[发明专利]超分辨激光偏振差动共焦成像方法与装置

权利要求书

1.一种超分辨激光偏振差动共焦成像方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)入射光通过扩束器、偏振态调制系统调制为径向偏振光，经光瞳滤波器、分光镜、物镜聚焦到被测样品表面，样品表面的反射光再次经过物镜、分光镜，其反射光入射到差动共焦系统；差动共焦系统中第一针孔和第一探测器置于第一透镜焦前位置+M处，第二针孔和第二探测器置于第二透镜焦后位置-M处，距离M对应的光学归一化位移为u_M，轴向和横向归一化坐标分别为u和v；

(2)对被测样品进行轴向扫描，第一探测器和第二探测器分别测得反映被测样品表面形貌信息的强度响应信号I₁(c，u，+u_M)和I₂(c，u，-u_M)，其差动响应为F(c，u，u_M)；

(3)对被测样品进行横向扫描，即可得到一组强度响应信号I₁(v，u，+u_M)和I₂(v，u，-u_M)，其差动响应为F(v，u，u_M)；

(4)利用差动响应F(v，u，u_M)即重构被测样品的表面三维形貌及微观尺度。

2.一种超分辨激光偏振差动共焦成像装置，包括激光光源，其特征在于：还包括依次放置在激光光源发射端方向的扩束器、偏振态调制系统、光瞳滤波器、分光镜，依次放置于分光镜透射光方向的物镜、样品，以及分光镜反射光方向反方向的差动共焦系统；差动共焦系统中的第一透镜、第一针孔、第一探测器依次放置在分光镜的透射光方向，第二透镜、第二针孔、第二探测器依次放置在分光镜的反射光方向，第一探测器置于第一透镜焦前，第二探测器置于第二透镜焦后，第一透镜与第二透镜焦距相等，两探测器关于透镜焦点位置对称，离焦量大小相同方向相反。

3.根据权利2所述的超分辨激光偏振差动共焦成像装置，其特征在于：用透镜和放置在透镜焦点位置的探测器构成的共焦系统来代替差动共焦系统。

4.根据权利2或3所述的超分辨激光偏振差动共焦成像装置，其特征在于：所述的偏振态调制系统包括由沿光轴依次放置在扩束器出射光线方向的偏振调制器、第一λ/4波片、纯相位液晶空间光调制器和第二λ/4波片；纯相位液晶空间光调制器的快慢轴方向分别与第一λ/4波片和第二λ/4波片的快慢轴成45°角。

5.根据权利2或3所述的超分辨激光偏振差动共焦成像装置，其特征在于：所述的偏振态调制系统包括沿光轴依次放置在扩束器出射光方向的偏振调制器、扭曲向列型液晶盒、螺旋相位元件、第一λ/2波片和第二λ/2波片；其中，对扭曲向列型液晶盒的一块基底做均匀单方向定向处理，对另一块基底做旋转对称单方向处理，从偏振调制器出射的线偏光的振动方向与扭曲向列型液晶盒轴平行。

6.根据权利2或3所述的超分辨激光偏振差动共焦成像装置，其特征在于：所述的偏振态调制系统包括沿光轴依次放置在扩束器出射光方向的偏振调制器、分块λ/2波片空间变化延迟器、聚焦透镜、非共焦Fabry-Perot干涉仪和准直透镜组成；分块λ/2波片空间变化延迟器由4块或8块光学性质完全相同的λ/2波片拼接组合，其快轴或慢轴与从偏振调制器出射的线偏光的振动方向的夹角分别为0°、45°、90°和-45°或0°、22.5°、45°、67.5°、90°、-67.5°、-45°和-22.5°。

7.根据权利2或3所述的超分辨激光偏振差动共焦成像装置，其特征在于：所述的光瞳滤波器是同心三环或五环二元光学元件，与高数值孔径物镜结合，将径向偏振光聚焦后，得到的焦斑大小小于衍射极限值。

8.根据权利2或3所述的超分辨激光偏振差动共焦成像装置，其特征在于：该测量装置包括主控计算机和机电控制装置；主控计算机通过探测器获取差动共焦响应信号，通过控制机电控制装置来调节样品的位置，实现样品的三维扫描移动。