[发明专利]分割焦斑探测的超分辨双轴差动共焦测量方法与装置

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；