整形环形光三差动共焦显微镜.pdf

本发明属于光学显微成像及微观测量技术领域，涉及一种具有高性噪比和三维超分辨成像能力的整形环形光三差动共焦显微镜，主要包括激光器(1)，扩束器(2)、偏振分光镜(6)、λ/4波片(7)，显微物镜(8)、聚光镜(11)、(15)和(18)；以及针孔(12)、(16)、(19)和探测器(13)、(17)、(20)，还包括一个位于扩束器(2)和偏振分光镜(6)之间，整形入射光为环形光的环形光整形器件(4)，和一个位于偏振分光镜(6)和环形光整形器件(4)之间，调整入射环形光归一化半径的可调光阑(5)。本发明中的环形光整形器件，将三差动共焦显微镜入射激光光束整形为超分辨所需的特定结构的环形光束，来改善共焦显微镜的横向分辨力，并采用三差动共焦显微镜的光路布置提高共焦显微镜的轴向分辨力。

1.  一种整形环形光三差动共焦显微镜，包括激光器(1)，依次放在激光器(1)发射端的扩束器(2)、偏振分光镜(6)、放置在偏振分光镜透射光路上的λ/4波片(7)、显微物镜(8)、将偏振分光镜(6)反射的测量光束分为两束测量光的分光镜(10)、将分光镜(10)透射光束分为两束测量光束的分光镜(14)、分别汇聚分光镜(10)反射测量光束和分光镜(14)分束后的两束测量光束的聚光镜(11)、(15)和(18)；分别位于聚光镜(11)焦点位置的针孔(12)、距聚光镜(15)焦点后距离为M的针孔(16)、距聚光镜(18)焦点前距离为M的针孔(19)；分别贴近针孔(12)、(16)和(19)的探测器(13)、(17)和(20)，其特征在于还包括一个整形入射光为环形光的环形光整形器件(4)，该环形光整形器件(4)位于扩束器(2)和偏振分光镜(6)之间。

2.  根据权利要求1所述的三差动共焦显微镜，其特征在于还包括位于偏振分光镜(6)和环形光整形器件(4)之间，调整入射环形光归一化半径的可调光阑(5)。

3.  根据权利要求1所述的三差动共焦显微镜，其特征在于环形光整形器件(4)位于偏振分光镜(6)和分光镜(10)之间。

4.  根据权利要求1所述的三差动共焦显微镜，其特征在于所说的环形光整形器件(4)为三个，该三个环形光整形器件分别位于分光镜(10)和聚光镜(11)之间、分光镜(14)和聚光镜(15)之间、分光镜(14)和聚光镜(18)之间。

5.  根据权利要求1或2或3或4所述的三差动共焦显微镜，其特征在于所述的环形光整形器件(4)是圆环形位相分布的二元光学器件。

6.  根据权利要求4所述的三差动共焦显微镜，其特征在于该测量装置还包括依次相连的三个聚焦信号差动处理系统(21)、(22)、(23)和一个数据处理计算机(24)，其中三个聚焦信号差动处理系统接收三个探测器(13)、(17)和(20)的探测信号，经放大处理后，由计算机(24)进行数据处理。

整形环形光三差动共焦显微镜
技术领域
本发明属于光学显微成像及微观测量技术领域，涉及一种具有高性噪比和三维超分辨成像能力的整形环形光三差动共焦显微镜，其可用于测量样品的三维表面形貌、三维微细结构、微台阶、微沟槽、集成电路线宽等。
背景技术
共焦显微镜的思想最早由美国学者M.Minsky于1957年首次提出，并于1961年得到美国专利授权，专利号为US3013467。共焦显微镜将点光源、点物和点探测器三者置于彼此对应的共轭位置，构成光学显微成像中独具层析能力的点照明和点探测显微成像系统。一般共焦显微镜的基本原理如图1所示，光源1发出的光经空间滤波器3、物镜8在被测物体表面聚焦成光斑并被反射，反射光沿原路返回，再通过分光镜10将来自物体的信号光导入放置于探测器13前面的针孔12内，在探测器13处形成点检测，探测器13主要接收来自物镜8焦点处的信号光，焦点以外的返回光被针孔12遮挡。当物体位于焦平面A时，探测器13接收到的光能最大，当物体偏离焦平面A时，反射光被探测于针孔前或后的某一位置，此时探测器仅接收一小部分光能量，也就是说物体在离焦时探测到的信号要比在焦平面时弱，这样就可以通过探测器检测光强信号的强弱变化来测得物体相对于焦平面的位置。当物体沿垂直于光轴方向的x-y平面内作扫描运动时，共焦显微镜依据光轴z向离焦信号、x向和y向位移大小，即可构建出被测物体的三维轮廓。
共焦显微镜因其具有层析成像能力而被广泛应用于生物医学和工业样品的成像检测，但由于受衍射极限的限制，制约了其成像分辨能力的进一步提高。为从根本上突破衍射极限，改善共焦显微镜的成像分辨能力，近来已有众多非传统的共焦显微成像原理和超分辨方法被提出。在共焦显微镜的研究方面，出现了4PI共焦显微镜、θ共焦显微镜、共焦干涉显微镜和基于光学非线性行为的双光子和多光子共焦显微镜等；在超分辨成像技术方面，已研究出光瞳滤波技术、移相掩模技术、基于光学性质非线性变化的超分辨技术和改变入射光空间频率分布的光束变形照明超分辨技术等。总体上看，上述新型共焦显微镜和超分辨技术改善了共焦显微镜的分辨特性，解决了众多共焦显微镜超分辨显微成像测量的需求，但它们仍存在如下问题：一是目前已有的各种形式的共焦显微镜均是利用探测到的光强信号直接进行成像处理，其易受光强波动、背景光干扰、环境温度漂移等因素的影响，共焦显微镜成像系统信噪比低；二是共焦显微镜轴向层析精度受制于轴向强度响应曲线的非线性，并且已有的超分辨技术在超分辨成像过程中易引起旁瓣的增大和轴向响应曲线非线性误差的增大。为改善共焦显微镜层析成像能力，本申请的申请人申请了题为“三差动共焦显微成像方法与装置”的中国发明专利，申请号为2004100073652.4，发明人为赵维谦、谭久彬和邱丽荣。但是该三差动共焦显微成像方法主要用于改善共焦显微镜的轴向分辨力，并没有改善横向分辨力，而已有的超分辨光瞳滤波器用于共焦显微镜进行三维超分辨测量时，既要进行横向超分辨又要兼顾轴向超分辨，三维超分辨效果通常不是特别显著。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术用于三维形貌和三维微细结构测量时存在的上述不足，融合整形环形光光学超分辨技术和三差动共焦显微技术的特性，提供一种具有高性噪比和三维(轴向和横向)超分辨成像能力的整形环形光三差动共焦显微镜。该共焦显微镜在改善共焦显微镜三维超分辨成像能力的同时，还能显著增强共焦显微镜成像系统的信噪比和改善轴向响应曲线的线性等。
本发明的整形环形光三差动共焦显微镜包括激光器1，依次放在激光器1发射端的扩束器2、偏振分光镜6、放置在偏振分光镜透射光路上的λ/4波片7、显微物镜8、将偏振分光镜6反射的测量光束分为两束测量光的分光镜10、将分光镜10透射光束分为两束测量光束的分光镜14、分别汇聚分光镜10反射测量光束和分光镜14分束后的两束测量光束的聚光镜11、15和18；分别位于聚光镜11焦点位置的针孔12、距聚光镜15焦点后距离为M的针孔16、距聚光镜18焦点前距离为M的针孔19；分别贴近针孔12、16和19的探测器13、17和20，其特征在于还包括一个整形入射光为环形光的环形光整形器件4，该环形光整形器件4位于扩束器2和偏振分光镜6之间。
还包括位于偏振分光镜6和环形光整形器件4之间，调整入射环形光归一化半径的可调光阑5。
所说的环形光整形器件4还可以位于偏振分光镜6和分光镜10之间。
环形光整形器件4还可以为三个，并同时位于分光镜10和聚光镜11之间、分光镜14和聚光镜15之间、分光镜14和聚光镜18之间。
本装置中特定设计的环形光整形器件，将三差动共焦显微镜入射激光光束整形为超分辨所需的特定结构的环形光束，来改善共焦显微镜的横向分辨力，采用三差动共焦显微镜的光路布置提高共焦显微镜的轴向分辨力，进而避免已有地三维超分辨光瞳滤波器，既要提高横向分辨力，又要提高轴向分辨力，从而降低三维超分辨综合性能的缺点，同时可显著改善共焦显微镜的抗干扰能力。
本发明测量装置具有如下优点：
1)改善共焦显微镜的三维显微成像能力；
2)可抑制环境状态差异、光源光强波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声，显著提高共焦显微镜的信噪比；
3)减小传统环形光瞳超分辨时带来的能量损失；
4)改善轴向响应的线性，使共焦显微镜层析精度得到显著提高；
5)改善共焦系统的离焦特性；
6)用于表面轮廓测量时，在提高横向分辨能力的同时，可扩展传感器轴向量程范围，使测量系统具有绝对跟踪零点和双极性跟踪特性，实现绝对测量；
7)采用三差动共焦光路系统可抑制环境状态差异、光源光强波动、探测器电气漂移等引起的共模噪声，显著提高测量系统的信噪比、灵敏度以及线性度等。
附图说明
图1共焦显微镜原理图。
图2为本发明整形环形光三差动共焦显微镜原理图。
图3为本发明整形环形光三差动共焦显微镜，当ε＝0.5，u_M＝6.95时，三维强度响应仿真曲面。
图4为本发明整形环形光三差动共焦显微镜，当ε＝0.5，u_M＝6.95时，三维强度响应归一化仿真曲面。
图5为共焦显微镜三维强度响应归一化仿真曲面。
图6为本发明当ε＝0.5，u_M＝6.95时，整形环形光三差动共焦显微镜轴向强度响应仿真曲线。
图7为本发明ε＝0.5，u_M＝6.95时，整形环形光三差动共焦显微镜轴向强度响应归一化仿真曲线。
图8为本发明整形环形光三差动共焦显微镜横向强度响应仿真曲线。
图9为本发明整形环形光三差动共焦显微镜横向强度响应归一化仿真曲线图。
图10为测得的本发明整形环形光三差动共焦显微镜轴向强度响应曲线。
图11为测得的本发明整形环形光三差动共焦显微镜轴向归一化强度响应曲线。
图12为AFM测得的台阶横向扫描截面图。
图13为本发明整形环形光三差动共焦显微镜测得的台阶横向扫描截面图。
其中，1激光器，2扩束器，3空间滤波针孔，4环形光整形器件，5可调光阑，6偏振分光镜(PBS)，7λ/4波片，8显微物镜，9被测物体，10、14分光镜，11、15、18聚光镜，12、16、19针孔，13、17、20探测器，21、22、23探测信号差动相减处理系统，24计算机处理系统，25工作台，26三差动共焦显微镜响应I(v，u)，27共焦显微镜响应I(v，u，0)，28共焦显微镜轴向响应I_C(0，u)曲线，29轴向强度响应I(0，u)曲线，30轴向强度响应I₃(0，u，+u_M)曲线，31轴向强度响应I₂(0，u，-u_M)曲线，32轴向强度响应I₁(0，u，0)曲线，33横向强度响应I₁(v，0，0)曲线，34横向强度响应I(v，0)曲线，35实测的轴向强度响应I₂(0，u，-u_M)曲线，36实测的轴向强度响应I₁(0，z，0)曲线，37实测的轴向强度响应I₃(0，z，M)曲线，38实测差动的轴向强度响应I_C(0，z)曲线，39实测的轴向强度响应I(0，z)曲线，40AFM测得的标准台阶横向扫描图，41整形环形光三差动共焦显微镜测得的标准台阶横向扫描图。
具体实施方式
本发明技术原理为：采用三差动共焦显微成像技术将共焦显微镜接收光路布置为远焦、焦面和近焦三路探测光路，通过三路探测系统探测到的具有不同位相的三路强度响应信号两两差动相减达到改善轴向分辨力和提高抗干扰能力的目的；另外，通过增加激光束照射系统高频光线所占的比例，使三差动共焦显微系统爱里斑的主瓣变小，从而达到提高共焦显微系统的空间分辨能力，使整形环形光横向超分辨特性与差动共焦显微技术的轴向高分辨特性相融合，从而达到对被测目标的高性噪比和高空间分辨力显微成像和实现被测样品三维轮廓和尺度的高空间分辨力和双极性绝对跟踪测量的目的。
本发明整形环形光三差动共焦显微镜结构如图2所示，包括：激光器1，依次放在激光器1发射端的扩束器2、空间滤波针孔3、整形入射光为环形光的环形光整形器件4、调整入射环形光归一化半径的可调光阑5、偏振分光镜6、放置在偏振分光镜透射光路上的λ/4波片7、显微物镜8、将偏振分光镜6反射的测量光束分为两束测量光的分光镜10、将分光镜10透射光束分为两束测量光束的分光镜14、分别汇聚分光镜10反射测量光束和分光镜14分束后的两束测量光束的聚光镜11、15和18；分别位于聚光镜11焦点位置的针孔12、距聚光镜15焦点远焦距离为M的针孔16、距聚光镜18焦点近焦距离为M的针孔19；还包括分别贴近针孔12、16和19的探测器13、17和20，探测信号差动相减处理系统21、22和23及计算机处理系统24。
本发明测量装置中的环形光整形器件4可以位于扩束器2与偏振分光镜6之间，也可以位于偏振分光镜6和分光镜10之间，还可同时放置三个环形光整形器件于三个聚光镜与分光镜之间，即在分光镜10和聚光镜11之间、分光镜14和聚光镜15之间、分光镜14和聚光镜18之间同时放置三个环形光整形器件。
环形光整形器件4可以是圆环形位相分布的二元光学器件。
本发明整形环形光三差动共焦显微镜成像原理如图2所示：激光器1发出的光经扩束器2扩束，经过二元光学器件4整形为环形光后透过偏振分光镜6后变为偏振方向平行于纸面的p光，该p光透过λ/4波片7被物镜8聚焦在被测物体9表面，后被被测物体反回再次透过λ/4波片7变为偏振方向垂直于纸面的s光，PBS反射s光到分光镜10。分光镜10首先将测量光束分为两束，经分光镜10反射的测量光束被聚光镜11探测，进入位于聚光镜11焦点位置的针孔12，被探测器13接收；经分光镜10透射的光再次被分光镜14分为两束，经分光镜14反射的测量光束被聚光镜15探测，进入距聚光镜15焦点后距离为M位置的针孔16，被探测器17接收；经分光镜14透射的测量光束被聚光镜18探测，进入距聚光镜18焦点前距焦点距离为M的针孔19，被针孔19后的探测器20接收；探测信号差动相减处理系统21、22和23将探测到的三个具有一定相位大小的信号两两差动相减，并进入计算机24进行处理，即可实现具有横向和轴向超分辨的显微成像探测。整形环形光三差动共焦显微镜中，分光镜10的透反比为2∶1，分光镜14的透反比为1∶1。
当被测物体进行轴向或横向移动时，激光器1、扩束器2、二元光学器件4、偏振分光镜6、1/4波片7、物镜8、聚光镜11、针孔12和探测器13构成整形环形光共焦显微镜，探测器13探测到的强度响应I₁(v，u，0)为：
I 1 ( v , u , 0 ) = | [ 2 ∫ ϵ 1 P ( ρ ) · exp ( ju ρ 2 / 2 ) J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 × | [ 2 ∫ ϵ 1 P ( ρ ) · exp ( jρ 2 u / 2 ) J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 - - - - ( 1 ) ]]>
其中J₀为一阶贝斯耳函数，ρ为归一化径向半径，u为轴向归一化光学坐标，v为横向归一化光学坐标，ε为环形光内环与外环之比。
激光器1、扩束器2、二元光学器件4、偏振分光镜6、1/4波片7、物镜8、聚光镜15、针孔16和探测器17构成远焦探测的整形环形光“准共焦显微镜”，探测器17探测到的强度响应I₂(v，u，-u_M)为：
I 2 ( v , u , - u M ) = | [ 2 ∫ ϵ 1 P ( ρ ) · exp ( ( ju ρ 2 ) / 2 ) J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 × | [ 2 ∫ ϵ 1 P ( ρ ) · exp ( jρ 2 ( u - u M ) / 2 ) J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 - - - - ( 2 ) ]]>
其中，u_M为对应探测器轴向偏移聚光镜焦点距离M的光学归一化坐标。
激光器1、扩束器2、二元光学器件4、偏振分光镜6、λ/4波片波片7、物镜8、聚光镜18、针孔19和光电探测器20构成近焦探测的整形环形光“准共焦显微镜”，探测器20探测到的强度响应I₃(v，u，+u_M)为：
I 3 ( v , u , + u M ) = | [ 2 ∫ ϵ 1 P ( ρ ) · exp ( ju ρ 2 / 2 ) J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 × | [ 2 ∫ ϵ 1 P ( ρ ) · exp ( jρ 2 ( u - u M ) / 2 ) J 0 ( ρv ) ρdρ ] | 2 - - - - ( 3 ) ]]>
将I₁(v，u，0)、I₂(v，u，-u_M)和I₃(v，u，+u_M)两两差动相减后得：I_A(v，u)＝I₁(v，u，0)-I₂(v，u，-u_M)，I_B(v，u)＝I₁(v，u，0)-I₃(v，u，+u_M)，I_C(v，u)＝I₂(v，u，-u_M)-I₃(v，u，+u_M)。计算机依据I_A(v，u)、I_B(v，u)和Ic(v，u)进行实时处理和判断，得整形环形光三差动共焦显微镜的强度响应I(v，u)为：

依据I(v，u)强度曲线光强大小，重构出被测样品的微观三维形貌和微观尺度
整形环形光三差动共焦显微镜物镜数值孔径值、针孔大小和探测器灵敏度等系统参数一旦确定后，轴向强度响应曲线I_A(0，u)、I_B(0，u)和Ic(0，u)斜边线性段的灵敏度主要取决于u_M，实际上存在一个u_M值，使整形环形光三差动共焦显微镜的轴向分辨力最高，层析能力最强。
将差动信号I_A(0，u)对u求导得灵敏度k_A(0，u，u_M)，在线性段内的斜率值k_A(0，u，u_M)和k_A(0，0，u_M)相等，因此I_A(0，u)线性段内的斜率可用k_A(0，0，u_M)表示，且有：k_A(0，0，u_M)＝(1-ε²)²·sinc[u_M(1-ε²)/4π]×[{u_M(1-ε²)/4}·cos{u_M(1-ε²)/4}-sin{u_M(1-ε²)/4}]/{u_M(1-ε²)/4}²(5)
同理，I_B(0，u)线性段内的斜率k_B(0，0，u_M)为：k_B(0，0，u_M)＝(1-ε²)²·sinc[u_M(1-ε²)/4π]×[{u_M(1-ε²)/4}·cos{u_M(1-ε²)/4}-sin{u_M(1-ε²)/4}]/{u_M(1-ε²)/4}²(6)
I_C(0，u)线性段内的斜率k_C(0，0，u_M)为：k(0，0，u_M)＝-2×(1-ε²)²·sinc[u_M(1-ε²)/4π]×[{u_M(1-ε²)/4}·cos{u_M(1-ε²)/4}-sin{u_M(1-ε²)/4}]/{u_M(1-ε²)/4}²(7)
求(5)、(6)和(7)的极值得，当ε＝0.5时，在u_M＝±6.95处，k_A(0，0，u_M)、k_B(0，0，u_M)和k_C(0，0，u_M)对应的极值的绝对值最大，依次为0.15、0.15和0.30，此时，在ε＝0.5的情况下，I(v，0)和I(0，u)响应曲线的FWHM最小。
图3为当ε＝0.5，u_M＝6.95时，I(v，u)的响应曲面，图4为I(v，u)归一化响应曲面，图5为共焦显微镜I₁(v，u，0)的归一化响应曲面，图4与图5相比，在I(v，u)≥0的区域，主瓣明显得到锐化，旁瓣得到抑制。
图6为当ε＝0.5，u_M＝6.95时，I₁(0，u，0)、I₂(0，u，-u_M)、I₃(0，u，+u_M)、I_C(0，u)和I(0，u)的响应曲线，图7为其归一化响应曲线。整形环形光三差动共焦显微镜成像时，工作在I(0，u)≥0的显微成像区域，从图6可以看出，在此成像范围内I(0，u)曲线的FWHM比I₁(0，u，0)曲线的FWHM改善约66％以上，I(0，u)两斜边段的线性明显优于I₁(0，u，0)两斜边段的线性，在I(0，u)≥0的成像范围内，旁瓣对成像质量影响极小。
图8为当ε＝0.5，u_M＝±6.95时，I₁(v，0，0)和I(v，0)的横向响应曲线，图9为其归一化响应曲线。整形环形光三差动共焦显微镜成像时，工作在I(v，u)≥0的显微成像区域，从图9可以看出，在此成像范围内I(v，0)曲线的FWHM比I₁(v，0，0)曲线的FWHM改善约20％以上，I(v，0)两斜边段的线性明显优于I₁(v，0，0)两斜边段的线性，在I(0，u)≥0的成像范围内，旁瓣对成像质量影响极小。
依据图2所示的整形环形光三差动共焦显微镜原理建立实验装置，物镜参数为60×0.85，针孔孔径为φ10μm。二元光学器件为16位相台阶衍射光学器件，二元光学器件输入光波λ＝632.8nm，输入光束最大直径为φ4.3mm，经二元光学器件整形后，出射环形光束内环半径r_i＝0.435mm，外环半径r_e＝1.7375mm，二元光学器件与可变光阑相配可整形出内环为φ0.87mm，外环小于φ3.45mm的超分辨所需的任意环形光束，实验中可调光阑孔径调到φ1.8mm，则出射环形激光光束内、外环直径分别为φ0.87mm和φ1.8mm，对应的ε≈0.5。被测物选用量块，移动工作台使量块沿整形环形光三差动共焦显微镜轴向位移，位移量用HP5529A双频激光干涉仪检测。图10中，I₁(0，z，0)、I₂(0，z，-M)和I₃(0，z，+M)为测得的强度响应曲线，I_C(0，z)和I(0，z)为I₁(0，z，0)、I₂(0，z，-M)和I₃(0，z，+M)间两两差动相减得到的轴向强度响应曲线，图11为I₁(0，z，0)和I(0，z)的归一化轴向强度响应曲线36和39。
从图11可以看出，在I(0，z)＞0的测量段内，I(0，z)曲线的半高宽比I₁(0，z，0)曲线的半高宽约小一倍以上，即共焦显微镜的轴向分辨力改善了约50％以上，同时I(0，z)两斜边段的线性明显优于I₁(0，z，0)两斜边段的线性，在I(0，z)＞0的测量段内旁瓣对测量的影响极小。图10中，与I₃(0，z，0)相比，I_C(0，z)强度响应线性范围得到拓展，分辨力得到提高，线性得到改善，并具有绝对测量零点，测量结果与理论分析和仿真实验基本一致。
整形环形光三差动共焦显微镜的横向分辨特性可以通过测量标准台阶跳变处的横向位移变化量来考核。图12为利用美国DI公司Dimension3100型原子力显微镜(AFM)对该标准台阶测得的曲线结果图，两标识点(三角)垂直方向对应的台阶高度约等于118.23nm，水平方向对应的台阶跳跃区的距离为0.1367μm。图13给出了NA＝0.85，ε＝0.50时，测得的标准台阶横向扫描结果曲线。台阶跳跃区垂直方向对应的电压值约为300mV。台阶跳跃区水平方向对应的距离为0.268μm，若再考虑台阶自身的斜度及AFM自身的横向分辨力总计为0.1367μm，则整形环形光照射式共焦显微镜的横向分辨力应优于0.2μm。可见，整形环形光超分辨技术使共焦显微镜的横向分辨力得到改善，若增大ε仍可继续改善共焦显微镜，但ε的选取应综合考虑轴向分辨特性等综合因素。