所述计算机10，所述计算机10可控制所述三维纳米位移台7移动。
优选地，所述三维纳米位移台7为纳米压电位移台。可以理解，本发明相对现有技术而言，省去了旋转台或者平移导轨等复杂的机械机构，而是采用位移精度可达1nm的高精度纳米压电位移台，大大提高了点扩散函数的三维测量精度。
以下详细说明本发明提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置100的工作原理：
所述激光器1出射的宽波段白激光经所述可变单色滤光片转轮2后形成包括若干波长的单色激光束，所述单色激光束经所述扩束镜3准直后再通过所述分光镜4入射进入所述物镜5，所述单色激光束经所述物镜聚焦后在其焦点处形成三维分布的光斑，所述三维分布的光斑呈三维点扩散函数(point spread function，PSF)分布，优选地，依次经所述扩束镜3、所述分光镜4后入射进入所述物镜5的单色激光束的光斑直径大于所述物镜5的光瞳直径；
位于所述物镜5焦点处的金纳米粒子经所述光斑照射后产生散射的激光信号，所述激光信号再依次经所述物镜5及所述分光镜4后入射进入所述透镜8，所述透镜8汇聚所述激光信号并经所述探测器9探测形成的探测信号记录于所述计算机10中，可以理解，本本发明采用收集物镜5后向散射光的方式成像，去除了冗余元件，减少未知像差的同时，可有效解决现有测量技术中检测系统数值孔径不足的问题；
所述计算机10控制纳米位移台7移动，并带动所述金纳米粒子在所述PSF所在的空间区域内移动，实现所述金纳米粒子在PSF分布区域的三维扫描，并建立所述探测信号与所述金纳米粒子的三维位置信息的对应关系，实现PSF的三维测量。
可以理解，本发明以纳米量级尺寸的金纳米粒子6作为近似理想物点，替代原有针孔照明的方式，可大大提高成像对比度，更容易获得清晰的点扩散函数分布图像，成像对比度高。
可以理解，通过改变可变单色滤光片转轮2，可选择不同测量波段的复色光，经过物镜后三维点扩散函数测量，可以评估物镜的复消色差情况。
本发明提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，采用金纳米粒子扫描被测物镜焦点的方式对点扩散函数直接三维成像，该物镜检测装置可解决大数值孔径物镜点扩散函数测量的难题，实现对大数值孔径物镜成像质量的定量测量与评估。
此外，本发明提供的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，还可以应用到光刻光学系统等其他大数值孔径光学系统的点扩散函数检测中，用途广泛。
当然本发明的基于点扩散函数测量的物镜检测装置还可具有多种变换及改型，并不局限于上述实施方式的具体结构。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型。

Claims (4)

1.一种基于点扩散函数测量的物镜检测装置，其特征在于，包括激光器、可变单色滤光片转轮、扩束镜、分光镜、物镜、三维纳米位移台、透镜、探测器及计算机，所述激光器可出射宽波段白激光、所述可变单色滤光片转轮可选择地透射不同波长的单色光，所述三维纳米位移台上固定有金纳米粒子，所述三维纳米位移台及所述探测器分别电性连接于所述计算机，所述计算机可控制所述三维纳米位移台移动，其中：
所述激光器出射的宽波段白激光经所述可变单色滤光片转轮后形成包括若干波长的单色激光束，所述单色激光束经所述扩束镜准直后再通过所述分光镜入射进入所述物镜，所述单色激光束经所述物镜聚焦后在其焦点处形成三维分布的光斑，所述三维分布的光斑呈PSF分布；
位于所述物镜焦点处的金纳米粒子经所述光斑照射后产生散射的激光信号，所述激光信号再依次经所述物镜及所述分光镜后入射进入所述透镜，所述透镜汇聚所述激光信号并经所述探测器探测形成的探测信号记录于所述计算机中；
所述计算机控制纳米位移台移动，并带动所述金纳米粒子在所述PSF所在的空间区域内移动，实现所述金纳米粒子在PSF分布区域的三维扫描，并建立所述探测信号与所述金纳米粒子的三维位置信息的对应关系，实现PSF的三维测量。
2.根据权利要求1所述的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，其特征在于，所述激光器为宽波段超连续谱激光器。
3.根据权利要求1所述的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，其特征在于，依次经所述扩束镜、所述分光镜后入射进入所述物镜的单色激光束的光斑直径大于所述物镜的光瞳直径。
4.根据权利要求1所述的基于点扩散函数测量的物镜检测装置，其特征在于，所述三维纳米位移台为纳米压电位移台。
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