分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法与装置

摘要

本发明属于光学精密测量技术领域，涉及一种分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法与装置。该方法与装置利用探测器横向偏移可使双轴共焦显微技术的轴向响应曲线产生相移这一特性，在双轴共焦显微结构中采用分割焦斑的横向差动探测方式接收测量光束并进行处理，并结合超分辨光瞳滤波技术，实现了提高系统分辨力、扩展工作距离、提高抗干扰能力和改善线性范围的目的。可用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行精密测量。

说明书

技术领域

本发明属于光学精密测量技术领域，可用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域中进行精密测量。

技术背景

共焦显微技术因其具有独特的光学层析和高分辨成像等优势，而被广泛用于微电子、材料、工业精密检测、生物医学等领域。但现有的单轴共焦显微镜，分辨能力、视场大小和工作距之间难以兼顾。增大透镜数值孔径N.A.和减小光源波长λ可改善共焦显微系统的分辨能力，但透镜数值孔径N.A.的提高又将导致共焦显微系统的工作距变短和视场变小，同时光源波长λ的减小又受光学元件玻璃属性等参数的制约。实事上，寻求实现高分辨、大视场和大工作距显微成像与测量的方法一直是光学成像领域追求的目标。

为此，国内外的学者不断地提出了新的研究成果。例如，共焦4Pi显微技术利用相干光同时照明样品两侧并使其发生干涉，形成具有亚结构的照明点扩散函数(PSF)，通过点探测系统的合理设置使4Pi共焦系统的焦体体积减小两倍，显著改善了共焦显微系统的分辨能力，但其在工作距方面并没有得到改善，系统结构比较复杂(OSA，1992，9(12)：2159-2166)。共焦theta显微技术将样品与入射光轴成一定的角度放置，使共焦显微系统照明光路与采集光路分离，利用照明系统PSF和采集系统PSF的相互制约来压缩焦体，继而实现共焦显微物镜轴向分辨力的提高(Optics Comm.1994，11：536-547)。双轴共焦显微技术利用低N.A.光学系统对样品进行斜照明，然后再利用低N.A.光学系统对样品反射的载有测量信息的光束进行收集并探测，继而实现对被测样品的高分辨、长工作距和大视场双轴共焦层析成像，其基于半高宽(FWHM)的横向分辨力和轴向分辨力分别达到1.3μm和2.1μm(Optics Letters.28(6)，414-416；Journal of Biomedical Optics.11(5)，054019)。

综上所述，尽管基于低N.A.透镜成像的双轴共焦显微技术，使系统分辨力、工作距长短和视场大小得以兼顾，但其轴向分辨力仍低于横向分辨力，其与精密测量和生物医学成像等高轴向分辨力大工作距测量的进一步需求仍有差距，且双轴结构造成了横向分辨力的降低。此外，双轴共焦显微系统采用单一探测器进行强度探测，也不利对环境背景光、光源强度波动等因素的抑制。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述双轴共焦显微技术中的轴向和横向分辨力不足，以及不利于对环境背景光、光源强度波动等因素的抑制等缺陷，利用探测器横向偏移可使双轴共焦显微技术的轴向响应曲线产生相移这一特性，在双轴共焦显微结构中采用分割焦斑的横向差动探测方式，并与超分辨光瞳滤波技术相结合，提出一种分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法与装置。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：

本发明的一种分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测试方法，包含以下步骤：

(a)将照明透镜和采集透镜对称地布局在测量面法线两侧，使照明光轴和采集光轴与测量面法线的夹角大小均为θ，以测量面法线方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)；

(b)光源(波长λ)经由照明透镜聚焦到被测样品表面，含有样品信息的反射光束被反射进入采集透镜；

(c)经采集透镜出射的光束成像于采集透镜焦面上，显微物镜将采集透镜焦面上的焦斑放大并成像在光电探测器上；

(d)计算机从光电探测器上获取焦斑图像，当被测样品位于系统焦面上时，计算机计算出此时焦斑图像的中心，以此中心作为坐标原点，建立光电探测器像面上的坐标系(x_d′，y_d′)，在x_d′轴上对称设置两个具有相同半径的圆形虚拟针孔对焦斑图像进行分割探测，分别为第一虚拟针孔和第二虚拟针孔，其对应的针孔横向偏移量为M；

(e)当被测样品进行扫描时，计算机分别计算出第一虚拟针孔和第二虚拟针孔范围内像素灰度总和，得到强度响应I₁(x，y，z，-v_xM)和I₂(x，y，z，+v_xM)，其中v_xM是对应于M的归一化横向偏移量；

(f)将I₁(x，y，z，-v_xM)和I₂(x，y，z，+v_xM)差动相减得到带有被测样品凸凹变化的强度I(x，y，z，v_xM)，由下式计算I(x，y，z，v_xM)：

I(x，y，z，v_xM)＝I₁(x，y，z，-v_xM)-I₂(x，y，z，+v_xM)

＝|h_i(x_i，y_i，z_i)×h_c(x_c，y_c，z_c，-v_xM)|²-|h_i(x_i，y_i，z_i)×h_c(x_c，y_c，z_c，+v_xM)|²

其中

$h_i(x_i,y_i,z_i)=\int \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{P}_i(x_{\mathrm{i\rho }},y_{\mathrm{i\rho }})\exp \left[\frac{{\mathrm{iu}}_i}{2}(x_{\mathrm{i\rho }}^2+y_{\mathrm{i\rho }}^2)\right]\times \exp \left[i(v_{\mathrm{ix}}{x}_{\mathrm{i\rho }}+v_{\mathrm{iy}}{y}_{\mathrm{i\rho }})\right]{\mathrm{dx}}_{\mathrm{i\rho }}{\mathrm{dy}}_{\mathrm{i\rho }}$

$h_c(x_c,y_c,z_c,v_{\mathrm{xM}})=\int \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{P}_c(x_{\mathrm{c\rho }},y_{\mathrm{c\rho }})\exp \left[\frac{{\mathrm{iu}}_c}{2}(x_{\mathrm{c\rho }}^2+y_{\mathrm{c\rho }}^2)\right]$

$\times \exp \left\{i\right[(v_{\mathrm{cx}}+v_{\mathrm{xM}})x_{\mathrm{c\rho }}+v_{\mathrm{cy}}{y}_{\mathrm{c\rho }}\left]\right\}{\mathrm{dx}}_{\mathrm{c\rho }}{\mathrm{dy}}_{\mathrm{c\rho }}$

已知参数包括照明透镜的瞳函数P_i(x_iρ，y_iρ)、归一化径向光学坐标v_ix和v_iy、归一化轴向坐标u_i，采集透镜的瞳函数P_c(x_cρ，y_cρ)、归一化径向光学坐标v_cx和v_cy、归一化轴向坐标u_c。

(g)根据I(x，y，z，v_xM)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品的三维表面形貌和微观尺度；

(h)优化第一虚拟针孔和第二虚拟针孔对应的针孔横向偏移量以及夹角的大小，使得系统的分辨力达到最佳。

本发明所示的测量方法还可以在照明透镜之前加入照明端光瞳滤波器，对照明光束进行整形，改善系统的横向分辨力。

本发明所示的测量方法还可以在采集透镜之后加入采集端光瞳滤波器，对采集光束进行整形，改善系统的横向分辨力。

本发明所示的测量方法还可以在照明透镜之前和在采集透镜之后同时加入照明端光瞳滤波器和采集端光瞳滤波器，对照明光束和采集光束都进行整形，改善系统的横向分辨力。

本发明所示的测量方法中对焦斑图像进行分割焦斑探测的光电探测器可以是CCD探测器，或者是两个参数相同的点探测器，这两个点探测器的位置分别与第一虚拟针孔和第二虚拟针孔所在的位置对应。

本发明还提供了一种分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量装置，包括点光源，照明透镜，采集透镜，微位移工作台、准直扩束镜，测量透镜，显微物镜和光电探测器；其中，准直扩束镜和照明透镜依次放在光源的出射光线方向；采集透镜、测量透镜，显微物镜和光电探测器依次放在被测样品的反射光线方向。

本发明所示的测量装置，可以在准直扩束镜和照明透镜之间加入照明端光瞳滤波器，或者在采集透镜和测量透镜之间加入采集端光瞳滤波器，或者在准直扩束镜和照明透镜之间以及采集透镜和测量透镜之间同时加入照明端光瞳滤波器和采集端光瞳滤波器。

本发明所示的测量装置中用于分割焦斑探测的光电探测器可以是CCD探测器，或者是参数相同的点探测器。

本发明所示的测量装置还包括进行最后数据处理的计算机处理系统。

有益效果：

本发明对比已有技术有以下显著创新点：

1.利用双轴结构、分割焦斑的横向差动探测方式和超分辨光瞳滤波技术的融合，有效地解决了系统分辨能力、视场大小和工作距之间难以兼顾的问题，达到利用大工作距离的低N.A.透镜同时提高系统轴向和横向分辨力的目的；

2.由于照明光轴和采集光轴不共轴，因此可根据光路特点和需求灵活调整照明光路和采集光路的光学参数以及系统夹角大小，或者加入不同的光瞳滤波器，对其组合效果进行优化，用以最大限度地提高系统分辨力；

3.双轴结构和差动探测方式的结合可提高系统抗干扰能力，有利于环境背景光、光源强度波动的抑制，改善线性范围，提高系统信噪比；

4.该技术既可选用单一CCD探测器结合计算机软件实现虚拟针孔差动探测，也可使用独立的点探测器进行探测，探测方式灵活，有利于简化系统结构，结合低N.A.透镜的使用，更有利于仪器小型化的实现。

加入上述创新点后，本发明具有如下优点：

1.在不引入高N.A.透镜的条件下，利用低N.A.透镜即可提高共焦系统的轴向和横向分辨力，扩展了共焦系统的工作距离，且更易实现小型化；

2.测量系统具有绝对零点和双极性跟踪特性，线性量程范围宽，提高了层析精度的同时还可实现绝对测量；

3.双轴差动共焦光路的采用提高了系统的信噪比，可有效地抑制环境状态的差异、光源光强的波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声。

附图说明

图1为本发明测量方法示意图；

图2为本发明测量装置示意图；

图3为本发明实施例1的示意图；

图4为本发明实施例1仿真轴向响应曲线与双轴共焦显微系统的仿真轴向响应曲线比较图；

图5为本发明实施例1实测轴向响应曲线与双轴共焦显微系统的实测轴向响应曲线比较图；

图6为本发明实施例2的示意图；

图7为本发明实施例3的示意图；

图8为本发明实施例4的示意图；

图9为本发明实施例5的示意图；

其中，1-照明透镜，2-采集透镜，3-测量面法线，4-照明光轴，5-采集光轴，6-夹角，7-光源，8-被测样品，9-采集透镜焦面，10-显微物镜，11-光电探测器，12-焦斑图案，13-第一虚拟针孔，14-第二虚拟针孔，15-针孔横向偏移量，16-微位移工作台，17-准直扩束镜，18-测量透镜，19-计算机处理系统，20-光阑，21-照明端光瞳滤波器，22-采集端光瞳滤波器，23-CCD探测器，24-第一点探测器，25-第二点探测器，26-本发明实施例1仿真轴向响应曲线，27-双轴共焦显微系统仿真轴向响应曲线，28-本发明实施例1实测轴向响应曲线，29-双轴共焦显微系统实测轴向响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如图3所示，分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法，其测量步骤是：

首先打开光源7(波长λ)，出射光通过准直扩束镜17进行扩束出射为平行光，平行光通过光阑20后光束直径变成与照明透镜1入瞳直径相等，经由照明透镜1聚焦到放置在微位移工作台16上的被测样品8表面，被反射进入采集透镜2，经过采集透镜2收集的光束通过测量透镜18进行汇聚，汇聚光斑经过显微物镜10放大并成像在CCD探测器23上。

计算机从CCD探测器23上获取焦斑图像12，当被测样品8位于系统焦面上时，计算机计算出此时焦斑图像12的中心，以此中心作为坐标原点，建立CCD像面上的坐标系(x_d′，y_d′)，在x_d′轴上对称设置两个具有相同半径的圆形虚拟针孔对焦斑图像12进行分割探测，分别为第一虚拟针孔13和第二虚拟针孔14，其对应的针孔横向偏移量15为M；当被测样品8进行扫描时，计算机分别计算出第一虚拟针孔13和第二虚拟针孔14范围内像素灰度总和，得到强度响应I₁(x，y，z，-v_xM)和I₂(x，y，z，+v_xM)，其中v_xM是对应于M的归一化横向偏移量。将I₁(x，y，z，-v_xM)和I₂(x，y，z，+v_xM)差动相减得到带有被测样品8凸凹变化的强度I(x，y，z，v_xM)，根据I(x，y，z，v_xM)在测量范围内的光强大小，重构出被测样品8的三维表面形貌和微观尺度。

本发明的理论模型可由基于旁轴近似的衍射理论进行推导。如图1所示，(x，y，z)为系统坐标系，(x_i，y_i，z_i)和(x_c，y_c，z_c)分别为照明透镜1和采集透镜2在样品空间的坐标。三个坐标系之间的变换关系为：

x_i＝xcosθ-zsinθ  x_c＝xcosθ+zsinθ

y_i＝y    y_c＝y

z_i＝xsinθ+zcosθz_c＝-xsinθ+zcosθ

光源7、准直扩束镜17，光阑20和照明透镜1构成照明光路，照明光路的强度点扩展函数PSF为：

$h_i(x_i,y_i,z_i)=\int {\int }_{-\infty }^{+\infty }{P}_i(x_{\mathrm{i\rho }},y_{\mathrm{i\rho }})\exp \left[\frac{{\mathrm{iu}}_i}{2}(x_{\mathrm{i\rho }}^2+y_{\mathrm{i\rho }}^2)\right]\times \exp \left[i(v_{\mathrm{ix}}{x}_{\mathrm{i\rho }}+v_{\mathrm{iy}}{y}_{\mathrm{i\rho }})\right]{\mathrm{dx}}_{\mathrm{i\rho }}{\mathrm{dy}}_{\mathrm{i\rho }}$

采集透镜2和测量透镜18构成了采集光路，采集光路的强度点扩散函数PSF为：

$h_c(x_c,y_c,z_c)=\int {\int }_{-\infty }^{+\infty }{P}_c(x_{\mathrm{c\rho }},y_{\mathrm{c\rho }})\exp \left[\frac{{\mathrm{iu}}_c}{2}(x_{\mathrm{c\rho }}^2+y_{\mathrm{c\rho }}^2)\right]\times \exp \left[i(v_{\mathrm{cx}}{x}_{\mathrm{c\rho }}+v_{\mathrm{cy}}{y}_{\mathrm{c\rho }})\right]{\mathrm{dx}}_{\mathrm{c\rho }}{\mathrm{dy}}_{\mathrm{c\rho }}$

其中，P_i(x_iρ，y_iρ)和P_c(x_cρ，y_cρ)分别是照明透镜1和采集透镜2的瞳函数，v_ix，v_iy和u_i是照明透镜1在样品空间的归一化光学坐标，v_cx，v_cy和u_c是采集透镜2在样品空间的归一化光学坐标。

定义(x_d，y_d，z_d)为采集透镜2在探测空间的坐标，当点探测器沿x_d轴方向存在横向偏移M时，采集光路PSF变为：

$h_c(x_c,y_c,z_c,v_{\mathrm{xM}})=\int \underset{-\infty }{\overset{+\infty }{\int }}{P}_c(x_{\mathrm{c\rho }},y_{\mathrm{c\rho }})\exp \left[\frac{{\mathrm{iu}}_c}{2}(x_{\mathrm{c\rho }}^2+y_{\mathrm{c\rho }}^2)\right]$

$\times \exp \left\{i\right[(v_{\mathrm{cx}}+v_{\mathrm{xM}})x_{\mathrm{c\rho }}+v_{\mathrm{cy}}{y}_{\mathrm{c\rho }}\left]\right\}{\mathrm{dx}}_{\mathrm{c\rho }}{\mathrm{dy}}_{\mathrm{c\rho }}$

其中，v_xM是对应于横向偏移M的归一化横向偏移量。因此第一虚拟针孔13和第二虚拟针孔14所探测到的强度响应I₁(x，y，z，-v_xM)和I₂(x，y，z，+v_xM)分别为：

I₁(x，y，z，-v_xM)＝|h_i(x_i，y_i，z_i)×h_c(x_c，y_c，z_c，-v_xM)|²

I₂(x，y，z，+v_xM)＝|h_i(x_i，y_i，z_i)×h_c(x_c，y_c，z_c，+v_xM)|²

则双轴差动共焦测量方法的系统强度相应为：

I(x，y，z，v_xM)＝I₁(x，y，z，-v_xM)-I₂(x，y，z，+v_xM)

本实施例中使用波长λ为632.8nm的半导体激光器作为光源，被测样品采用反射镜，所用的CCD探测器23为WATEC 902H2 Ultimate，有效像素数为752(H)×582(V)，像素大小为8.6μm(H)×8.3μm(V)，使用高精度气浮导轨系统带动反射镜进行z轴方向扫描，采用RENISHAW X80型激光干涉仪对反射镜的位移进行跟踪测量；照明透镜1和采集透镜2的N.A.为0.11、焦距为31mm，夹角6取45°，针孔归一化横向偏移v_xM＝1.8，测量透镜18的焦距为200mm，两个虚拟针孔在测量透镜18焦平面上对应的实际横向偏移为M≈10.9μm，显微物镜10的放大倍数为25倍，放大后的横向偏移为272.5μm。

本实施例的仿真轴向响应曲线26如图4所示，同等条件下双轴共焦显微系统的仿真轴向响应曲线27如图4所示。本实施例的实测轴向响应曲线28如图5所示，同等条件下双轴共焦显微系统的实测轴向响应曲线29如图5所示。由图可见，本实施例所述方法与理论分析相符，且可使现有双轴共焦显微系统的轴向分辨力改善约一倍，并可显著增强系统的抗干扰能力等。

实施例2

如图6所示，将实施例1图3中在准直扩束镜17和照明透镜1之间加入照明端光瞳滤波器21，对照明光束进行滤波整形，达到提高系统横向分辨力的目的。其余测量方法与装置与实施例1相同。

实施例3

如图7所示，将实施例1图3中在采集透镜2和测量透镜18之间加入采集端光瞳滤波器22，对采集光束进行滤波整形，达到提高系统横向分辨力的目的。其余测量方法与装置与实施例1相同。

实施例4

如图8所示，将实施例1图3中在准直扩束镜17和照明透镜1之间加入照明端光瞳滤波器21，在采集透镜2和测量透镜18之间加入采集端光瞳滤波器22，分别对照明光束和采集光束进行滤波整形，达到提高系统横向分辨力的目的。其余测量方法与装置与实施例1相同。

实施例5

如图9所示，将实施例1图3中的CCD探测器23替换为图9的两个参数相同的点探测器，分别是第一点探测器24和第二点探测器25，即可构成实施例5。第一点探测器24和第二点探测器25所在的位置分别与实施例1的第一虚拟针孔13和第二虚拟针孔14所在的位置对应。第一虚拟针孔13和第二虚拟针孔14所在的位置可根据系统参数事先计算得出。其余测量方法与装置与实施例1相同。

以上结合附图对本发明的具体实施方式作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。