[发明专利]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

美国学者M.Minsky于1957年首次提出共焦显微镜的思想，并于1961年获得美国专利，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，构成了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。

共焦显微镜层析成像能力由其轴向响应曲线的半高宽FWHM决定，而FWHM与光波波长λ成正比，与物镜的数值孔径NA的平方成反比。由于受衍射现象的限制，传统的通过增大物镜数值孔径NA和减小光波波长λ的方法改善共焦显微镜层析成像能力有限。共焦显微镜要达到几微米的轴向分辨力，物镜的数值孔径至少要达到0.6。而NA＝0.6的物镜通常只能提供很小的视场和很短的工作距离。

为改善共焦显微镜的层析成像能力，近年来，国内外的学者不断地提出了新的研究成果。例如，中国专利“共焦显微镜”(申请号：01122439.8，公开号：CN 1395127A)提出将干涉法引入传统的共焦显微成像系统中，用于改进轴向分辨力的方法；台湾大学的C-H.Lee等提出了非干涉差分共焦显微技术理论(Optics Comm.1997，35：233～237)；中国专利“双频共焦台阶高度显微测量装置”(申请号：02120884.0，公开号：CN 1384334A)公开了一种双频共焦台阶干涉显微系统；中国专利“具有高空间分辨力的差动共焦扫描检测方法”(专利号：ZL200410006359.6)提出了将差动技术引入共焦显微测量技术中，用于提高空间分辨力。

又例如美国Wellman实验室和Schepens眼科研究中心的Webb和Rogomentich提出了一种用于医学活体样本检验的双轴结构共焦显微成像方法，该方法将共焦显微系统的照明光路和测量光路对称地布局在测量面法线两侧，使得系统的合成轴向分辨力由两个相交光束的横向分辨力决定，即系统合成轴向分辨力变成与物镜NA成反比，达到了利用相对较小NA的物镜即可得到较高系统轴向分辨力的目的。同时，平衡了整个系统的横向和轴向分辨力大小，增大了系统的视场和工作距离(Applied Optics.Vol.38，No.22.1999)。美国斯坦福大学的Thomas Wang等人将光纤和MEMS器件引入到双轴共焦显微成像系统中，研制出小型化的三维双轴共焦显微镜，用于高分辨力的医学活体成像(Optics Letters.Vol.28，No.6.March 15，2003；Optics Letters.Vol.28，No.20.October 15，2003；Optics Express.Vol.16，No.10.May 12，2008)。

综上所述，上述进展中基于传统共轴共焦显微技术的测量方法普遍存在物镜尺寸和系统分辨力二者无法很好的平衡的问题，若通过提高物镜数值孔径来提高系统分辨力，则会使得物镜尺寸增大，系统工作距离减小，且不易小型化。而将照明光路和测量光路对称地布局在测量面法线两侧的双轴结构虽然有效地平衡了整个共焦系统的空间尺寸，但其单一探测器的设计依旧不利于消除光源的光强漂移和探测器的电子漂移等共模噪声，且不具备绝对位置瞄准和双极性跟踪等能力。

发明内容

为了克服上述已有的共焦显微系统的不足，本发明提出了一种超分辨双轴差动共焦测量方法与装置，使共焦显微系统通过大工作距离的低数值孔径的物镜即可提高分辨力的，并提高其抗干扰能力和线性范围，具备绝对位置瞄准和双极性跟踪等能力。

本发明的技术解决方案是：一种超分辨双轴差动共焦测试方法，包含以下步骤：

(a)将照明光路1和测量光路2对称地布局在测量面法线3两侧，使照明光轴4和测量光轴5与测量面法线3的夹角6大小为θ，以测量面法线3方向为测量轴线，建立系统坐标系(x，y，z)；

(b)平行光(波长λ)通过照明端光瞳滤波器10进行滤波整形，经由照明物镜11聚焦到放置在微位移工作台13上的被测样品12表面，含有样品信息的反射光束被反射进入测量物镜14，出射为平行光，并经由测量端光瞳滤波器15滤波整形；

(c)由测量端光瞳滤波器15出射的光束被分光镜16分为两束，分别通过第一集光镜17和第二集光镜20，分别聚焦在位于两个集光镜焦前和焦后位置的第一针孔18和第二针孔21上，分别被贴近两个针孔后面的第一光电探测器19和第二光电探测器22探测；两个探测器对应的归一化轴向偏移为±u_cd；