CN116430565A - 一种显微成像装置及成像方法 - Google Patents

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CN116430565A CN202310460303.0A CN202310460303A CN116430565A CN 116430565 A CN116430565 A CN 116430565A CN 202310460303 A CN202310460303 A CN 202310460303A CN 116430565 A CN116430565 A CN 116430565A
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bifocal
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Abstract

本发明公开了一种显微成像装置及成像方法，属于光学精密测量技术领域。解决现有共焦显微技术存在横向分辨率比轴线分辨率低两个数量级的问题。该装置包括：分光棱镜、测量物镜、双焦透镜、待测物、针孔和光电探测器；待测物，其设置在测量物镜的远离分光棱镜的一侧，用于对通过测量物镜聚集的透射光进行反射，形成第一反射光，以使所述第一反射光通过所述分光棱镜反射至所述双焦透镜；双焦透镜，其设置在分光棱镜和所述针孔之间，用于使通过分光棱镜的第一反射光和第二反射光在其短焦点和长焦点之间形成干涉条纹；针孔，其设置在所述双焦透镜和所述光电探测器之间，用于对所述双焦透镜产生的干涉条纹进行滤波，形成中央亮斑。

Description

一种显微成像装置及成像方法
技术领域
本发明属于光学精密测量技术领域，更具体的涉及一种显微成像装置及成像方法。
背景技术
现代工业生产制造过程离不开高精度的精密检测设备，其中共焦显微系统是光学成像领域中一项具有里程碑意义的发明，其点光源、测量物镜焦点、接收物镜焦点互相共轭的结构特征使其具备了一些独特的性能：在轴向上具有层析的能力，可对厚样品发挥作用；在横向上，其分辨率是普通显微系统的1.4倍。但从共焦显微技术问世以来，存在的显著问题之一是其横向分辨率过低，与轴向分辨率不相匹配。此外，在实际的共焦显微系统中，探测器前的针孔并非是一个理想的点，而是具有一定的尺寸，这便造成了共焦显微系统不能同时兼顾横向分辨率与信噪比。当共焦显微系统的针孔尺寸大于一个艾里斑直径时，其横向分辨率已接近普通显微系统，因此，如何在实际的共焦显微系统中提高其横向分辨率，使其能够达到甚至超越理想点探测情况下的分辨率，是共焦显微成像领域必须解决的问题。
目前，干涉技术因测量精度高而被广泛应用于共焦显微领域。传统的共焦干涉显微系统如图1所示，由光源1发出的点光源经准直扩束器2后被分光棱镜3分为参考光束和测量光束，其中测量光束经测量物镜4聚焦在待测物8的表面后被反射到接收物镜5；参考光束经参考反射镜9反射后到达接收物镜5,测量光束和参考光束发生干涉，光电探测器7位于接收物镜5的焦点处。由于参考光来自固定的平面反射镜，其强度比较稳定，而测量光束强度变化较大，因此传统共焦干涉显微系统参考光与测量光形成的是不等强度干涉，其干涉条纹对比度差，同时系统抗干扰能力弱，且该系统只改善了轴向分辨率，横向分辨率依然受衍射极限的约束，导致其横向分辨率往往比轴向分辨率低两个数量级，这一缺点很大程度上限制了其应用的范围。
综上所述，现有通过共焦显微技术只能改善轴向分辨率，其横向分辨率依然受衍射极限的约束，因此存在横向分辨率比轴线分辨率低两个数量级的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种显微成像装置及成像方法，解决现有共焦显微技术存在横向分辨率比轴线分辨率低两个数量级的问题。
本发明实施例提供一种显微成像装置，包括：分光棱镜、测量物镜、双焦透镜、待测物、针孔和光电探测器；
待测物，其设置在测量物镜的远离分光棱镜的一侧，用于对通过测量物镜聚集的透射光进行反射，形成第一反射光，以使所述第一反射光通过所述分光棱镜反射至所述双焦透镜；
双焦透镜，其设置在分光棱镜和所述针孔之间，用于使通过分光棱镜的第一反射光和第二反射光在其短焦点和长焦点之间形成干涉条纹；
针孔，其设置在所述双焦透镜和所述光电探测器之间，用于对所述双焦透镜产生的干涉条纹进行滤波，形成中央亮斑。
优选地，所述双焦透镜为曲率型双焦透镜。
优选地，所述测量物镜为显微物镜；或者所述测量物镜为普通会聚透镜。
本发明实施例提供一种显微成像方法，包括：
根据双焦透镜的内口径、外口径、短焦距和长焦距确定双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，根据所述间距将所述双焦透镜设置在所述光电探测器和分光棱镜之间，且所述双焦透镜的短焦点和所述光电探测器之间的距离等于所述间距；
根据所述间距、内口径、长焦距和短焦距确定双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，根据所述环形干涉区域内中央亮斑大小确定靠近所述双焦透镜一侧设置在所述光电探测器上的针孔的孔径；
待测物对通过测量物镜聚集的第一透射光进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光通过分光棱镜和通过分光棱镜的第二反射光在双焦透镜的短焦点和长焦点之间形成干涉条纹，所述干涉条纹经过针孔滤波，形成中央亮斑后被光电探测器接收。
优选地，所述双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，通过下式确定：
Figure BDA0004200486500000031
其中，c表示双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，f1表示双焦透镜的短焦距，f2表示双焦透镜的长焦距，a1表示双焦透镜的内口径，a2表示双焦透镜的外口径。
优选地，所述双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小通过下列公式确定：
Figure BDA0004200486500000032
其中，D表示双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，a1表示双焦透镜的内口径，c表示双焦透镜和光电探测器之间的间距，f1表示双焦透镜的短焦距，f2表示双焦透镜的长焦距。
优选地，所述外口径的长度大于等于内口径的长度的2倍。
本发明实施例提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行上述任意一项所述的显微成像方法。
本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行上述任意一项所述的显微成像方法。
本发明实施例提供一种显微成像装置及方法，该方法包括：根据双焦透镜的内口径、外口径、短焦距和长焦距确定双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，根据所述间距将所述双焦透镜设置在所述光电探测器和分光棱镜之间，且所述双焦透镜的短焦点和所述光电探测器之间的距离等于所述间距；根据所述间距、内口径、长焦距和短焦距确定双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，根据所述环形干涉区域内中央亮斑大小确定靠近所述双焦透镜一侧设置在所述光电探测器上的针孔的孔径；待测物对通过测量物镜聚集的第一透射光进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光通过分光棱镜和通过分光棱镜的第二反射光在双焦透镜的短焦点和长焦点之间形成干涉条纹，所述干涉条纹经过针孔滤波，形成中央亮斑后被光电探测器接收。该方法将双焦透镜产生的双光束干涉引入到共焦显微系统的接收光路中，其中，点光源发出的光通过测量物镜后聚焦于待测物表面，被待测物反射形成反射光，通过分光棱镜反射光通过双焦透镜的两不同区域时发生干涉，通过引入干涉来锐化共焦显微系统艾里斑的主瓣宽度，从而实现改善共焦显微系统横向分辨率的目标。再者，该方法可以较好的平衡显微系统中小数值孔径与高分辨率之间的矛盾，进一步提升共焦显微系统的横向分辨率；与传统共焦干涉系统的非共光路干涉不同，该方法中的双焦共焦显微系统采用共光路干涉，提高了系统的稳定性和抗干扰能力；双焦透镜的内外口径比可根据实际要求选取不同的参数，其在提升横向分辨率的同时也保证了干涉条纹具有较好的对比度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中提供的共焦干涉显微系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的双焦共焦显微系统结构示意图；
图3为本发明实施例提供的双焦透镜结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种显微成像方法流程示意图；
图5为本发明实施例提供的双焦共焦显微系统的FWHM随双焦透镜焦距差的变化曲线示意图；
图6为本发明实施例提供的普通光学显微系统、基本共焦显微系统以及本发明所示的双焦共焦显微系统的横向归一化强度点扩散函数示意图；
其中，1光源，2准直扩束器，3分光棱镜，4测量物镜，5接收透镜，6针孔，7光电探测器，8待测物，9参考反射镜，10双焦透镜，11位移台。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图2为本发明实施例提供的双焦共焦显微系统结构示意图；图3为本发明实施例提供的双焦透镜结构示意图；图4为本发明实施例提供的一种显微成像方法流程示意图；以下结合图2～图4为例，详细介绍本发明实施例提供的一种显微成像装置及显微成像方法。
如图2所示，本发明实施例提供的显微成像装置，该系统包括光源、准直扩束器、分光棱镜、测量物镜、接收透镜、针孔、光电探测器、待测物、参考反射镜、双焦透镜和位移台。
具体地，光源1发出的光经过准直扩束镜2后成为一束平行光，平行光经由分光棱镜3后被分为反射光和透射光，其中透射光通过测量物镜4后聚焦到待测样物表面，待测物被放置在位移台11上面；由待测物表面反射回的第一反射光再次经过显微物镜4到达分光棱镜3，被分光棱镜3反射的第一反射光则到达双焦点透镜10，此时经过双焦透镜10两不同区域的光在其短焦点F1以及长焦点F2之间发生干涉；在双焦点透镜10的短焦点F1以及长焦点F2之间放置了针孔6以及紧贴针孔6的光电探测器7，双焦透镜10产生的干涉条纹经过针孔6的滤除作用后，仅有被干涉调制之后的中央亮斑被探测器7所接收。
本发明实施例中，待测物设置在测量物镜的远离分光棱镜的一侧，用于对通过测量物镜聚集的透射光进行反射，形成第一反射光，以使第一反射光通过分光棱镜反射至双焦透镜。
进一步地，双焦透镜设置在分光棱镜和针孔之间，分光棱镜用于对来自待测物的第一反射光进行放射，使通过分光棱镜的第一反射光双焦透镜的短焦点和长焦点之间形成干涉条纹；
进一步地，针孔设置在双焦透镜和光电探测器之间，用于对双焦透镜产生的干涉条纹进行滤波，形成中央亮斑，设置在针孔后方的光电探测器，其接收到的中央亮斑为基本共焦响应，其边缘被锐化处为双焦共焦响应。
一种示例中，本发明实施例提供的双焦透镜，其可以是曲率型双焦透镜。
一种示例中，本发明实施例提供的测量物镜，其可以为显微物镜，也可以普通会聚透镜。在实际应用中，对测量物镜的具体类型不做限定。
一种示例中，本发明实施例提供的光源，其可以为激光光源，也可以为普通光源，在实际应用中，对光源的具体类型不做限定。
本发明实施例提供的一种显微成像装置，在共聚焦显微系统光路中添加了双焦透镜，与传统共焦干涉系统的非共光路干涉不同，本发明实施例提供的双焦共焦显微装置采用共光路干涉，提高了系统的稳定性和抗干扰能力；再者，通过双焦透镜产生的环形干涉区锐化系统中央亮斑以达到提升横向分辨率的目的，干涉区面积越大横向分辨率的提升效果越显著；该装置可以较好的平衡显微系统中小数值孔径与高分辨率之间的矛盾，进一步提升共焦显微系统的横向分辨率。
基于本发明实施例提供的显微成像装置，本发明实施例还提供了的一种显微成像方法，具体如图4所示，该方法包括以下步骤：
步骤101，根据双焦透镜的内口径、外口径、短焦距和长焦距确定双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，根据所述间距将所述双焦透镜设置在所述光电探测器和分光棱镜之间，且所述双焦透镜的短焦点和所述光电探测器之间的距离等于所述间距；
步骤102，根据所述间距、内口径、长焦距和短焦距确定双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，根据所述环形干涉区域内中央亮斑大小确定靠近所述双焦透镜一侧设置在所述光电探测器上的针孔的孔径；
步骤103，待测物对通过测量物镜聚集的第一透射光进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光通过分光棱镜和通过分光棱镜的第二反射光在双焦透镜的短焦点和长焦点之间形成干涉条纹，所述干涉条纹经过针孔滤波，形成中央亮斑后被光电探测器接收。
需要说明的是，本发明实施例提供的显微成像方法，其基于共聚焦显微系统和双焦透镜，即通过在共聚焦显微系统的光路中添加双焦透镜，从而可以提升共聚焦显微镜的横向分辨率。
具体地，本发明实施例提供的双焦透镜如图3所示，该双焦透镜的主要参数包括：内口径a1、外口径a2、短焦距f1、长焦距f2、探测器位置c、双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小D。在本发明实施例中，因为双焦透镜的内口径和外口径比影响着干涉条纹的对比度，为了保证能够得到较好的对比度，一般情况下，需要确保双焦透镜外口径尺寸至少为内口径尺寸的二倍，即可以另a2＝2a1或者a2>2a1。
再者，由于内口径a1、外口径a2及短焦距f1和长焦距f2影响着环形干涉区域内中央亮斑大小D(即基本共焦响应范围)的大小，即当双焦透镜取的参数不同时，环形干涉区域内中央亮斑大小D的大小也会不一样，因此横向分辨率的提升程度不同。
在同等条件下，若环形干涉区域内中央亮斑大小D越小，则对横向分辨率的提升幅度越高。在此基础上，应根据待测物和分光棱镜之间设置的显微物镜的数值孔径大小及实际加工需求，对双焦透镜的口径及焦距选取合适的参数。
在步骤101中，需要根据双焦透镜的内口径、外口径、短焦距和长焦距确定双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，进一步地，根据确定的间距将双焦透镜设置在光电探测器和分光棱镜之间，即需要确保双焦透镜和光电探测器之间的距离等于上述确定的间距即可。在本发明实施例中，双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，通过下列公式(1)确定：
Figure BDA0004200486500000081
其中，a表示双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，f1表示双焦透镜的短焦距，f2表示双焦透镜的长焦距，a1表示双焦透镜的内口径，a2表示双焦透镜的外口径。
需要说明的是，如图3所示，这里的短焦距如图3中f1所示，图3中f1为线段，其包括两个端点，一个端点位于双焦透镜上，另一端端点为本发明实施例中提到的短焦点。
在步骤102中，当确定了双焦透镜和光电探测器之间的间距之后，可以根据间距、内口径、长焦距和短焦距确定环形干涉区域内中央亮斑大小D，进一步地，根据环形干涉区域内中央亮斑大小D确定靠近双焦透镜一侧设置在光电探测器上的针孔的孔径。
优选地，双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小通过下列公式(2)确定：
Figure BDA0004200486500000082
其中，D表示双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，a1表示双焦透镜的内口径，c表示双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，f1表示双焦透镜的短焦距，f2表示双焦透镜的长焦距。
在本发明实施例中，靠近双焦透镜一侧设置在光电探测器上的针孔的孔径大小，只需大于双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小D即可，在此，对针孔的孔径大于双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小D的具体数值不做限定。
需要说明的是，本发明通过确定双焦透镜和光电探测之间的间距，可以在分光棱镜的一侧固定设置双焦透镜和光电探测器，设置光电探测器的位置以环形干涉区域最大，即双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小D最小为基础的，在实际应用中，应在保证干涉曲线中央主极大为干涉相长的前提下尽可能的靠近干涉区域最大处设置光电探测器。
图5为本发明实施例提供的双焦共焦显微系统的FWHM(英文为：full width athalf maxima，即横向分辨率)随双焦透镜焦距差的变化曲线示意图，如图5所示的曲线可知，当双焦透镜两焦点之间的焦距差越小时，双焦共焦的方法对横向分辨率提升的幅度越大。结合实际加工情况，可选取不同的焦距差。
图6为本发明实施例提供的普通光学显微系统、基本共焦显微系统以及本发明所示的双焦共焦显微系统的横向归一化强度点扩散函数示意图，如图6所示，三种系统横向归一化强度点扩散函数的半极值全宽大小，其中普通光学显微系统的半极值全宽最大，其分辨率最低；基本共焦显微系统次之；双焦共焦显微系统横向分辨率最高，可达到基本共焦显微系统的30％、普通显微系统的84％，故本发明实施例通过引入双焦透镜产生环形干涉区的方法可显著提升共焦显微系统的横向分辨率。
本发明另一实施例还提供一种计算机设备，计算机设备包括：处理器和存储器；所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令；当所述处理器执行所述计算机指令时，所述电子设备执行上述方法实施例所示的方法流程中显微成像方法的各个步骤。
本发明另一实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质中存储有计算机指令，当计算机指令在计算机设备上运行时，使得计算机设备执行上述方法实施例所示的方法流程中显微成像方法的各个步骤。
综上所述，本发明实施例提供一种显微成像装置及方法，该方法包括：根据双焦透镜的内口径、外口径、短焦距和长焦距确定双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，根据所述间距将所述双焦透镜设置在所述光电探测器和分光棱镜之间，且所述双焦透镜和所述光电探测器之间的距离等于所述间距；根据所述间距、内口径、长焦距和短焦距确定双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，根据所述环形干涉区域内中央亮斑大小确定靠近所述双焦透镜一侧设置在所述光电探测器上的针孔的孔径；待测物对通过测量物镜聚集的第一透射光进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光通过分光棱镜和通过分光棱镜的第二反射光在双焦透镜的短焦点和长焦点之间形成干涉条纹，所述干涉条纹经过针孔滤波，形成中央亮斑后被光电探测器接收。该方法将双焦透镜产生的双光束干涉引入到共焦显微系统的接收光路中，其中，点光源发出的光通过测量物镜后聚焦于待测物表面，被待测物反射形成反射光，通过分光棱镜反射光通过双焦透镜的两不同区域时发生干涉，通过引入干涉来锐化共焦显微系统艾里斑的主瓣宽度，从而实现改善共焦显微系统横向分辨率的目标。再者，该方法可以较好的平衡显微系统中小数值孔径与高分辨率之间的矛盾，进一步提升共焦显微系统的横向分辨率；与传统共焦干涉系统的非共光路干涉不同，该方法中的双焦共焦显微系统采用共光路干涉，提高了系统的稳定性和抗干扰能力；双焦透镜的内外口径比可根据实际要求选取不同的参数，其在提升横向分辨率的同时也保证了干涉条纹具有较好的对比度。
本发明实施例提供的显微成像系统即方法，其研究成果可在微电子、精密测量、生物医学等领域中实现横向高分辨显微成像检测，具有重要的实际意义。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种显微成像装置，其特征在于，包括：分光棱镜、测量物镜、双焦透镜、待测物、针孔和光电探测器；
待测物，其设置在测量物镜的远离分光棱镜的一侧，用于对通过测量物镜聚集的透射光进行反射，形成第一反射光，以使所述第一反射光通过所述分光棱镜反射至所述双焦透镜；
双焦透镜，其设置在分光棱镜和所述针孔之间，用于使通过分光棱镜的第一反射光在其短焦点和长焦点之间形成干涉条纹；
针孔，其设置在所述双焦透镜和所述光电探测器之间，用于对所述双焦透镜产生的干涉条纹进行滤波，形成中央亮斑。
2.如权利要求1所述的显微成像装置，其特征在于，所述双焦透镜为曲率型双焦透镜。
3.如权利要求1所述的显微成像装置，其特征在于，所述测量物镜为显微物镜；或者所述测量物镜为普通会聚透镜。
4.一种显微成像方法，其特征在于，包括：
根据双焦透镜的内口径、外口径、短焦距和长焦距确定双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，根据所述间距将所述双焦透镜设置在所述光电探测器和分光棱镜之间，且所述双焦透镜的短焦点和所述光电探测器之间的距离等于所述间距；
根据所述间距、内口径、长焦距和短焦距确定双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，根据所述环形干涉区域内中央亮斑大小确定靠近所述双焦透镜一侧设置在所述光电探测器上的针孔的孔径；
待测物对通过测量物镜聚集的第一透射光进行反射，形成第一反射光，所述第一反射光通过分光棱镜在双焦透镜的短焦点和长焦点之间形成干涉条纹，所述干涉条纹经过针孔滤波，形成中央亮斑后被光电探测器接收。
5.如权利要求4所述的显微成像方法，其特征在于，所述双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，通过下式确定：
Figure FDA0004200486480000021
其中，c表示双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，f1表示双焦透镜的短焦距，f2表示双焦透镜的长焦距，a1表示双焦透镜的内口径，a2表示双焦透镜的外口径。
6.如权利要求4所述的显微成像方法，其特征在于，所述双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小通过下列公式确定：
Figure FDA0004200486480000022
其中，D表示双焦透镜产生的环形干涉区域内中央亮斑大小，a1表示双焦透镜的内口径，c表示双焦透镜的短焦点与光电探测器之间的间距，f1表示双焦透镜的短焦距，f2表示双焦透镜的长焦距。
7.如权利要求4所述的显微成像方法，其特征在于，所述外口径的长度大于等于内口径的长度的2倍。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求4-7任意一项所述的显微成像方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求4-7任意一项所述的显微成像方法。
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