CN111208633A - 一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其通过利用探测针孔平面上实际像的强度函数和圆形探测器的灵敏度函数两者之间的映射关系，得到探测器上轴向响应共焦信号强度函数；获取复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数，并得到所有波长的色散位移函数；利用探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数之间的映射关系，得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数；利用色散共焦显微镜的色散共焦信号函数表征的特性参量之间的映射关系，对色散共焦显微镜的特性参量进行调整，以实现色散共焦显微镜的性能优化。

Description

一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法

技术领域

本发明属于色散共焦显微镜领域，具体涉及一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法。

背景技术

色散共焦显微镜以色散物镜波长扫描代替传统共焦测量技术中机械轴向扫描，结合共焦针孔的离焦滤波特性，具有测量速度快、无振动、系统体积小等优点，但其精度性能仍稍显不足。而传感信号直接决定了色散共焦显微镜的精度特性，因此建立二维色散共焦传感信号模型于改善色散共焦显微镜的精度性能上显得尤为重要。其重要性主要体现在以下两个方面：其一、二维传感信号模型是二维传感信号质量评价的理论基础，研究显微镜光学特性参数(如针孔尺寸、数值孔径等)的影响，有利于优化配置光学特性参数；其二、研究色散物镜的像差的影响可为色散物镜的设计提供指导；其三、二维传感信号模型中位移—波长关系是色散物镜的初始结构设计的核心约束，也是色散共焦传感器高精度标定的理论基础。

在传统共焦显微领域，众多学者从时域和频域两种角度出发，深入地阐述了轴向响应共焦信号的规律，为传统共焦显微测量技术的发展奠定了坚实的理论基础。虽然色散共焦显微镜与传统共焦测量技术有工作原理相似性，但研究者在描述色散共焦显微镜信号时往往只是照搬传统共焦测量技术的信号模型，而忽略了色散共焦与传统共焦测量技术原理上的差异。其差异主要表现在以下三个方面：

(1)照明针孔的尺度效应不可忽略。传统共焦信号模型有一个理论前提：照明形态近似为点光源照明。传统共焦技术中常用的激光光源具有高准直、高亮度等优点，通过调整照明准直镜焦距和探测收集镜的焦距比例，保证照明光源的光学尺度远远小于探测器的光学尺度，即满足传统共焦信号模型中点光源照明的理论假设条件。因此在传统激光共焦显微测量技术中，照明针孔或照明光源的尺度效应通常被忽略。但是色散共焦显微镜的常见配置是选择同一个针孔既作为照明也作为探测用途，因此照明尺度效应不可忽略。

(2)二维色散共焦传感信号受波长—位移关系影响。传统共焦信号模型描述强度与样品轴向离焦量的关系，但是二维色散共焦传感信号是不同色散位移处一维色散共焦信号的集合，其中一维色散共焦信号描述强度与光谱的关系。

(3)傍轴衍射近似不满足。当离焦量超过几十微米时傍轴近似不成立，在传统共焦信号模型中，轴向共焦信号的最大离焦量不超过几微米，但色散共焦显微镜中最大离焦量可高达数十甚至数百微米。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其通过获取探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数，利用探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数之间的映射关系，得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数；利用所述色散共焦显微镜的色散共焦信号函数表征的特性参量之间的映射关系，对色散共焦显微镜的特性参量进行调整，以实现色散共焦显微镜的性能优化。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，该方法包括如下步骤：

S1.利用复色针孔光源的空间光辐射强度、物方数值孔径和探测空间的数值孔径三者之间的映射关系，得到照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数；

利用照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数和色散共焦显微镜整个成像过程的等效三维复振幅函数两者之间的映射关系，得到探测针孔平面上实际像的强度函数；

利用探测针孔平面上实际像的强度函数和圆形探测器的灵敏度函数两者之间的映射关系，得到探测器上轴向响应共焦信号强度函数；

S2.获取复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数，并得到所有波长的色散位移函数；

S3.利用探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数之间的映射关系，得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数；利用色散共焦显微镜的色散共焦信号函数表征的特性参量之间的映射关系，对色散共焦显微镜的特性参量进行调整，以实现色散共焦显微镜的性能优化。

作为本发明的进一步改进，特性参量包括照明针孔大小、探测针孔大小、照明数值孔径、探测数值孔径、物方数值孔径、色散量程和光谱工作带宽中的一种或多种。

作为本发明的进一步改进，利用复色针孔光源的空间光辐射强度、物方数值孔径和探测空间的数值孔径三者之间的映射关系，得到照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数具体为：

将复色针孔光源的空间光辐射强度表示为：

其中，r_ill表示针孔照明光源的半径，(x_ill,y_ill)表示针孔照明光源平面上的点的位置坐标，I_ill(x_ill,y_ill)表示(x_ill,y_ill)位置的空间光辐射强度，f(x_ill,y_ill)表示光源的空间光辐射强度分布本征函数；

照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数I_img(x,y)为：

其中，(x,y)表示在探测针孔平面上的点的位置坐标，

NA_ill和NA_det分别表示照明空间数值孔径和探测空间数值孔径；

作为本发明的进一步改进，探测针孔平面上实际像的强度函数I_det(x,y,Δz)表示为：

其中，

表示二维卷积，Δz表示物方离焦量，h_e(x,y,Δz)表示色散共焦显微镜的整个成像过程的等效三维复振幅响应函数。

作为本发明的进一步改进，色散共焦显微镜的整个成像过程的等效三维复振幅响应函数等于照明和探测两个单独成像过程的复振幅响应函数的卷积，即

其中，h₁(x,y,Δz)和h₂(x,y,Δz)分别表示照明和探测两个单独成像过程的三维复振幅响应函数。

作为本发明的进一步改进，将复振幅响应函数表示为：

其中，u⁰表示照明或探测成像过程中光学系统的出瞳上的单色复振幅波前，j表示虚数单位，k表示波数，R表示出瞳上点(x₀,y₀,0)到观测平面上点(x,y,z)之间的欧式距离，

作为本发明的进一步改进，将色散共焦光学系统的波像差W(ρ，l)表述为

W(ρ,l)＝2π[W₀₄₀(l)ρ⁴+W₀₆₀(l)ρ⁶]

其中，ρ表示在出瞳面上点的归一化坐标，W₀₄₀和W₀₆₀分别表示主球差和二阶球差系数，且不同波长时球差系数可能不同；

将单色复振幅波前表示为：

u⁰ _s(x₀,y₀,0)＝u⁰(x₀,y₀,0)×exp[jW(ρ,l)]

其中，归一化光瞳半径ρ表述为：

作为本发明的进一步改进，将探测器上轴向响应共焦信号强度函数I_conf(Δz)表示为：

灵敏度函数D_s(x,y)表示为：

其中，r_det表示探测器的半径。

作为本发明的进一步改进，步骤S2具体为：

复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数可表示为：

l_c(λ)＝l_r+c₁ω+c₂ω²+c₃ω³+...+c_mω^m

l_c(λ)波长为λ的光的焦点到折射面的距离，l_r表示基准波长λ_r的光焦点距折射面的距离，系数c₁-c_m由色散共焦显微镜的内部结构参数决定,色度坐标

所有波长的色散位移函数表示为：

S(λ)＝l_c(λ)-l_c(λ_min)。

作为本发明的进一步改进，步骤S3具体为：

计算波长λ_m恰好处在聚焦状态，则波长λ的轴向离焦Δz(λ)为：

Δz(λ)＝S(λ)-S(λ_m)

式中，S(λ)和S(λ_m)分别代表波长λ和波长λ_m的色散位移函数；

从而得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数I(λ)为：

I(λ)＝I_conf[Δz(λ)]；

I_conf代表探测器上轴向响应共焦信号强度函数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其通过获取探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数，利用探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数之间的映射关系，得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数；利用所述色散共焦显微镜的色散共焦信号函数表征的特性参量之间的映射关系，对色散共焦显微镜的特性参量进行调整，在色散共焦光学系统内部参数未知时，尽管难以确定入瞳和出瞳位置，二维色散共焦传感信号函数依然可用于探讨色散共焦显微镜的光学特性参数、灵敏度等影响，以实现色散共焦显微镜的性能优化。

本发明的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其在获取用于表征的特性参量之间的映射关系--色散共焦显微镜的色散共焦信号函数时，同时考虑了照明针孔的尺度效应、二维色散共焦传感信号受波长—位移关系影响和傍轴衍射地影响，从而使得获得的映射关系准确度更高，更有利于色散共焦显微镜的性能优化。

附图说明

图1是本发明实施例的色散共焦显微镜的光学成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的色散共焦显微镜的结构示意图；

图3是本发明实施例的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面结合具体实施方式对本发明进一步详细说明。

图1是本发明实施例的色散共焦显微镜的光学成像系统的结构示意图。如图1所示，色散共焦显微镜的光学成像系统通常由多个透镜组成，其中有正透镜，也有负透镜，且透镜间有不同的空气间隔。为简化描述复杂光学系统的成像特性，将其抽象成一个“黑盒子”，设置“黑盒子”的边端性质，大致反映系统的主要成像性质，“黑盒子”边端主要包括入射光瞳和出射光瞳两个平面，即入瞳和出瞳，几何光学已恰当地描述了光在光学系统入瞳和出瞳间的传播，而衍射效应只发生在光从物空间到入瞳或出瞳到像空间的传播中。

采用单波长照明时，基于线性光学成像理论和系统振幅响应函数的空间不变性，实际像是物的理想几何光学像与系统复振幅响应函数的卷积。虽然在色散共焦显微镜的光学“黑盒”成像模型中，采用了严格的单波长照明假设，但实际中常用复色光源如白光LED、氩气灯或卤素灯等照明，因此其照明空间相干性有待明确。照明空间相干性由光源上所有物点的相矢量振幅随时间变化的关联性决定。如果所有物点上场的相矢量振幅的变化步调完全一致，则照明为空间相干的；如果所有各点的相矢量振幅的变化步调完全无关，则照明为空间非相干的。在色散共焦显微镜中，照明针孔尺寸通常较大[58]，因此其照明是空间非相干的。若用超连续光源照明，照明则完全相干的，但超连续光源价格高昂，应用较少。因此，对于采用空间非相干照明的色散共焦显微镜，其像的强度系统强度响应函数与理想几何像的卷积。

图2是本发明实施例的色散共焦显微镜的结构示意图。如图2所示，色散共焦显微镜常由复色光源、照明针孔、分光器件、色散物镜、出射针孔、探测器如光谱仪等组成，其基本特性由显微镜的光学特性参数(如照明/探测针孔大小、照明/探测数值孔径、物方数值孔径等)，色散量程，光谱工作带宽等参数描述。

图3是本发明实施例的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法的示意图。一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其包括如下步骤：

S1.利用复色针孔光源的空间光辐射强度、物方数值孔径和探测空间的数值孔径三者之间的映射关系，得到照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数；

利用照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数和色散共焦显微镜整个成像过程的等效三维复振幅函数两者之间的映射关系，得到探测针孔平面上实际像的强度函数；

利用探测针孔平面上实际像的强度函数和圆形探测器的灵敏度函数两者之间的映射关系，得到探测器上轴向响应共焦信号强度函数；

S2.获取复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数，并得到所有波长的色散位移函数；

S3.利用探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数之间的映射关系，得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数；利用所述色散共焦显微镜的色散共焦信号函数表征的特性参量之间的映射关系，对色散共焦显微镜的特性参量进行调整，以实现色散共焦显微镜的性能优化。

作为一个优选的方案，该特性参量包括照明针孔大小、探测针孔大小、照明数值孔径、探测数值孔径、物方数值孔径、色散量程和光谱工作带宽中的一种或多种。

作为一个优选的方案，可以将复色针孔光源的空间光辐射强度表示为：

其中，r_ill表示针孔照明光源的半径，(x_ill,y_ill)表示针孔照明光源平面上的点的位置坐标，I_ill(x_ill,y_ill)表示(x_ill,y_ill)位置的空间光辐射强度，f(x_ill,y_ill)表示光源的空间光辐射强度分布本征函数；

如果显微镜光学成像系统满足阿贝正弦条件，则照明空间到物空间的横向放大倍数β₁表示为：

其中，NA_ill和NA_obj分别表示照明空间数值孔径和物方数值孔径；

类似地，物空间到探测空间的横向放大倍数β₂表示为：

其中，NA_det表示探测空间数值孔径；

照明和探测两个过程的总横向放大倍数β为两个单独成像过程的横向方法倍数的乘积，具体表达式为：

因此，照明光源在探测平面上的理想几何像的强度I_img(x,y)为：

其中，(x,y)表示在探测针孔平面上的点的位置坐标。

探测针孔平面上实际像的强度表示为：

其中，

表示二维卷积，Δz表示物方离焦量，h_e(x,y,Δz)表示色散共焦显微镜的整个成像过程的等效三维复振幅响应函数。

作为一个优选的方案，色散共焦显微镜的整个成像过程的等效三维复振幅响应函数等于照明和探测两个单独成像过程的复振幅响应函数的卷积，即

其中，h₁(x,y,Δz)和h₂(x,y,Δz)分别表示照明和探测两个单独成像过程的三维复振幅响应函数。

假设探测器具有均匀强度灵敏度，其灵敏度函数D_s(x,y)表示为：

其中，r_det表示探测器的半径；

因此，可以将探测器上轴向响应共焦信号强度表示为：

由于探测针孔平面上实际像的强度考虑了针孔照明光源的尺度效应，在此基础上用非傍轴衍射理论描述系统的等效响应函数即可得到单波长照明时的轴向响应共焦信号强度，具体步骤如下

依据瑞利-索末菲衍射理论，将复振幅响应函数表示为：

其中，u⁰表示照明或探测成像过程中光学系统的出瞳上的单色复振幅波前，j表示虚数单位，k表示波数，R表示出瞳上点(x₀,y₀,0)到观测平面上点(x,y,z)之间的欧式距离，

因而，通过预设光学系统出瞳上复振幅场，计算显微镜的复振幅响应函数，借此探讨二维传感信号的规律，可以在光学系统内部结构参数未知的状况下指导色散共焦显微镜的优化设计和光学设计，当光学系统不存在单色像差时，从出瞳出射的复振幅场是一个理想会聚球面波，在基尔霍夫近似条件下，出瞳上的单色复振幅波前表示为：

其中，R_g表示球面波源与观测点之间的距离，R_exit表示出瞳半径，z_g表示出瞳到会聚球面波在光轴上高斯焦点的距离。设定出瞳半径R_exit和出瞳到像面的距离z_g，根据上式即可计算光学系统的复振幅响应函数，如果光学系统存在单色像差，上述公式仍成立。

在色散共焦显微镜中，色散物镜的作用是将不同波长的光聚焦在轴向不同位置，但色散物镜的光学设计、加工和装配将不可避免地产生无法完全校正的单色像差。由赛德尔像差理论知，光学系统存在五种单色几何像差：球差(spherical aberration)、慧差(coma)、像散(astigmatism)、像面弯曲(filed curvature)和畸变(distortion)。而几何像差在出瞳上表现为出射波面偏离理想球面波，理想波面与畸变波前的光程差称波像差。

在已知显微镜光学特性参数和灵敏度的前提下，研究单色像差对二维色散共焦传感信号的影响，有利于确定色散物镜的像差容限，指导后续的研究工作。单色像差包括五种类型，每种类型单色像差包括多阶像差如主像差和高阶像差，且单色像差与波长有关，上述原因导致色散共焦传感技术中像差情况异常复杂。因而，可以做出如下假设：照明针孔内所有物点的单色像差水平接近一致，即在单照明针孔范围内色散共焦光学系统满足等晕成像条件，该假设适用于描述单点、多点、线、面等不同测量方式的色散共焦显微镜中单色像差对二维传感信号的影响。

波像差通常在光学系统的出瞳处定量描述，常用赛德尔系数或泽尼克圆多项式表述。色散共焦光学系统具有旋转对称性，且照明针孔半径远小于光学系统的光瞳半径，因此，只考虑主球差和二阶球差的影响，可将色散共焦光学系统的波像差W(ρ,l)表述为

W(ρ,l)＝2π[W₀₄₀(l)ρ⁴+W₀₆₀(l)ρ⁶]

其中，ρ表示在出瞳面上点的归一化坐标，W₀₄₀和W₀₆₀分别表示主球差和二阶球差系数，且不同波长时球差系数可能不同。因为离焦项W₀₂₀ρ²只会导致信号的横向平移而不改变其形状，因此波像差公式中忽略了离焦项，将单色复振幅波前改写为：

u⁰ _s(x₀,y₀,0)＝u⁰(x₀,y₀,0)×exp[jW(ρ,l)]

其中，归一化光瞳半径ρ表述为：

即单色波长照明时的轴向响应共焦信号的计算步骤：首先定义单色照明波长，计算等效强度响应函数和光源理想几何像强度；然后计算探测平面上的强度分布；最后计算不同轴向离焦时的轴向响应共焦信号强度。照明光源上每一个点在出瞳上有不同的复振幅场，但光源的尺度(微米量级)远远小于出瞳的尺度(毫米量级)，因此可近似地认为针孔光源上不同点可有相同的复振幅场，以光源中心点作为计算参考点。

色散共焦信号模型是在轴向响应共焦信号模型基础上，将强度—离焦关系转换成强度—波长关系得到，因此，构建色散共焦信号模型的另一关键是建立离焦-波长关系，即色散共焦显微镜的色散位移-波长关系，而色散位移-波长关系只取决于色散物镜的色散特性，在色散共焦显微镜中，理论色散位移—波长关系，即复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数可采用如下多项式描述：

l_c(λ)＝l_r+c₁ω+c₂ω²+c₃ω³+...+c_mω^m

其中，l_c(λ)波长为λ的光的焦点到折射面的距离，l_r表示基准波长λ_r的光焦点距折射面的距离，系数c₁-c_m系数c_m由光学系统的内部结构参数(如透镜数量、玻璃材料、厚度、光焦度、间隔等)决定,色度坐标ω定义如下：

其中，基准波长通常取λ_r＝587.6nm；

将最小波长λ_min聚焦位置定义为色散位移零点，则色散位移l表述为

l＝S(λ)＝l_c(λ)-l_c(λ_min)

其中，S(λ)为描述色散共焦显微镜的理论色散模型的函数。如果知晓色散共焦显微镜的内部结构参数即知晓函数S(λ)的具体表达式，限定光谱工作带宽ΔΛ，可确定显微镜的色散量程Δl。色散共焦显微镜的灵敏度K(l)定义为显微镜的输出波长增量与输入位移增量间的比值，

其中，色散位移单位为微米(μm),波长单位为纳米(nm)，因此灵敏度的单位记为nm/μm。

不同规格色散共焦显微镜可能有不同的光谱工作带宽ΔΛ和色散量程Δl，即使同规格显微镜也可能有不同的色散位移—波长关系。为定量描述色散共焦显微镜的规格特性，定义显微镜的平均灵敏度为：

对于相同量程规格(相同的光谱工作带宽和色散量程)的色散共焦显微镜，其平均灵敏度是一致的。

根据理论色散模型S构建波长—色散位移的反函数关系，代入轴向响应共焦信号模型中得到不同波长的轴向共焦信号强度，也即得到色散共焦信号。具体计算步骤如下：若波长λ_m恰好处在聚焦状态，则其他波长的轴向离焦Δz为：

Δz(λ)＝l-S(λ_m)

从而得到，色散共焦信号函数为：

I(λ)＝I_conf[Δz(λ)]

假设理论色散模型S具有反函数S_inv ^-1，改变聚焦波长λ_m的值即改变色散位移值，则色散共焦信号函数：

I(λ,l)＝I_conf[S(λ)-S[S_inv ^-1(l)]]

二维色散共焦传感信号是色散共焦信号是色散共焦显微镜光学特性参数(如照明/探测器针孔半径、照明/探测/物方数值孔径)和理论色散模型的函数。

由于复振幅响应函数与色散共焦显微镜(光学系统)的物面—入瞳距离z_g1和出瞳—像面距离z_g2有关，因而现有技术推导得到色散共焦信号函数与距离z_g1和z_g2有关，而上述两距离只取决于光学系统的内部结构参数，且与波长有关，因此有必要在色散共焦显微镜(光学系统)的内部结构参数未知时探讨上述两参数对二维色散共焦传感信号函数的影响。假设照明/探测针孔半径r_ill＝r_det＝25μm，照明/探测数值孔径NA_ill＝NA_det＝0.05，色散物镜数值孔径NA_obj＝0.3，显微镜灵敏度K＝0.075nm/μm，依据模拟结果可知，色散共焦显微镜的色散共焦信号基本上与z_g1和z_g2无关，因而在色散共焦光学系统内部参数未知时，尽管难以确定入瞳和出瞳位置，二维色散共焦传感信号函数依然可用于探讨显微镜的光学特性参数、灵敏度等影响。同样地，经过拟合在不同色散位移l处的色散共焦信号，计算任意两帧色散共焦信号的相关性系数，近似等于1，即不同色散位移处的色散共焦信号几乎是相同的。因此，当显微镜灵敏度恒定时，色散共焦传感信号模型与色散位移l无关。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1.利用复色针孔光源的空间光辐射强度、物方数值孔径和探测空间的数值孔径三者之间的映射关系，得到照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数；

利用照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数和色散共焦显微镜整个成像过程的等效三维复振幅函数两者之间的映射关系，得到探测针孔平面上实际像的强度函数；

利用探测针孔平面上实际像的强度函数和圆形探测器的灵敏度函数两者之间的映射关系，得到探测器上轴向响应共焦信号强度函数；

S2.获取复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数，并得到所有波长的色散位移函数；

S3.利用探测器上轴向响应共焦信号强度函数和所有波长的色散位移函数之间的映射关系，得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数；利用所述色散共焦显微镜的色散共焦信号函数表征的特性参量之间的映射关系，对色散共焦显微镜的特性参量进行调整，以实现色散共焦显微镜的性能优化。

2.根据权利要求1所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，所述特性参量包括照明针孔大小、探测针孔大小、照明数值孔径、探测数值孔径、物方数值孔径、色散量程和光谱工作带宽中的一种或多种。

3.根据权利要求1或2所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，利用复色针孔光源的空间光辐射强度、物方数值孔径和探测空间的数值孔径三者之间的映射关系，得到照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数具体为：

将复色针孔光源的空间光辐射强度表示为：

其中，r_ill表示针孔照明光源的半径，(x_ill,y_ill)表示针孔照明光源平面上的点的位置坐标，I_ill(x_ill,y_ill)表示(x_ill,y_ill)位置的空间光辐射强度，f(x_ill,y_ill)表示光源的空间光辐射强度分布本征函数；

照明光源在探测平面上的理想几何像的强度函数I_img(x,y)为：

其中，(x,y)表示在探测针孔平面上的点的位置坐标，

NA_ill和NA_det分别表示照明空间数值孔径和探测空间数值孔径。

4.根据权利要求3所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，探测针孔平面上实际像的强度函数I_det(x,y,Δz)表示为：

其中，

表示二维卷积，Δz表示物方离焦量，h_e(x,y,Δz)表示色散共焦显微镜的整个成像过程的等效三维复振幅响应函数。

5.根据权利要求4所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，色散共焦显微镜的整个成像过程的等效三维复振幅响应函数等于照明和探测两个单独成像过程的复振幅响应函数的卷积，即

其中，h₁(x,y,Δz)和h₂(x,y,Δz)分别表示照明和探测两个单独成像过程的三维复振幅响应函数。

6.根据权利要求5所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，将复振幅响应函数表示为：

其中，u⁰表示照明或探测成像过程中光学系统的出瞳上的单色复振幅波前，j表示虚数单位，k表示波数，R表示出瞳上点(x₀,y₀,0)到观测平面上点(x,y,z)之间的欧式距离，

7.根据权利要求6所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，将色散共焦光学系统的波像差W(ρ,l)表述为

W(ρ,l)＝2π[W₀₄₀(l)ρ⁴+W₀₆₀(l)ρ⁶]

其中，ρ表示在出瞳面上点的归一化坐标，W₀₄₀和W₀₆₀分别表示主球差和二阶球差系数，且不同波长时球差系数可能不同；

将单色复振幅波前表示为：

u⁰ _s(x₀,y₀,0)＝u⁰(x₀,y₀,0)×exp[jW(ρ,l)]

其中，归一化光瞳半径ρ表述为：

8.根据权利要求4所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，将探测器上轴向响应共焦信号强度函数I_conf(Δz)表示为：

灵敏度函数D_s(x,y)表示为：

其中，r_det表示探测器的半径。

9.根据权利要求8所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，步骤S2具体为：

复色针孔光源的所有波长的光的焦点到折射面的距离函数可表示为：

l_c(λ)＝l_r+c₁ω+c₂ω²+c₃ω³+...+c_mω^m

l_c(λ)波长为λ的光的焦点到折射面的距离，l_r表示基准波长λ_r的光焦点距折射面的距离，系数c₁-c_m由色散共焦显微镜的内部结构参数决定,色度坐标

所有波长的色散位移函数表示为：

S(λ)＝l_c(λ)-l_c(λ_min)。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种色散共焦显微镜的特性参量的优化方法，其特征在于，步骤S3具体为：

计算波长λ_m恰好处在聚焦状态，则波长λ的轴向离焦Δz(λ)为：

Δz(λ)＝S(λ)-S(λ_m)

式中，S(λ)和S(λ_m)分别代表波长λ和波长λ_m的色散位移函数；

从而得到色散共焦显微镜的色散共焦信号函数I(λ)为：

I(λ)＝I_conf[Δz(λ)]；

I_conf代表探测器上轴向响应共焦信号强度函数。

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