激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于光學(xué)精密成像測試【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置。本發(fā)明的核心思想是將分光瞳激光差動(dòng)共焦探測技術(shù)和激光受激發(fā)射損耗成像技術(shù)有機(jī)融合，集成了分光瞳差動(dòng)共焦探測技術(shù)的高分辨、高散射抑制特性，通過激光差動(dòng)共焦技術(shù)提高軸向分辨能力，通過受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)改善橫向分辨能力，繼而提高系統(tǒng)的空間分辨力和抗樣品散射能力。該裝置包括激發(fā)激光系統(tǒng)、第一雙色鏡、四分之一波片、測量物鏡、樣品、掃描工作臺(tái)、淬滅激光系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)、第二雙色鏡、分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理模塊。本發(fā)明具有高空間分辨、高散射樣品抑制的三維超分辨成像與檢測能力，在微納米【技術(shù)領(lǐng)域】具有廣泛的應(yīng)用前景。
【專利說明】激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)精密成像測試【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置，可用于微納米【技術(shù)領(lǐng)域】納米級(jí)幾何參數(shù)的三維超分辨成像與檢測。
技術(shù)背景
[0002]共焦顯微術(shù)由于具有獨(dú)特的縱向?qū)游龀上衲芰?，以及便于與超分辨技術(shù)相結(jié)合的優(yōu)勢，使得其在高分辨光學(xué)顯微探測領(lǐng)域中獨(dú)樹一幟，在納米級(jí)成像與檢測中發(fā)揮著極其重要的作用。
[0003]目前，在改善共焦顯微成像分辨力的研宄方面，出現(xiàn)了差動(dòng)共焦顯微術(shù)、雙軸共焦顯微術(shù)、共焦干涉顯微術(shù)、4 η共焦顯微術(shù)和受激發(fā)射損耗顯微鏡(Stimulated Emiss1nDeplet1n Microscopy，STED)等。但這些方法存在諸多局限和不足，如:差動(dòng)共焦顯微術(shù)的軸向分辨力可達(dá)納米量級(jí)，但其橫向分辨力較共焦顯微術(shù)沒有任何改善；雙軸共焦顯微術(shù)的軸向分辨力有所提高，但是以犧牲了一部分橫向分辨能力為代價(jià)的，其空間分辨力改善不明顯；4 3!共焦顯微法僅改善了軸向分辨能力，對(duì)橫向分辨力的改善沒有貢獻(xiàn)；雙光束共焦自干涉顯微法的橫向分辨力相對(duì)普通共焦顯微術(shù)的橫向分辨力改善了 38%，對(duì)軸向分辨能力和層析能力毫無改善；STED顯微成像技術(shù)使共焦顯微成像的橫向分辨能力改善了 10余倍，但其主要集中在橫向分辨力的改善方面。
[0004]上述各測量原理及方法的局限，迫使人們在傳統(tǒng)的光學(xué)測量原理基礎(chǔ)上利用新方法、新技術(shù)來突破衍射極限，實(shí)現(xiàn)光學(xué)遠(yuǎn)場三維超分辨(高空間分辨)成像檢測。
[0005]近年來，國、內(nèi)外在實(shí)現(xiàn)共焦顯微的三維成像研宄方面發(fā)展迅速，例如，中國發(fā)明專利“具有高空間分辨率的差動(dòng)共焦掃描檢測方法”(專利號(hào):200410006359.6)，其提出了超分辨差動(dòng)共焦檢測方法，使系統(tǒng)軸向分辨力達(dá)到納米級(jí)，并顯著提高了環(huán)境抗干擾能力，中國發(fā)明專利“超分辨激光偏振差動(dòng)共焦成像方法與裝置”(專利號(hào):200410006359.6)，其提出通過徑向偏振光與光瞳濾波技術(shù)相結(jié)合，改善橫向分辨力；通過軸向偏置的雙探測器系統(tǒng)差動(dòng)相減探測技術(shù)，改善軸向分辨力，繼而顯著改善系統(tǒng)空間分辨力和層析成像能力，其同樣使系統(tǒng)軸向分辨力達(dá)到納米級(jí)，并顯著提高了環(huán)境抗干擾能力。遺憾的是，專利“具有高空間分辨率的差動(dòng)共焦掃描檢測方法”和“超分辨激光偏振差動(dòng)共焦成像方法與裝置”盡管使軸向分辨力達(dá)到納米量級(jí)，但其橫向分辨力只能突破經(jīng)典衍射橫向分辨力30%左右，限制了其在高橫向分辨力要求領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0006]基于此，本發(fā)明提出另一種全新的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法，其通過分光瞳激光差動(dòng)共焦技術(shù)提高軸向分辨能力，通過受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)改善橫向分辨能力，繼而達(dá)到空間分辨力的大幅改善。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為了突破光學(xué)衍射極限，提出激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置，以期為納米成像檢測領(lǐng)域空間分辨能力的改善提供全新的技術(shù)途徑。本發(fā)明通過位于焦平面位置的探測系統(tǒng)的分光瞳差動(dòng)相減探測技術(shù)，顯著改善軸向分辨力，通過受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)改善橫向分辨能力，繼而大幅改善共焦顯微系統(tǒng)的空間分辨能力和層析成像能力。
[0008]本發(fā)明的目的是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。
[0009]本發(fā)明激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法，包括以下步驟:
[0010]1.在測量物鏡的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳；激發(fā)激光系統(tǒng)發(fā)出的波長為A1的激發(fā)平行光束經(jīng)第一雙向分色鏡反射，再透過第二雙色鏡和四分之一波片入射到測量物鏡上，經(jīng)照明光瞳由測量物鏡聚焦到被測樣品，被測樣品反射的帶有樣品信息的光(或激發(fā)的熒光)經(jīng)測量物鏡的收集光瞳、四分之一波片、第二雙色鏡和第一雙色鏡后進(jìn)入分光瞳激光差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)；分光瞳激光差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)利用探測器橫向偏移能夠使分光瞳激光共焦顯微系統(tǒng)的軸向響應(yīng)特性曲線產(chǎn)生相移的特性，采用單光路、單探測器分割焦斑差動(dòng)探測方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測樣品表面形貌信息的探測，具體過程為:對(duì)分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)所獲得的探測光斑進(jìn)行分割處理，得到探測區(qū)域A和探測區(qū)域B的兩個(gè)信號(hào)；當(dāng)對(duì)兩個(gè)探測區(qū)域的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)相減處理時(shí)，能夠進(jìn)行高空間分辨的三維層析成像；
[0011]2.對(duì)被測樣品進(jìn)行軸向掃描定焦，探測區(qū)域A和探測區(qū)域B分別測得反映被測樣品表面形貌信息的強(qiáng)度響應(yīng)信號(hào)I1 (X，y, z)和I2 (x, y, z)，并經(jīng)分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)相減得到差動(dòng)響應(yīng)F (X，y, z)的曲線；
[0012]3.軸向移動(dòng)被測樣品，使被測樣品處于激光差動(dòng)共焦特性曲線零點(diǎn)附近對(duì)應(yīng)的聚焦焦斑；此時(shí)，淬滅激光系統(tǒng)發(fā)出的波長為λ 2的平行光束經(jīng)光束整形系統(tǒng)整形，該整形光束經(jīng)第二雙色鏡反射，再透過四分之一波片和測量物鏡的照明光瞳聚焦在焦點(diǎn)附近生成環(huán)形光斑；
[0013]4.利用波長為λ 2的環(huán)形光斑對(duì)波長為λ i的測量系統(tǒng)的聚焦焦斑進(jìn)行淬滅，進(jìn)而得到光斑尺寸與環(huán)形光斑中空尺寸對(duì)應(yīng)的尺寸極小的淬滅聚焦光斑。
[0014]5.利用淬滅聚焦光斑發(fā)出的帶有樣品信息的光束進(jìn)行分光瞳差動(dòng)共焦探測得到差動(dòng)響應(yīng)F(x，y, z)，即可重構(gòu)被測樣品的表面三維形貌及微觀尺度。
[0015]本發(fā)明提供了一種三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，包括激發(fā)激光系統(tǒng)、第一雙色鏡、四分之一波片、測量物鏡、樣品、掃描工作臺(tái)、淬滅激光系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)、第二雙色鏡、分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理模塊；其中第一雙色鏡放置在激發(fā)激光光束產(chǎn)生系統(tǒng)出射方向，光束整形系統(tǒng)、第二雙色鏡放置在淬滅激光系統(tǒng)出射方向，第二雙色鏡、四分之一波片、測量物鏡、樣品、掃描工作臺(tái)依次放置在第一雙色鏡反射方向，分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)位于第一雙色鏡和第二雙色鏡的透射光方向，分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)；分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)包括激發(fā)激光系統(tǒng)、第一雙色鏡、四分之一波片、測量物鏡、照明光瞳、收集光瞳、聚光鏡、圖像采集系統(tǒng)和掃描工作臺(tái)。
[0016]其中，在測量物鏡的光瞳面上放置照明光瞳和收集光瞳，照明光瞳和測量物鏡依次位于第一雙色鏡和第二雙色鏡反射光方向上，照明光瞳與激發(fā)光束同軸；分光瞳激光差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)位于第一雙色鏡和第二雙色鏡的透射方向上；被測樣品固定在三維掃描裝置的載物臺(tái)上。
[0017]本發(fā)明的裝置中，淬滅激光系統(tǒng)可以是連續(xù)光源，也可以是脈沖光源。
[0018]本發(fā)明的裝置中，光束整形系統(tǒng)可以是環(huán)形光整形系統(tǒng)，例如環(huán)形光瞳濾波器、圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)衍射器件等，將淬滅激光束整形成環(huán)形激光束；也可以是位相調(diào)制系統(tǒng)，如位相片、微透鏡陣列或液晶空間光調(diào)制器等，將淬滅激光束聚焦成環(huán)形光斑。
[0019]特別的，可以通過設(shè)置探測區(qū)域A和探測區(qū)域B的位置參數(shù)以匹配不同反射率的樣品，從而擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
[0020]特別的，在本發(fā)明方法中，所述照明光瞳和收集光瞳可以是環(huán)形、圓形、D形或者其他形狀。
[0021]本發(fā)明的裝置中，分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理位置信息，完成樣品三維重構(gòu)。
[0022]本發(fā)明所述的測量裝置，包括主控計(jì)算機(jī)和機(jī)電控制裝置；主控計(jì)算機(jī)通過探測器獲取差動(dòng)共焦響應(yīng)信號(hào)，通過控制機(jī)電控制裝置來調(diào)節(jié)樣品的位置，實(shí)現(xiàn)樣品的三維掃描移動(dòng)。
[0023]有益效果
[0024]本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下創(chuàng)新點(diǎn):
[0025]1.一種激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法；將激光受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)與分光瞳差動(dòng)共焦技術(shù)有機(jī)融合，利用受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)顯著改善橫向分辨力，利用分光瞳差動(dòng)共焦技術(shù)顯著改善軸向分辨力，從而達(dá)到提高共焦顯微系統(tǒng)空間分辨力的目的；
[0026]2.通過設(shè)計(jì)光束整形系統(tǒng)，可控制環(huán)形光斑的尺寸，根據(jù)樣品測試需求控制系統(tǒng)橫向分辨力；
[0027]3.可以通過改變照明光瞳和收集光瞳的尺寸、形狀，改變系統(tǒng)的軸向分辨力；
[0028]4.利用分光瞳差動(dòng)共焦系統(tǒng)軸向響應(yīng)曲線的過零點(diǎn)與焦點(diǎn)位置精確對(duì)應(yīng)這一特性，通過零點(diǎn)觸發(fā)來精確捕獲激發(fā)光斑焦點(diǎn)位置的樣品信息，實(shí)現(xiàn)高空間分辨的絕對(duì)探測，克服由于探測時(shí)間過長而產(chǎn)生的系統(tǒng)漂移；
[0029]5.本發(fā)明由于采用斜入射的探測光路，抗散射能力強(qiáng)，克服了現(xiàn)有共焦顯微成像技術(shù)無法抑制焦面散射光干擾的缺點(diǎn)，提高了熒光信號(hào)探測的信噪比。
[0030]6.利用差動(dòng)共焦響應(yīng)曲線線性區(qū)域?qū)?yīng)不同聚焦光斑尺寸的特性，對(duì)聚焦光斑位置進(jìn)行精確調(diào)控，進(jìn)而控制測量聚焦光斑的尺寸，便于對(duì)不同測試需求的樣品進(jìn)行測試與分析，即實(shí)現(xiàn)測量聚焦光斑尺寸可調(diào)。
[0031]7.由于采用單光路分割焦斑差動(dòng)探測實(shí)現(xiàn)樣品成像探測，既大幅簡化傳統(tǒng)差動(dòng)共焦顯微系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)，又保留了激光差動(dòng)共焦系統(tǒng)和原有分光瞳共焦系統(tǒng)的優(yōu)勢。
[0032]本發(fā)明對(duì)比已有技術(shù)具有以下顯著優(yōu)點(diǎn):
[0033]1.受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)與分光瞳差動(dòng)共焦技術(shù)的有機(jī)融合，可顯著改善分光瞳差動(dòng)共焦顯微成像系統(tǒng)的橫向分辨力；
[0034]2.差動(dòng)工作方式顯著改善了受激發(fā)射損耗顯微系統(tǒng)軸向響應(yīng)特性的線性，使焦點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的軸向響應(yīng)特性曲線線性最佳、靈敏度最高，可顯著改善受激發(fā)射損耗顯微系統(tǒng)的軸向成像能力；
[0035]3.單光路、單探測器分割焦斑差動(dòng)探測方式可有效抑制共模噪聲，提高探測信號(hào)的信噪比，大幅簡化探測光路系統(tǒng)，消除因兩探測器離軸放置不對(duì)稱、探測器響應(yīng)特性不一致等引起的誤差，改善了共焦系統(tǒng)的離焦特性，顯著改善系統(tǒng)抗干擾能力。
[0036]4.可實(shí)現(xiàn)量程范圍與分辨能力的有效兼顧，通過設(shè)置在焦斑上所取兩個(gè)微小區(qū)域的參數(shù)，以匹配不同反射率的被測樣品，應(yīng)用范圍得到擴(kuò)展；
[0037]5.采用分割焦斑的橫向差動(dòng)共焦方式，便于系統(tǒng)根據(jù)需求更換不同NA值的物鏡，調(diào)節(jié)方便。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法示意圖；
[0039]圖2為環(huán)形光束整形系統(tǒng)的受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法示意圖；
[0040]圖3為本發(fā)明受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置實(shí)施例示意圖；
[0041]圖4為采用位相調(diào)制系統(tǒng)的受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置示意圖；
[0042]其中:1_激發(fā)激光系統(tǒng)、2-第一雙色鏡、3-四分之一波片、4-測量物鏡、5-照明光瞳、6-收集光瞳、7-被測樣品、8-聚焦焦斑、9-分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)、10-聚光鏡、11-圖像采集系統(tǒng)、12-探測區(qū)域A、13-探測區(qū)域B、14-分光瞳差動(dòng)共焦曲線、15-淬滅激光系統(tǒng)、16-光束整形系統(tǒng)、17-第二雙色鏡、18-環(huán)形光斑、19-淬滅聚焦光斑、20-環(huán)形光束整形系統(tǒng)、21-環(huán)形光束、22-位相調(diào)制系統(tǒng)、23-掃描工作臺(tái)、24-主控計(jì)算機(jī)

【具體實(shí)施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0044]本發(fā)明將激光受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)與分光瞳差動(dòng)共焦技術(shù)相融合，其基本思想是:利用激光受激發(fā)射損耗顯微技術(shù)壓縮聚焦焦斑，改善橫向分辨力；利用探測器橫向偏置的分光瞳差動(dòng)相減探測技術(shù)，改善軸向分辨力，改善了共焦顯微系統(tǒng)空間分辨力和層析成像能力。
[0045]實(shí)施例1
[0046]如圖1所示，激光受激發(fā)射損耗顯微三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法，其測試步驟如下:
[0047]首先，從激發(fā)激光系統(tǒng)I發(fā)出的波長為A1的平行光束經(jīng)第一雙色鏡2反射后，透過第二雙色鏡17、四分之一波片3和照明光瞳5，經(jīng)測量物鏡4聚焦在被測樣品7表面，被測樣品7反射的帶有樣品信息的光(或激發(fā)的熒光)透過測量物鏡4的收集光瞳6、四分之一波片3、第二雙色鏡17和第一雙色鏡2，進(jìn)入分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)9 ;分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)9中依次放置聚光鏡10、圖像采集系統(tǒng)11，且在圖像采集系統(tǒng)上設(shè)置了探測區(qū)域12 (即探測區(qū)域A)和探測區(qū)域13 (即探測區(qū)域B)兩個(gè)探測器；
[0048]然后，對(duì)被測樣品7進(jìn)行軸向掃描定焦，探測區(qū)域12和探測區(qū)域13分別測得反映被測樣品表面形貌信息的強(qiáng)度響應(yīng)信號(hào)I1 (X，y, z)和I2 (x, y, z)，并經(jīng)分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)9得到差動(dòng)響應(yīng)F (X，y, z)的分光瞳差動(dòng)共焦曲線14 ；
[0049]再次對(duì)被測樣品7進(jìn)行軸向掃描，使被測樣品7處于分光瞳差動(dòng)共焦曲線14零點(diǎn)附近，對(duì)應(yīng)聚焦焦斑8 ;此時(shí)，從淬滅激光系統(tǒng)15發(fā)出的波長為λ 2的平行光束經(jīng)光束整形系統(tǒng)16對(duì)光束進(jìn)行調(diào)制(整形為環(huán)形光束或相位調(diào)制光束)，調(diào)制后光束經(jīng)第二雙色鏡17反射后透過四分之一波片3，經(jīng)測量物鏡4、照明光瞳5聚焦為環(huán)形光斑18 ;
[0050]而后，利用波長為λ 2的環(huán)形光斑18對(duì)波長為λ 測量系統(tǒng)的聚焦焦斑8進(jìn)行淬滅，得到光斑尺寸與環(huán)形光斑18中空尺寸對(duì)應(yīng)的尺寸極小的淬滅聚焦光斑19。
[0051]最后，利用淬滅聚焦光斑19發(fā)出的帶有樣品信息的光束進(jìn)行軸向分光瞳差動(dòng)共焦探測得到差動(dòng)響應(yīng)F(x，y, z)，即可重構(gòu)被測樣品的表面三維形貌及微觀尺度。
[0052]實(shí)施例2
[0053]如圖2所示，將實(shí)施例1中的光束整形系統(tǒng)16替換為環(huán)形光束整形系統(tǒng)20即可構(gòu)成采用環(huán)形光束整形系統(tǒng)的受激發(fā)射損耗分光瞳三維超分辨差動(dòng)共焦成像方法與裝置，環(huán)形光束整形系統(tǒng)20可以是環(huán)形光瞳濾波器、圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)衍射器件等，將淬滅激光束整形成環(huán)形光束21。
[0054]圖2中，照明光瞳可以是圓形光瞳、D形光瞳或其他形狀的光瞳；也可以是環(huán)形光瞳，直接替代環(huán)形光束整形系統(tǒng)，將入射光束整形為環(huán)形光束。
[0055]其余測量方法與實(shí)施例1相同。
[0056]實(shí)施例3
[0057]如圖3所示，激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置實(shí)施例示意圖，其原理為:
[0058]首先，將被測樣品7放置于掃描工作臺(tái)23上，掃描工作臺(tái)23采用宏-微結(jié)合方式，在χ-y宏工作臺(tái)上集成基于壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器PZT和電容傳感器構(gòu)成的微位移二維工作臺(tái)，啟動(dòng)主控計(jì)算機(jī)24中的測量軟件。
[0059]激發(fā)激光系統(tǒng)I發(fā)出的平行光束經(jīng)第一雙色鏡2反射，透過第二雙色鏡17、四分之一波片3和照明光瞳5，經(jīng)測量物鏡4聚焦到被測樣品7，被測樣品7反射的帶有樣品信息的光(或激發(fā)的熒光)透過收集光瞳6、測量物鏡4、四分之一波片3、第二雙色鏡17和第一雙色鏡2，進(jìn)入分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)9 ;分光瞳差動(dòng)探測共焦系統(tǒng)9中依次放置聚光鏡10、圖像采集系統(tǒng)11，且在圖像采集系統(tǒng)上設(shè)置了探測區(qū)域12 (即探測區(qū)域A)和探測區(qū)域13 (即探測區(qū)域B)兩個(gè)探測器；
[0060]而后，被測樣品7在掃描工作臺(tái)23驅(qū)動(dòng)下進(jìn)行軸向掃描定焦，被測樣品7反射的帶有樣品信息的光(或激發(fā)的熒光)被分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)中圖像采集系統(tǒng)11的探測區(qū)域12和探測區(qū)域13接收探測，分別測得反映被測樣品表面形貌信息的強(qiáng)度響應(yīng)信號(hào)
I1(X，y, z)和I2 (X，y, z)，并經(jīng)分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)9得到差動(dòng)響應(yīng)F (x, y, z)的分光瞳差動(dòng)共焦曲線14;
[0061 ] 再次，軸向移動(dòng)被測樣品7，使被測樣品7處于分光瞳激光差動(dòng)共焦曲線14零點(diǎn)附近，對(duì)應(yīng)聚焦焦斑8 ;此時(shí)，淬滅激光系統(tǒng)15發(fā)出的平行光束經(jīng)環(huán)形光束整形系統(tǒng)20整形為環(huán)形光束21，該環(huán)形光束經(jīng)第二雙色鏡17反射、透過四分之一波片3、照明光瞳5和測量物鏡4聚焦在焦點(diǎn)附近，生成環(huán)形光斑18 ;
[0062]然后，利用環(huán)形光斑18對(duì)聚焦光斑8進(jìn)行淬滅，進(jìn)而得到光斑尺寸與環(huán)形光斑18中空尺寸對(duì)應(yīng)的尺寸極小的淬滅聚焦光斑19。
[0063]最后，利用淬滅聚焦光斑19發(fā)出的帶有樣品信息的光束進(jìn)行軸向分光瞳差動(dòng)共焦探測得到分光瞳差動(dòng)響應(yīng)F(X，y, z)，即可重構(gòu)被測樣品的表面三維形貌及微觀尺度。
[0064]實(shí)施例4
[0065]如圖4所示，為采用位相調(diào)制系統(tǒng)的受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置實(shí)施例示意圖。將實(shí)施例3中的環(huán)形光束整形系統(tǒng)20替換為圖4中的位相調(diào)制系統(tǒng)22，即可構(gòu)成采用位相調(diào)制系統(tǒng)的受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置實(shí)施例4。與實(shí)施例3所不同的是，入射到測量物鏡4的照明光瞳5上的整形光束不是環(huán)形光束，經(jīng)測量物鏡4聚焦后才生成環(huán)形光斑18，然后，利用環(huán)形光斑18對(duì)聚焦光斑8進(jìn)行淬滅，進(jìn)而得到光斑尺寸與環(huán)形光斑18中空尺寸對(duì)應(yīng)的尺寸極小的淬滅聚焦光斑19。其余測量方法與裝置與實(shí)施例3相同。
[0066]以上結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作了說明，但這些說明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的保護(hù)范圍由隨附的權(quán)利要求書限定，任何在本發(fā)明權(quán)利要求基礎(chǔ)上的改動(dòng)都是本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像方法與裝置，其特征在于: 1)在測量物鏡(4)的光瞳面上放置照明光瞳(5)和收集光瞳(6);激發(fā)激光系統(tǒng)(I)發(fā)出的波長為A1的激發(fā)平行光束經(jīng)第一雙向分色鏡(2)反射，在透過第二雙色鏡(17)和四分之一波片(3)入射，經(jīng)照明光瞳(5)由測量物鏡(4)聚焦在被測樣品(7)，被測樣品(7)反射的帶有樣品信息的光(或激發(fā)的熒光)測量物鏡(4)的收集光瞳(6)、四分之一波片(3)、第二雙色鏡(17)和第一雙色鏡(2)，進(jìn)入分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)(9);分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)(9)利用探測器橫向偏移能夠使分光瞳激光共焦顯微系統(tǒng)的軸向響應(yīng)特性曲線產(chǎn)生相移的特性，采用單光路、單探測器分割焦斑差動(dòng)探測方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測樣品(7)表面形貌信息的探測，具體過程為:對(duì)分光瞳激光差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)所獲得的探測光斑進(jìn)行分割處理，得到探測區(qū)域A (12)和探測區(qū)域B (13);當(dāng)對(duì)兩個(gè)探測區(qū)域(12)和(13)的信號(hào)進(jìn)行差動(dòng)相減處理時(shí)，能夠進(jìn)行高空間分辨的三維層析成像； 2)對(duì)被測樣品(7)進(jìn)行軸向掃描定焦，探測區(qū)域A(12)和探測區(qū)域B(13)分別測得反映被測樣品表面形貌信息的強(qiáng)度響應(yīng)信號(hào)I1 (X，y, z)和I2 (x, y, z)，并經(jīng)分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)O)得到差動(dòng)響應(yīng)F(x，y，z)的分光瞳差動(dòng)共焦曲線(14); 3)軸向移動(dòng)被測樣品(7)，使被測樣品(7)處于分光瞳差動(dòng)共焦曲線零點(diǎn)附近，對(duì)應(yīng)聚焦焦斑(8);此時(shí)，淬滅激光系統(tǒng)(15)發(fā)出的波長為λ 2的平行光束經(jīng)光束整形系統(tǒng)(16)整形，該整形光束經(jīng)第二雙色鏡(17)反射，再透過四分之一波片(3)和測量物鏡(4)的照明光瞳(5)聚焦在焦點(diǎn)附近生成環(huán)形光斑(18); 4)利用波長為λ2的聚焦環(huán)形光斑(18)對(duì)波長為λ ^勺測量系統(tǒng)的聚焦焦斑(8)進(jìn)行淬滅，進(jìn)而得到光斑尺寸與環(huán)形光斑(18)中空尺寸對(duì)應(yīng)的尺寸極小的淬滅聚焦光斑(19)。 5)利用淬滅聚焦光斑(19)發(fā)出的帶有樣品信息的光束進(jìn)行分光瞳差動(dòng)共焦探測得到差動(dòng)響應(yīng)F(x，y, z)，即可重構(gòu)被測樣品的表面三維形貌及微觀尺度。
2.一種激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:包括激發(fā)激光系統(tǒng)(I)、第一雙色鏡(2)、四分之一波片(3)、測量物鏡(4)、掃描工作臺(tái)(23)、淬滅激光系統(tǒng)(15)、光束整形系統(tǒng)(16)、第二雙色鏡(17)、分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)(9);其中第一雙色鏡(2)放置在激發(fā)激光系統(tǒng)出射方向(I)，光束整形系統(tǒng)(16)、第二雙色鏡(17)放置在淬滅激光系統(tǒng)(15)出射方向，第二雙色鏡(17)、四分之一波片(3)、測量物鏡⑷、被測樣品(7)、掃描工作臺(tái)(23)依次放置在第一雙色鏡(2)反射方向，分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)位于第一雙色鏡(2)和第二雙色鏡(17)的透射光方向，分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)(9)包括數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)；分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)包括激發(fā)激光系統(tǒng)(I)、第一雙色鏡(2)、四分之一波片(3)、測量物鏡(4)、照明光瞳(5)、收集光瞳(6)、激光鏡(10)、圖像采集系統(tǒng)(11)、掃描工作臺(tái)(23) ο
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:在測量物鏡⑷的光瞳面上放置照明光瞳(5)和收集光瞳(6)，照明光瞳(5)和測量物鏡(4)依次位于第一雙色鏡(2)和第二雙色鏡(17)反射光方向上，照明光瞳(5)與激發(fā)光束同軸；分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)(9)位于第一雙色鏡(2)和第二雙色鏡(17)的透射方向上；被測樣品(7)固定在掃描工作臺(tái)(23)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:淬滅激光系統(tǒng)可以是連續(xù)光源，也可以是脈沖光源。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:光束整形系統(tǒng)(16)是環(huán)形光整形系統(tǒng)，將淬滅激光束整形成環(huán)形激光束；或是位相調(diào)制系統(tǒng)，將淬滅激光束聚焦成環(huán)形焦斑。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:所述環(huán)形光整形系統(tǒng)包括環(huán)形光瞳濾波器、圓環(huán)形位相分布的二元光學(xué)衍射器件。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:所述位相調(diào)制系統(tǒng)包括位相片、微透鏡陣列或液晶空間光調(diào)制器。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:還包括可以通過設(shè)置探測區(qū)域A(12)和探測區(qū)域B(13)的位置參數(shù)以匹配不同反射率的樣品，從而擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:照明光瞳和收集光瞳可以是環(huán)形、圓形、D形或者其他形狀。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光受激發(fā)射損耗三維超分辨分光瞳差動(dòng)共焦成像裝置，其特征在于:分光瞳差動(dòng)共焦探測系統(tǒng)(9)包括數(shù)據(jù)處理模塊，用于處理位置信息，完成樣品三維重構(gòu)。
【文檔編號(hào)】G01B11/24GK104482880SQ201410790656
【公開日】2015年4月1日 申請日期:2014年12月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月17日
【發(fā)明者】趙維謙, 邱麗榮, 王允 申請人:北京理工大學(xué)