CN113984771A - 基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置与方法，属于光学精密测量技术领域。包括径向偏振光产生模块、旋转方向照明模块、明场超分辨共聚焦探测模块、暗场超分辨共聚焦探测模块；通过偏振转换器产生径向偏振光照明，同时利用互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号并进行双路同步收集，可同时获取亚波长级表面及亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息。

Description

基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置与方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，主要涉及一种基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置与方法。通过偏振转换器产生径向偏振光照明，同时利用互补孔径遮挡探测，有效分离样品表面反射信号与亚表面散射信号并进行双路同步收集，可同时获取亚波长级表面及亚表面划痕、磨损及亚表面裂痕、气泡等缺陷的三维分布信息。
背景技术
高性能光学元件及光学材料在精密仪器制造和重大光学工程研究中有着广泛的应用，是光学系统性能的根基，因此对光学元件及光学材料在表面和亚表面中的机械结构、化学成分以及晶格结构缺陷高分辨率精密检测起着重要的作用。
共焦显微测量技术由于其良好的光学层析能力和高分辨率成像的优势，已成为光学元件无损检测的重要手段。其中，暗场共聚焦测量技术作为共聚焦显微测量技术的重要分支，利用在暗场背景条件下对样品中光源的散射信号进行收集从而实现无荧光标记、高对比度、高分辨率的显微成像。由于暗场共聚焦显微技术能够有效抑制表面反射光，因此为光学元件表面及亚表面检测提供了新的途径。
然而普通光学暗场共聚焦显微测量技术的空间分辨率由于衍射极限的存在，最高被限制在250nm左右，无法实现亚波长量级的测量，限制了其在精密器件测量、芯片结构观测及亚表面损伤定位等领域的应用。本发明公开基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置与方法，在利用明场共聚焦获取表面划痕、磨损的同时，利用暗场共聚焦获取亚表面裂痕、气泡等缺陷的几何三维分布信息，兼具表面及亚表面缺陷一体化检测功能；同时，引入径向偏振光产生方向照明，提升横向空间分辨率至亚波长量级，可以实现数十纳米量级的缺陷检测及横向定位，并通过深度学习算法有效减少测量时间。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
本发明公开了一种基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置与方法，该装置与方法同现有技术相比，解决了普通暗场共聚焦技术空间分辨率不足，无法对亚波长结构进行测量的缺陷，一定程度实现了超分辨显微测量。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，包括径向偏振光产生模块、旋转方向照明模块、明场超分辨共聚焦探测模块、暗场超分辨共聚焦探测模块；
所述径向偏振光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器、扩束器、衍射型平板锥透镜一、衍射型平板锥透镜二、半波片和偏振转换器；
所述旋转方向照明模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜一、旋转电机、偏振片、物镜和样品三维位移台；
所述明场超分辨共聚焦探测模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜二、聚焦透镜一、针孔一和PMT探测器一；
所述暗场超分辨共聚焦探测模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑、聚焦透镜二、针孔二和PMT探测器二。
进一步地：激光器出射线偏振激光，由扩束器扩束至光斑直径5mm-5.5mm后，通过衍射型平板锥透镜一、衍射型平板锥透镜二生成环形光，内径为4.5mm-5mm。
进一步地：半波片控制出射环形光偏振态平行于偏振转换器的工作偏振态，偏振转换器将线环形光转换为径向偏振光。
进一步地：在物镜前放置偏振片，保留径向偏振光束中与偏振片偏振方向相同的分量，其余角度光强为0，对样品实现方向照明。
进一步地：偏振片与旋转电机连接。
进一步地：物镜具有高数值孔径NA，具体要求NA大于0.85。
进一步地：半反半透膜二将光路分为明场共焦探测路及暗场共焦探测路。
进一步地：明场共焦探测路中的针孔一和暗场共焦探测路中的针孔二具有一致的孔径；同时，聚焦透镜一和聚焦透镜二具有相同的焦距。
进一步地：孔径光阑的孔径与环形光孔径严格互补匹配。
本发明提供了一种基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量方法，该方法是基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置实现的，具体步骤：
步骤a、激光器所发激光光束经过扩束器扩束至匹配物镜；
步骤b、经过扩束后的光束入射衍射型平板锥透镜一和衍射型平板锥透镜二组成的双衍射型平板锥透镜组生成环形光，调节衍射型平板锥透镜一和衍射型平板锥透镜二之间的距离，控制环形光内径；
步骤c、旋转半波片控制环形光偏振态，使环形光通过偏振转换器后转换为径向偏振光；
步骤d、径向偏振光透过半反半透膜一后，通过旋转电机和偏振片滤出径向偏振光中偏振态与偏振片平行的分量，通过物镜聚焦至样品进行方向照明，通过样品三维位移台扫描聚焦光斑在样品中的三维位置并记录每个位置的反射光和散射光光强；
步骤e、物镜收集样品的反射信号及散射信号，依次经过偏振片、旋转电机、半反半透膜一和半反半透膜二后被分成两路，其中，明场共聚焦探测路中，聚焦透镜一聚焦反射光至针孔一，并由PMT探测器一记录；
步骤f、暗场共聚焦探测路中，孔径光阑阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜二聚焦散射光至针孔二，并由PMT探测器二记录；
步骤g、通过三维位移台扫描聚焦光斑在样品中的三维位置并记录每个位置的反射光和散射光光强；每扫描一个三维体，控制旋转电机旋转固定角度，旋转完成后再次扫描同一个三维体区域，如此反复，使旋转电机总共旋转360度；
步骤h、电机每次旋转60度，总共旋转360度得到的6组结果进行自相关累积量计算得到数据集一，电机每次旋转1度，总共旋转360度得到的360组结果进行自相关累积量计算得到数据集二，通过以数据集二为真值、数据集一为输入值训练GAN或CNN神经网络，使其能够实现仅输入6个角度的图像的自相关累积量结果，便可重构超分辨成像结果的功能；
步骤i、针对某一待测样品，将电机每次旋转60度、总共旋转360度得到的6组结果进行自相关累积量结果输入训练的GAN或CNN网络，得到超分辨成像结果。
有益效果：
第一、使用衍射型平板锥透镜组配合生成径向偏振光，使传输光束包含每个方向线偏振分量，通过不同方向聚焦照明并结合自相关累积量算法，显著提升空间分辨率，使该方案能测量亚波长量级的工业样品结构；
第二、装置采用明暗场一体的测量方案，同时实现反射信号和散射信号的超分辨测量，可以同时观测样品的表面及亚表面损伤。
附图说明
图1附图为本发明提供的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置结构示意图。
图中：1激光器、2扩束器、3衍射型平板锥透镜一、4衍射型平板锥透镜二、5半波片、6偏振转换器、7半反半透膜一、8旋转电机、9偏振片、10物镜、11样品三维位移台、12半反半透膜二、13聚焦透镜一、14针孔一、15PMT探测器一、16孔径光阑、17聚焦透镜二、18针孔二、19PMT探测器二。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1：如附图1所示本实施例提供了一种基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，用于实现样品的明场与暗场一体化超分辨测量功能。
包括径向偏振光产生模块、旋转方向照明模块、明场超分辨共聚焦探测模块、暗场超分辨共聚焦探测模块；
环形光照明模块按照光线传播方向依次为：激光器一1、扩束器2、衍射型平板锥透镜一3、衍射型平板锥透镜二4、半波片5、偏振转换器6；
激光器一1出射线偏振激光，由扩束器2扩束后通过衍射型平板锥透镜一3、衍射型平板锥透镜二4生成环形光束，半波片5控制出射环形光偏振态，使偏振转换器6将环形光转换为径向偏振光；
所述旋转方向照明模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜一7、旋转电机8、偏振片9、物镜10、样品三维位移台11；
径向偏振光透过半反半透膜一7后，通过旋转电机8和偏振片9滤出径向偏振光中偏振态与偏振片平行的分量，通过物镜10聚焦至样品进行方向照明，通过样品三维位移台11的移动扫描聚焦光斑在样品中的三维位置并记录每个位置的反射光和散射光光强；
所述明场超分辨共聚焦探测模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜二12、聚焦透镜一13、针孔一14、PMT探测器一15；
物镜收集样品的反射信号及散射信号，经过半反半透膜二12被分成两路，其中，明场共聚焦探测路中，聚焦透镜一13聚焦反射光至针孔一14，并由PMT探测器一15记录；
所述暗场超分辨共聚焦探测模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑16、聚焦透镜二17、针孔二18、PMT探测器二19；
暗场共聚焦探测路中，孔径光阑16阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜二17聚焦散射光至针孔二18，并由PMT探测器二19记录。
更为具体地：激光器1出射线偏振激光，由扩束器2扩束至光斑直径5mm-5.5mm，通过衍射型平板锥透镜一3、衍射型平板锥透镜二4生成环形光束，内径4.5mm-5mm。
更为具体地：半波片5控制出射环形光偏振态，使偏振转换器6将环形光束转换为径向偏振光。
更为具体地：在物镜前放置偏振片，保留径向偏振光束中与偏振片偏振方向相同的分量，其余角度光强为0，对样品实现方向照明。
更为具体地：偏振片与旋转电机紧密连接。
更为具体地：物镜10具有高数值孔径NA，具体要求NA大于0.85。
更为具体地：半反半透膜二12将光路分为明场共焦探测路及暗场共焦探测路。
更为具体地：明场共焦探测路中的针孔一14和暗场共焦探测路中的针孔二18具有一致的孔径，为10-50μm；同时，聚焦透镜一13和聚焦透镜二17具有相同的焦距。
更为具体地：孔径光阑16的孔径与环形光孔径严格互补匹配，调节至5mm-5.5mm，只允许携带待测样品信息的散射光进入后续暗场探测光路。
实施例2：本实施例提供了一种基基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量方法，用于实现样品的明场与暗场超分辨共焦一体化探测功能。具体步骤：
步骤a、激光器1所发激光光束经过扩束器2扩束至匹配物镜10；
步骤b、经过扩束后的光束入射衍射型平板锥透镜一3和衍射型平板锥透镜二4组成的双衍射型平板锥透镜组生成环形光；
步骤c、旋转半波片5控制环形光偏振态，使环形光通过偏振转换器6后转换为径向偏振光；
步骤d、光束透过半反半透膜一7后，通过旋转电机8和偏振片9滤出径向偏振光中偏振态与偏振片9平行的分量，通过物镜10聚焦至样品进行方向照明；
步骤e、物镜10收集样品的反射信号及散射信号，依次经过偏振片9、旋转电机8、半反半透膜一7和半反半透膜二12后被分成两路，其中，明场共聚焦探测路中，聚焦透镜一13聚焦反射光至针孔一14，并由PMT探测器一15记录；
步骤f、暗场共聚焦探测路中，孔径光阑16阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜二17聚焦散射光至针孔二18，并由PMT探测器二19记录；
步骤g、通过三维位移台11扫描聚焦光斑在样品中的三维位置并记录每个位置的反射光和散射光光强；每扫描一个三维体，控制旋转电机8旋转固定角度，旋转完成后再次扫描同一个三维体区域，如此反复，使旋转电机8总共旋转360度；
步骤h、电机8每次旋转60度，总共旋转360度得到的6组结果进行自相关累积量计算得到数据集一，电机8每次旋转1度，总共旋转360度得到的360组结果进行自相关累积量计算得到数据集二，通过以数据集二为真值、数据集一为输入值训练GAN或CNN神经网络，使其能够实现仅输入6个角度的图像的自相关累积量结果，便可重构超分辨成像结果的功能；
步骤i、针对某一待测样品，将电机8每次旋转60度、总共旋转360度得到的6组结果进行自相关累积量结果输入训练的GAN或CNN网络，得到超分辨成像结果。
更为具体的，激光器1所发激光光束波长为500nm-550nm，经过扩束器2扩束至匹配物镜10，光斑直径为5mm-5.5mm；在准直后，调节衍射型平板锥透镜一3和衍射型平板锥透镜二4之间的距离，控制环形光内径至4.5mm-5mm。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (10)

1.基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：包括径向偏振光产生模块、旋转方向照明模块、明场超分辨共聚焦探测模块和暗场超分辨共聚焦探测模块；
径向偏振光产生模块按照光线传播方向依次为：激光器(1)、扩束器(2)、衍射型平板锥透镜一(3)、衍射型平板锥透镜二(4)、半波片(5)和偏振转换器(6)；
旋转方向照明模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜一(7)、旋转电机(8)、偏振片(9)、物镜(10)和样品三维位移台(11)；
明场超分辨共聚焦探测模块按照光线传播方向依次为：半反半透膜二(12)、聚焦透镜一(13)、针孔一(14)和PMT探测器一(15)；
暗场超分辨共聚焦探测模块按照光线传播方向依次为：孔径光阑(16)、聚焦透镜二(17)、针孔二(18)和PMT探测器二(19)。
2.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：激光器(1)出射线偏振激光，由扩束器(2)扩束至光斑直径5mm-5.5mm后，通过衍射型平板锥透镜一(3)、衍射型平板锥透镜二(4)生成环形光，内径为4.5mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：半波片(5)控制出射环形光偏振态平行于偏振转换器(6)的工作偏振态，偏振转换器(6)将环形光转换为径向偏振光。
4.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：在物镜(10)前放置偏振片(9)，保留径向偏振光中与偏振片偏振方向相同的分量，其余角度光强为0，对样品实现方向照明。
5.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：偏振片(9)与旋转电机(8)连接。
6.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：物镜(10)具有高数值孔径NA，NA大于0.85。
7.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：半反半透膜二(12)将光路分为明场共焦探测路及暗场共焦探测路。
8.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，其特征在于：针孔一(14)和针孔二(18)具有一致的孔径；聚焦透镜一(13)和聚焦透镜二(17)具有相同的焦距。
9.根据权利要求1所述的基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置，孔径光阑(16)的孔径与环形光孔径互补匹配。
10.基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量方法，该方法是基于权利要求1～9任一所述基于矢量偏振光的深度学习暗场共焦显微测量装置实现的，其特征在于：具体步骤：
步骤a、激光器(1)所发激光光束经过扩束器(2)扩束至匹配物镜(10)；
步骤b、经过扩束后的光束入射衍射型平板锥透镜一(3)和衍射型平板锥透镜二(4)组成的双衍射型平板锥透镜组生成环形光；
步骤c、旋转半波片(5)控制环形光偏振态，使环形光通过偏振转换器(6)后转换为径向偏振光；
步骤d、径向偏振光透过半反半透膜一(7)后，通过旋转电机(8)和偏振片(9)滤出径向偏振光中偏振态与偏振片平行的分量，通过物镜(10)聚焦至样品进行方向照明，通过样品三维位移台(11)扫描聚焦光斑在样品中的三维位置并记录每个位置的反射光和散射光光强；
步骤e、物镜(10)收集样品的反射信号及散射信号，依次经过偏振片(9)、旋转电机(8)、半反半透膜一(7)和半反半透膜二(12)后被分成两路，其中，明场共聚焦探测路中，聚焦透镜一(13)聚焦反射光至针孔一(14)，并由PMT探测器一(15)记录；
步骤f、暗场共聚焦探测路中，孔径光阑(16)阻挡环形反射光，透过光斑中心的散射光，聚焦透镜二(17)聚焦散射光至针孔二(18)，并由PMT探测器二(19)记录；
步骤g、通过三维位移台(11)扫描聚焦光斑在样品中的三维位置并记录每个位置的反射光和散射光光强；每扫描一个三维体，控制旋转电机(8)旋转固定角度，旋转完成后再次扫描同一个三维体区域，如此反复，使旋转电机总共旋转360度；
步骤h、电机(8)每次旋转60度，总共旋转360度得到的6组结果进行自相关累积量计算得到数据集一，电机(8)每次旋转1度，总共旋转360度得到的360组结果进行自相关累积量计算得到数据集二，通过以数据集二为真值、数据集一为输入值训练GAN或CNN神经网络，使其能够实现仅输入6个角度的图像的自相关累积量结果，便可重构超分辨成像结果的功能；
步骤i、针对某一待测样品，将电机(8)每次旋转60度、总共旋转360度得到的6组结果进行自相关累积量结果输入训练的GAN或CNN网络，得到超分辨成像结果。
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