CN118276300A - 一种基于超透镜结构的三维显微装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超透镜结构的三维显微装置，包括沿光路方向上依次布设的待观测样本、超透镜、放大成像光学组件和光电探测器；其中，超透镜、放大成像光学组件之间设有经超透镜调制后的待观测样本的一次成像面；超透镜包括基底及阵列排布在基底表面的纳米结构单元，纳米结构单元用以将待观测样本发出的不同波长的光汇聚到一次成像面的不同位置上。本发明的三维显微装置利用单目显微光路即可获得样本视差图像，进而利于样本图像的三维深度复原。
Description
技术领域
本发明涉及三维显微观测技术领域，尤其涉及一种基于超透镜结构的三维显微装置。
背景技术
目前，在对物体进行三维显微观测时，常采用体视显微系统或变焦三维显微系统，其中，体视显微系统是基于双目体视显微原理计算不同深度的样本视差角的差异来构件数学模型计算样本的深度信息。常见的体视显微系统包括格里诺型体视结构和CMO型体视结构，但体视显微系统的双目结构复杂，体积大，具有一定的装配难度，而且双光路的设置需采用两个探测器分别采集样本信息，其噪声及性能差异将影响到三维图像的复原精度。而变焦三维显微系统是将变焦测量方法与光学系统有限景深及垂直扫描技术相结合，步进式地改变物距，从而调整不同深度物的聚焦程度，以获取多聚焦图像序列，再通过图像处理算法实现全焦图像融合。但这种方式由于步进式地调整物距会导致样本拍摄时间较长，且会对机械控制系统的精度及稳定度要求较高。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种基于超透镜结构的三维显微装置，利用单目显微光路即可获得样本视差图像，进而利于样本图像的三维深度复原。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种基于超透镜结构的三维显微装置，包括沿光路方向上依次布设的待观测样本、超透镜、放大成像光学组件和光电探测器；其中，所述超透镜、放大成像光学组件之间设有经所述超透镜调制后的待观测样本的一次成像面；
所述超透镜包括基底及阵列排布在所述基底表面的纳米结构单元，所述纳米结构单元用以将待观测样本发出的不同波长的光汇聚到所述一次成像面的不同位置上。
本发明的三维显微装置的有益效果在于：
待观测样本上散射的光波经由超透镜调制后能汇聚到一次成像面上，且因超透镜的纳米结构单元的设置，不同波长的光波在超透镜调制后能位于一次成像面的不同位置；一次成像面不同位置上的光波再经由放大成像光学组件进行光波放大后即可汇聚成像在光电探测器的不同区域上，进而形成样本视差图像，进而利于样本图像的三维深度复原，便于构建样本的三维形貌模型。
将超透镜应用到三维显微装置中，能利用超透镜的纳米结构单元对不同波长的光波进行偏振，以使不同波长的光波在一次成像面上能有所偏移，以形成样本视差图像。
在本发明的三维显微装置中，通过超透镜、放大成像光学组件和光电探测器形成的单目显微光路，即实现了对样本视差图像的获取，同时减少了光学元件的使用。
进一步来说，所述超透镜在一次成像面上的表面相位分布满足：
和
其中，λ1为超透镜的第一工作波长，λ2为超透镜的第二工作波长，且λ1小于λ2；v为超透镜在一次成像面上的物距，s为超透镜在一次成像面上的像距，d为超透镜一次成像点沿x轴的轴向距离，θ为超透镜成像光轴与z轴的夹角。
进一步来说，所述第一工作波长λ1为420nm，所述第二工作波长λ2为600nm。
进一步来说，所述纳米结构单元为纳米鳍或纳米椭圆柱的偏振相关结构，以对光线施加一个几何相位。这种偏振相关结构能根据等离子波导理论或介质等效折射率理论来调控入射光线的几何相位。其中，纳米鳍中的每个个体纳米鳍赋予相位分布，该相位分布根据个体纳米鳍在基底上的位置和该个体纳米鳍的朝向而变化，并且纳米鳍的相位分布限定了超透镜对偏振敏感的相位分布。纳米椭圆柱中的每个个体纳米椭圆柱赋予相位分布，该相位分布根据该个体纳米椭圆柱在基底上的位置和该个体纳米椭圆柱的长轴、短轴而变化，并且纳米椭圆柱的相位分布限定超透镜对偏振敏感的相位分布。
进一步来说，所述纳米结构单元的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。纳米结构单元的个体纳米结构之间可以是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料填充，但需注意的是，当纳米结构单元的个体纳米结构之间采用其他工作波段透明或半透明材料填充时，该透明或半透明材料的折射率与纳米结构单元的折射率差值的绝对值需不小于0.5。
进一步来说，所述基底的材料包括单晶硅、熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石中的至少一种。
进一步来说，所述放大成像光学组件包括沿光路方向上依次布设的无线共轭显微物镜、滤光片、目镜，所述滤光片位于由所述无线共轭显微物镜、目镜构成的光学放大系统的光瞳处，用以遮挡超透镜工作波长以外的光。通过无线共轭显微物镜和目镜的配合能对样本进行二次放大成像，通过滤光片能对光波进行筛选，以遮挡非工作波长。
进一步来说，当所述超透镜的两个工作波长分别为λ1和λ2时，所述滤光片可透过的波段为λ1±10nm及λ2±10nm。
进一步来说，经所述放大成像光学组件处理后的不同波长的光信号能汇聚成像于所述光电探测器的不同区域上。通过光电探测器能将光信号转化为电信号，以传入后续的电路系统中。
附图说明
图1为本发明实施例的三维显微装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的超透镜一次成像数学模型示意图。
图中：
1-待观测样本；2-超透镜；3-放大成像光学组件；31-无线共轭显微物镜；32-滤光片；33-目镜；4-光电探测器；5-一次成像面。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
实施例
参见附图1所示，本发明的一种基于超透镜结构的三维显微装置，包括沿光路方向上依次布设的待观测样本1、超透镜2、放大成像光学组件3和光电探测器4。其中，超透镜2、放大成像光学组件3之间设有经超透镜调制后的待观测样本的一次成像面5。超透镜2包括基底及阵列排布在基底表面的纳米结构单元，纳米结构单元用以将待观测样本1发出的不同波长的光汇聚到一次成像面5的不同位置上。
待观测样本1上散射的光波经由超透镜2后能汇聚到一次成像面5上，且因超透镜2的纳米结构单元的设置，不同波长的光波在超透镜2调制后能位于一次成像面5的不同位置；然后一次成像面5不同位置上的光波再经由放大成像光学组件3进行光波放大后即可汇聚成像在光电探测器4的不同区域上，进而形成样本视差图像，进而利于样本图像的三维深度复原，便于构建样本的三维形貌模型。
将超透镜2应用到三维显微装置中，能利用超透镜2的纳米结构单元对不同波长的光波进行偏振，以使不同波长的光波在一次成像面5上能有所偏移，以便于在后续处理中形成样本视差图像。
具体的，在超透镜2中，基底对于入射光是透明的，纳米结构单元是由周期性排布的纳米结构组成。需要说明的是，超透镜是一种超表面。超表面是一层亚波长的人工纳米结构膜，可根据其上的超表面结构单元来调直入射光。其中，超表面结构单元包括全介质或等离子的纳米天线，可直接调控光的相位、幅度和偏振等特性。
在一些实施例中，纳米结构单元为纳米鳍或纳米椭圆柱类的偏振相关结构，其能根据等离子波导理论或介质等效折射率理论来调控入射光线的几何相位。其中，纳米鳍中的每个个体纳米鳍赋予相位分布，该相位分布根据个体纳米鳍在基底上的位置和该个体纳米鳍的朝向而变化，并且纳米鳍的相位分布限定了超透镜对偏振敏感的相位分布。纳米椭圆柱中的每个个体纳米椭圆柱赋予相位分布，该相位分布根据该个体纳米椭圆柱在基底上的位置和该个体纳米椭圆柱的长轴、短轴而变化，并且纳米椭圆柱的相位分布限定超透镜对偏振敏感的相位分布。
在一些实施例中，纳米结构单元的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。纳米结构单元的个体纳米结构之间可以是空气填充或者其他工作波段透明或半透明的材料填充，但需注意的是，当纳米结构单元的个体纳米结构之间采用其他工作波段透明或半透明材料填充时，该透明或半透明材料的折射率与纳米结构单元的折射率差值的绝对值需不小于0.5。
在一些实施例中，基底的材料包括单晶硅、熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石中的至少一种。
由于纳米结构单元中的每个纳米结构均能赋予相位分布，通过改变纳米结构的朝向、纳米结构的维度、纳米结构的尺寸、纳米结构的纵横比、纳米结构的材料、纳米结构的空间布置、形状等等就可以实现变化的相位分布。而在本实施例中，为了实现后续的样本视差图像的形成，超透镜的纳米结构单元在一次成像面上的表面相位分布需满足：
和
其中，λ1为超透镜的第一工作波长，λ2为超透镜的第二工作波长，且λ1小于λ2；如图2所示，v为超透镜在一次成像面上的物距，s为超透镜在一次成像面上的像距，d为超透镜一次成像点沿x轴的轴向距离，θ为超透镜成像光轴与z轴的夹角。
更进一步地，超透镜2的第一工作波长λ1为420nm，第二工作波长λ2为600nm。
在一些实施例中，放大成像光学组件3包括沿光路方向上依次布设的无线共轭显微物镜31、滤光片32、目镜33，其中，滤光片32位于由无线共轭显微物镜31、目镜33构成的光学放大系统的光瞳处，用以遮挡超透镜2工作波长以外的光。通过无线共轭显微物镜31和目镜33的配合能对样本进行二次放大成像，通过滤光片32能对光波进行筛选，以遮挡非工作波长。
示例性地，当超透镜2的第一工作波长λ1、第二工作波长λ2分别为420nm、600nm时，相应的，滤光片32可透过的波段为420nm±10nm以及600nm±10nm。
在一些实施例中，经放大成像光学组件3处理后的不同波长的光信号能汇聚成像于光电探测器4的不同区域上，进而能形成两个图像数据。然后通过光电探测器4能将(图像数据的)光信号转化为电信号，以传入后续的电路系统中。
在实际应用时，光电探测器4通过电路系统与计算机连接后，光电探测器4能将探测到的光信号转化为电信号，并传入到电路系统中，经由电路系统完成电信号的放大、滤波和数字信号处理后，由计算机接收、显示和信号存储。
在一些实施例中，光电探测器4可采用CMOS光电探测器。CMOS光电探测器是基于PN结光电二极管的工作原理，当光电二极管反向偏置时(反向电压小于雪崩击穿电压)，与入射光强度成比例的电流分量将流经二极管。这种电流成分通常称为光电流。由于光电流随光强线性增加，可以使用光电二极管来构建光电探测器。
在本发明的三维显微装置中，待观测样本1为电子芯片类工业元件，其可通过样品载置台放置于上述光路中。
无线共轭显微物镜31、滤光片32、目镜33、光电探测器4均为通用件，其中，无线共轭显微物镜可用于各种成像和激光聚焦应用，离开物镜后孔径的光线会被准直，因此在成像时需要目镜，以便将样本收集的光聚焦到光电探测器上。当使用不同焦距的目镜时，需要相应地调节放大倍率。作为与有限共轭物镜相比的一个优势，可以在无限远物镜和目镜之间插入各种辅助的光学组件，如滤光片，而无需改变光束沿光路传播和形成图像的方式。进入无限共轭显微物镜后孔径的光束可以紧紧聚焦在衍射极限点上，从而提供集中的光功率和出色的分辨率。
需要注意的是，在采用本发明的三维显微装置时，样本图像三维深度复原的原理如下：光电探测器4对待观测样本进行拍摄及记录，待观测样本上散射的光波(波长分别为420nm、600nm)经由超透镜调制后能在一次成像面上形成两个不同位置的光斑；两个不同位置的光斑再经由无线共轭显微物镜、滤光片、筒镜形成的成像放大系统后二次成像于光电探测器的不同区域上，以获得具有视差信息的两个样本图像；光电传感器将两个样本图像上传至计算机中，计算机根据特征点检测算法自动匹配所记录的样本图像的强度梯度信息以提取出两个样本图像的特征点；再根据视差数学理论模型即可恢复样本表面的三维深度数据。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (9)
1.一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：包括沿光路方向上依次布设的待观测样本、超透镜、放大成像光学组件和光电探测器；其中，所述超透镜、放大成像光学组件之间设有经所述超透镜调制后的待观测样本的一次成像面；
所述超透镜包括基底及阵列排布在所述基底表面的纳米结构单元，所述纳米结构单元用以将待观测样本发出的不同波长的光汇聚到所述一次成像面的不同位置上。
2.根据权利要求1所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：所述超透镜在一次成像面上的表面相位分布满足：
和
其中，λ1为超透镜的第一工作波长，λ2为超透镜的第二工作波长，且λ1小于λ2；v为超透镜在一次成像面上的物距，s为超透镜在一次成像面上的像距，d为超透镜一次成像点沿x轴的轴向距离，θ为超透镜成像光轴与z轴的夹角。
3.根据权利要求2所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：所述第一工作波长λ1为420nm，所述第二工作波长λ2为600nm。
4.根据权利要求1所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：所述纳米结构单元为纳米鳍或纳米椭圆柱。
5.根据权利要求1所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：所述纳米结构单元的材料包括氧化钛、氮化硅、熔融石英、氧化铝、氮化镓、磷化镓、非晶硅、晶体硅、氢化非晶硅中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：所述基底的材料包括单晶硅、熔融石英、冕牌玻璃、火石玻璃、蓝宝石中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：所述放大成像光学组件包括沿光路方向上依次布设的无线共轭显微物镜、滤光片、目镜，所述滤光片位于由所述无线共轭显微物镜、目镜构成的光学放大系统的光瞳处，用以遮挡超透镜工作波长以外的光。
8.根据权利要求7所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：当所述超透镜的两个工作波长分别为λ1和λ2时，所述滤光片可透过的波段为λ1±10nm及λ2±10nm。
9.根据权利要求1所述的一种基于超透镜结构的三维显微装置，其特征在于：经所述放大成像光学组件处理后的不同波长的光信号能汇聚成像于所述光电探测器的不同区域上。
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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| CN118276300A true CN118276300A (zh) | 2024-07-02 |
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